基于無證書密鑰隔離簽名和加密方案的ACARS數(shù)據(jù)鏈安全通信

◆翁太偉

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基于無證書密鑰隔離簽名和加密方案的ACARS數(shù)據(jù)鏈安全通信

◆翁太偉

（中國民用航空珠海進(jìn)近管制中心 廣東 519070）

基于地空數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(ACARS)是民航飛機(jī)與地面進(jìn)行通信主要方式之一。針對其受到的數(shù)據(jù)欺騙、實(shí)體偽裝和拒絕服務(wù)等威脅，本文通過分析部分學(xué)者提出的解決方案的不足，提出一個(gè)新型的無證書密鑰隔離簽名和加密方案，用于解決 ACARS數(shù)據(jù)鏈安全通信中CA不可信和密鑰泄漏問題。與傳統(tǒng)的公鑰體制和基于身份的密碼體制相比較，該無證書密鑰隔離簽名方案可以解決簽名驗(yàn)證者在驗(yàn)證簽名時(shí)需驗(yàn)證簽名者公鑰的有效性和密鑰托管問題，該無證書密鑰隔離加密方案可以在密鑰泄漏后，還可以保證大部份數(shù)據(jù)的安全。本方案通過提出新型的無證書密鑰隔離簽名和加密方案實(shí)現(xiàn)時(shí)間片段內(nèi)的安全簽名和加密，加密傳輸通信用的對稱密鑰，進(jìn)而確保對話安全。本方案有如下兩個(gè)的優(yōu)勢：(1)無需對用戶的公鑰進(jìn)行數(shù)字證書管理，可以避免管理公鑰數(shù)據(jù)證書所引起的大量開銷；(2)能夠有效降低系統(tǒng)因密鑰泄漏帶來的危害。

ACARS數(shù)據(jù)鏈；無證書簽名；無證書加密；密鑰隔離；密鑰泄漏

0 引言

飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)(ACARS) 作為重要的地空通信手段，目前已廣泛應(yīng)用于民用航空飛機(jī)與地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中。航空公司通過ACARS數(shù)據(jù)鏈可以把飛機(jī)上的各類信息傳送到公司的維護(hù)部門、飛行管理部門、旅客服務(wù)部門等與航班相關(guān)的各個(gè)環(huán)節(jié)，空管系統(tǒng)依托 ACARS實(shí)現(xiàn)了數(shù)字空管系統(tǒng)（包括數(shù)字放行 DCL和數(shù)字通波 D- ATIS），實(shí)現(xiàn)從塔臺(tái)管制員到飛機(jī)飛行員之間的信息交換。但是因?yàn)锳CARS報(bào)文使用明文傳輸?shù)奶匦裕魏稳酥恍枋褂幂^低成本的接收裝置就能監(jiān)視和解碼ACARS報(bào)文，獲得飛行器類型、位置、計(jì)劃航路、乘客情況和飛行器運(yùn)行狀態(tài)等細(xì)節(jié)，進(jìn)而對飛行的安全性產(chǎn)生重大威脅。目前的ACARS 系統(tǒng)存在著以下幾個(gè)安全問題：

(1) 數(shù)據(jù)欺騙——在ACARS明文通信過程，非法分子通過篡改和重新發(fā)送等方法修改真實(shí)的ACARS信息，飛機(jī)最終收到的是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而對飛機(jī)的安全飛行產(chǎn)生直接影響。

(2) 實(shí)體偽裝——ACARS鏈路中沒有做到百分百保障鏈路的安全性，在空管的數(shù)字放行應(yīng)用中，如果非法分子利用發(fā)射設(shè)備冒充空管部門發(fā)射虛假的ACARS報(bào)文指揮空中交通，直接影響航空飛行器的安全，甚至造成飛行器相撞的嚴(yán)重后果。

