關(guān)于安全電子郵箱的標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)研究與應(yīng)用

◆焦 迪

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關(guān)于安全電子郵箱的標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)研究與應(yīng)用

◆焦 迪

（國家信息中心 北京 100045）

標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)使用的是非對(duì)稱密碼體系，加密與解密使用兩套不同的密鑰，每個(gè)人的公鑰就是他的身份標(biāo)識(shí)。本文通過梳理國內(nèi)外郵件系統(tǒng)安全現(xiàn)狀，明確標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)而比較和分析了傳統(tǒng)PKI/CA方式與標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)方式的郵件加密過程，表明標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)在技術(shù)、成本等方面具有明顯優(yōu)勢，并在政務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行了成功應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)安全；電子郵箱；標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)

0 引言

電子郵件[1]作為一種重要的溝通工具，具有便捷、高效、成本低廉的特點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)、電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)中都得到廣泛應(yīng)用。但是普通電子郵件以明文方式在網(wǎng)上傳輸、存儲(chǔ)，存在巨大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，而使用傳統(tǒng)的加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)郵件安全部署成本高、使用難。我國長期面臨復(fù)雜的國際環(huán)境，郵件系統(tǒng)的泄密事件時(shí)有發(fā)生，特別是最近幾年境外機(jī)構(gòu)通過郵件系統(tǒng)竊取我國政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技等情報(bào)的情況呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢，對(duì)我國信息安全構(gòu)成重大威脅和挑戰(zhàn)，因此加強(qiáng)政府電子郵件系統(tǒng)的安全保障是我們當(dāng)前亟需研究解決的重大問題。

1 國內(nèi)外郵件系統(tǒng)的安全現(xiàn)狀

1.1 國外郵件系統(tǒng)安全現(xiàn)狀

最近幾年，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子郵箱泄密事件愈演愈烈，2013年6月至2014年斯諾登不斷曝光“棱鏡計(jì)劃”，美國國家安全局自2007年起開始實(shí)施絕密級(jí)電子監(jiān)聽項(xiàng)目，幾乎所有電子郵件信息每日通過不安全的鏈接，被國家安全局和其他情報(bào)機(jī)構(gòu)使用數(shù)字收集裝置來捕獲、追蹤，多國電子郵件早已被監(jiān)聽，德國、巴西、墨西哥、中國等等領(lǐng)導(dǎo)人相關(guān)郵箱均已遭到滲透；隨后曝光的“XkeyScore”項(xiàng)目，更是全方位的對(duì)電子郵件內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控和搜索，僅2012年30天，“XKeyscore”計(jì)劃就至少收集和儲(chǔ)存了410億個(gè)記錄。2014年3月，媒體曝光華為高管電子郵箱被美國入侵，甚至竊取了華為各產(chǎn)品的保密源代碼。臨近2014年末，國際互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)電子郵件話題又成為新的熱點(diǎn)，2014年9月黑客在一家俄羅斯網(wǎng)站“比特幣安全”（Bitcoin Security）上公布了近500萬個(gè)谷歌Gmail用戶名密碼。2014年10月，受黑客攻擊影響，美國國務(wù)院關(guān)閉其電子郵件系統(tǒng)。2014年12月，美國政府要求微軟交出存儲(chǔ)在愛爾蘭服務(wù)器的電子郵件，遭到微軟的上訴。2014年12月，索尼影業(yè)被黑客攻擊，大量郵件通信內(nèi)容遭到泄露。

這些事件越來越顯著地暴露出互聯(lián)網(wǎng)電子郵件安全在網(wǎng)絡(luò)空間保障中起到關(guān)鍵作用，而且目前問題依然嚴(yán)峻、難以根除，面對(duì)國際網(wǎng)絡(luò)空間電子郵件爆發(fā)的危機(jī)，各國紛紛提出一系列新的戰(zhàn)略舉措，加強(qiáng)電子郵件設(shè)施的安全性，如建立國家電子郵箱設(shè)施、發(fā)布實(shí)名制公民郵箱等。美國政府在可信身份戰(zhàn)略基礎(chǔ)上與郵箱應(yīng)用進(jìn)行了結(jié)合，日本以實(shí)名制開通公民郵箱等，使得實(shí)名制成為國家網(wǎng)絡(luò)可信戰(zhàn)略的一部分。各國對(duì)電子郵箱的重視到了空前的高度。

