第9章：PKI技术

PKI概念

PKI技术概述

  • 公钥基础设施（Public Key Infrastructure, PKI）是用于实施和提供安全服务的基础设施。它能提供认证、数据完整性、数据保密性、不可否认性、公证等服务。
  • PKI主要用于抵抗”公钥替换”攻击，通过将用户的公钥与其身份信息以可验证和可信的方式关联起来，确保公钥的真实性。

PKI服务

  1. 认证服务：确认实体的真实身份，通过验证证书和数字签名，确保通信双方的身份。
  2. 数据完整性服务：保证数据在传输和处理过程中未被修改。通过数字签名和哈希算法提供数据完整性保证。
  3. 数据保密性服务：采用”数字信封”机制，使用对称密钥加密敏感数据，并用接收方的公钥加密对称密钥。
  4. 不可否认性服务：保证实体对其行为的认可，包括数据来源、接收、传输、创建和同意的不可否认性。
  5. 公证服务：确认数据的有效性和正确性，通过数字签名和公钥验证。
PKI组成结构

PKI组成

  1. 注册中心（Registration Authority, RA）：负责用户的身份注册和验证。
  2. 证书中心（Certificate Authority, CA）：负责生成和颁发数字证书。
  3. 目录库（Directory）：存储和管理数字证书，提供查询服务。
  4. 证书回收列表（Certificate Revocation List, CRL）：管理和发布被撤销的证书列表。
PKI流程
  • 用户生成自己的公钥和私钥后，将公钥发送给RA进行注册申请。
  • RA批准申请后，CA颁发包含用户身份信息、公钥和CA签名的数字证书。
  • 当其他用户发送消息时，需要从目录库中找到接收方的数字证书并验证其有效性，然后利用公钥加密消息。
PKI的关键技术

数字证书

  • 数字证书是由CA签发的，用于证明公钥的持有者身份的信息。它包括用户的身份信息、公钥和CA的签名。
  • 数字证书通过数字签名保证其真实性和完整性，防止伪造。

数字认证中心（CA）

  • CA是PKI的核心，负责签发、管理、撤销和更新数字证书。
  • CA的公钥通过可信任的渠道分发给用户，用于验证数字证书。

证书的验证

  • 验证数字证书的过程包括检查证书的签名是否由可信任的CA生成，以及证书是否在有效期内。
  • 用户通过验证证书的CA签名，确保证书的真实性，然后使用证书中的公钥进行加密通信或验证签名。

证书的发放

  • 用户向RA提交申请并经过验证后，CA生成和签发数字证书。
  • 证书包含用户的公钥、身份信息和CA的签名，确保证书的合法性和公钥的真实性。

证书撤销机制

  • 当证书持有者的私钥泄露或不再可信时，需要撤销证书。
  • CA通过发布证书回收列表（CRL）来管理被撤销的证书，用户在使用证书前需要查询CRL以确认证书的状态。

PKI结构中的信任关系

  • 信任：CA、RA、目录库等组件之间的信任关系确保整个PKI系统的安全性。
  • 不信任：被撤销的证书、未经验证的公钥或不可信的CA都不应被信任。
PKI替代方案：基于身份的加密体制（IBE）

概念

  • 基于身份的加密体制（Identity-Based Encryption, IBE）由Shamir于1984年提出，旨在简化证书管理。
  • IBE使用与实体身份相关的信息（如电子邮箱、手机号码）作为公钥，避免了频繁获取和验证证书的需求。

IBE工作原理

  1. 系统初始化：私钥生成器（PKG）产生主密钥和公开参数，并公开发布。
  2. 私钥生成：PKG根据主密钥和用户的身份信息生成用户的私钥。
  3. 加密消息：使用实体的身份信息和公开参数计算公钥并加密消息。
  4. 解密消息：实体通过私钥解密消息。

IBE的有效期管理

  • 在公钥生成中加入时间信息，使公钥变为”身份信息+时间信息+PKG的公开参数”的组合，从而实现密钥的更新和有效期管理。

IBE与PKI的比较

  • 公私钥管理：IBE中的公钥由身份信息和公开参数生成，私钥由PKG生成；PKI中的公私钥对由用户或KMC生成，公钥通过数字证书发布。
  • 密钥有效期：IBE通过加入时间信息实现密钥更新和撤销，PKI通过证书有效期和CRL管理密钥。
  • 信道安全性：IBE需要可靠的安全信道传递私钥，PKI对信道安全性的要求较低，私钥由用户掌握。