(3) 拒絕服務(wù)——攻擊者想辦法讓目標(biāo)機(jī)器停止提供真實(shí)服務(wù)。ACARS 系統(tǒng)中地面站在同一時(shí)刻只能和一個(gè)飛機(jī)進(jìn)行有效的通信，攻擊者直接發(fā)送或偽裝成某個(gè)飛機(jī)向地面站發(fā)送超量的ACARS偽報(bào)文，使得地面站不能夠及時(shí)響應(yīng)其它飛機(jī)的正常通信請求，造成地面站或信息處理中心服務(wù)器超出負(fù)載能力，不能夠及時(shí)響應(yīng)其正常信息，從而造成服務(wù)器拒絕服務(wù)[1]。

為了解決上述不安全問題，王曉林等學(xué)者提出基于第三方的端對端的安全架構(gòu)方案，該方案混合使用對稱密碼和非對稱密碼的策略。但這個(gè)方案中的認(rèn)證前提是CA是要求認(rèn)證方所信任的。同時(shí)建議，為了防止密鑰的泄漏，還可以使用時(shí)間標(biāo)記和證書有效期，而且CA也有必要保存一個(gè)合法的證書清單，有認(rèn)證要求的一方可以定期查看它。但這樣的系統(tǒng)卻存在私鑰托管問題。CA可以獲取任何用戶的私鑰，不可靠的CA就可以竊聽任何用戶的通信信息，并可以偽造任何合法用戶的簽名。無證書公鑰密碼系統(tǒng)(certificateless public key cryptography)[2]正是為了克服基于身份的系統(tǒng)中的私鑰托管(key escrow)問題而提出的，其概念由Al-Riyami 和Paterson于2003 年提出。無證書公鑰密碼體制與基于PKI的傳統(tǒng)公鑰密碼體制相比較，有不需要公鑰證書等優(yōu)勢，并且無證書密碼系統(tǒng)消除了基于身份的密碼系統(tǒng)中存在的私鑰托管問題。

在無證書的公鑰密碼體系中，需要一個(gè)可信的第三方密鑰生成中心KGC(key generation center)，KGC 持有系統(tǒng)的主密鑰(master key),根據(jù)系統(tǒng)的主密鑰和申請用戶的身份信息計(jì)算出用戶的部分私鑰，將結(jié)果傳送給申請用戶。在收到KGC發(fā)過來的部分私鑰后，申請用戶根據(jù)自己的部分私鑰和隨機(jī)生產(chǎn)的一個(gè)秘密值生成自己的完整私鑰。而公鑰則需要自己的秘密值、身份信息和系統(tǒng)參數(shù)安全共同計(jì)算得出，最終以可靠的方式公布。客戶使用自己的私鑰進(jìn)行簽名和解密，而KGC無法獲取任何用戶的私鑰，這樣可以避免基于身份系統(tǒng)中的私鑰托管問題。

吳志軍等在文獻(xiàn)[3]中提出，在一些特殊情況下（如私鑰泄漏），航空公司可以向CA發(fā)送吊銷證書請求，收到請求后CA會(huì)吊銷證書。為了減少密鑰泄漏帶來的危害，Dodis等人[4]在2002年提出了一種密鑰隔離的密碼系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一個(gè)物理安全的設(shè)備被用來儲(chǔ)存協(xié)助器密鑰，只有將私鑰和協(xié)助器密鑰結(jié)合起來才能完整密鑰的更新，這樣達(dá)到即使部分密鑰泄漏也可以最大限度的保證絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)的安全。

在Dodis等人的基礎(chǔ)上，不少的密鑰隔離簽名方案被提出來[5-12]。Zhou等人[9]提出第一個(gè)基于身份的密鑰隔離簽名方案，然而Weng等人[7]指出該方案無法滿足強(qiáng)密鑰隔離安全，并給出了一個(gè)滿足強(qiáng)密鑰隔離安全的基于身份的密鑰隔離簽名方案。Zhongmei[12]提出了一個(gè)無證書密鑰隔離簽名方案，該方案中包含著傳統(tǒng)無證書密碼方案的一些類似組成。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合ACARS數(shù)據(jù)鏈安全通信存在的問題，我們構(gòu)建出新型的無證書密鑰隔離簽名和加密方案，該方案有兩個(gè)的優(yōu)勢，一是無需對用戶的公鑰進(jìn)行數(shù)字管理，可以避免傳統(tǒng)PKI機(jī)制因管理公鑰數(shù)據(jù)證實(shí)引起的大量開銷；二是能夠有效地降低因密鑰泄漏帶來的危害。

