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1、1,第6讲 IBE与CPK,华中科技大学计算机学院信息安全研究室,2,1 IBE基于标识的公钥密码系统2 CPK 基于组合公钥的密码系统,第6讲 IBE与CPK,3,1.基于标识的公钥密码系统,1.1 背景与概念1.2 IBE公钥密码体制1.3 CPK公钥密码体制1.4 公钥基础设施,4,1.1背景与概念,- 4 -,5,6,PKI的不足之处,1.1 PKI的安全性依赖于层次CA和在线证书库层次化CA机构可以扩充密钥数量，但导致了机构膨胀和信任关系的退化第三方的法律地位问题（谁适合充当第三方？）在线证书库使得通信量增大,PKI的体制决定了它不适合大规模应用环境,7,PKI的不足之处,PKI的层
2、次化CA结构使每次认证过程都需要追溯到根CA，每一个证书的合法性都要得到上级CA直至根CA的确认。,8,美国国防部PKI路线图（第5版）中指出： 将来能否得到PKI所需要的通信带宽仍是一个问题。PKI的这种矛盾是其技术体制固有的特性决定的。 PKI采用个人生产密钥的分散式管理模式，在这样的模式下只能采用第三方证明的手段来保证证书的合法性，由此引发了一系列难以逾越的难题。,9,基于标识的公钥密码体制（IBE）,Shamir的动机是为了在电子邮件系统中简化证书的管理 。当Alice发送一封邮件给Bob()，她只需要简单地用Bob的邮件地址 作为加密密钥来加密邮件信息，而不需要通过目录服务去获取Bo
3、b的公钥证书。当Bob收到加密的邮件，Bob和可信的第三方PKG(Private Key Generator)取得联系，获取自己的私钥（如果Bob已经获取了和 对应的私钥就不需要再获取了），就可以解密邮件了。,10,基于标识的公钥密码体制（IBE）,一个安全的IBE加密体制应该满足以下几个条件：(1) 用户i的标识可以直接作为公钥（或者通过简单的映射变为公钥），因而，任何人都可以利用该公钥向用户i发送加密的信息，而不需要在目录服务中查找；(2) 只有PKG能够计算用户i的私钥，其他任何人都不能计算（包括用户i在PKG给他分发私钥之前也不能计算）。RSA不能用作IBE加密体制，这是因为RSA的公
4、钥通常可以描述为(n,e)，其中n是两个大素数的乘积，e是加密密钥，e虽然可以取作用户的标识，但是对不同的用户而言，n是必须不同的。所以向用户i发送加密信息的时候，仅知道标识是不够的，还必须通过目录服务去查找n。,11,IBE与PKI的比较,12,更重要的一点,将保密与访问控制完美结合在一起。,13,1.2 IBE公钥密码体制,- 13 -,14,数字签名,传统签名的基本特点: 能与被签的文件在物理上不可分割 签名者不能否认自己的签名 签名不能被伪造 容易被验证数字签名是传统签名的数字化,基本要求: 能与所签文件“绑定” 签名者不能否认自己的签名 签名不能被伪造 容易被自动验证,15,IBE签
5、名（参数、公钥）,16,计算私钥,17,签名和验证,18,IBE公钥加密,19,20,21,22,IBE密钥管理弱点,23,2 CPK 基于组合公钥的密码系统,现有的认证技术CPK的数学原理CPK的特点分析基于CPK的应用国家组合公钥基础设施结束语,24,1.现有的认证技术,1）PKI技术PKI技术，它采用证书管理公钥，通过第三方的可信任机构认证中心CA(Certificate Authority)，把用户的公钥和用户的其他标识信息（如名称、e-mail、身份证号等）捆绑在一起，在Internet 上验证用户的身份。存在的问题：在规模化密钥管理上，PKI用层次化CA机构的数量来扩大密钥管理的规
