使用匿名數(shù)字證書提高網(wǎng)絡(luò)傳輸中文件的安全性

摘 要：本文提出一個(gè)匿名數(shù)字證書的發(fā)布方案，方案允許實(shí)體用已獲得的實(shí)名證書向證書發(fā)布機(jī)構(gòu)申請(qǐng)多個(gè)匿名數(shù)字證書，將不同的匿名數(shù)字證書應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中文件傳輸?shù)牟煌A段，可以在不泄露實(shí)體真實(shí)身份的同時(shí)，增加要傳輸文件的安全性。

關(guān)鍵詞：匿名數(shù)字證書；文件傳輸；安全性

中圖分類號(hào)：TP393.08

1 背景介紹

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，實(shí)體間重要文件的傳輸是一項(xiàng)很重要的活動(dòng)，如證書，合同簽名，重要的電子商品，以及付費(fèi)的收據(jù)等文件的傳輸。正因?yàn)檫@些文件的重要性，所以交換過(guò)程必須安全可靠，避免有些惡意實(shí)體可以得到它們想要的文件。因此，在文件傳輸中需要考慮兩個(gè)特性：匿名性和不可否認(rèn)性。匿名性保護(hù)了實(shí)體的身份和位置等信息，不可否認(rèn)性是防止文件的發(fā)送者不承認(rèn)自己發(fā)送了文件。匿名性是要隱藏實(shí)體的真實(shí)身份，而不可否認(rèn)性是要暴露實(shí)體的真實(shí)身份，因此，需要使用有效的方法來(lái)解決這兩個(gè)特性間的沖突。本文提出使用匿名證書來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)體可以通過(guò)已有實(shí)名證書從多個(gè)CA處獲得匿名證書，并且這些CA是不能相互串通的。

2 方案簡(jiǎn)介

在實(shí)體所獲得的證書中，標(biāo)有實(shí)體真實(shí)身份的證書稱為實(shí)名證書，假設(shè)存在多個(gè)CA（Ai）用來(lái)發(fā)布證書，每個(gè)實(shí)體擁有至少一個(gè)實(shí)名證書，并且實(shí)體可以根據(jù)已有的實(shí)名證書申請(qǐng)多個(gè)匿名證書。本方案中允許一個(gè)實(shí)體擁有多個(gè)匿名數(shù)字證書主要是為了提高文件傳輸?shù)陌踩?，?shí)體的不同匿名證書可以用于文件傳輸?shù)牟煌A段，因?yàn)檫@些證書好像沒(méi)有任何聯(lián)系，所以這就阻止了惡意的實(shí)體通過(guò)這些傳輸階段鏈接到同一個(gè)實(shí)體，在匿名應(yīng)用中避免這樣的情況是非常必要的。

本方案中匿名證書的發(fā)布還要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）控制匿名數(shù)字證書的數(shù)量。如果不嚴(yán)格控制匿名證書的數(shù)量，則CA的通信處理會(huì)大大增加，它將導(dǎo)致匿名證書性能的降低和證書管理方面的問(wèn)題。因此，必須嚴(yán)格控制一個(gè)實(shí)體的匿名數(shù)字證書的數(shù)量。

（2）證書有效期的設(shè)置。為了簡(jiǎn)化證書的管理和提高證書的可靠性，當(dāng)實(shí)體的一個(gè)證書到期了，那么由這個(gè)過(guò)期證書直接或間接發(fā)布的所有證書都應(yīng)該視為到期。如果實(shí)體的不同證書使用相同的有效期，那么惡意實(shí)體就可以利用這些證書相同的有效期去鏈接到同一實(shí)體。

3 符號(hào)說(shuō)明

本文中所使用的符號(hào)及說(shuō)明如下：

（pki，a，ski，a）是由CA（Aa）發(fā)給實(shí)體Pi的證書的公鑰和私鑰，（pka，ska）是CA（Aa）自己的公鑰和私鑰。

Ek（x）表示數(shù)據(jù)x用密鑰k進(jìn)行加密后的密文。

x，y表示數(shù)據(jù)項(xiàng)x，y。

H（x）表示哈希函數(shù)。

Pi→Pj：m表示一個(gè)實(shí)體Pi通過(guò)一個(gè)普通信道向另一個(gè)實(shí)體Pj發(fā)送信息m。

Pi→APj：m表示實(shí)體Pi通過(guò)一個(gè)匿名信道向另一個(gè)實(shí)體Pj發(fā)送信息m，這里Pi知道Pj的地址和身份，而Pj不知道Pi的地址和身份。如果Pi要求Pj對(duì)它發(fā)送的信息做出響應(yīng)，Pi需要給Pj發(fā)送信息m的同時(shí)再發(fā)送一個(gè)匿名的回復(fù)地址。