1 相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)

本方案需要用到雙線性配對(bilinear pairing)群組這一工具。為此，下面給出非對稱和對稱的雙線性映射群組的定義。

2 方案模型

2.1 無證書密鑰隔離的簽名方案模型

一個(gè)無證書密鑰隔離的簽名方案由以下六部分算法組成：

2.2 無證書密鑰隔離的加密方案模型

2.3 無證書密鑰隔離簽名方案

我們所提出的無證書密鑰隔離簽名方案由以下算法所組成：

2.4 無證書密鑰隔離加密方案

3 ACARS安全通信

3.1 ACARS安全會(huì)話建立過程

實(shí)施無證書密鑰隔離簽名和加密方案的安全ACARS通信，操作機(jī)構(gòu)需指定一個(gè)實(shí)體作為密鑰管理中心，該中心只是存儲(chǔ)系統(tǒng)主密鑰和系統(tǒng)公開參數(shù)，該參數(shù)可供飛機(jī)和地面申請使用，不直接分發(fā)通信用的公鑰和私鑰。從而避免非可信中心的風(fēng)險(xiǎn)。具體過程通信過程參考圖1。

圖1 安全ACARS通信初始化和密鑰建立過程

3.2 安全性說明

正常會(huì)話初始化情況下，飛機(jī)端利用管理中心生成的部分密鑰和公開參數(shù)，生成自己的公鑰、協(xié)助器密鑰和私鑰。在對身份、時(shí)間片段和公鑰進(jìn)行簽名后，發(fā)送給地面端。若飛機(jī)公鑰在傳輸過程中被篡改，則地面端無法對飛機(jī)端的簽名進(jìn)行認(rèn)證，進(jìn)而拒絕飛機(jī)的回話初始化請求。飛機(jī)端的密鑰由飛機(jī)本身和管理中心共同來完成。不僅消除了傳統(tǒng)的公鑰證書的復(fù)雜管理，而且可以解決了密鑰托管問題。針對文獻(xiàn)[1]中CA不可信的情形，也滿足回話的安全要求。在得到飛機(jī)端的公鑰后，地面端選取的對稱密鑰在加密后發(fā)送給飛機(jī)端，并在飛機(jī)端解密后建立該對稱密鑰通信。為提高其安全性，在約定的時(shí)間范圍內(nèi)更換到新的對稱密鑰，而相應(yīng)地，飛機(jī)端借助密鑰協(xié)助器進(jìn)行私鑰的更新，以滿足新的時(shí)間段內(nèi)的解密要求。在文獻(xiàn)[3]中，對于密鑰不慎泄漏，則需要通過吊銷證書來解決。而本方案可以通過密鑰協(xié)助器進(jìn)行密鑰的更新，通過時(shí)間片段的分割，最大限度地減少泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，也避免吊銷證書的復(fù)雜性。

4 結(jié)語

本文對ACARS地_空數(shù)據(jù)鏈安全隱患進(jìn)行分析，針對現(xiàn)有的方案中CA存在的不可信和密鑰泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)無證書密鑰隔離密碼體制的特性，分別設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的無證書密鑰隔離簽名和加密方案。結(jié)合ACARS地_空數(shù)據(jù)鏈通信的特性，對安全ACARS通信初始化和密鑰建立過程加以說明，對其安全性進(jìn)行分析說明。本文由于篇幅限制，暫不對安全性展開證明。期待在今后的研究中，需要將帶寬等因素考慮在內(nèi)，以提高算法的適用性。

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