1.2 國內(nèi)郵件系統(tǒng)安全現(xiàn)狀

目前我國政府部門的郵箱建設(shè)呈現(xiàn)各自建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)不一、重復(fù)投資、防護(hù)薄弱、明文傳輸、明文存儲(chǔ)的特點(diǎn)，甚至有些政府部門沒有自己專門的郵箱系統(tǒng)而使用互聯(lián)網(wǎng)郵箱，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)也沒有將電子郵件納入監(jiān)督管理范疇。因此各部門郵箱系統(tǒng)遭受境外攻擊的現(xiàn)象十分普遍，運(yùn)維保障人員也疲于應(yīng)對(duì)。十八大之前，總參某單位向工信部提交了1萬多個(gè)被境外控制的IP地址，工信部抽取了其中108個(gè)重點(diǎn)單位的地址進(jìn)行了應(yīng)急處置，經(jīng)處置發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)為政府部門郵件服務(wù)器且被境外長期控制，這些僅僅是電子郵件問題的冰山一角，充分暴露了郵箱系統(tǒng)的脆弱性和明文傳輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性。同時(shí)，大部分政府部門郵箱常年飽受大量垃圾郵件的困擾，有些甚至因?yàn)榻?jīng)常收到境外攻擊沒有補(bǔ)救辦法而被迫關(guān)閉郵件系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了政府部門工作人員的日常工作效率及工作信息的安全性。

2 標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)（IBC）

為了降低公開密鑰系統(tǒng)中密鑰和證書管理的復(fù)雜性，以色列科學(xué)家、RSA算法發(fā)明人之一Shamir在1984年提出了IBC（Identity-Based Cryptography）的設(shè)計(jì)理念。IBC[2]意為“基于標(biāo)識(shí)的加密技術(shù)”，即用戶的標(biāo)識(shí)就可以用做用戶的公鑰（更加準(zhǔn)確地說是用戶的公鑰可以從用戶的標(biāo)識(shí)和算法指定的一個(gè)方法計(jì)算得出）。在這種情況下，用戶不需要申請和交換證書，從而大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。用戶的私鑰由系統(tǒng)中的一個(gè)受信任的第三方（密鑰生成中心）通過標(biāo)識(shí)私鑰生成算法使用主密鑰和用戶標(biāo)識(shí)計(jì)算得出。這樣的系統(tǒng)具有天然的密碼委托功能，也非常適合于有監(jiān)管的應(yīng)用環(huán)境。在標(biāo)識(shí)密碼安全郵件系統(tǒng)中，發(fā)送用戶A從密鑰生成中心獲取其郵件地址作為標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的私鑰后，即可用接收用戶B的郵件地址作為標(biāo)識(shí)公鑰來加密郵件數(shù)據(jù)，使用自己的標(biāo)識(shí)私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名，發(fā)送加密郵件到用戶B。用戶B從密鑰生成中心獲取其郵件地址作為標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的私鑰后即可解密數(shù)據(jù)，使用用戶A的郵件地址作為公鑰即可驗(yàn)證發(fā)送方數(shù)字簽名的合法性。通過以上方式，用戶無需交互證書和公鑰，系統(tǒng)即可提供以下功能：

（1）傳輸安全：郵件在客戶端與郵件服務(wù)器之間、郵件服務(wù)器之間傳遞保證安全，防止泄密；

（2）存儲(chǔ)安全：郵件在郵件服務(wù)器上存儲(chǔ)過程安全，防止泄密；

（3）身份鑒別：鑒別發(fā)件人的身份，防止冒充身份；

（4）監(jiān)管和歸檔：由于標(biāo)識(shí)密碼系統(tǒng)具有密碼委托功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)加密郵件的監(jiān)管和歸檔工作。

從Shamir在1984年提出標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)的設(shè)計(jì)理念后，一直到2001年，密碼學(xué)界才找到了可以實(shí)際應(yīng)用的基于標(biāo)識(shí)加密算法。從此以后，由于其易用性，標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)在電子郵件安全保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 傳統(tǒng)電子郵件安全方案的問題

