第8章：密钥管理

密钥管理概述

密钥管理

  • 密钥管理是对密钥生命周期（产生、存储、分配、备份/恢复、更新、撤销、归档、销毁）全过程实施的安全保密管理。
  • 主要内容包括密钥的产生、分配和维护。维护涉及密钥的存储、更新、备份、恢复、销毁等方面。

密钥分类

  1. 静态密钥（长期密钥）：使用周期较长，具体周期视应用而定，可能是几小时到几年。
  2. 会话密钥（短期密钥）：生命周期较短，可能是几分钟到几天。会话密钥通常用于在某一时间段内加密数据。

密钥种类

  1. 基本密钥（base key）：又称初始密钥或用户密钥，用于参与或控制密码变换，在一定范围配置、一定时间更换。
  2. 会话密钥（session key）：在一次通话或交换数据时使用的密钥。通常与基本密钥结合对消息进行加密，且一报一换。
  3. 密钥加密密钥（key encrypting key）：用于对会话密钥进行加密保护。又称辅助（二级）密钥或密钥传送密钥。
  4. 主密钥（Primary Master Key）：用于对密钥加密密钥进行加密保护。
  5. 公钥体制下的密钥：包括公开密钥、秘密密钥、签名密钥、认证密钥等。

密钥产生

  • 基本要求：具有良好的随机性，包括长周期性、非线性、统计意义上的等概率性及不可预测性。
  • 主密钥：应当是高质量的真随机序列，通常通过如掷硬币、随机选取等方法产生。
  • 密钥加密密钥：利用真随机数产生器芯片产生或使用主密钥和强密码算法产生。
  • 会话密钥：在密钥加密密钥作用下通过加密算法动态地产生，如用密钥加密密钥控制AES算法产生。

密钥管理的层次结构

  • 包括主密钥、密钥加密密钥和会话密钥的注入、密钥协定和加密。

密钥管理的生命周期

  • 包括密钥生成、注册、装入、备份、恢复、更新、注销与销毁等过程。
密钥协商

密钥协商协议

  • 密钥协商协议使两个用户在公开信道生成一个会话密钥，该会话密钥是双方输入消息的一个函数。

Diffie-Hellman密钥交换协议

  • 1976年由Diffie和Hellman提出，是一个典型的密钥协商协议。通信双方利用该协议可以安全地建立一个共享密钥。
  • 公开参数：设p是一个大素数，g∈Zp是一个本原元。

  • 协议过程：

    1. $A$随机选取$a(2≤a≤p-2)$，计算$yA ≡ ga \mod p$，并将$yA$发送给$B$。
    2. $B$随机选取$b(2≤b≤p-2)$，计算$yB ≡ gb \mod p$，并将$yB$发送给$A$。
    3. $A$计算$k ≡ yB^a \mod p$。
    4. $B$计算$k ≡ yA^b \mod p$。
    5. 用户$A$和$B$建立共享密钥$k ≡ gab \mod p$，然后使用对称密码体制以k为密钥进行保密通信。

  • 例子：假设$p=19$, $g=13$, A和B分别选取随机数$a=3$和$b=5$。A计算$yA≡133 \mod 19≡12$，B计算$yB≡135 \mod 19≡14$。A和B分别计算$k≡143 \mod 19≡8$和$k≡125 \mod 19≡8$，获得共享密钥$k=8$。

  • 中间人攻击：敌手在A和B之间截获并替换消息，导致A与敌手建立共享密钥$K_1$，B与敌手建立共享密钥$K_2$，缺乏认证性。

端到端协议

  • 1992年，Diffie, Oorschot和Wiener提出了端到端协议（station-to-station protocol），改进了Diffie-Hellman协议，增加了实体间的相互认证和密钥确认，可抵抗中间人攻击。
  • 公开参数：$p$是大素数，$g$是本原元。每个用户有签名方案和可信中心（TA）签发的证书。
  • 协议过程：
    1. A随机选取$a$，计算yA并发送给B。
    2. B随机选取$b$，计算yB和会话密钥k，并计算EB。
    3. B发送证书、yB和EB给A。
    4. A验证证书有效性，计算k，解密EB并验证签名。
    5. A计算EA并发送证书和EA给B。
    6. B验证证书有效性，解密EA并验证签名。
密钥分配与密钥分割

密钥分配的方法

  1. 物理分配：通过信使进行分配，系统安全性依赖于信使。
  2. 对称密码技术分配：通过信任权威帮助用户产生共享密钥，需要初始密钥的物理建立。
  3. 公钥密码技术分配：使用公钥密码技术，互不认识或信任的用户可建立共享密钥，使用密钥交换协议实现。

秘密共享

  • 秘密共享是现代密码学的一项重要技术，将一个秘密分成许多份额，分配给一群用户，使得足够多的用户提供份额才能重建原来的秘密。

$(k, n)$门限方案

  • 将秘密s分成n个秘密份额，使得：
    1. 由k个或多于k个用户持有的份额可恢复秘密s。
    2. 由k-1个或更少用户持有的份额不能获得关于秘密s的任何信息。
  • k称为门限值，满足$1≤k≤n$。