一種基于PKI模型在信號(hào)系統(tǒng)中進(jìn)行身份認(rèn)證的方法

李春梅，柴 涌，汪小勇

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071）

1 概述

信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)加密技術(shù)通常有以下幾種：在既有信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加國(guó)密安全芯片等相關(guān)設(shè)備；使用國(guó)產(chǎn)商用密碼分組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱（SM1）算法對(duì)通信數(shù)據(jù)提供機(jī)密性保護(hù)；使用國(guó)產(chǎn)商用密碼橢圓曲線公鑰（SM2）算法對(duì)通信數(shù)據(jù)提供可鑒別性保護(hù)和不可否認(rèn)性保護(hù)；使用國(guó)產(chǎn)商用密碼雜湊（SM3）算法對(duì)通信數(shù)據(jù)提供完整性保護(hù)。

公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）也稱為公開(kāi)密鑰基礎(chǔ)設(shè)施，按照國(guó)際電聯(lián)制定的X.509標(biāo)準(zhǔn)，PKI是一個(gè)包括硬件、軟件、人員、策略和規(guī)程的集合，用來(lái)實(shí)現(xiàn)基于公鑰密碼體制的密鑰和證書(shū)的產(chǎn)生、管理、存儲(chǔ)、分發(fā)和撤銷等功能。PKI是一種遵循標(biāo)準(zhǔn)、利用公鑰加密技術(shù)提供安全基礎(chǔ)平臺(tái)的技術(shù)和規(guī)范，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供密碼服務(wù)的基本解決方案。PKI解決了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的公鑰分發(fā)和信任建立問(wèn)題。

提供一種在應(yīng)用國(guó)產(chǎn)加密技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)中，基于傳統(tǒng)PKI模型進(jìn)行適應(yīng)性改造并使用SM2算法完成身份驗(yàn)證的方法，由此信號(hào)系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)得到可鑒別性保護(hù)和不可否認(rèn)性保護(hù)，同時(shí)也為使用SM1、SM3算法對(duì)通信數(shù)據(jù)提供機(jī)密性保護(hù)和完整性保護(hù)打下了前提基礎(chǔ)。

2 信號(hào)系統(tǒng)身份認(rèn)證方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PKI一般由認(rèn)證權(quán)威機(jī)構(gòu)（Certification Authority，CA）、注冊(cè)權(quán)威機(jī)構(gòu)（Registration Authority，RA）、 證 書(shū) /證 書(shū) 吊 銷 列 表（Certi fi cate Revocation List，CRL）庫(kù)和終端實(shí)體等部分組成，如圖1所示，主要元素說(shuō)明如下。

圖1 PKI模型標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)Fig.1 PKI model standard structure

1) CA

數(shù)字證書(shū)是各實(shí)體的身份證明，具有唯一性和權(quán)威性。為滿足這一要求，需要建立一個(gè)可信的機(jī)構(gòu)，專門負(fù)責(zé)數(shù)字證書(shū)的產(chǎn)生、發(fā)放和管理，以保證數(shù)字證書(shū)真實(shí)可靠，這個(gè)機(jī)構(gòu)就是認(rèn)證權(quán)威機(jī)構(gòu)CA，也稱數(shù)字證書(shū)管理中心，它作為PKI管理實(shí)體和服務(wù)的提供者，管理用戶數(shù)字證書(shū)的生成、發(fā)放、更新和撤銷等。CA是PKI的核心組成部分，PKI體系也往往被稱為PKI/CA體系。

2) RA

RA又稱證書(shū)注冊(cè)中心，是受CA委派，負(fù)責(zé)和終端實(shí)體交互的、接受數(shù)字證書(shū)申請(qǐng)并進(jìn)行審核的機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)的延伸，有時(shí)也稱為用戶注冊(cè)系統(tǒng)。在邏輯上RA和CA是一個(gè)整體，主要負(fù)責(zé)證書(shū)注冊(cè)、審核以及發(fā)證。

3) 證書(shū)/CRL庫(kù)