針對(duì)電子郵件的安全問題，市場上有多種安全解決方案[3]，但不能完整的解決電子郵件整體安全問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 基于口令保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)的問題

這類方案主要是通過口令加密郵件形成壓縮文件附件，收件人使用同樣的口令解密，因?yàn)槭褂玫募用芊绞胶唵?，所以簡單易用?/p>

此類解決方案主要問題如下：

（1）口令保護(hù)方式過于簡單：很容易受到攻擊破解。

（2）口令的傳遞過程不方便：發(fā)送郵件之后還需要想辦法通知對(duì)方解密口令。

（3）不符合密碼安全規(guī)范：無密鑰產(chǎn)生、分發(fā)過程，沒有相應(yīng)的安全密碼算法。

3.2 基于SSL方式實(shí)現(xiàn)的問題

基于SSL方式的實(shí)現(xiàn)方案主要有以下兩種。

（1）通過web收發(fā)郵件，使用https協(xié)議；

（2）通過客戶端收發(fā)郵件，使用SMTPS/POPS/IMAPS等協(xié)議。

目前國內(nèi)的郵件服務(wù)器基本都宣傳支持SSL功能，這些方式雖然采用SSL協(xié)議進(jìn)行了一定保護(hù)，但仍然不能很好的解決安全問題。存在問題如下：

（1）存在安全隱患：目前大多數(shù)SSL服務(wù)器基本都不驗(yàn)證客戶端身份，這樣黑客可以通過SSL代理方式進(jìn)行攻擊；

（2）不能保證郵件存儲(chǔ)安全：郵件存儲(chǔ)在服務(wù)器依然是明文，一旦黑客攻破服務(wù)器，就可以拿到所有數(shù)據(jù)，類似的，客戶端的存儲(chǔ)也是明文，也存在泄密風(fēng)險(xiǎn)；

（3）登錄方式保護(hù)較弱：大多數(shù)采用口令密碼登錄，其登錄過程極易受到口令猜測攻擊。

3.3 基于PKI非對(duì)稱密鑰方式的問題

為了解決郵件系統(tǒng)的保密性等安全性問題，在上世紀(jì)90年代一些安全公司和標(biāo)準(zhǔn)化組織提出和開發(fā)了基于PKI公開密碼技術(shù)的安全產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，如：PGP、PEM、S/MIME。這些系統(tǒng)均是基于公鑰證書的解決方案，采用非對(duì)稱的數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名保證郵件的安全性。應(yīng)用要求用戶在使用加密功能前需交換彼此的數(shù)字證書或公鑰。這大大地降低了系統(tǒng)的易用性，限制了基于這些安全技術(shù)的安全電子郵件系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。以PKI/CA證書方式開發(fā)的各種安全郵件系統(tǒng)具有較高的安全性，但存在使用復(fù)雜等問題，表現(xiàn)在：

（1）易用性不足：由于此方式要求必須事先獲得對(duì)方的證書或公鑰，操作較為繁瑣。發(fā)送加密郵件需要和CA中心申請、驗(yàn)證；而且一旦證書過期或需重新生成RSA密鑰，這個(gè)過程又要重復(fù)操作一遍，這在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)非常大的障礙。

（2）無法很好的支持云計(jì)算模式：隨著云計(jì)算技術(shù)的成熟，各種基于云端的應(yīng)用越來越多。大多數(shù)郵件系統(tǒng)都轉(zhuǎn)向了基于Web操作的模式，而使用此方案用戶必須使用本地私鑰，難以實(shí)現(xiàn)徹底的“虛擬化”，尤其是在各種移動(dòng)智能終端日益豐富的時(shí)代，此模式已經(jīng)顯示應(yīng)用瓶頸。

（3）存在互聯(lián)互通問題：早期部分政務(wù)已經(jīng)建設(shè)了部分PKI證書加密郵箱系統(tǒng)，但均各自建設(shè)，不能互通，實(shí)用性大打折扣。

