孫昌霞，車銀超，郭玉峰，龐曉丹，馬新明，張龍龍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450002;2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西西安710071)

目前中國已進(jìn)入建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵時期，農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)不斷應(yīng)用于農(nóng)業(yè)發(fā)展的各個領(lǐng)域，其中較為熱門的是分布式無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)［1］.分布式無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)是為了實現(xiàn)無公害農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)證過程的規(guī)范性和認(rèn)證數(shù)據(jù)資源共享而建立的重要工程，以申報企業(yè)的產(chǎn)地、產(chǎn)品檔案數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圍繞“申報、審查認(rèn)證、認(rèn)證數(shù)據(jù)資源共享”3條主線，對產(chǎn)地評價、產(chǎn)品檢測、申報、審查、監(jiān)管、查詢等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化.同時，從技術(shù)的可獲得性、經(jīng)濟(jì)的可承受性和實施的合理性出發(fā)，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)和分布計算技術(shù)為支撐，構(gòu)建便于申報者申請、職能部門監(jiān)管和認(rèn)證信息共享的分布式農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng).無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)是一個分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如圖1所示，從而實現(xiàn)無公害農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)證全流程、全方位的電子化管理.在分布式環(huán)境下，分布節(jié)點與認(rèn)證中心節(jié)點間存在大量的實時數(shù)據(jù)交互.目前大部分系統(tǒng)都是分布節(jié)點與中心節(jié)點之間的數(shù)據(jù)以明文方式進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)存在被攻擊者竊聽、篡改、假冒等安全隱患，需引入密碼學(xué)技術(shù)提高系統(tǒng)的安全性.

圖1 分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Distributed topological construction

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，如何安全、高效、完整地傳遞數(shù)據(jù)信息變得日益重要，數(shù)字簽名已成為了信息世界認(rèn)證的重要工具，并為信息安全、身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性、不可否認(rèn)性及匿名性等方面提供了重要保證，是電子商務(wù)與網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵技術(shù)之一.為了進(jìn)一步實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的保密性，需要使用提出的簽密技術(shù)［2］，其主要思想是把加密和簽名的功能結(jié)合起來，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保密性和認(rèn)證性.與傳統(tǒng)的“先簽名再加密"的方案相比較，簽密技術(shù)有較少的計算量和較低的通信成本、并行密碼操作、較高的安全性、簡化了同時實現(xiàn)保密和認(rèn)證的密碼協(xié)議的設(shè)計.簽密技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)實生活中，如密鑰分配［3］、電子支付［4，5］、防火墻［6］和密鑰管理［7］、電子投標(biāo)和電子投票等.本研究針對目前大部分無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)中存在的安全問題，采用 RSA-TBOS 簽密方案［8］(Two Birds One Stone:Signcryption using RSA)，使用RSA非對稱加密雙層包裹分布節(jié)點與認(rèn)證中心節(jié)點之間的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)同時對傳輸數(shù)據(jù)的簽名與加密.當(dāng)中心節(jié)點與分布節(jié)點進(jìn)行通信時，為防止數(shù)據(jù)的偽造與篡改，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，為了提供傳輸數(shù)據(jù)的不可否認(rèn)性，需要對傳輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，為了抵抗重放攻擊，對原始數(shù)據(jù)加入隨機(jī)數(shù)進(jìn)行填充，使系統(tǒng)在保證效率不明顯降低的前提下提高整個系統(tǒng)的安全性與可用性.

1 RSA－TBOS簽密方案

假設(shè)k是一個偶正整數(shù).分布節(jié)點A和中心節(jié)點B的 RSA公私鑰參數(shù)分別是［(NA，eA)，(NA，dA)］［(NB，eB)，(NB，dB)］，滿足 |NA|=|NB|=k(其中|x|表示x的長度).假設(shè)G和H是2個雜湊函數(shù)，滿足:H:{0，1}n+k0→{0，1}k1，(2)G:{0，1}k1→{0，1}n+k0.

其中 k=n+k0+k1，是明文長度，2k0和 2k1是可忽略的量.

