USB智能卡應(yīng)用技術(shù)研究

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年03月15日

    摘要：公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI是以公開密鑰技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和不可抵賴性為安全目的而構(gòu)建的認(rèn)證、授權(quán)、加密等硬件、軟件的綜合體系，是信息安全基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，是一種普遍適用的網(wǎng)絡(luò)安全體系。將智能卡與PKI技術(shù)有機(jī)結(jié)合可以增強(qiáng)文件傳輸安全性，在客戶端與服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)前進(jìn)行身份驗(yàn)證，并且能對(duì)傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行加密，解決了在Internet傳輸敏感信息的顧慮。
    關(guān)鍵詞：公鑰基礎(chǔ)設(shè)施；PKI ；智能卡

    科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)幾乎成為各個(gè)領(lǐng)域的信息處理工具，政府機(jī)關(guān)、企業(yè)、銀行及軍事機(jī)構(gòu)等國家重要部門都使用計(jì)算機(jī)建立信息系統(tǒng)，各種重要的信息和情報(bào)均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。特別是Internet的出現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)方式獲得信息和交流信息已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的重要特征。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)的開放性、共享性、互聯(lián)程度的擴(kuò)大，以及社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)日益增強(qiáng)的依賴性，網(wǎng)絡(luò)安全問題日益突出。

    目前網(wǎng)絡(luò)通信主要提供五種安全服務(wù)，即身份認(rèn)證服務(wù)、訪問控制服務(wù)、機(jī)密性服務(wù)、完整性服務(wù)和抗否認(rèn)性服務(wù)，所有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境包括銀行、電子交易、政府以及互聯(lián)網(wǎng)本身都需要上述網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)支持。

    身份認(rèn)證用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信方身份的互相驗(yàn)證，在網(wǎng)絡(luò)安全中占據(jù)十分重要的位置。用戶在訪問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之前，首先經(jīng)過身份認(rèn)證系統(tǒng)識(shí)別身份，然后訪問監(jiān)控器根據(jù)用戶身份和授權(quán)數(shù)據(jù)庫決定用戶能否訪問某個(gè)資源。可見身份認(rèn)證是最基本的安全服務(wù)，訪問控制、審計(jì)等其它安全服務(wù)都要依賴于身份認(rèn)證系統(tǒng)提供的用戶身份信息。一旦身份認(rèn)證系統(tǒng)被攻破，那么系統(tǒng)所有安全措施將形同虛設(shè)。

    1 PKI體系結(jié)構(gòu)

    PKI是以公鑰密碼體制的概念和技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)施和提供信息安全服務(wù)的具有普適性的安全基礎(chǔ)設(shè)施，是信息安全基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是對(duì)密碼學(xué)的最完整的應(yīng)用。PKI遵循既定的標(biāo)準(zhǔn)，能為所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供加密和數(shù)字簽名等安全服務(wù)及必需的密鑰和證書管理體系。公鑰基礎(chǔ)設(shè)施能為具有各種不同安全需求的用戶提供各種安全服務(wù)。其核心的目標(biāo)是解決網(wǎng)絡(luò)空間的信任問題，確定網(wǎng)絡(luò)空間各行為主體的身份的唯一性和真實(shí)性，保護(hù)信息網(wǎng)絡(luò)空間中各種主體的安全利益。

    PKI涉及多個(gè)實(shí)體間的協(xié)作，圖1說明了典型PKI系統(tǒng)的架構(gòu)，其組成部分包括認(rèn)證中心、注冊機(jī)構(gòu)、證書庫、密鑰管理和最終實(shí)體。認(rèn)證中心(Certification‘Authority，CA )，CA是PKI的核心，具備權(quán)威性。CA負(fù)責(zé)最終確認(rèn)PKI用戶的身份，以公鑰證書的形式建立一個(gè)身份和一對(duì)公／私鑰問的唯一關(guān)聯(lián)；同時(shí)負(fù)責(zé)頒發(fā)和管理公鑰證書。整個(gè)過程包括了軟、硬件，服務(wù)集合，以及人、操作過程和操作環(huán)境，制定諸如怎樣鑒別用戶身份，頒發(fā)哪種格式的證書等安全策略。

圖1 典型的PKI系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

    注冊機(jī)構(gòu)(Registration Authority，RA)，RA的主要功能是確認(rèn)證書申請者的身份信息，將申請者的身份信息和公鑰用RA的私鑰簽名后發(fā)送給CA；接收證書作廢的申請，驗(yàn)證其有效性，向CA發(fā)出該申請。對(duì)于地理上分散的機(jī)構(gòu)，RA的存在可使CA離線運(yùn)作，減少遭受攻擊的可能，增強(qiáng)安全性。