Ci，b是由CA（Ab）發(fā)給實(shí)體Pi的一個(gè)實(shí)名或匿名證書，它可以表示為Ci，b=（Ab，Ii，b，pki，b，ei，b，si，b），其中si，b=Eskb（h（Ab，Ii，b，pki，b，ei，b））是Ab的簽名，Ii，b，pki，b和ei，b，是Pi的真實(shí)身份或匿名，證書的公鑰和證書的有效期。我們假設(shè)每一個(gè)實(shí)體都知道所有CA的公鑰。

4 匿名證書的發(fā)布方案

為了限定匿名證書的數(shù)量，我們假設(shè)每一個(gè)實(shí)體擁有一個(gè)樹(shù)形證書結(jié)構(gòu)，一個(gè)實(shí)名證書是樹(shù)根。圖1描述了這樣一個(gè)證書樹(shù)，根結(jié)點(diǎn)是由Ao發(fā)布給Pi的一個(gè)實(shí)名證書，其它證書都是基于這個(gè)實(shí)名證書直接或間接發(fā)布的匿名證書。例如，圖中的Ci，o是Ci，a的父結(jié)點(diǎn)，Ci，a是通過(guò)證書Ci，o直接發(fā)布的，Ci，o是Ci，b的祖父結(jié)點(diǎn)，Ci，b是間接地通過(guò)Ci，a由Ab發(fā)布的證書。很明顯，如果Pi擁有m個(gè)實(shí)名證書，那么Pi就會(huì)擁有m個(gè)相應(yīng)的證書樹(shù)。

圖1 證書樹(shù)

對(duì)于每個(gè)證書樹(shù)，我們都需要設(shè)置證書樹(shù)的層數(shù)和子證書的個(gè)數(shù)，每個(gè)CA（Aj）需要設(shè)置兩個(gè)值mlj和mcj。mlj表示對(duì)于任意由Aj發(fā)布的實(shí)名證書的證書樹(shù)的層數(shù)不能超過(guò)mlj；mcj表示對(duì)于任意由Aj發(fā)布的實(shí)名或匿名證書，如果它擁有子證書，那么子證書的數(shù)量不能超過(guò)mcj。一個(gè)證書如果沒(méi)有子證書被稱為樹(shù)的葉子。當(dāng)一個(gè)實(shí)體Pi請(qǐng)求CA（Ab）根據(jù)現(xiàn)有的證書Ci，a發(fā)布一個(gè)匿名證書Ci，b時(shí)，匿名證書Ci，b的有效期不應(yīng)該比證書Ci，a的有效期長(zhǎng)，也就是lei，b

下面我們介紹發(fā)布匿名證書的四個(gè)階段。假設(shè)實(shí)體Pi請(qǐng)求CA（Ab）根據(jù)已有的證書Ci，a來(lái)發(fā)布一個(gè)新證書Ci，b。第1階段，實(shí)體Pi向Ab發(fā)出請(qǐng)求，這個(gè)請(qǐng)求包括Aa的真實(shí)身份和數(shù)據(jù)項(xiàng)xi，b，這個(gè)信息只能被Aa所驗(yàn)證，請(qǐng)求信息通過(guò)匿名信道發(fā)送，Ab不需要知道實(shí)體的真實(shí)身份。第2階段，Ab發(fā)送xi，b及其它相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)給Aa。第3階段，Aa通過(guò)驗(yàn)證xi，b來(lái)證明實(shí)體Pi請(qǐng)求的真實(shí)性，驗(yàn)證成功后授權(quán)Ab為實(shí)體Pi發(fā)布證書。第4階段，Ab根據(jù)授權(quán)發(fā)布新的證書Ci，b。

