ＷＰＫＩ在移動(dòng)電子商務(wù)安全中的應(yīng)用

［摘 要］ PKI技術(shù)是各種安全解決方案的基礎(chǔ)。WPKI是應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中的PKI技術(shù)。WPKI必須對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)中的PKI進(jìn)行優(yōu)化和裁剪，才能適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了PKI的技術(shù)背景和無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，討論了WPKI的關(guān)鍵技術(shù)，探討了幾種WPKI在移動(dòng)電子商務(wù)安全中的應(yīng)用模型，包括基于WAP的應(yīng)用模型、基于STK的短消息應(yīng)用模型和J2ME應(yīng)用模型。

［關(guān)鍵詞］ 無線公鑰基礎(chǔ)設(shè)施；移動(dòng)電子商務(wù)；無線應(yīng)用協(xié)議；短消息； J2ME

［中圖分類號(hào)］F724.6［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1673-0194（2008）20-0096-04

1 PKI技術(shù)背景

網(wǎng)絡(luò)在為人們提供便利、提高效率的同時(shí)，其信息安全問題越來越突出。目前網(wǎng)絡(luò)信息安全的各種解決方案，都是以公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure， PKI）為基礎(chǔ)的。簡(jiǎn)化的PKI實(shí)體構(gòu)成圖如圖1所示。

目前PKI技術(shù)服務(wù)具有以下特點(diǎn)：

（1）機(jī)密性。即消息只有合法的接收者才能讀出，其他人即使收到也讀不出。

（2）真實(shí)性。即消息的確是由它宣稱的發(fā)送者發(fā)送的，如冒名頂替則會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

（3）完整性。即消息在傳輸過程中不能被篡改，如果篡改則會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

（4）不可抵賴性。即消息的發(fā)送者在發(fā)送后不能否認(rèn)他發(fā)送過該消息。

2 無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

移動(dòng)通信必須采用無線方式。無線信道是一個(gè)開放性信道，存在通信內(nèi)容容易被竊聽、通信內(nèi)容可以被更改和通信雙方身份可能被假冒等不安全因素。PKI中的密碼算法大多需要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，這使得PKI在無線環(huán)境中的應(yīng)用受到一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)來自于無線終端設(shè)備(如移動(dòng)電話、PDA等)和無線通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面。

首先，無線終端設(shè)備的計(jì)算資源十分有限，大多數(shù)無線終端設(shè)備的計(jì)算能力差、存儲(chǔ)容量小。而且，無線終端設(shè)備還受到體積和功耗的限制，顯示屏和鍵盤均較小。其次，與有線通信網(wǎng)絡(luò)相比，大多數(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)的頻率帶寬有限，數(shù)據(jù)傳輸速率比較低。此外，無線通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)往返延遲大、通信連接的可靠性差、誤碼率高。

由于受限的計(jì)算環(huán)境和通信環(huán)境，使得無線網(wǎng)絡(luò)在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全時(shí)必須選擇能夠適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的密碼技術(shù)，這就對(duì)PKI提出了一些特殊要求。

3 WPKI的關(guān)鍵技術(shù)

在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)的PKI針對(duì)無線環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化后形成了WPKI(Wireless PKI)。目前，WPKI的相關(guān)規(guī)范都是由OMA(Open Mobile Alliance，WAP論壇已并入該組織)制訂的。WPKI對(duì)證書格式、加密算法和密鑰、證書撤銷驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)均做了精簡(jiǎn)和優(yōu)化。

3. 1WPKI的證書機(jī)制

WPKI支持的證書格式有X .509、X9.68以及WTLS。WPKI的理想實(shí)現(xiàn)是使用WTLS證書，因?yàn)槠浜?jiǎn)潔緊湊，易編碼，易解析，在無線終端設(shè)備中容易實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)［1］為：

struct {

uint8certificate_version；

SignatureAlgorithmsignature_algorithm；

Identifier issuer；

uint32 valid_not_before；

uint32 valid_not_after；

Identifier subject；

PublicKeyTypepublic_key_type；

ParameterSpecifier parameter_specifier；

PublicKeypublic_key；

} ToBeSignedCertificate；

struct {

ToBeSignedCertificateto_be_signed_certificate；

Signature signature；

} WTLSCertificate；

考慮到與現(xiàn)有的證書處理產(chǎn)品和CA基礎(chǔ)設(shè)施的兼容問題，建議服務(wù)器證書用WTLS格式，無線終端設(shè)備證書用X .509格式。相關(guān)的WPKI模型［2］如下：