    證書庫(Certificate Repository)，證書庫存放經(jīng)CA簽發(fā)的證書和己撤銷證書列表，最終實(shí)體可通過證書庫提供的服務(wù)得到其他實(shí)體的證書，驗(yàn)證其真?zhèn)?，查詢證書的狀態(tài)。密鑰管理(Key Management)，密鑰對(duì)可能在某個(gè)集中的密鑰生成服務(wù)器中創(chuàng)建，也可能在智能卡中生成，并存放在相應(yīng)密鑰存儲(chǔ)容器中。但無論如何都需要存檔用于)Jn／解密的密鑰對(duì)，以便在丟失時(shí)可以及時(shí)恢復(fù)，避免造成因丟失密鑰而導(dǎo)致信息無法恢復(fù)。但需要注意的是，為了保證簽名密鑰的唯一性，和對(duì)數(shù)字簽名的權(quán)威性，一般不對(duì)用于數(shù)字簽名的密鑰對(duì)進(jìn)行備份操作。

    最終實(shí)體(End Entity)，最終實(shí)體是PKI系統(tǒng)的使用者，它可能是人，也可能是其他需要安全服務(wù)的應(yīng)用程序。因此，可以將最終實(shí)體視作PKI提供的應(yīng)用接口系統(tǒng)，它使得各種各樣的應(yīng)用能夠以
安全、一致和可信的方式與PKI交互，使用PKI提供的安全服務(wù)，確保安全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的完整性和易用性。

    2 PKI提供的核心安全服務(wù)

    PKI提供的核心服務(wù)有認(rèn)證、完整性和機(jī)密性，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制如下：

    (1)認(rèn)證：PKI的認(rèn)證服務(wù)采用數(shù)字簽名技術(shù)，通常是用用戶證書的私鑰對(duì)(i)被認(rèn)證的數(shù)據(jù)；(ii)用戶希望發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備的請求；(iii)遠(yuǎn)程設(shè)備生成的隨機(jī)詢問信息；這三種數(shù)據(jù)的雜湊值簽名。其中第一項(xiàng)支持PKI的數(shù)據(jù)來源認(rèn)證服務(wù)，即可以確定數(shù)據(jù)是來自特定的用戶；后兩項(xiàng)支持PKI的實(shí)體認(rèn)證服務(wù)，即是向?qū)Ψ阶C實(shí)自己是某個(gè)用戶。
    (2)完整性：PKI的數(shù)據(jù)完整性服務(wù)可以采用兩種技術(shù)，第一種是使用用戶私鑰對(duì)數(shù)據(jù)雜湊值的數(shù)字簽名技術(shù)，既可以提供實(shí)體認(rèn)證，也可以保證被簽名數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)的任何變化都會(huì)導(dǎo)致其雜湊值的改變，從而使對(duì)雜湊值的原簽名與變化后雜湊值不匹配，簽名就無法通過驗(yàn)證，因而保證了數(shù)據(jù)的完整性。第二種技術(shù)是信息認(rèn)證碼(MAC)。這種方法的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)通信的實(shí)體事先商定一個(gè)MAC的私鑰，因而受到一定的限制。
    (3)機(jī)密性：假設(shè)一個(gè)PKI中的兩個(gè)實(shí)體A欲與B通信，機(jī)密通信按如下方式實(shí)現(xiàn)。
    (i)A生成一個(gè)對(duì)稱密鑰，并用它加密通信數(shù)據(jù)；
    (ii)A將加密過的數(shù)據(jù)和用B的公鑰加密的對(duì)稱密鑰一齊發(fā)送給B；
    (iii)B收到信息后，先用自己的公鑰解密對(duì)稱密鑰，再用對(duì)稱密鑰解密A發(fā)送的數(shù)據(jù)。

    3 智能卡

    PKI極大地保障了電子商務(wù)、電子政務(wù)并推動(dòng)其他信息安全技術(shù)的發(fā)展。智能卡作為PKI的安全終端，保存著用戶的數(shù)字證書，包含著用戶公鑰和個(gè)人信息，在系統(tǒng)中是機(jī)密數(shù)據(jù)的移動(dòng)載體。