6、模，导致了机构膨胀和信任关系退化的问题；PKI用第三方证明的方式解决标识和密钥的捆绑，导致第三方的法律地位和通信量增大的问题。美国国防部PKI路线图（第5版）中指出：将来能否得到PKI所需要的通信带宽仍是一个问题。,25,1.现有的认证技术,2）IBE技术 1984年，Shamir证明了标识认证算法的存在性。出现了基于身份的密码系统的概念，其主要观点是，使用用户的标识如姓名、IP地址、电子邮件地址等作为公钥。用户的私钥通过一个被称作私钥生成器PKG(Private Key Generator)的可信任第三方进行计算得到，但PKG除了生成私钥外，并不总是参与加密的过程。 2001年，美国Dan
7、Boneh和Matthew Franklin利用Weil的组对理论，实现了将标识作为公钥，不通过第三方的标识认证算法。 不需要第三方在线参与，简化认证。存在的问题：但该方法要保留大量用户参数，仍需在线参数库的支持。,26,1.现有的认证技术,3）CPK技术CPK(Combined Public Key) 组合算法在l999年由我国密码学家南湘浩教授提出，2003年公布，2006年获得中国专利，也是不依赖第三方，将标识作为公钥的标识认证算法。CPK算法也是基于组合公钥的IBE算法，不需要第三方证明的层次化CA机构链，又因为只需保留少量共用参数而不需要数据库(LDAP)的支持，而且就地能够获得所需
8、公钥。 共用参数使用组合矩阵存储，存储空间需要的少，其运行效率高，处理能量大，进而大大扩展了其应用范围。,27,2.CPK的数学原理,1） ECC（Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码）也属于公开密钥算法。 原理如下: y2=x3+ax+b 代表曲线方程， 选择小于p(p为将近200位的大素数)的非负整数a、b ，使得 4a3+27b20(mod p) 则满足下列方程的所有点(x,y)，其中 x,y属于0到p-1间的整数，并将这条椭圆曲线记为Ep(a,b)。,28,2.CPK的数学原理,1）ECC密码 考虑如下等式： K=kG 其中 K,G为Ep(a,b)上的
9、点，k为小于n（n是点G的阶）的整数，不难发现，给定k和G，根据加法法则，计算K很容易；但给定K和G，求k就相对困难了。 这就是椭圆曲线加密算法采用的难题。 点G称为基点（base point），k（kn，n为基点G的阶）称为私有密钥（privte key），K称为公开密钥（public key)。,29,2.CPK的数学原理,2）从ECC算法中选取群S 适当选取Ep(a，b)中的元素G作为生成元，称为基点， 由基点G=(x,y)的所有倍点构成Ep(a，b)的子群S。设n是满足nG=O的最小整数，则该子群S的阶为n。选择基点G时，应保证n是 个大素数。即：S=G， 2G，3G， ，(n-1)G
10、，nG(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)， ，(xn-1，yn-1)，(xn，yn) 显然，S中的元素(xk，yk)与该点对应的倍数值k，恰好构成公、私钥对，公开T=(a，b，G，n，p)和公钥(xk，yk)，要求出其对G的倍数值k(即离散对数)是很困难的。,30,2.CPK的数学原理,3）选取公钥私钥矩阵 S=G， 2G，3G， ，(n-1)G，nG 从S中选择321024个元素。组成一个矩阵。,PSK位置上的元素 Ri,j=SSK中对应位置上的元素就是ri,j = k 构成一个公私钥对。,31,2.CPK的数学原理,）个体公私钥对的计算 对一个给定的个体标识首先用哈希算法sha
11、2求摘要，得到160bit的中间值，然后使用ROWKEY加密得到160bit。将160bit分成32个列，每一列有5bit二进制的数。5bit对应从每一列32个元素中选择一个元素。从每一列都选择一个元素，最后得到32个元素，它们的分别记为：(i0，i1，i2， ，i31);将从32列中选出的32个元素求和得到PK和私钥SK,32,2.CPK的数学原理,5）矩阵组合思想总结总结：公钥和私钥矩阵为3232矩阵，并规定每列从32行中任取一个元素进行组合，则最多可生成公私钥对3232=2160 = l048 个公私钥对。CPK的中心思想之一是：由规模很小的“矩阵 通过组合 生产出数量极为庞大的公私钥对
