PKI体制中，保证数字证书不被篡改的方法是（43)。

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第43题

知识点： PKI技术数字签名 PKI 数字证书

关键词：篡改数字证书章/节：安全技术与协议

A. 用CA的私钥对数字证书签名

B. 用CA的公钥对数字证书签名

C. 用证书主人的私钥对数字证书签名

D. 用证书主人的公钥对数字证书签名

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知识点讲解
· PKI技术 · 数字签名 · PKI · 数字证书

PKI技术

在密钥管理中，不依赖秘密信道的密钥分发技术一直是一个难题。1976年，Deffie和Hellman提出了双钥密码体制和D-H密钥交换协议，大大促进了这一领域的进程。但是，在双钥体制中只是有了公、私钥的概念，私钥的分发仍然依赖于秘密通道。1991年，PGP首先提出了Web of Trust信任模型和密钥由个人产生的思路，避开了私钥的传递，从而避开了秘密通道，推动了PKI技术的发展。

公钥基础结构（Public Key Infrastructure， PKI）是运用公钥的概念和技术来提供安全服务的、普遍适用的网络安全基础设施，包括由PKI策略，软、硬件系统，认证中心（CA），注册机构（RA），证书签发系统和PKI应用等构成的安全体系，如下图所示。

PKI的组成

PKI策略定义了信息安全的指导方针和密码系统的使用规则，具体内容包括CA之间的信任关系、遵循的技术标准、安全策略、服务对象、管理框架、认证规则、运作制度、所涉及的法律关系等；软、硬件系统是PKI运行的平台，包括认证服务器、目录服务器等；认证中心（Certificate Authority， CA）负责密钥的生成和分配；注册机构（Registration Authority, RA）是用户（Subscriber）与CA之间的接口，负责对用户的认证；证书签发系统负责公钥数字证书的分发，可以由用户自己或通过目录服务器进行发放；PKI的应用非常广泛，包括Web通信、电子邮件、电子数据交换、电子商务、网上信用卡交易、虚拟专用网等都是PKI潜在的应用领域。

20世纪90年代以来，PKI技术逐渐得到了各国政府和许多企业的重视，由理论研究进入商业应用阶段。IETF和ISO等国际组织陆续颁布了X.509、PKIX、PKCS、S/MIME、SSL、SET、IPSec、LDAP等一系列与PKI应用有关的标准；RSA、VeriSign、Entrust、Baltimore等网络安全公司纷纷推出了PKI产品和服务；网络设备制造商和软件公司开始在网络产品中增加PKI功能；美国、加拿大、韩国、日本和欧盟等国家相继建立了PKI体系；银行、证券、保险和电信等行业的用户开始接受和使用PKI技术。

PKI解决了不依赖秘密信道进行密钥管理的重大课题，但这只是概念的转变，并没有多少新技术。PKI是在民间密码研究摆脱政府控制的斗争中发展起来的，而这种斗争一度达到了白热化程度，PGP的发明者Philip Zimmermann曾经因为违反美国的密码产品贸易管制政策而被联邦政府调查。PKI以商业运作的形式壮大起来，以国际标准的形式确定。PKI技术完全开放，甚至连一向持反对态度的美国国防部（DoD）、联邦政府也不得不开发PKI策略。DoD定义的KMI/PKI标准规定了用于管理公钥证书和对称密钥的技术、服务和过程，KMI是提供信息保障能力的基础架构，而PKI是KMI的主要组成部分，提供了生成、生产、分发、控制和跟踪公钥证书的服务框架。

KMI和PKI两种密钥管理体制各有其优、缺点和适用范围：①KMI具有很好的封闭性，而PKI则具有很好的扩展性。②KMI的密钥管理机制可形成各种封闭环境，可作为网络隔离的基本逻辑手段；而PKI则适用于各种开放业务，但却不适应封闭的专用业务和保密性业务。③KMI是集中式的基于主管方的管理模式，为身份认证提供直接信任和一级推理信任，但密钥更换不灵活；PKI是依靠第三方的管理模式，只能提供一级以下推理信任，但密钥更换非常灵活。④KMI适用于保密网和专用网；而PKI则适用于安全责任完全由个人或单方面承担，安全风险不涉及他方利益的场合。

