數(shù)字圖書加密措施與密鑰管理

□文/楊清蘭

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院圖書館 河南·鄭州）

一、引言

數(shù)字圖書館建設(shè)是圖書館事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要舉措。隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖書館必將給讀者和用戶帶來極大的方便。然而，數(shù)字圖書館建設(shè)中數(shù)字圖書的安全存儲(chǔ)也將面臨著一種挑戰(zhàn)。數(shù)字圖書的安全存儲(chǔ)直接涉及到數(shù)字圖書的出版者、作者和讀者的版權(quán)和利益。為保證數(shù)字圖書館的安全，需要對(duì)數(shù)字圖書館中所存儲(chǔ)的數(shù)字圖書進(jìn)行加密。然而，在未來的數(shù)字圖書館中，將存儲(chǔ)海量的數(shù)字圖書。如何對(duì)如此巨大的數(shù)字資源進(jìn)行快速加密和解密，以及如何對(duì)數(shù)字圖書的加密密鑰進(jìn)行管理，是一個(gè)需要面臨的重要問題。本文給出數(shù)字圖書的對(duì)稱加密措施，并利用Hash 函數(shù)和數(shù)字圖書密鑰種子為不同的數(shù)字圖書產(chǎn)生不同的加密密鑰，從而使得數(shù)字圖書的加密方案更為安全。而且，為保證數(shù)字圖書密鑰種子的安全性，本文利用門限方案對(duì)用于數(shù)字圖書加密的密鑰種子進(jìn)行門限分割，使得密鑰種子的存儲(chǔ)和恢復(fù)具有更好的安全性。在對(duì)稱加密下，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖書的加密和解密。同時(shí)，門限秘密分割方案使得數(shù)字圖書的加密密鑰管理更加安全。這一新措施將有利于數(shù)字圖書館數(shù)字圖書的安全保存。

本文安排如下：在第2 節(jié)，給出數(shù)字圖書的對(duì)稱加密措施；在第3 節(jié)，給出數(shù)字圖書的加密密鑰管理和加密措施；在第4 節(jié)，給出結(jié)論。

二、數(shù)字圖書對(duì)稱加密措施

目前，常見的加密技術(shù)可以分為兩類：非對(duì)稱加密技術(shù)和對(duì)稱加密技術(shù)。非對(duì)稱加密技術(shù)又稱為公鑰加密技術(shù)。非對(duì)稱加密技術(shù)的核心是非對(duì)稱加密算法，而這些算法的安全性主要是基于密碼單向函數(shù)和數(shù)學(xué)困難問題。在非對(duì)稱加密算法中，使用的加密密鑰和解密密鑰不同。通常，由加密密鑰無法推出解密密鑰。比較經(jīng)典的非對(duì)稱加密算法主要包括基于大數(shù)分解困難問題的RSA 算法，基于離散對(duì)數(shù)困難問題的ElGmal 加密算法和基于雙線性對(duì)的加密算法。然而，這些加密和解密算法需要冪方運(yùn)算、模數(shù)運(yùn)算或雙線性對(duì)運(yùn)算，故相對(duì)于對(duì)稱加密算法而言，他們的計(jì)算速度較慢。特別是對(duì)海量數(shù)字圖書進(jìn)行加密時(shí)，這種非對(duì)稱加密算法是不可取的。因此，對(duì)于數(shù)字圖書而言，利用對(duì)稱加密算法進(jìn)行加密是一種理想的選擇。

與非對(duì)稱加密算法不同的是，對(duì)稱加密算法使用的加密密鑰和解密密鑰相同或者等價(jià)。對(duì)稱加密算法主要包括三類，即DES（Data encryption standard）、IDEA（international data encryption algorithm）和AES（advanced encryption standard）。目前，使用最為廣泛和流行的是DES。DES由美國(guó)IBM 公司研制，其技術(shù)和應(yīng)用也非常成熟。但是，據(jù)報(bào)道，1998年5月美國(guó)EFF（electronics frontier foundation）宣布，其利用專用的解密機(jī)，在56 小時(shí)破譯了56 比特密鑰的DES。而對(duì)于DES，是否對(duì)于長(zhǎng)度更長(zhǎng)的密鑰也能得到攻破，目前并未報(bào)道。但是，可以肯定，DES 的安全性受到威脅。IDEA 由來學(xué)嘉和J.L.Massey提出，是一種設(shè)計(jì)比較成功的對(duì)稱加密算法，但其目前應(yīng)用并不廣泛。AES 以Rigndael 算法為核心，采取的是寬軌跡策略，具備抵抗差分密碼分析及線性密碼分析的能力。其比DES 快，更為安全，其密鑰長(zhǎng)度具有128 比特、192 比特和256 比特三種選擇。重要的是，對(duì)于AES，目前還沒有有效的攻擊手段和破解方法。因此，建議利用AES 對(duì)海量的數(shù)字圖書進(jìn)行加密，并將數(shù)字圖書的密文保存到數(shù)字圖書館的存儲(chǔ)設(shè)備中。

