混合加密機(jī)制降低計(jì)算復(fù)雜度

文/單康康 江肖強(qiáng)

混合加密機(jī)制降低計(jì)算復(fù)雜度

文/單康康 江肖強(qiáng)

DNS協(xié)議存在的安全問題

DNS是一個(gè)分布式的域名解析系統(tǒng)，它通過緩存技術(shù)、樹狀分層授權(quán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)域名與IP地址及郵件服務(wù)等的相互轉(zhuǎn)換，但DNS服務(wù)與域名解析服務(wù)器之間采用無連接的UDP協(xié)議，無法確認(rèn)數(shù)據(jù)來源及是否被篡改，存在較大的安全隱患，使得DNS服務(wù)器經(jīng)常遭受各種攻擊。

目前DNS主要存在數(shù)據(jù)包截取、ID猜測、緩存中毒、DDoS分布式拒絕服務(wù)攻擊、緩存區(qū)漏洞溢出攻擊、域名無效攻擊、不安全的動(dòng)態(tài)更新和信息泄漏等多種安全威脅。

目前有一些非DNSSEC安全措施能緩解部分DNS安全問題：

1）限制ZONE區(qū)域數(shù)據(jù)傳送；

2）服務(wù)地址限制；

3）關(guān)閉域名服務(wù)器遞歸查詢功能；

4）Split DNS；

5）TSIG機(jī)制。

但這些安全措施僅從局部緩解DNS部分安全問題，沒有對DNS報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行源身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)完整性檢查，沒有從DNS內(nèi)部根本解決安全問題。

DNS安全擴(kuò)展協(xié)議（DNSSEC）

公鑰機(jī)制

公鑰機(jī)制（非對稱加密算法）是一種強(qiáng)安全性的加密技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是密鑰管理方便，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名和身份認(rèn)證等功能。

公鑰機(jī)制首先生成一個(gè)公鑰/私鑰對，公鑰公開，私鑰自己保留。如典型的RSA公鑰技術(shù)是一種基于大質(zhì)數(shù)的因式分解的分組密碼系統(tǒng)，其中的明文和密文都是對于某個(gè)n的從0到n－l之間的整數(shù)，主要是求模運(yùn)算。

圖1為公鑰加密主要流程，其中發(fā)送方使用私鑰對明文進(jìn)行加密，接收方利用公鑰對密文進(jìn)行解密得到明文，經(jīng)公鑰加密技術(shù)加密的明文能且只能通過其對應(yīng)的另一密鑰進(jìn)行解密。

基于公鑰技術(shù)的DNSSEC

DNSSEC采用公鑰技術(shù)對DNS信息進(jìn)行數(shù)字簽名，DNSSEC提供兩方面的驗(yàn)證：DNS源發(fā)送方身份認(rèn)證；DNS數(shù)據(jù)包完整性驗(yàn)證。

圖1 公鑰加密流程

圖2 發(fā)送方對DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名

圖3 接收方對簽名后的DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行解密

DNS數(shù)據(jù)認(rèn)證需要用請求者接收的公鑰對接收的DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行解密比對以保證數(shù)據(jù)完整性與正確性，DNSSEC采用委托信任鏈機(jī)制實(shí)現(xiàn)公鑰的分發(fā)與認(rèn)證，DNSSEC建立一個(gè)信任鏈表，使得ZONE父區(qū)對子區(qū)的公鑰進(jìn)行認(rèn)證，保證解析請求者本地DNS獲得正確的公鑰。

DNSSEC在原有的DNS域名解析體系上加入公鑰技術(shù)為ZONE區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)公鑰/私鑰對并存放于權(quán)威域名服務(wù)器中，權(quán)威DNS服務(wù)器利用私鑰對DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名，域名解析請求者本地DNS服務(wù)器利用得到的公鑰對接收到的加密DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，如果驗(yàn)證通過則確定DNS數(shù)據(jù)是由正確的權(quán)威DNS發(fā)送，同時(shí)保證了DNS數(shù)據(jù)傳輸中沒有被篡改。

圖2為DNS消息發(fā)送方先使用Hash函數(shù)對要發(fā)送的DNS信息進(jìn)行Hasn計(jì)算得到相應(yīng)的的Hash信息摘要，然后發(fā)送方利用非對稱私鑰對其數(shù)字簽名，最后將經(jīng)簽名后的摘要數(shù)據(jù)和DNS原數(shù)據(jù)一起發(fā)送至接收方。

圖3為接收方利用先前接收到的非對稱公鑰對接收到的DNS數(shù)據(jù)包中加密過的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密得到Hash摘要，然后利用與發(fā)送方相同的Hash函數(shù)對接收到的DNS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Hash計(jì)算，得到Hash摘要，將此Hash摘要與解密后得到的Hash摘要進(jìn)行比對，如果兩者相同則接收發(fā)送方的身份，同時(shí)確認(rèn)接收到的DNS信沒有被篡改。