从实际应用方面看，互联网中的专用网主要处理内部事务，同时要求与外界联系。因此，KMI主内、PKI主外的密钥管理结构是比较合理的。如果一个专用网是与外部没有联系的封闭网，那么仅有KMI就已足够。如果一个专用网可以与外部联系，那么要同时具备两种密钥管理体制，至少KMI要支持PKI。如果是开放网业务，则完全可以用PKI技术处理。

数字签名

基于密钥的数字签名

基于密钥的数字签名系统中要有收、发双方共同信赖的仲裁人，如下图所示。其中，BB是A和B共同信赖的仲裁人，K_A和K_B分别是A和B与BB之间的密钥，K_BB是只有BB掌握的密钥，P是A发给B的消息，t是时间戳。由BB解读A发的报文，然后产生一个签名的消息K_BB（A,t,P），并装配成发给B的报文;B可以解密该报文，阅读消息P，并保留证据。

基于密钥的数字签名

基于公钥的数字签名

利用公钥加密算法的数字签名系统如下图所示。这样的签名方法是符合可靠性原则的，即：签字是可以被确认的；签字是无法被伪造的；签字是无法重复使用的；文件被签字以后是无法被窜改的；签字具有无可否认性。如果A方否认了，B可以拿出DA（P），并用A的公钥EA解密得到P，从而证明P是A发送的；如果B把消息窜改了，当A要求B出示原来的DA（P）时，B拿不出来。

基于公钥的数字签名

PKI

PKI的基本概念

1．PKI的总体架构

PKI（Public Key Infrastructure，公开密钥基础设施）是以不对称密钥加密技术为基础，以数据机密性、完整性、身份认证和行为不可抵赖性为安全目的，来实施和提供安全服务的具有普适性的安全基础设施。其内容包括数字证书、不对称密钥密码技术、认证中心、证书和密钥的管理、安全代理软件、不可否认性服务、时间戳服务、相关信息标准、操作规范等。它是支持安全五要素的技术基础设施。

一个网络的PKI包括以下几个基本构件：

.数字证书：由认证机构经过数字签名后发给网上信息交易主体（企业或个人、设备或程序）的一段电子文档。文档中包括主体名称、证书序号、发证机构名称、证书有效期、密码算法标识、公钥和私钥信息及其他属性信息等。数字证书提供了PKI的基础。

.认证中心：即CA，是PKI的核心。它是公正、权威、可信的第三方网上认证机构，负责数字证书的签发、撤销和生命周期的管理，还提供密钥管理和证书在线查询等服务。

.数字证书注册审批机构：即RA，是CA的数字证书发放、管理的延伸。它负责数字证书申请者信息的录入、审核以及数字证书发放等工作。RA系统是整个CA中心得以正常运营不可缺少的一部分。