12、”，达到密钥管理的规模化目的。,33,3.CPK的特点分析,公钥空间1048,48KB,标识空间1011,组合算法,映射算法,(rij),(Rij),公钥矩阵,1048密钥空间，接近应用无限需求，因此就解决了密钥的规模化问题。,34,标识性实现了无需第三方证明的离线认证不需要在线数据库,3.CPK的特点分析,组合性解决了规模化密钥管理问题可达成芯片级实现,35,3.CPK的特点分析,1)CPK的优势PKI、IBE和CPK的综合性对比,36,3.CPK的特点分析,2)CPK的存在的问题合谋攻击：CPK公钥实际上只有St个，是以种子矩阵的形式存放的假定有m个私钥已经泄露，则可建立m个关于私钥因子r
13、的线性方程当m St时，一般难以求出r 的准确解但当得到st个线性无关的方程时，方程的解即所有的私钥因子可全部求出 矩阵大小为3232=l024时(50KB)，可抗l000个共谋， 矩阵大小为256 X 32=8l92时(400KB)，可抗8000个共谋， 4096 X 32=l 3l072时(63MB)，可以抗击l0万用户的共谋。私钥保护：靠硬件保护，在芯片上作特殊的硬件措施，在逻辑上给每一个芯片设置随机数和活性参数。 密钥变更：密钥是集中统一生成的，为个别用户更换私钥，很难处理。,37,4.CPK的应用前景,可信交易 如： 电子银行(ATM、POS)、电子票据、电子印章、电子钱包、电子公文
14、可信连接 如：电信网络、信息网络的基础协议、手机、认证网关可信计算 如：可信计算验证模块设计、标签防伪 如：名牌、车牌、门票、证件、票据、钞票、货物、海关、税务,38,4.CPK的应用前景,CPK认证技术,CPK芯片,CPK中间件,指纹数字证书,可信设备,安全手机,RFID防伪,汽车防盗,可信局域网,电子支付,门禁,可信网络,电子商务,电子政务,数字家庭,可信计算,版权保护,CPK认证系统,防疫系统,等级保护系统,内网管理系统,电子身份证,CPK产业链,39,中国信息安全产业正在开展：国家组合公钥基础设施（NCI）就是可信平台体系结构建设的基础内容之一。国家组合公钥基础设施（NCI）计划。国家
15、组合公钥基础设施（NCI）理念的形成标志着中国信息化自主发展的重要里程碑，并作为替代PKI的计划。,5.国家组合公钥基础设施,40,中国信息安全产业正在开展：在可信计算平台（TCP）-面向计算机系列可信网络平台（TNP）-面向信息基础设施可信应用平台（TAP）-面向综合应用平台建设可信信息交换平台（TxP）-面向电子政务平台建设可信管理平台（TMP）-面向管理可信认证平台（TCAP）-面向认证可信监管平台（TSP）-面向监管可信数据库访问管理平台（TDAMP）-面向共享数据工程可信交易平台（TeCP）-面向电子商务等可信平台的建设。,5.国家组合公钥基础设施,41,平台定义：为系统提供互操作性
16、及其务服务的环境可信平台定义：一个可信平台是为可信系统提供互操作性及其务服务的可信环境。,5.国家组合公钥基础设施,42,发挥信息化综合效益，改变信息化推进方式在中国长期实行：信息化推进模式=“发红头文件+资金投入” 。这种信息化推进模式必然导致：建立众多的“烟囱林立”和“信息孤岛”信息系统为实现大范围、跨部门的信息化以及为提高信息化的综合效益带来困难。新时代要求信息化总体学研究有更大的提高，要求对信息化体系结构研究要加强。,5.国家组合公钥基础设施,43,国家组合公钥基础设施（NCI）计划：“CPK Inside” 核心技术“NCI企业联盟”，面向活性认证技术自主产权的应用服务；“NCI论坛” ，推进组合公钥理论与技术发展。,5.国家组合公钥基础设施,44,综上所述，CPK组合公钥算法与数字签名协议共同构成规模化标识认证算法。CPK组合公钥算法以芯片化解决了规模化标识认证的难题，正在冲破传统的信息安全观念和发展模式，并孕育着巨大的创新空间和产业链。国家非常重视，提出新的NCI研究计划，希望以CPK替代PKI技术。,6、结束语,45,谢 谢！,6、结束语,