對(duì)稱加密算法的安全性主要依賴于加密密鑰（解密密鑰）的安全性。一旦加密密鑰遭到泄露，則密鑰獲得者可以根據(jù)加密密鑰解密數(shù)字圖書的密文，從而獲得數(shù)字圖書的原文。因此，從某種意義上講，數(shù)字圖書的安全性，主要依賴于加密密鑰的安全性。因此，需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)字圖書加密密鑰的安全保管。同時(shí)，需要注意的是，對(duì)于數(shù)以百萬計(jì)的海量數(shù)字圖書，如果使用同一個(gè)加密密鑰進(jìn)行對(duì)稱加密，則在某種情況下會(huì)具有潛在威脅。比如，若這一加密密鑰被某人非法獲取或破解，則他（她）可以解密所有的數(shù)字圖書。因此，為保證數(shù)字圖書對(duì)稱加密更為安全，建議對(duì)不同的數(shù)字圖書采用不同的加密密鑰進(jìn)行加密，從而使數(shù)字圖書的加密措施更為安全。這是因?yàn)?，即使一本?shù)字圖書的加密密鑰遭到泄露，但其他數(shù)字圖書對(duì)應(yīng)的加密密鑰仍然安全。即盡量避免加密密鑰的重復(fù)使用。然而，我們面臨著一個(gè)問題，如果每本圖書都具有不同的加密密鑰，則對(duì)于數(shù)以百萬計(jì)的海量數(shù)字圖書，需要設(shè)置數(shù)以百萬計(jì)的加密密鑰。對(duì)于如此龐大的密鑰量，如何進(jìn)行管理，是一個(gè)需要解決的問題。因此，在下一節(jié)，我們給出數(shù)字圖書加密密鑰的管理和加密措施。

三、數(shù)字圖書加密密鑰的管理和加密措施

為更加安全地對(duì)數(shù)字圖書進(jìn)行加密，我們除了選用AES 加密算法外，希望每一本數(shù)字圖書都使用不同的對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行加密。如何針對(duì)不同數(shù)字圖書，安全地產(chǎn)生不同的數(shù)字圖書加密密鑰，如何保存這些密鑰是本節(jié)討論的主要內(nèi)容。在給出這些密鑰管理措施之前，需要先給出一些參數(shù)。

假定H∶｛0，1｝*→｛0，1｝l為一個(gè)安全的密碼單向hash 函數(shù)，其將任意長(zhǎng)的二進(jìn)制串映為長(zhǎng)度為l 的二進(jìn)制串。在這里，l 可以取128、192 和256 三種選擇。數(shù)字圖書館的管理者隨機(jī)選取一個(gè)長(zhǎng)度為d 的二進(jìn)制串Seed，d 可以取1024，或者更長(zhǎng)。Seed 作為所有數(shù)字圖書的密鑰種子，用于為所有的數(shù)字圖書產(chǎn)生加密密鑰。在這里，需要注意的是，Seed 應(yīng)該由數(shù)字圖書館的管理者采取門限措施予以安全保存。這種門限措施，我們放在第4節(jié)予以給出。

現(xiàn)在，對(duì)任何一本數(shù)字圖書Booki，為對(duì)其產(chǎn)生加密密鑰，數(shù)字圖書館的管理者計(jì)算：

booki_key=H（Seed||booki_information）

并將booki_key 作為booki的加密密鑰。在這里，booki_information 表示數(shù)字圖書Booki的簡(jiǎn)要代表信息，其主要包括圖書的作者、出版商、出版日期、書號(hào)等信息，而符號(hào)“||”表示二進(jìn)制串的連接。由于hash 函數(shù)具有抗碰撞性和均勻分布性，故對(duì)不同的booki_information，將生成不同的booki_key。最終，將booki_key 作為數(shù)字圖書booki的加密密鑰，并用AES 算法對(duì)booki進(jìn)行加密得到Booki的密文：

Cipheri=AES（Booki，booki_key）

將相應(yīng)的密文Cipheri保存在數(shù)字圖書館的存儲(chǔ)設(shè)備上，從而保證數(shù)字圖書的安全性。這樣，結(jié)合上一節(jié)的內(nèi)容，圖1給出數(shù)字圖書的一個(gè)加密方案。（圖1）