●存儲(chǔ)在無線終端設(shè)備中的服務(wù)器證書與根CA證書采用WTLS格式。

●存儲(chǔ)在服務(wù)器中的無線終端設(shè)備證書與根CA證書采用X .509格式。

●無線終端設(shè)備應(yīng)該存儲(chǔ)自身證書的URL，而不是證書本身，需要時(shí)只需傳送證書的URL。這既節(jié)約了存儲(chǔ)空間，又節(jié)約了傳輸帶寬。

3. 2WPKI加密算法和密鑰

ECC加密簽名算法是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的目前最精簡(jiǎn)的算法，是無線環(huán)境下安全機(jī)制的一個(gè)最合適的選擇。與ECC算法相比，傳統(tǒng)的簽名機(jī)制(如RSA算法)需要更多的處理資源和更多的存儲(chǔ)空間。在相同的計(jì)算資源條件下，ECC比RSA和DSA有更快的處理速度。典型的ECC算法使用的密鑰長(zhǎng)度為163位，而在同等加密強(qiáng)度下的RSA算法的密鑰長(zhǎng)度是1024位。也就是說，ECC算法使用的密鑰長(zhǎng)度大約只是同等加密強(qiáng)度的RSA算法密鑰長(zhǎng)度的1/6。ECC算法的上述特點(diǎn)使得密鑰存儲(chǔ)和證書存儲(chǔ)空間大大減少，數(shù)字簽名的處理效率得到提高。

3. 3證書撤銷驗(yàn)證方案

由于上述無線環(huán)境的特點(diǎn)，無線終端設(shè)備如何驗(yàn)證服務(wù)器的證書是否撤銷是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。傳統(tǒng)的PKI技術(shù)利用CRL(Certificate Revocation List，證書撤銷列表)來指明已撤銷的證書?？蛻粝螺dCRL來驗(yàn)證證書是否已經(jīng)撤銷。CRL較大，一般有幾十kB，甚至上百kB。這是無線環(huán)境無法承受的。

在文獻(xiàn)［2］中，提出了短期證書方案。其基本思想是CA為服務(wù)器簽發(fā)有效期很短(比如48小時(shí))的證書。這樣無線終端設(shè)備就無需驗(yàn)證服務(wù)器證書是否已經(jīng)撤銷了。對(duì)于幾天的有效期，多數(shù)應(yīng)用能夠接受。但是對(duì)于那些涉及大量金錢的事務(wù)，比如股票買賣仍是難以接受的。在文獻(xiàn)[3]中，提出了無線OCSP規(guī)范。該規(guī)范將IETF的OCSP協(xié)議(RFC 2560)結(jié)合無線環(huán)境的特點(diǎn)經(jīng)過優(yōu)化和適當(dāng)限制后，直接應(yīng)用到無線環(huán)境中。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，在無線網(wǎng)絡(luò)和無線設(shè)備的性能有很大提高的情況下，完全應(yīng)該將有線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行必要的優(yōu)化后應(yīng)用于無線環(huán)境。

國(guó)內(nèi)外還提出了多種其他驗(yàn)證方案，不贅述。

4WPKI在移動(dòng)電子商務(wù)中的應(yīng)用模型

4. 1基于WAP的應(yīng)用模型

基于WAP的應(yīng)用模型如圖2所示。

其中，WPKI作為安全基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)是安全協(xié)議能有效實(shí)行的基礎(chǔ)?；跀?shù)字證書，WPKI提供了一個(gè)在分布式網(wǎng)絡(luò)中高度規(guī)?；?、可管理的用戶驗(yàn)證手段。它可與WTLS（Wireless Transport Layer Security）結(jié)合實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、私鑰簽名等功能。WTLS能夠提供下列3種類別的安全服

務(wù)［1］：

第一類服務(wù)：使用對(duì)稱密碼算法加密數(shù)據(jù)，同時(shí)檢查數(shù)據(jù)完整性。但沒有對(duì)通信雙方的身份進(jìn)行認(rèn)證。

