一種基于秘密共享的安全通信協(xié)議

摘要：為了保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全性，需要對(duì)通信的雙方進(jìn)行身份認(rèn)證，并保證通信內(nèi)容的安全。通常的做法是利用某個(gè)可信任第三方進(jìn)行身份認(rèn)證，但這樣存在一些安全風(fēng)險(xiǎn)。本文提出一種基于秘密共享的安全通信協(xié)議。該協(xié)議可以保證在一個(gè)較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信安全。

關(guān)鍵詞：秘密共享；網(wǎng)絡(luò)安全；通信協(xié)議；門(mén)限數(shù)字簽名

網(wǎng)絡(luò)通信的目的是通信的雙方能夠在約定的協(xié)議下交互信息。要使通信的內(nèi)容正確地、完整地達(dá)到對(duì)方，且信息不泄漏，就需要對(duì)通信的雙方進(jìn)行身份認(rèn)證，對(duì)信息進(jìn)行加密、簽名等等，也就是要保證通信的安全。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信而言，我們需要保證這幾個(gè)安全屬性：可用性、機(jī)密性、完整性、不可否認(rèn)性。而用到的技術(shù)一般為加密、認(rèn)證和數(shù)字簽名等。為了使通信能夠得到足夠的安全保證，本文提出一種基于秘密共享的安全通信協(xié)議來(lái)保證通信的安全。

1 基于信任分散的密鑰管理

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，很多弱點(diǎn)暴露出來(lái)，比如網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗急劇增大、身份認(rèn)證易偽造、容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重放攻擊等。此時(shí)我們就可以應(yīng)用\"可信任第三方\"的機(jī)制。在這種機(jī)制下，所有的節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)公開(kāi)/秘密密鑰對(duì)，他們彼此用公開(kāi)密鑰來(lái)鑒別對(duì)方，但公開(kāi)密鑰的真實(shí)性卻不一定能保證。所以就需要有一個(gè)可信任的實(shí)體來(lái)管理所有的公開(kāi)密鑰，這個(gè)可信任實(shí)體叫做證書(shū)授權(quán)機(jī)構(gòu)（CA）。這個(gè)可信的CA給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)并簽發(fā)一個(gè)包含標(biāo)識(shí)和節(jié)點(diǎn)公開(kāi)密鑰的證書(shū)。這個(gè)CA本身有一個(gè)公開(kāi)/秘密密鑰對(duì)，并且所有的節(jié)點(diǎn)都知道CA的公開(kāi)密鑰。這樣如果節(jié)點(diǎn)之間要進(jìn)行通信，它們可以從CA上獲得對(duì)方的公開(kāi)密鑰來(lái)鑒別對(duì)方。因此，我們可以在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)CA來(lái)管理全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的公開(kāi)密鑰。

然而這有一個(gè)問(wèn)題：如果這個(gè)CA被攻破了，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也就崩潰了。所以這時(shí)的安全策略就是：將這種對(duì)一個(gè)CA的信任分散到對(duì)若干個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同信任，這若干個(gè)節(jié)點(diǎn)分別分擔(dān)一部分的信任。

2 安全通信協(xié)議描述

本通信協(xié)議出于這樣的假設(shè)：在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)是值得信任的，但一個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合是可信任的。于是我們就可以將管理全網(wǎng)公開(kāi)密鑰的節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合。網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)包括兩部分：(T，N)門(mén)限RSA數(shù)字簽名系統(tǒng)和普通節(jié)點(diǎn)。本文只考慮全網(wǎng)有一個(gè)(T，N)門(mén)限RSA數(shù)字簽名系統(tǒng)的情況，當(dāng)然也可以有多個(gè)這樣的分級(jí)的數(shù)字簽名系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)全網(wǎng)的證書(shū)的分發(fā)。該數(shù)字簽名系統(tǒng)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，安全通信協(xié)議描述如下：

Step1. 認(rèn)證過(guò)程

(1) A為了確認(rèn)B的公開(kāi)密鑰的真實(shí)性，向TRSADSS提交一個(gè)請(qǐng)求認(rèn)證B身份的請(qǐng)求。

(2) 由于TRSADSS知道所有節(jié)點(diǎn)的公開(kāi)密鑰，所以它能夠用A的公開(kāi)密鑰解密，并判斷該消息是否過(guò)期，如果過(guò)期則不處理該消息，如果未過(guò)期則處理A的請(qǐng)求。此時(shí)TRSADSS形成一條消息m。

(3)各節(jié)點(diǎn)利用各自擁有的那份部分密鑰分別對(duì)消息m簽名，從而形成部分簽名且分別發(fā)送給一個(gè)簽名生成者C（C可以為N個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，也可以另外協(xié)商）。