4 基于標(biāo)識(shí)密碼的郵件加密技術(shù)分析

4.1 傳統(tǒng)PKI/CA方式與標(biāo)識(shí)密碼方式的郵件加密過程比較長期以來國內(nèi)都是使用了傳統(tǒng)PKI/CA[4]證書來實(shí)現(xiàn)郵件加密。此方式要求每個(gè)需要接收和發(fā)送加密郵件的用戶需要先到CA中心申請數(shù)字證書，數(shù)字證書申請成功后在證書目錄中發(fā)布并提供給其他用戶查找和下載，當(dāng)郵件的發(fā)送者和接收者同時(shí)申請了數(shù)字證書之后加密郵件的發(fā)送才能進(jìn)行，完整的加密郵件發(fā)送和接收過程如圖1所示。

圖1 加密郵件發(fā)送和接收示意圖

從上圖中可看到，基于PKI證書的加密郵件發(fā)送/接受過程如下：

（1）郵件接收者Bob向CA中心申請數(shù)字證書；

（2）CA中心通過Bob的申請并生成Bob的數(shù)字證書，并將該數(shù)字證書公布在目錄服務(wù)器上，Bob通過互聯(lián)網(wǎng)下載數(shù)字證書到本地；

（3）郵件發(fā)送者Alice通過CA中心的目錄服務(wù)器查詢到Bob的數(shù)字證書，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證；

（4）Alice使用Bob數(shù)字證書中的公鑰對(duì)郵件進(jìn)行加密處理后發(fā)出郵件；

（5）Bob接收到加密郵件后使用自己的私鑰對(duì)郵件進(jìn)行解密處理。

PKI加密郵件的技術(shù)特點(diǎn)是每個(gè)用戶必須擁有一張數(shù)字證書，發(fā)送加密郵件的基本前提是已經(jīng)獲得了收件人的數(shù)字證書。這個(gè)原因?qū)е铝穗y以大面積推廣。所有這些技術(shù)原因，導(dǎo)致了基于PKI的加密郵件難以大規(guī)模推廣或者在小范圍內(nèi)才能使用。和PKI相比，IBC標(biāo)識(shí)密碼算法采用具有唯一性的身份標(biāo)識(shí)（如電子郵件地址）作為公鑰，通過密鑰中心下發(fā)給用戶對(duì)應(yīng)公鑰的唯一私鑰。解決了用戶間傳遞加密信息必須事先獲得公鑰證書，加解密必須與管理中心在線交互通訊的問題，同時(shí)大大降低了管理中心的負(fù)擔(dān)和管理成本。基于標(biāo)識(shí)密碼算法的加密過程如圖2所示。

圖2 基于標(biāo)識(shí)密碼算法的加密過程

基于標(biāo)識(shí)密碼算法的加密過程如下。

（1）郵件發(fā)送者Alice直接使用bob@b.com 作為標(biāo)識(shí)對(duì)郵件進(jìn)行加密處理然后發(fā)出郵件（此時(shí)郵件接收者Bob不需要馬上申請用戶私鑰）；

（2）郵件接收者Bob收到加密郵件，并用自己的郵箱地址bob@b.com作為標(biāo)識(shí)向密碼中心申請注冊用戶私鑰；

（3）密碼中心通過安全的技術(shù)方法將私鑰發(fā)到Bob；

（4）Bob使用自己的私鑰對(duì)郵件進(jìn)行解密處理。

終上所述，基于IBC的加密，無需通過CA中心查詢和驗(yàn)證對(duì)方的公鑰證書，因?yàn)猷]件地址就對(duì)應(yīng)相應(yīng)的公鑰。這樣不僅減少了與中心的通訊成本，而且無需管理大量收件人證書，大大簡化了郵件加密過程。如圖3所示。

圖3 基于標(biāo)識(shí)密碼算法的加密應(yīng)用示意圖

4.2 傳統(tǒng)PKI方式與標(biāo)識(shí)密碼方式的郵件加密分析結(jié)果

通過對(duì)傳統(tǒng)PKI方式與標(biāo)識(shí)密碼方式郵件加密過程的分析，IBC方式與傳統(tǒng)PKI方式的技術(shù)優(yōu)勢對(duì)比如表1所示。

表1 IBC方式與傳統(tǒng)PKI方式的技術(shù)優(yōu)勢對(duì)比

綜上,基于IBC安全郵件加密方式能夠大大提供加密效率[5]，相比傳統(tǒng)加密方式，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。