當(dāng)分布節(jié)點A給中心節(jié)點B發(fā)送消息M∈{0，1}時，分布節(jié)點執(zhí)行:

(1)r←(0，1)k0

(2)ω←H(M‖f)

(3)s←G(ω)⊕(M‖r)

(4)If s‖ω ＞NAgoto1

(5)c'←(s‖ω)dA(mod NA)

(6)If c'＞ NB，c'←c'-2k-1

(7)c←c'eB(mod NB)

(8)Send c to B

當(dāng)中心節(jié)點B要對來自分布節(jié)點A的密文c解簽密時，中心節(jié)點執(zhí)行:

(1)c'←cdB(mod NB)

(2)If c'＞ NA，reject

(3)μ←c'eA(mod NA)

(4)Parseμas s‖ω

(5)M‖r←G(ω)⊕s

(6)If H(M‖r)=ω，return M

(7)c'←c'+2k-1

(8)If c'＞ NA，reject

(9)μ←c'eA(mod NA)

(10)Parse μ as s‖ω

(11)M‖r←G(ω)⊕s

(12)If H(M‖r)≠ω，reject

(13)Return M

(算法中的“‖”表示比特串的鏈接，“⊕”表示比特串的按位異或)

在簽密過程中的第6步是為了確保c'＜NB.如果最初c'不能通過該測試，那么有NA＞c'＞NB.因為NB和NA都有k比特，可以推出c'也是k比特，所以賦值c'←c'-2k-1等于將c'的最高位比特去掉.這樣就要求c'＜NB.但這個步驟可能會導(dǎo)致解簽密中的額外步驟.特別地，可能需要執(zhí)行c'eA(mod NA)2次(2個c'相差2k-1).定義另一種在簽密階段進(jìn)行試錯測試的方案是可能的，這意味著對不同的r值重復(fù)簽密步驟1-5直到得到1個c'＜NB.

2 方案的設(shè)計與實現(xiàn)

RSA-TBOS簽密方案使用 Java［9］進(jìn)行實現(xiàn)，由于算法設(shè)計的復(fù)雜性，這里只對關(guān)鍵部分進(jìn)行說明.簽密模塊的主類有 2個:RSAUtil和 Tbos.RSAUtil提供了生成公私鑰的方法，Tbos提供了對信息進(jìn)行加密的方法.其類設(shè)計如圖2所示.

Java中對RSA加密算法提供了相應(yīng)的API可供使用，方便了運用RSA進(jìn)行簽密的編程開發(fā).

首先根據(jù)算法要求，對參數(shù)進(jìn)行選擇.經(jīng)過多次實驗，為了達(dá)到安全性和效率的權(quán)衡，取模數(shù)N為1 024位.即

k=n+k0+k1=1 024 bit=128 byte

需要實現(xiàn)的函數(shù)是4個:

(1)H:{0，1}n+k0→{0，1}k1

(2)G:{0，1}k1→{0，1}n+k0

(3)RSA算法實現(xiàn)

(4)函數(shù):rr←{0，1}k0

算法描述中k=n+k0+k1=128 byte=1 024 bit，參數(shù)中的2個散列函數(shù)H和G，考慮安全性和實現(xiàn)的方便，均采用SHA-512進(jìn)行實現(xiàn)，函數(shù)的參數(shù)值為n+k0=k1=512 bit=64 byte，其中n為明文的長度，k0為隨機(jī)數(shù)填充的長度.根據(jù)不同的實際需要，可以自行定義n和k，兩者之和為64字節(jié).為了提高數(shù)據(jù)加密的效率(長數(shù)據(jù)需要分段加密)應(yīng)使原始數(shù)據(jù)長度n盡量大，隨機(jī)數(shù)填充數(shù)據(jù)的長度k0盡量小.眾所周知，RSA算法具有很高的安全性，但運算速度較低.針對這個問題，為了提高數(shù)據(jù)加密的效率，選擇n的長度為48 byte，隨機(jī)數(shù)填充的長度為16 byte，16 byte長度的隨機(jī)填充已經(jīng)能夠很好地提高數(shù)據(jù)的不可預(yù)測性了，即n+k0=48 byte+16 byte=64 byte.另外，在采用RSA對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密時，數(shù)據(jù)的長度不能超過模數(shù)N=1 024 bit，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組加密.由于取n為48 byte，以48 byte長度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，再對每組數(shù)據(jù)分別加密即可.

簽密模塊完成后應(yīng)對其封裝，只保留相應(yīng)的接口供使用者調(diào)用.

1)RSAUtil.getRSAPublicKey();用于生成公鑰

2)RSAUtil.getRSAPrivateKey();用于生成私鑰

3)RSAUtil.getRSAModulus();用于獲取模數(shù)N的值

4)Tbos.encrypt(String data，Key aPrivateKey，Key bPublicKey);用于加密字符串明文

5)Tbos.decrypt(String data，Key aPublicKey，Key bPrivateKey);用于解字符串密文

3 系統(tǒng)的WebService集成

對于分布式農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)，中心節(jié)點與分布節(jié)點之間的通信是通過WebService［10］技術(shù)實現(xiàn)的.當(dāng)簽密模塊完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行Web-Sevice集成，通過WebService調(diào)用簽密模塊來完成數(shù)據(jù)的簽密通信(圖3).

