杜麗萍 劉宇

北京市科技情報研究所 北京 100044

0 引言

PKI是基于證書的密碼認證架構，各國的網(wǎng)絡密碼認證都普遍采用PKI技術，PKI已經(jīng)成為各國各行業(yè)網(wǎng)絡密碼認證的標準，在亞洲還成立了亞洲PKI聯(lián)盟。但是，國際標準的PKI的CA認證中心全部證書，包括證書信任鏈中的各個證書，都是以明文形式存儲在CA認證中心的的數(shù)據(jù)庫里。僅僅依靠防火墻和防病毒系統(tǒng)很難保證CA認證中心證書的安全，CA認證中心證書以明文形式存儲是PKI的重大安全隱患。黑客能夠利用計算機病毒替換證書來攻擊PKI。為此，我們提出一種使用加密卡(或加密機)硬件設備，將全部證書加密成密文，存儲在CA認證中心的證書數(shù)據(jù)庫中，保證證書的存儲安全和運行安全，實現(xiàn)“芯片級”的PKI安全協(xié)議，提高PKI的安全等級。

1 基于安全證書的PKI實施方案

1.1 建立安全PKI架構

在CA認證中心的服務器或小型機的PCI槽里，插入多塊加密卡，或?qū)⒍嗯_加密機與CA認證中心的服務器或小型機鏈接，并在加密卡或加密機的芯片里，預存非對稱密碼算法、對稱密碼算法、一組固定的存儲密鑰K，以及各種安全協(xié)議如：身份認證協(xié)議、簽名驗證協(xié)議和服務器端SSL協(xié)議等。在客戶端的USB-KEY的芯片里存放對稱密碼算法、非對稱密碼算法、用戶的私鑰、身份認證協(xié)議、數(shù)字簽名協(xié)議和客戶機端SSL協(xié)議，以及對應USB-KEY設備的用戶證書(最終實體證書)。

1.2 建立安全證書系統(tǒng)

在證書初始化過程中，先將CA認證中心的全體最終實體證書加密成密文存儲，由于證書格式和內(nèi)容是標準的X.500(或 X.509)，若使用一組固定的對稱密鑰來加密全部用戶的證書，則會造成重復報(是破譯的重要條件)，若用非對稱密碼算法加密，則運行速度較慢，非對稱密碼算法加解密速度若在計算機里運行，比對稱密碼算法加解密速度慢 100倍，若在芯片硬件里運行，比對稱密碼算法加解密速度慢1000倍，這會影響各種安全協(xié)議的速度。為此，我們提出由CA認證中心端的加密卡或加密機芯片里的隨機數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生一次一變的隨機數(shù)，作為對稱密鑰即：加密證書的密鑰，一組密鑰加密一組最終實體證書，一次一密，并將全體最終實體證書加密成密文，存儲在CA認證中心端的證書數(shù)據(jù)庫里，將各個中級證書和根證書存放在CA認證中心加密卡或加密機設備的芯片里。

證書加密及密鑰管理方法：

在密鑰初始化過程中，首先，通過調(diào)用CA認證中心加密卡或加密機芯片里的隨機數(shù)發(fā)生器，在芯片里產(chǎn)生一組隨機數(shù)，將該隨機數(shù)作為存儲密鑰K，其中：存儲密鑰是固定不變的，存儲密鑰K用于對所有加密證書的密鑰進行加密。

其次，再調(diào)用CA認證中心加密卡或加密機芯片里的隨機數(shù)發(fā)生器，在芯片里產(chǎn)生一組隨機數(shù) L1，并將該隨機數(shù)L1作為密鑰K1，將CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫中的最終實體證書 CA1輸入芯片里，在芯片里，使用密鑰 K1將最終實體證書CA1加密成密文；在芯片里產(chǎn)生一組隨機數(shù)L2，并將該隨機數(shù)L2作為密鑰K2，將CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫中的最終實體證書 CA2輸入芯片里，在芯片里，使用密鑰 K2將最終實體證書CA2加密成密文；……；在芯片里產(chǎn)生一組隨機數(shù)Ln，并將該隨機數(shù)n作為密鑰Kn，將CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫中的最終實體證書CAn輸入芯片里，在芯片里，使用密鑰Kn將最終實體證書CAn加密成密文，其中：各個最終實體證書的序列號(證書的標識)Li，(i=1～n)不加密，證書序列號 Li用于檢索定位證書CAi密文，密鑰Ki(i=1～n)，為加密證書的密鑰，n為CA認證中心中全體最終實體證書的總數(shù)。