匿名證書發(fā)布過(guò)程及相關(guān)的定義

T1.Pi→AAb：Epkb（Aa，pki，b，sei，b，sni，b，xi，b）

T2.Ab→AAa：xi，b

T3.Aa→AAb：sni，b，Eki，b（sri，b）

T4.Ab→APi：Ci，b

匿名證書發(fā)布過(guò)程中使用的符號(hào)及說(shuō)明如下：

sei，b，sni，b：Pi選擇的隨機(jī)數(shù)

li，a：Aa發(fā)布的實(shí)名證書Ci，a中標(biāo)注的Aa的真實(shí)身份信息

pki，b：Pi實(shí)名證書的公鑰

ki，b=h（Ab，pki，b，sei，b）

aui，b=Eski，a（Aa，li，a，sni，b，ki，b）

xi，b=Epka（li，a，aui，b）

gri，b：Aa對(duì)Ab的授權(quán)值

sri，b=Eska（sni，b，ki，b，gri，b）

Ci，b：Ab發(fā)布給Pi的匿名證書

下面詳細(xì)介紹匿名證書發(fā)布方案。

（1）在第T1階段，Pi定義一對(duì)公鑰和私鑰（pki，b，ski，b），產(chǎn)生兩個(gè)隨機(jī)數(shù)sni，b和sei，b，Pi計(jì)算出ki，b，aui，b和xi，b。這里，用Aa的公鑰pka對(duì)xi，b加密是為了只允許Aa知道Pi的真實(shí)身份Ii，a。用Aa的私鑰ska對(duì)aui，b加密是為了只讓Aa驗(yàn)證Pi的真實(shí)身份。Xi，b使得Ab從Aa處獲得允許驗(yàn)證與ki，b相關(guān)的公鑰pki，b，不需要讓Aa知道pki，b。如果需要，還可以為信息加上一個(gè)時(shí)間戳。

（2）在T2階段，Ab首先用私鑰skb對(duì)實(shí)體的信息進(jìn)行解密，并且證明Aa是一個(gè)合法的CA。如果驗(yàn)證失敗，Ab會(huì)終止協(xié)議的進(jìn)行。不用特殊指明，任何驗(yàn)證失敗都會(huì)導(dǎo)致協(xié)議的終止。如果驗(yàn)證通過(guò)，Ab會(huì)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)并把xi，b轉(zhuǎn)發(fā)給Aa。

（3）在T3階段，Aa用自己的私鑰ska對(duì)xi，b解密，并且通過(guò)xi，b中由Aa發(fā)布的證書Ci，a證明實(shí)體的身份，并且這個(gè)證書沒(méi)有過(guò)期或被撤銷。如果驗(yàn)證通過(guò)，Aa用公鑰pki，a對(duì)xi，b中的aui，b進(jìn)行解密得到A’a，I’I，a，sni，b和ki，b。如果A’a=Aa并且I’I，a=Ii，a，則Aa就可以確定請(qǐng)求是實(shí)體Pi發(fā)出的。

（4）在T4階段，Ab用ki，b對(duì)Eki，b（sri，b）進(jìn)行解密，用私鑰pka對(duì)sri，b進(jìn)行解密。Ab驗(yàn)證sri，b中的sni，b和ki，b是正確的，并且gri，b中的sti，b>0。如果驗(yàn)證通過(guò)，Ab產(chǎn)生匿名Ii，b，設(shè)置有效期ei，b并且有ei，b

si，b=Eskb（h（Ab，Ii，b，pki，b，ei，b））

Ci，b=（Ab，Ii，b，pki，b，ei，b，si，b）

如果Ab不允許發(fā)布證書，則Ab執(zhí)行下面的操作：

Ab→APi：sni，b，Eskb（sni，b，’no certification’）

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了匿名證書的發(fā)布方案，此方案發(fā)布的匿名證書具有匿名性，即使某個(gè)CA與惡意實(shí)體串通的情況下，對(duì)于攻擊者想要由匿名證書鏈接到實(shí)名證書也是很難的，在實(shí)體間文件傳輸?shù)牟煌A段使用不同的匿名證書，再通過(guò)匿名信道，可以大大提高文件傳輸過(guò)程的安全性。本文只研究了匿名證書的發(fā)布方案，匿名證書還要具有可追蹤性，當(dāng)由匿名證書簽名的信息受到質(zhì)疑時(shí)，必須由權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)證明信息的合法性，所以還需要研究基于證書樹(shù)結(jié)構(gòu)的匿名證書追蹤方案。

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作者簡(jiǎn)介：

作者單位：遼寧商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161