第二類服務(wù)：除完成第一類服務(wù)的功能外還可以交換服務(wù)器證書，完成對(duì)服務(wù)器的認(rèn)證。

第三類服務(wù)：除完成第二類服務(wù)的功能外還可以交換客戶證書，在服務(wù)器認(rèn)證的基礎(chǔ)上又增加了客戶認(rèn)證。

從第一類服務(wù)到第三類服務(wù)安全級(jí)別逐級(jí)增高，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)安全級(jí)別的要求，選擇性地實(shí)現(xiàn)某一級(jí)別的安全服務(wù)。通常應(yīng)該對(duì)這3種類別的服務(wù)都支持，在握手協(xié)商的過程中由客戶與服務(wù)器共同協(xié)商選定一個(gè)類別。

安全參與實(shí)體作為底層安全協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用者，相互之間的關(guān)系也由底層的安全協(xié)議決定。當(dāng)該模型應(yīng)用于實(shí)際移動(dòng)電子商務(wù)時(shí)，這些安全參與實(shí)體即體現(xiàn)為交易方(無線終端設(shè)備、Web服務(wù)器)和其他受信任方(WAP網(wǎng)關(guān)、無線認(rèn)證中心)。

WAP 1.2協(xié)議提供的安全機(jī)制只能實(shí)現(xiàn)從無線終端設(shè)備到WAP網(wǎng)關(guān)之間的安全。如果WAP網(wǎng)關(guān)在移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商處，那么運(yùn)營(yíng)商需要將消息在WAP網(wǎng)關(guān)處解密后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再次加密后經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)電子商務(wù)業(yè)務(wù)的提供商。在這種情況下，由于密文在WAP網(wǎng)關(guān)處要被解密成明文，因此這并不是真正意義上的端到端安全模型。這個(gè)問題被稱為安全鴻溝(Security Gap)問題。為解決這一問題，在WAP 2.0中提供了兩種實(shí)現(xiàn)真正端到端安全的方式，參見文獻(xiàn)［4］～［5］。

WPKI規(guī)范僅僅是一套框架式的規(guī)范和要求，并沒有制定具體的實(shí)現(xiàn)方法。因此，在實(shí)際的移動(dòng)電子商務(wù)應(yīng)用中，除了基于WAP的應(yīng)用模型外，還可以有其他多種應(yīng)用模型。

4. 2基于STK的短消息應(yīng)用模型

STK（SIM card Tool Kit）可以理解為一組開發(fā)增值業(yè)務(wù)的命令，一種小型編程語(yǔ)言。它允許移動(dòng)電話中的用戶身份識(shí)別模塊（SIM卡）運(yùn)行自己的應(yīng)用軟件，這種SIM卡稱為STK卡。僅需要在用戶STK卡上開發(fā)，再經(jīng)過服務(wù)器的配合，然后就可以推出各種各樣豐富多彩的業(yè)務(wù)。把STK技術(shù)和OTA（Over The Air，空中下載）技術(shù)結(jié)合起來，可以隨時(shí)更新STK卡中的應(yīng)用程序，使得各種業(yè)務(wù)的更新和升級(jí)變得非常簡(jiǎn)單。

在本模型中，STK卡儲(chǔ)存證書及私鑰，進(jìn)行加解密及簽名、驗(yàn)證等各種密碼計(jì)算。而移動(dòng)電話和服務(wù)器間的通信由短消息（SMS）來傳遞。目前短消息應(yīng)用極為廣泛。只需將手機(jī)的普通SIM卡換為支持密碼計(jì)算的STK卡，即可開展安全的移動(dòng)電子商務(wù)。此模型可應(yīng)用于手機(jī)銀行、移動(dòng)小額支付、外匯買賣、理財(cái)秘書等領(lǐng)域。

現(xiàn)在3G網(wǎng)絡(luò)馬上就要投入商用，無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率有了較大提高。速率低、需多次往返的短消息顯然已經(jīng)不再適合移動(dòng)電子商務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)STK技術(shù)有較大的技術(shù)缺陷：開發(fā)難度高；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；受處理器技術(shù)發(fā)展的限制，技術(shù)發(fā)展空間小。從發(fā)展前景來看，這種應(yīng)用模型不久就會(huì)被激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)淘汰。