在以上通信過程中，DNS數(shù)據(jù)包發(fā)送前經(jīng)過了一次Hash計(jì)算和一次非對稱加密計(jì)算，DNS數(shù)據(jù)包在接收后再次進(jìn)行了一次Hash計(jì)算和一次非對稱加密計(jì)算，兩次對DNS信息的非對稱密鑰計(jì)算在一定程度上加大了雙方CPU計(jì)算時(shí)間和負(fù)載。

基于混合加密機(jī)制的DNSSEC

對稱加密算法

對稱加密算法在加密和解密中共享同一密鑰，也稱為單密鑰算法。它要求發(fā)送方和接收方在安全通信之前共同商定一個(gè)密鑰。對稱加密算法的安全性依賴于共享密鑰，對稱加密算法的優(yōu)點(diǎn)是算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。

圖4是典型的對稱加密算法，其中發(fā)送方和接收方使用相同的密鑰K對信息進(jìn)行加密和解密。

混合加密機(jī)制及其在DNSSEC中的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)加密/解密的處理效率方面，對稱加密算法優(yōu)于非對稱加密算法，例如DES對稱加密算法，其密鑰長度只有56bit，可以用軟硬件實(shí)現(xiàn)高速處理，在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)其加密效率可以達(dá)到幾兆字節(jié)/秒，適合于大量信息的快速加密解密。如RSA算法由于需要進(jìn)行大數(shù)計(jì)算，其加密解密速度比DES慢的多。

在密鑰管理方面，非對稱加密算法優(yōu)于對稱加密算法，例如RSA算法可以將公鑰公開，只需將自己的私鑰保密，DES算法的密鑰更新較困難。

混合加密機(jī)制利用非對稱加密算法加密對稱加密算法的密鑰，然后利用對稱密鑰對DNS數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理，該混合加密機(jī)制結(jié)合了非對稱加密算法密鑰管理的快捷與對稱加密算法加解密效率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，提高了DNSSEC協(xié)議整體執(zhí)行效率。

圖5為混合加密機(jī)制在DNSSEC中的主要流程示意，用戶發(fā)起對某個(gè)域名的解析請求后，用戶本地DNS利用信任鏈得到域名權(quán)威服務(wù)器的公鑰，ZONE所屬權(quán)威DNS利用私鑰加密對稱密鑰后發(fā)送給本地DNS，本地DNS利用之前獲得的非對稱公鑰解密數(shù)據(jù)得到對稱密鑰，然后權(quán)威DNS利用對稱密鑰加密欲傳送的DNS數(shù)據(jù)并發(fā)送給本地DNS，本地DNS利用與發(fā)送方權(quán)威DNS共享的對稱密鑰將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密并將解密后的DNS數(shù)據(jù)返回給請求用戶，用戶最終得到完整的正確的域名解析結(jié)果。此后本地DNS與權(quán)威DNS之間的域名解析通信就可以利用對稱密鑰快速處理。

圖4 對稱加密算法流程

圖5 混合加密機(jī)制在DNSSEC的應(yīng)用流程

性能分析

在安全性方面，目前來講對稱加密算法使用長密鑰時(shí)破解困難，而非對稱加密算法如RSA里的公鑰和私鑰是一對大素?cái)?shù)函數(shù)，從一個(gè)公鑰和密文中破解出明文的難度等價(jià)于分解兩個(gè)大素?cái)?shù)之積，而分解兩個(gè)大素?cái)?shù)之積到目前為止仍然無解。所以就目前來說，基于非對稱加密算法與對稱加密算法的混合加密機(jī)制是比較安全的。

在執(zhí)行效率方面，對稱加密算法時(shí)間復(fù)雜度為0(n)，空間復(fù)雜度為0(n)。非對稱加密算法要加密對稱加密算法的密鑰，比如DES算法密鑰采用一個(gè)64bit的偽隨機(jī)數(shù)，其時(shí)間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度為O(1)，因此混合加密算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度都不超過O(n)。

因此，基于對稱加密算法與非對稱加密算法的混合加密機(jī)制可以在保證安全性的基礎(chǔ)上提高DNSSEC協(xié)議的整體運(yùn)行效率。

下一步工作

DNSSEC已推出多年，但由于其基于公鑰技術(shù)的技術(shù)方案實(shí)施復(fù)雜度大和對硬件要求高仍未被廣泛采用，我們將一種結(jié)合對稱加密算法加解密效率高與非對稱加密算法密鑰管理優(yōu)勢的混合加密機(jī)制引入DNSSEC并進(jìn)行相關(guān)研究，該方案可以在保證安全性的基礎(chǔ)上減小DNSSEC的整體計(jì)算復(fù)雜度，由于對稱加密算法在破解難度上仍低于非對稱加密算法，對稱密鑰一旦被破解則整個(gè)DNSSEC體系將面臨威脅，雙方通信內(nèi)容將被竊聽并可能遭篡改，因此在今后的研究工作中可以引入對稱密鑰生存周期概念，雙方使用的對稱密鑰超過一定期限將被強(qiáng)制更新以保證DNSSEC安全。

(作者單位為浙江大學(xué)信息中心)