證書(shū)/CRL庫(kù)主要用來(lái)發(fā)布、存儲(chǔ)數(shù)字證書(shū)和證書(shū)撤銷列表，供用戶查詢、獲取其他用戶的數(shù)字證書(shū)，為系統(tǒng)中的CRL所用。在信號(hào)系統(tǒng)中，鑒于證書(shū)/CRL庫(kù)的使用頻率不高，所需存儲(chǔ)空間也不大，故將證書(shū)/CRL庫(kù)和CA設(shè)置安裝在一個(gè)硬件服務(wù)器中，共同使用硬件設(shè)備。

4) 終端實(shí)體

終端實(shí)體(end entity)是只擁有公/私鑰對(duì)和相應(yīng)公鑰證書(shū)的最終用戶，可以是人、設(shè)備、進(jìn)程等。在信號(hào)系統(tǒng)中，終端實(shí)體指代分布于信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)上的國(guó)密安全芯片設(shè)備。

國(guó)密安全設(shè)備與信號(hào)系統(tǒng)集成后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，應(yīng)用層設(shè)備由車載子系統(tǒng)（CC），軌旁子系統(tǒng)（ZC/LC），聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CI），列車監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS），維護(hù)子系統(tǒng)（MSS）幾個(gè)子系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖2中黃色部分，在應(yīng)用層設(shè)備上增加國(guó)密安全芯片。通信層設(shè)備為通信子系統(tǒng)（DCS）設(shè)備，見(jiàn)圖2中綠色部分。本方案結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)和PKI模型，增加CA服務(wù)器（含證書(shū)/CRL數(shù)據(jù)庫(kù)）和RA服務(wù)器，見(jiàn)圖2中紅色部分。

圖2 信號(hào)系統(tǒng)與國(guó)密安全設(shè)備集成結(jié)構(gòu)Fig.2 Signal system and state security equipment integration structure

2.2 身份認(rèn)證工作流程

信號(hào)系統(tǒng)的身份認(rèn)證包含以下幾個(gè)階段，其中1～4階段為線下人工操作，如圖3所示；5～6為線上軟件行為，如圖4、5所示。

圖3 線下證書(shū)操作Fig.3 Off-line certificate operation

圖4 會(huì)話密鑰協(xié)商階段的身份驗(yàn)證Fig.4 Authentication during the session key negotiation phase

圖5 CRL查詢下載Fig.5 CRL query and download

1) 證書(shū)申請(qǐng)

信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)固定的終端，使用特定的支持PKI的應(yīng)用程序，向CA申請(qǐng)數(shù)字證書(shū)給指定的國(guó)密安全芯片。該終端與CA通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)指定的國(guó)密安全芯片必須安裝在該終端上。

2) 證書(shū)生成

一旦信號(hào)系統(tǒng)申請(qǐng)了數(shù)字證書(shū)，CA就將根據(jù)其建立的認(rèn)證策略驗(yàn)證國(guó)密安全芯片設(shè)備信息。如果確定信息有效，則CA創(chuàng)建該證書(shū)。

3) 證書(shū)存儲(chǔ)

CA在生成證書(shū)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把證書(shū)發(fā)回給國(guó)密安全芯片設(shè)備。數(shù)字證書(shū)將被保存在國(guó)密安全芯片設(shè)備里。

4) 證書(shū)發(fā)布

CA除了將生成的數(shù)字證書(shū)發(fā)回給國(guó)密安全芯片設(shè)備外，還會(huì)將自身設(shè)備的數(shù)字證書(shū)發(fā)送到所有申請(qǐng)的國(guó)密安全芯片設(shè)備中。CA確保數(shù)字證書(shū)中信息的真實(shí)性，可以作為終端實(shí)體的身份證明。

5) 證書(shū)校驗(yàn)

信號(hào)系統(tǒng)使用國(guó)密安全芯片設(shè)備時(shí)，不同的國(guó)密安全芯片設(shè)備在會(huì)話階段使用存儲(chǔ)在自身芯片中的CA根證書(shū)驗(yàn)證對(duì)方身份證書(shū)，只有驗(yàn)證通過(guò)后才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行會(huì)話，驗(yàn)證未通過(guò)則經(jīng)過(guò)嘗試（嘗試次數(shù)可以配置）后中斷會(huì)話密鑰協(xié)商。即會(huì)話密鑰協(xié)商必須以身份驗(yàn)證為前提。