圖1 數(shù)字圖書的加密密鑰產(chǎn)生措施和相應(yīng)的AES加密措施

從圖1可以看出，每本數(shù)字圖書Booki所使用的加密密鑰booki_key 各不相同，故每本數(shù)字圖書加密后產(chǎn)生的密文Cipheri也各不相同。

雖然加密密鑰booki_key 各不相同，但數(shù)字圖書館的管理者無需存儲(chǔ)這些加密密鑰。這是因?yàn)?，?duì)于任何一本數(shù)字圖書Booki，數(shù)字圖書館的管理者只需計(jì)算：

booki_key=H（Seed||booki_information）

便可獲得對(duì)應(yīng)圖書的加密密鑰。因此，對(duì)于管理者，其只需秘密的存儲(chǔ)密鑰種子Seed 即可。

當(dāng)用戶需要閱讀數(shù)字圖書的原文Booki時(shí)，數(shù)字圖書館管理者利用密鑰種子Seed 和hash 函數(shù)H 計(jì)算出的加密密鑰booki_key，并利用AES 解密算法還原數(shù)字圖書密文Cipheri對(duì)應(yīng)的原文，即計(jì)算：

Booki=AES-1（Cipheri，booki_key）

在上式中，AES-1表示與AES 加密算法對(duì)應(yīng)的解密算法?？梢酝ㄟ^圖2描述Cipheri的解密過程。（圖2）

圖2 數(shù)字圖書密文Cipheri的AES解密過程

由于AES 算法已經(jīng)被密碼學(xué)家證明是安全的，故在已知密文Cipheri但不知道加密密鑰booki_key 的情況下，非法用戶無法解密Ciphteri獲得數(shù)字圖書Booki的原文內(nèi)容。若非法用戶企圖猜測(cè)出booki_key，但由于booki_key 的長(zhǎng)度至少為128 比特，這種能夠猜測(cè)出booki_key的概率最多為2-128，這是一個(gè)可以忽略的概率。因此，booki_key 具有安全性，這使得Ciphteri也具有保密性。事實(shí)上，上述的加密措施具有更進(jìn)一步的安全性。可以看出，即使booki_key 遭到泄露后，由于H為一個(gè)單向hash 函數(shù)，故非法用戶無法由booki_key 和booki_information 獲 得Seed（注意，Seed 是由數(shù)字圖書館管理者秘密保存）。并且，即使booki_key 遭到泄露，由于非法用戶不知道Seed，故其無法計(jì)算Bookj（i≠j）的加密密鑰bookj_key=H（Seed||bookj_information）。也就是說，在booki_key 遭到泄露的情況下，Bookj的加密密鑰仍然安全，非法用戶仍然無法解密Ciphterj而獲得Bookj。

從上面的分析可知，數(shù)字圖書館的管理者只需要對(duì)密鑰種子Seed 安全保存，便可推出任何一個(gè)數(shù)字圖書的加密密鑰（解密密鑰），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一本數(shù)字圖書的加密和解密。因此，對(duì)Seed 的安全保存尤為重要。為此，我們采用（k，t）門限秘密分割的方法對(duì)Seed 進(jìn)行秘密分割，將Seed 分割成t 個(gè)部分，每一部分稱為一個(gè)秘密因子，分別放到不同的數(shù)字圖書館t個(gè)不同的主機(jī)上，使得只有同時(shí)獲取k 個(gè)或k 個(gè)以上的主機(jī)秘密因子才能恢復(fù)Seed，而任何少于k 個(gè)秘密因子無法恢復(fù)密鑰種子Seed。數(shù)字圖書館管理者將這t個(gè)秘密因子秘密地放到數(shù)字圖書館t 個(gè)不同的主機(jī)上進(jìn)行保存。稱這種秘密分割方案為（k，t）門限秘密分割方案。下面，我們給出這種方案的實(shí)現(xiàn)。

設(shè)GF（q）是一有限域，其中是一個(gè)安全的大素?cái)?shù)q（如，q 取1024 比特），且q≥t+1。假定Seed 為數(shù)字圖書館管理者在GF（q）｛0｝上隨機(jī)選取的一個(gè)數(shù)（顯然，其等價(jià)為一個(gè)二進(jìn)制串）。另外，數(shù)字圖書館管理者在GF（q）｛0｝上再隨機(jī)選取數(shù)k-1 個(gè)數(shù)a1，a2，…，ak-1，并在GF（q）｛0｝上構(gòu)造一個(gè)k-1 次多項(xiàng)式f（x）=Seed+a1x+a2x2+…+ak-1xk-1（modq）。數(shù)字圖書管理者分別計(jì)算f（1），f（2），…，f（t），稱這t 個(gè)數(shù)為秘密因子。數(shù)字圖書館管理者將（1，f（1）），（2，f（2）），…，（t，f（t）））這t 個(gè)數(shù)對(duì)分別分配給主機(jī)M1，M2，…，Mt秘密保存，并銷毀Seed，a1，a2，…，at。這樣，若數(shù)字圖書館管理者從任何k 個(gè)主機(jī)Mi1，Mi2，…，Mik獲取相關(guān)秘密因子f（i1），f（i2），…，f（ik），便可通過計(jì)算恢復(fù)出密鑰種子