    3．1 USB智能卡概述

    USB智能卡是一種使用了硬件微處理器(MPU)的，以USB總線為通訊接口的硬件設(shè)備。它能夠根據(jù)不同要求生成對(duì)稱和非對(duì)稱密鑰，支持對(duì)稱和非對(duì)稱加密及數(shù)字簽名等安全機(jī)制，使用個(gè)人識(shí)別碼(PIN)驗(yàn)證持卡人。事實(shí)上，USB智能卡內(nèi)部是一個(gè)小型嵌入式系統(tǒng)，主要由處理器，存儲(chǔ)器和I／O接口三部分組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 USB智能卡的組成結(jié)構(gòu)

    處理器部分主要由MPU、密碼協(xié)處理器(CAU)和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(RNG )三個(gè)部件組成。MPU的主要功能類似微機(jī)中的CPU，負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)的中央運(yùn)算、處理和管理；CAU是專用的實(shí)現(xiàn)高速加／解密運(yùn)算的硬件處理器；RNG的主要功能是通過硬件快速產(chǎn)生加密算法所需要的高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)。存儲(chǔ)器部分主要由ROM，RAM和EEPROM三個(gè)部件組成。ROM是只讀存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)與應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)的芯片操作系統(tǒng)(Chip Operating System，COS)程序，COS是芯片資源的管理者和安全保密的基礎(chǔ)；RAM是隨機(jī)存儲(chǔ)器，作為內(nèi)存使用，用于臨時(shí)保存工作數(shù)據(jù)；EEPROM是電可擦除存儲(chǔ)器，主要功能是存儲(chǔ)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。

    存儲(chǔ)器和微處理器之間通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而圖2中的I／O接口則連接著符合USB2．0規(guī)范的接口電路，完成數(shù)據(jù)輸入輸出所必需的處理；安全邏輯sL保護(hù)存儲(chǔ)器(主要是EEPROM)內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)卡內(nèi)資源實(shí)施訪問控制。

    3．2 USB智能卡的優(yōu)點(diǎn)

    作為硬件載體，USB智能卡的結(jié)構(gòu)和卡內(nèi)安全邏輯能為公鑰證書和用戶私鑰提供硬件級(jí)安全保護(hù)。與其他載體相比，usB智能卡具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    (1)提高了密鑰對(duì)的私有性：密鑰對(duì)由CAU在MPU的控制下生成，改變了密鑰對(duì)由服務(wù)器統(tǒng)一產(chǎn)生的方式，使得密鑰對(duì)的安全性不再僅僅依賴于服務(wù)器的安全性和可信度。
    (2)提高了私鑰的安全性：私鑰以只讀形式存儲(chǔ)在USB智能卡內(nèi)，幾乎不可能出現(xiàn)在除此以外的任何地方，所有涉及私鑰(如簽名等)的操作全部在USB智能卡內(nèi)部完成，只有知道PIN碼的合法用戶才可能完成這些操作，保證了私鑰的安全性。
    (3)降低了秘鑰管理的復(fù)雜度：每張智能卡只需要秘密保存自己的私鑰，M張智能卡和 臺(tái)主機(jī)相互鑒別只需要( M+N)對(duì)密鑰。
    (4)具有黑盒特性的安全操作：USB智能卡提供統(tǒng)一的API接口，以類似“黑盒”的形式完成數(shù)字簽名和數(shù)據(jù)加／解密等私鑰相關(guān)安全操作，不僅加強(qiáng)安全性，而且操作十分簡便。
    (5)具有較高的性價(jià)比：USB智能卡的成本較低，且具有廣泛的軟硬件支持，支持即插即用。此外，它還具有良好的便攜性和耐用性等優(yōu)點(diǎn)。

    4 總結(jié)

    PKI是一種遵循既定標(biāo)準(zhǔn)的密鑰管理平臺(tái)，它可以為各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用透明地提供采用加密和數(shù)字簽名等密碼服務(wù)所必須的密鑰和證書管理，從而達(dá)到保證網(wǎng)上傳遞信息的保密、真實(shí)、完整和不可否認(rèn)性的目的。利用PKI，人們可以方便地建立和維護(hù)一個(gè)可信的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境，無須直接見面就能確認(rèn)彼此的身份，安全地進(jìn)行信息交換。USB智能卡作為PKI的安全終端，既提高了PKI系統(tǒng)的安全性能，又降低了用戶的使用復(fù)雜度。但是，智能卡本身也存在著被攻擊的可能，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，這也對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求。

    參考文獻(xiàn)
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    第一作者簡介：孫海濤，博士研究生。研究方向：集成電路信息泄漏與主動(dòng)防護(hù)技術(shù)研究。

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