6) 證書(shū)廢止

國(guó)密安全芯片設(shè)備的數(shù)字證書(shū)不配置特定的到期時(shí)間，避免分布安裝在信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)的國(guó)密安全芯片設(shè)備需要頻繁拆解、集中更新、重新安裝的問(wèn)題。如果需要撤銷某一特定證書(shū)，可以由CA將這一撤銷事實(shí)發(fā)布到CRL中，使所有國(guó)密安全芯片設(shè)備都可以查詢。CRL是由CA簽名的一組電子文檔，包括被撤銷證書(shū)的唯一標(biāo)識(shí)（證書(shū)序列號(hào)）。出于減少信號(hào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和系統(tǒng)負(fù)荷考慮，信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)的國(guó)密安全芯片設(shè)備需要定期連接CA查詢CRL，在查詢同時(shí)下載CRL并保存到芯片內(nèi)部，在下一個(gè)查詢周期前國(guó)密安全芯片將一直將此CRL視為最新并使用。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文描述的信號(hào)系統(tǒng)與國(guó)密安全設(shè)備集成后，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)行一次CRL更新，如果更新成功，則以更新后的CRL為準(zhǔn)；如果多次嘗試（嘗試次數(shù)可以配置）后仍然無(wú)法更新成功，則跳過(guò)本次CRL更新，以上一次更新成功的CRL為準(zhǔn)，對(duì)于沒(méi)有任何成功更新經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，CRL為空。設(shè)備啟動(dòng)后，每隔固定間隔（間隔時(shí)間可以配置）進(jìn)行一次CRL更新，以保證CRL保持最新，其更新判斷與第一次更新相同，對(duì)于未更新成功的情況，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備會(huì)發(fā)出告警至維護(hù)子系統(tǒng)，提醒運(yùn)維人員注意查驗(yàn)。詳細(xì)流程如圖6所示。

圖6 CRL更新流程圖Fig.6 CRL update flowchart

在會(huì)話階段，客戶端首先發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求，請(qǐng)求消息中包含了客戶端的證書(shū)；服務(wù)端收到請(qǐng)求后，驗(yàn)證客戶端證書(shū)（CRL、有效期、簽發(fā)者關(guān)系、以及簽名數(shù)據(jù)）后，再通過(guò)客戶端的證書(shū)，服務(wù)端證書(shū)及服務(wù)端本地生成的隨機(jī)數(shù)，根據(jù)SM2算法生成會(huì)話密鑰，然后對(duì)客戶端請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，并向客戶端發(fā)送服務(wù)端證書(shū)與隨機(jī)數(shù)；同樣，客戶端收到回復(fù)后，驗(yàn)證服務(wù)端證書(shū)（CRL、有效期、簽發(fā)者關(guān)系、以及簽名數(shù)據(jù)）后，再根據(jù)客戶端的證書(shū)，服務(wù)端證書(shū)及服務(wù)端本地生成的隨機(jī)數(shù)，通過(guò)SM2算法生成會(huì)話密鑰，并對(duì)服務(wù)端響應(yīng)進(jìn)行確認(rèn)，向服務(wù)器端發(fā)送會(huì)話密鑰。詳細(xì)流程如圖7所示。

圖7 會(huì)話階段身份認(rèn)證流程圖Fig.7 Authentication flow chart during session phase

4 總結(jié)

本文提出一種在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，基于傳統(tǒng)PKI模型進(jìn)行改造并使用國(guó)產(chǎn)密碼算法進(jìn)行身份驗(yàn)證的方法。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，與現(xiàn)有技術(shù)相比本方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 針對(duì)采用國(guó)產(chǎn)加密技術(shù)的信號(hào)系統(tǒng)，使用SM2算法進(jìn)行身份驗(yàn)證，使信號(hào)系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)得到可鑒別性保護(hù)和不可否認(rèn)性保護(hù)；

2) 基于KPI模型改進(jìn)，使身份驗(yàn)證機(jī)制各階段的工作流程更好的適配于信號(hào)系統(tǒng)；

3) 提供旁路功能，即使身份驗(yàn)證機(jī)制出現(xiàn)問(wèn)題，仍然能夠保證信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行不受影響，并提供告警功能，可以在最大程度上保證身份驗(yàn)證功能的可維護(hù)性；

4) 保證信號(hào)系統(tǒng)既有功能和安全等級(jí)不受影響。