4. 3J2ME應(yīng)用模型

隨著無線應(yīng)用與嵌入式系統(tǒng)越來越受到人們的重視，SUN推出了J2ME（Java2 Platform， Micro Edition）來迎合這一未來的發(fā)展趨勢(shì)。J2ME擁有Java語(yǔ)言的全部?jī)?yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。

在J2ME中，無線終端設(shè)備被稱為有限聯(lián)接設(shè)備（Connected， Limited Device）。J2ME的實(shí)現(xiàn)分為兩層：configuration和 profile。configuration包括虛擬機(jī)（Virtual Machine）、核心的類庫(kù)與API，提供給開發(fā)人員一個(gè)最基礎(chǔ)、最核心的Java平臺(tái)。適用于有限連接設(shè)備的configuration稱為CLDC（Connected， Limited Device Configuration）。CLDC使用KVM（The K Virtual Machine）。KVM是SUN專門為使用16/32位RISC/CISC微處理器或控制器，并且其可用內(nèi)存為160～512kB的設(shè)備開發(fā)的。KVM比較小，通常只有128kB或更小。Profile也包含一組API，主要針對(duì)于特定的某一族系的設(shè)備而定義。profile在特定的configuration上實(shí)現(xiàn)，而程序員則負(fù)責(zé)在特定的profile上編寫應(yīng)用程序。對(duì)于移動(dòng)電話、PDA等有限連接設(shè)備，它們的profile建立在CLDC上，稱為MIDP（Mobile Information Device Profile）。于是MIDP與CLDC合在一起就構(gòu)成了一個(gè)完整的J2ME架構(gòu)。MIDP上的應(yīng)用程序被稱為MIDlet。

MIDP 1.0規(guī)范中要求開發(fā)商提供HTTP協(xié)議支持，其他協(xié)議的支持都只是可選的。但是MIDP 1.0.3以上版本則要求支持HTTPS。在J2ME平臺(tái)中，HTTPS使用的SSL稱為KSSL，這是SSL 3.0適用于無線終端設(shè)備的微型版本。

J2ME中的包javax.microedition.pki中定義了接口Certificate。該接口中定義了許多與證書操作有關(guān)的方法。另外，Bouncy Castle免費(fèi)提供了可以在J2ME平臺(tái)上運(yùn)行的加密包［6］，而且其源代碼也是公開的。此加密包是對(duì)原有J2SE平臺(tái)上的加密包針對(duì)J2ME平臺(tái)特點(diǎn)優(yōu)化而成的，完全兼容于SUN JCE框架，可以應(yīng)用在無線終端設(shè)備上。

立足于J2ME的這些功能，可根據(jù)具體的需要編寫代碼，開發(fā)出適合自己的WPKI應(yīng)用，確保移動(dòng)電子商務(wù)的安全。JAVA語(yǔ)言自身的安全性很高，J2ME還具有網(wǎng)絡(luò)功能，現(xiàn)在支持J2ME的無線終端設(shè)備越來越多。應(yīng)該說，這是一種很有前途的模型。問題是J2ME實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，密碼算法的效率不高。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展和對(duì)電子商務(wù)安全要求的不斷提高，WPKI技術(shù)有著巨大的應(yīng)用前景。應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用和安全要求選定一個(gè)合適的應(yīng)用模型。

主要參考文獻(xiàn)

［1］ WAP Forum Ltd． Wireless Transport Layer Security Specification［S／OL］． http：／／www．openmobilealliance．org，2001．

［2］ OMA Ltd． WAP Public Key Infrastructure Definition［S／OL］． http：／／www．openmobilealliance．org，2005．

［3］ OMA Ltd． Online Certificate Status Protocol Mobile Profile［S／OL］． http：／／www．openmobilealliance．org，2004．

［4］ WAP Forum Ltd． End－to－End Transport Layer Security Specification［S／OL］． http：／／www．openmobilealliance．org，2001．

［5］ WAP Forum Ltd． WAP TLS Profile and Tunneling Specification［S／OL］． http：／／www．openmobilealliance．org，2001．

［6］ The Legion of the Bouncy Castle． The Bouncy Castle Crypto Package［CP／OL］． http：／／www．bouncycastle．org，2006．