圖3 基于WebService技術(shù)的系統(tǒng)集成Fig.3 System Integration based on WebService technology

將封裝好的簽密模塊生成的jar文件放入無公害農(nóng)產(chǎn)品系統(tǒng)存放jar包的lib文件夾中，系統(tǒng)即可調(diào)用簽密模塊提供的接口.

當(dāng)中心節(jié)點與某一分布節(jié)點之間需要進(jìn)行通信時，中心節(jié)點通過WebService發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先查找節(jié)點數(shù)據(jù)庫，獲得自身的私鑰及接收方的公鑰，通過調(diào)用加密模塊所提供的加密接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密.公私鑰的存儲是在系統(tǒng)布署時完成的，系統(tǒng)布署時，節(jié)點通過簽密模塊提供的RSAUtil接口生成公私鑰對存入數(shù)據(jù)庫，并通過WebService將公鑰公布給其它節(jié)點.同時發(fā)現(xiàn)其它節(jié)點通過WebService公布的公鑰，將其保存至數(shù)據(jù)庫，供以后通信使用.

4 性能測試

采用黑盒測試對方案進(jìn)行測試與驗證，通過測試數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)所達(dá)到的要求，檢查系統(tǒng)可能存在的錯誤與漏洞.主要測試部分有:數(shù)據(jù)簽密與解密;數(shù)據(jù)加密的抗碰撞性;數(shù)據(jù)加密的效率;數(shù)據(jù)加密后的網(wǎng)絡(luò)傳輸.

通過測試方案對模塊的功能進(jìn)行大量測試，系統(tǒng)并未出現(xiàn)異常，可以正常運行.加密模塊對用戶透明，用戶看不到數(shù)據(jù)的加密過程，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫搅吮ＷC，文獻(xiàn)［8］保證其不可偽造性.加入簽密模塊后，由于簽密運算花費時間而造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收的等待，從而使系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的效率有所降低，但本系統(tǒng)中要傳遞的數(shù)據(jù)量很小，如表1所示，在權(quán)衡系統(tǒng)的安全性和效率，經(jīng)測試數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，是在可以接受的范圍之內(nèi).

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試Table1 The test of system data

結(jié)果分析表明，當(dāng)所要加密的數(shù)據(jù)量增大時，加密所需的時間也會迅速上升，但針對本系統(tǒng)所要傳遞的數(shù)據(jù)量很小，而又要求有較高級別的安全性的情況下是可行的.

5 系統(tǒng)的安全性分析

本系統(tǒng)由文獻(xiàn)［8］知能達(dá)到安全性要求:適應(yīng)性選擇密文的不可區(qū)分性及適應(yīng)性選擇消息攻擊下不可偽造性，以此來滿足系統(tǒng)的安全性.

適應(yīng)性選擇密文的不可區(qū)分性(INDCCA2):文獻(xiàn)［8］提供了方案的可證明安全的具體過程，分節(jié)點與中心節(jié)點之外的第三方不可能得到雙方通信的數(shù)據(jù).

適應(yīng)性選擇消息攻擊下不可偽造性(UNFACMA):在計算上［8］，分節(jié)點與中心節(jié)點之外的第三方(攻擊者)產(chǎn)生一個合法的簽名是不可行的，同時也保證了雙方不可否性.

抗重放攻擊:由于使用隨機(jī)數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)的填充，以及2個哈希函數(shù)的抗碰撞性，使方案具有抵抗重放攻擊.

6 結(jié)語

本研究結(jié)果實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)與密碼學(xué)技術(shù)的結(jié)合，在傳統(tǒng)的無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)中增加了RSA-TBOS數(shù)字簽密模塊，進(jìn)行方案中具體參數(shù)的設(shè)置與改進(jìn)，系統(tǒng)由Java語言實現(xiàn)，并進(jìn)行基于WebSevice技術(shù)的系統(tǒng)集成，最終達(dá)到一定的安全性與效率，使系統(tǒng)能有效地提供數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、不可否認(rèn)性和不可偽造性，在現(xiàn)實的分布式無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證通信中具有較高的實用價值.將來工作著眼于此系統(tǒng)的推廣使用，進(jìn)一步改進(jìn)參數(shù)的設(shè)置提高簽密模塊的速度，加快整個系統(tǒng)的工作效率.

［1］ 席 磊，張 浩，郭 偉，等.分布式無公害農(nóng)產(chǎn)品數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)的構(gòu)建與實現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(8):236-242.

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