Seed：

但是，如果獲得任何等于或少于k-1個(gè)主機(jī)的密鑰因子，則無法恢復(fù)密鑰種子。這是因?yàn)椋魞H僅具備k-1 個(gè)密鑰因子f（i1），f（i2），…，f（ik-1），要想計(jì)算出Seed，則必須解出線性方程組：

才能獲得Seed。然而，這是一個(gè)k-1 個(gè)方程構(gòu)成的具有k 個(gè)未知量的線性方程組，故無法解出Seed。因此，若僅僅獲得少于或等于k-1 個(gè)主機(jī)的秘密因子，是無法獲得Seed 的。下面的圖3和圖4給出了數(shù)字圖書密鑰種子Seed 的（k，t）門限秘密分割和恢復(fù)過程。（圖3、圖4）

圖3 數(shù)字圖書密鑰種子Seed的（k，t）門限秘密分割過程

圖4 數(shù)字圖書密鑰種子Seed的恢復(fù)過程

通過上述的秘密分割方案，使得Seed 具有很好的安全性。首先，需要注意的是，秘密因子被分別秘密地保存到t 個(gè)主機(jī)上。即使一個(gè)或小于等于k-1 個(gè)主機(jī)的密鑰因子遭到泄露，非法用戶仍然無法獲得數(shù)字圖書的加密密鑰種子。其次，即使若干個(gè)主機(jī)遭到物理損害，只要仍有k個(gè)主機(jī)密鑰因子保存完好，則數(shù)字圖書館管理者便可根據(jù)這k 個(gè)主機(jī)密鑰因子恢復(fù)出密鑰種子，從而可以計(jì)算出任何一本數(shù)字圖書的加密密鑰（解密密鑰），并能解密相應(yīng)的數(shù)字圖書的密文。因此，這種將數(shù)字圖書的加密密鑰種子進(jìn)行秘密分割的方案具有安全的保存特性和恢復(fù)特性。

四、結(jié)束語

數(shù)字圖書館的主要存儲(chǔ)內(nèi)容是數(shù)字圖書。為保證數(shù)字圖書館數(shù)字圖書的安全性，本文提出利用AES 加密海量數(shù)字圖書的思路。并且，為使得數(shù)字圖書的加密具有更好的安全性，本文提出利用Hash函數(shù)和密鑰種子為不同的圖書產(chǎn)生不同的加密密鑰，針對(duì)不同的數(shù)字圖書利用不同的加密密鑰進(jìn)行加密。數(shù)字圖書的加密密鑰互不相關(guān)，即一本圖書的加密密鑰泄露并不會(huì)影響其他數(shù)字圖書的密文的安全性。同時(shí)，數(shù)字圖書館管理者無需存儲(chǔ)數(shù)字圖書的加密密鑰，其可以方便地利用密鑰種子和數(shù)字圖書的代表信息恢復(fù)數(shù)字圖書的加密密鑰。為使得密鑰種子具有較好的安全性，本文還提出利用門限方案對(duì)數(shù)字圖書加密密鑰種子進(jìn)行秘密分割，使得密鑰種子具有更安全的保存特性和恢復(fù)特性。

［1］張長(zhǎng)安，柏麗娜.DRM技術(shù)及其在數(shù)字圖書館中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代圖書情報(bào)技術(shù)，2003.3.

［2］楊海平.E-book研究［J］.中國(guó)圖書館學(xué)報(bào)，2001.4.

［3］楊海平.電子圖書版權(quán)問題研究［J］.圖書館論壇，2004.24.6.

［4］Rivest R L，Shamir A，Adelman L.A Method for Obtain Digital Signatures and Public-key Cryptosystem.Commun.ACM，21.2.

［5］ElGamal T.A Public Key Cryptosystem and a Signature Scheme Based on Discrete Logarithms.IEEE Tran.Information Theory，1985.4.

［6］DanBoneh，Xavier Boyen.Secure Identity Based Encryption Without Random Oracles.In：M.Franklin（Ed.）：CRYPTO2004.Berlin：Springer-Verlage，LNCS3152，2004.

［7］楊波.現(xiàn)代密碼學(xué)（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.6.