再次，將證書CA1、證書CA2、…… 證書CAn的密文從芯片里輸出，存放在CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫中。

最后，在芯片里，使用存儲密鑰K分別將K1、K2、……Kn加密成密文，分別生成 K1’、K2’、……Kn’，再將K1’、K2’、……Kn’，分別存放在 CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫對應最終實體證書 CA1、CA2、……、CAn的密文記錄的最后一個字段里。

1.3 建立CA認證中心的安全協(xié)議

PKI的安全協(xié)議如：身份認證協(xié)議、數(shù)字簽名協(xié)議和SSL協(xié)議中，當CA認證中心端需要獲取對應用戶的最終實體證書時，根據(jù)客戶端傳輸來的最終實體證書的序列號(標識)，定位證書數(shù)據(jù)庫中的最終實體證書記錄的密文，并輸入到CA認證中心加密卡或加密機的芯片里，在芯片里，用存儲密鑰K將最終實體證書對應的密鑰密文Ki’(i=1～n)解密成明文即：Ki(i=1～n)，再用Ki(i=1～n)來解密該最終實體證書得到其明文，之后，在芯片里再進行安全協(xié)議的其他操作，如：在身份認證協(xié)議中的其他操作包括：CA認證中心端加密系統(tǒng)，在芯片里調(diào)用對應用戶最終實體CA證書的公鑰，對客戶端傳來的用戶最終實體 CA證書的密文進行解密獲得明文，并與CA認證中心端存儲的對應用戶的最終實體CA證書明文進行比對認證，來判斷客戶端的用戶是否可信；在數(shù)字簽名協(xié)議中的其他操作包括：CA認證中心端加密系統(tǒng)，在芯片里調(diào)用對應用戶最終實體CA證書的公鑰，對客戶端傳來文件數(shù)字簽名進行解密，獲得文件的摘要信息即：“數(shù)字指紋1”，再用調(diào)用摘要算法，對文件進行摘要得到文件的摘要信息即：文件的“數(shù)字指紋2”，通過對比“數(shù)字指紋1”和“數(shù)字指紋 2”是否相同，來判別對文件進行簽名的用戶是否可信；在SSL協(xié)議中的其他操作包括：通過對比客戶端和CA認證中心端的用戶最終實體CA證書是否相同，完成雙向認證后，再協(xié)商客戶端和CA認證中心端的對稱密碼算法、及其版本和對稱密鑰，即：完成SSL協(xié)議的握手子協(xié)議，最后，執(zhí)行SSL協(xié)議的記錄子協(xié)議。從而，建立基于“芯片級”的PKI安全協(xié)議。

1.4 建立CA認證中心證書安全檢測系統(tǒng)

在CA認證中心建立證書安全檢測協(xié)議，定時對CA認證中心的全體信任鏈中的CA證書進行檢測。其檢測過程是，將CA認證中心證書數(shù)據(jù)庫中全體最終實體CA證書，即：CA1、CA2、……、CAn的記錄內(nèi)容(包括：CAi的密文、證書標識、以及密鑰密文 Ki’)，依次輸入加密卡或加密機的芯片里，在芯片里，調(diào)用存儲密鑰K，分別將加密最終實體證書CAi(i=1～n)的密鑰密文Ki’(i=1～n)，解密成明文即：Ki(i=1～n)，再用 Ki(i=1～n)來解密對應的最終實體證書CAi(i=1～n)密文，獲得其明文，之后，在芯片里，調(diào)用最下一級中級CA證書的公鑰，對該已經(jīng)解密成明文的最終實體證書CAi(i=1～n)進行簽名驗證，若沒有通過簽名驗證的最終實體證書，則該最終實體證書CAi(i=1～n)視為已被篡改，若通過簽名驗證，則該最終實體證書CAi(i=1～n)未被篡改。從而，防止攻擊者篡改CA證書，保證全部最終實體證書的安全、可信。

2 基于安全證書建立PKI的優(yōu)勢

在CA認證中心全部用戶的最終實體證書都是以密文形式存儲在證書數(shù)據(jù)庫中，證書信任鏈上各中級證書和根證書存放在芯片硬件里，能保證認證中心全部最終實體證書、信任鏈上各個中級證書和根證書的存儲安全，同時，保證 CA認證中心端的各種證書是可信的；即使攻擊者想篡改用戶的最終實體證書，但是，在無法獲得加密證書的密鑰的情況下，也無法將篡改后的最終實體證書加密成攻擊者可用的密文，從而，防止攻擊者通過篡改最終實體證書，來攻擊CA認證中心的各種安全協(xié)議。