5 電子政務(wù)領(lǐng)域中的應(yīng)用示范

國家信息中心（國家電子政務(wù)外網(wǎng)管理中心）基于國家電子政務(wù)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)并運(yùn)行了安全電子郵箱公共服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)采用標(biāo)識(shí)技術(shù)的國家商用密碼SM9專用算法對(duì)電子郵箱的數(shù)據(jù)加密，對(duì)郵件數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸和加密存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)郵件數(shù)據(jù)的安全保護(hù)；對(duì)郵件傳輸?shù)母郊?、網(wǎng)盤存儲(chǔ)的附件進(jìn)行加密存儲(chǔ)，并可以實(shí)現(xiàn)基于云端的解密查看；對(duì)智能終端郵件信息進(jìn)行加密推送（PushMail）；同時(shí)結(jié)合國家信息安全權(quán)威機(jī)構(gòu)定點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)和服務(wù)，綜合利用項(xiàng)目單位的優(yōu)勢技術(shù)、服務(wù)能力，形成安全電子郵箱的整體安全解決方案，實(shí)現(xiàn)綜合保障防護(hù)能力。安全電子郵箱公共服務(wù)平臺(tái)主要有如下具體效果。

（1）簡化了用戶的身份認(rèn)證：采用SM9算法實(shí)現(xiàn)電子郵件加密，不需要硬件證書方式，方便用戶使用。提供兩套獨(dú)立密碼功能，即登錄郵箱的密碼和解密郵件的密碼相互獨(dú)立，閱讀加密郵件時(shí)候需要輸入解密私鑰密碼才可解密，加強(qiáng)安全性；

（2）保障了郵件的存儲(chǔ)安全：郵件在服務(wù)器上存儲(chǔ)均為密文，而且每一封郵件的加密密鑰均是隨機(jī)生成，即使黑客攻破系統(tǒng)也無法查看所有郵件內(nèi)容；

（3）實(shí)現(xiàn)了郵件的傳輸安全：郵件內(nèi)容經(jīng)過加密后傳輸，保證了傳輸過程的安全；

（4）提供了全面的安全監(jiān)測：提供反垃圾、防病毒、內(nèi)核防御、服務(wù)器加固、安全檢測、日志與行為審計(jì)、邊界訪問控制等郵件應(yīng)用綜合防護(hù)服務(wù)；

（5）易于使用和遷移：支持WEB方式登錄服務(wù)器實(shí)現(xiàn)郵件的加、解密，發(fā)郵件可自主選擇密文發(fā)送或明文發(fā)送，支持多種類型移動(dòng)終端（含智能手機(jī)和平板電腦）實(shí)現(xiàn)完整的加密、解密電子郵件功能，提供專用的安全客戶端，實(shí)現(xiàn)本地收發(fā)安全存儲(chǔ)、加密解密功能，提供舊郵箱到新安全電子郵件的整體遷移服務(wù)。

6 結(jié)束語

本文研究了關(guān)于安全電子郵箱的標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)，梳理了國內(nèi)外郵件系統(tǒng)安全現(xiàn)狀，明確了標(biāo)識(shí)密碼技術(shù)的特點(diǎn)，通過分析傳統(tǒng)PKI/CA方式與標(biāo)識(shí)密碼方式的郵件加密過程，本文認(rèn)為基于IBC的安全郵件加密方式在技術(shù)和成本上都具有明顯的優(yōu)勢，在電子政務(wù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]俞飛.淺議電子郵件系統(tǒng)架構(gòu)[J].保密科學(xué)技術(shù)，2016.

[2]白雪.解讀:基于標(biāo)識(shí)密碼的安全郵件系統(tǒng)[J].上海信息化，2014.

[3]申超.“棱鏡門”對(duì)郵件系統(tǒng)安全的啟示——淺談如何構(gòu)建安全郵件系統(tǒng)[J].中國傳媒科技，2014．

[4]王嘯，劉爽.一種基于PKI架構(gòu)的安全郵件安全性實(shí)驗(yàn)[J].信息安全與通信保密，2014.

[5]聞慶峰，楊文捷，張永強(qiáng). SM9及其PKI在電子政務(wù)郵件系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2017.