(4) C從這N個(gè)部分簽名中選擇T個(gè)，生成對(duì)消息m的簽名S (m)，并發(fā)送給A。

(5) A首先驗(yàn)證簽名的有效性，如果有效就驗(yàn)證簽名結(jié)果的正確性。如果正確，那么A就獲得了對(duì)應(yīng)于B的真實(shí)的公開(kāi)密鑰；如果不正確，那么A需要通知TRSADSS有錯(cuò)。

(6)(7)(8)(9)(10)和(1)(2)(3)(4)(5)類(lèi)似，只不過(guò)把其中的A變成B，B變成A。

Step2. 密鑰協(xié)商過(guò)程

經(jīng)過(guò)Step1的十個(gè)步驟A和B都獲得了和對(duì)方標(biāo)識(shí)綁定的公開(kāi)密鑰，因而彼此進(jìn)行了認(rèn)證。接著A和B就可以進(jìn)行通信了。為了保證通信的安全性，有許多方案(如用Diffie-Hellman密鑰交換協(xié)議)，我們提出一種利用RSA密碼體制的密鑰協(xié)商過(guò)程：

A隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)和會(huì)話(huà)密鑰，并用自己的私有密鑰加密，再用對(duì)方的公開(kāi)密鑰加密，然后發(fā)送給B。 B收到后，經(jīng)過(guò)解密同時(shí)按照既定算法生成自己的隨機(jī)數(shù)，并向A發(fā)送。然后A向B回復(fù)。這樣A和B就協(xié)商了一個(gè)會(huì)話(huà)密鑰KAB。

Step3. 通信過(guò)程

最后A和B就可以用一種以KAB為密鑰的對(duì)稱(chēng)加密算法（如AES）進(jìn)行通信：發(fā)送方以KAB為密鑰用一種對(duì)稱(chēng)加密算法對(duì)信息內(nèi)容加密并發(fā)送出去，接收方收到信息后以KAB為密鑰進(jìn)行解密。

3 安全性分析

首先分析門(mén)限RSA數(shù)字簽名系統(tǒng)的安全性。門(mén)限RSA數(shù)字簽名系統(tǒng)的安全性由門(mén)限密碼方案和RSA密碼體制決定，RSA密碼體制已經(jīng)較為成熟，而門(mén)限密碼方案也是安全的。另外，簽名生成者可能會(huì)因?yàn)檫x出的部分簽名中有假而生成假的簽名，這個(gè)假簽名可以由C根據(jù)簽名系統(tǒng)的公開(kāi)密鑰來(lái)驗(yàn)證。還有一種方法是對(duì)簽名系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置T個(gè)簽名生成者，這樣可以保證至少有一個(gè)簽名是正確的。

經(jīng)過(guò)簽名系統(tǒng)對(duì)身份認(rèn)證請(qǐng)求結(jié)果的簽名，通信的雙方就彼此進(jìn)行了身份認(rèn)證，下面分析方案密鑰協(xié)商過(guò)程的安全性。在這一步中A和B首先需要協(xié)商一個(gè)安全的會(huì)話(huà)密鑰。在協(xié)商會(huì)話(huà)密鑰的過(guò)程中，我們運(yùn)用了類(lèi)似于\"三次握手\"的方法。在協(xié)商時(shí)二者都是先用自己的秘密密鑰加密，再用對(duì)方的公開(kāi)密鑰加密，這樣只有用自己的秘密密鑰和另一方的公開(kāi)密鑰才能解密，從而保證了信息的源和目的的正確性，并可防止竊聽(tīng)。同時(shí)A和B形成的隨機(jī)數(shù)是按照既定算法生成的，這可以避免網(wǎng)絡(luò)上的重放攻擊。最后A和B可以用協(xié)商好的會(huì)話(huà)密鑰和一種強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)加密算法來(lái)進(jìn)行通信。雖然非對(duì)稱(chēng)加密算法的安全性要比對(duì)稱(chēng)加密算法的安全性高，但是效率卻低很多，因此本文首先使用非對(duì)稱(chēng)加密算法（如RSA）在通信雙方間交換密鑰，然后使用該密鑰用對(duì)稱(chēng)加密算法進(jìn)行加密通信，這樣既可以保證安全性，又可以保證效率。

小結(jié)

在一個(gè)較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，如何保證通信的安全性至關(guān)重要。本文利用秘密共享的思想提出了一種基于秘密共享的網(wǎng)絡(luò)安全通信協(xié)議。該通信協(xié)議可以為網(wǎng)絡(luò)的安全提供了底層保障。

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