存放在CA認證中心加密卡或加密機芯片里的全體中級CA證書和根 CA證書，受到芯片硬件的保護，在第一次建立各個中級CA證書和根CA證書信任鏈時，在芯片里，對信任鏈上的各個中級CA證書和根CA證書進行驗證，以后不再對信任鏈上的各個中級CA證書和根CA證書進行驗證，也就是，當CA認證中心運行安全協(xié)議如：身份認證、簽名驗證和SSL協(xié)議時，各種安全協(xié)議不對證書信任鏈進行驗證，即：不調(diào)用最下級中級證書對最終實體證書進行簽名驗證，也不調(diào)用上一級中級證書對下一級中級證書進行簽名驗證，也不用調(diào)用根證書對最上一級中級證書進行簽名驗證，從而，減少各種安全協(xié)議的部分環(huán)節(jié)，提高各安全協(xié)議的運行效率。

在CA認證中心端建立“芯片級”各種PKI安全協(xié)議(如：身份認證、簽名驗證和SSL協(xié)議)，將各種PKI安全協(xié)議的各種環(huán)節(jié)都在芯片里完成，即：在芯片里，用存儲密鑰K解密密鑰Ki’(i=1～n)，生成密鑰Ki(i=1～n)，再用Ki(i=1～n)將最終實體證書密文解密成明文后，再進行安全協(xié)議的其他操作，從而，提高了PKI各種安全協(xié)議的安全等級。

在CA認證中心建立證書安全檢測系統(tǒng)，定時對CA認證中心全體最終實體證書進行簽名驗證，檢測CA認證中心的最終實體證書是否被篡改，以便及時對CA認證中心的最終實體證書進行恢復，保證CA認證中心各種安全協(xié)議能正常運行。

存儲密鑰K是在芯片里產(chǎn)生，用于對所有加密證書的密鑰Ki(i=1～n)進行加密，存儲密鑰K存儲在芯片里，且不輸出芯片外，保證存儲密鑰K的存儲和運行安全；加密證書的密鑰 Ki(i=1～n)是在芯片里，由隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，在芯片里，對最終實體證書進行加密操作，且保證一組加密證書的密鑰 Ki(i=1～n)加密一組最終實體證書，一次一密，不重復使用，加密證書的密鑰 Ki(i=1～n)不出芯片，且在芯片里被存儲密鑰K加密成密文后，從芯片里輸出存儲在證書數(shù)據(jù)庫里，從而，保證加密證書密鑰的存儲安全和運行安全。

在芯片里將CA認證中心，將海量的最終實體證書數(shù)據(jù)以密文的形式，存放在CA認證中心的證書數(shù)據(jù)庫中，同時，將證書信任鏈上的全部中級證書和根證書，以明文形式存儲在CA認證中心加密卡或加密機的芯片里，不僅，能保證海量最終實體證書，以及證書信任鏈上的全部中級證書和根證書重要的數(shù)據(jù)的存儲安全，而且，能大大減少CA認證中心購置加密設備硬件的建設成本。

3 結束語

本方案通過對標準PKI的分析，指出了PKI的CA認證中心普遍存在的用戶證書安全漏洞，闡述了攻擊者能夠利用PKI存在的安全漏洞，攻擊CA認證中心的方法和過程，提出了在證書初始化階段對 CA認證中心的全體最終實體 CA證書進行加密，并將信任鏈上的各個中級證書和根證書存放在芯片里，保證CA認證中心全體最終實體CA證書，以及信任鏈上的各個中級CA證書和根CA證書數(shù)據(jù)的安全存儲，防止攻擊者利用計算機病毒替換用戶的最終實體CA證書，來對PKI進行“張冠李戴”式攻擊，同時，建立對最終實體CA證書實時進行安全檢查系統(tǒng)，保證PKI的各種安全協(xié)議能安全運行，另外，將CA認證中心各中安全協(xié)議的主要環(huán)節(jié)都在芯片里實現(xiàn)，從而，建立基于“芯片級”的安全協(xié)議，來保證CA認證中心的安全等級。

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