.数字签名：利用发信者的私钥和可靠的密码算法对待发信息或其电子摘要进行加密处理，这个过程和结果就是数字签名。

.密钥和证书管理工具：管理和审计数字证书的工具，认证中心使用它来管理一个在CA上的证书。

.双证书体系：PKI采用双证书体系，非对称算法支持RSA和ECC算法，对称密码算法支持国家密码管理委员会指定的算法。

从宏观来看，PKI的体系架构概括为两大部分：

.PKI信任服务体系：是为整个业务应用系统提供基于PKI数字证书认证机制的实体身份鉴别服务，包括了认证机构、注册机构、证书库、证书撤销和交叉认证等。

.PKI密钥管理中心：即KMC，提供密钥管理服务，向授权管理部门提供应急情况下的特殊密钥回复功能。包括密钥管理机构、密钥备份和恢复、密钥更新和密钥历史档案等。

2．双证书、双密钥机制

一对密钥（一张证书）的弊端：

.如果密钥不备份，当密钥损坏时，以前加密的信息不可解密。

.如果密钥不备份，很难实现信息审计。

.如果密钥不备份，数字签名的不可否认性很难保证。

两对密钥（两张证书）的优点：

.一对密钥用于签名，一对密钥用于加密。

.加密密钥在密钥管理中心生成及备份，签名密钥由用户自行生成并保存。

3．数字证书的主要内容

数字证书是公开密钥体制的一种密钥管理媒介。主要内容有：

.主体名称：唯一标识证书所有者的标识符。

.签证机关名称（CA）：唯一标识证书签发者的标识符。

.主体的公开密钥：证书所有者的公开密钥。

.CA的数字签名：CA对证书的数字签名，保证证书的权威性。

.有效期：证书在该期间内有效。

.序列号：CA产生的唯一性数字，用户证书管理。

.用途：主体公钥的用途。

数字证书生命周期

PKI/CA对数字证书的管理是按照数字证书的生命周期实施的。数字证书的生命周期包括：

.安全需求确定：安全需求的确定必须完成的工作包括标识需要证书的应用程序、确定所需要的安全级别、标识需要证书的用户、确定如何保护私有密钥。

.证书登记：从CA申请和接收一个证书的过程称为登记。这个过程可分为几个步骤，包括生成一个密钥对、收集登记信息、申请证书、用CA的公开密钥对申请进行加密、验证信息、创建证书、发送或邮寄证书。

.证书分发：企业CA向用户颁发证书。

.证书撤回：CRL（证书撤销列表）不会撤回客户端上的所有证书，仅仅撤回CRL中指定的证书。

.证书更新：当证书达到它的截止有效日期时会自动变得无效，需要更新一个新证书。

.证书审计：使用审计来监控与证书服务器上证书的颁发有关的活动。

证书映射为使用者使用数字证书进行实际的应用操作提供了安全的、实际的“交接认证”工作。证书到用户账户的映射可以分为：

.一对一映射：创建从个人证书到相应的应用里用户账户的关系。当客户数目相对很小时，使用一对一映射。

.多对一映射：为所有证书创建从一个特定CA到一个应用的用户账户的关系。能够把多个证书映射到一个用户的账户中。

X.509的信任模型

X.509中信任的定义为：如果实体A认为实体B严格按A所期望的那样行动，则A信任B。

PKI/CA的信任结构类型包括：

.层次信任结构：所有实体都信任唯一的根CA。

.分布式信任结构：把信任分散到两个或更多个（或许是很多个）CA上。

.Web模型的信任结构：与严格层次结构模型相似。在该模型中，许多CA的公钥被预装在正在使用的标准浏览器上，浏览器用户最初信任这些CA并把它们作为证书检验的根。

.以用户为中心的信任模型：每个用户都对决定依赖哪个证书和拒绝哪个证书直接完全地负责。

.交叉认证的信任关系：交叉认证是一种把以前无关的CA连接在一起的有用机制，从而使得在它们各自主体群之间的信任关系得到有效扩展，使彼此的终端实体之间的安全通信成为可能。

认证机构职责

认证中心（CA）是PKI/CA提供核心服务的执行机构，广义上还应包含证书的申请注册机构（RA）。

CA的主要职责包括：

.数字证书管理。

.证书和证书库。

.密钥备份以及恢复。

.密钥和证书的更新。

.证书历史档案。

.客户端软件。

.交叉认证。

认证中心提供的服务主要包括：

.认证：身份识别和鉴别，确认实体即为自己所声明的实体，鉴别身份的真伪。

.数据完整性服务：确认数据没有被修改。

.数据保密性服务：采用“数字信封”机制。

.不可否认性服务：从技术上保证实体对其行为的认可。

.公证服务：即数据认证，证明数据的有效性和正确性。

PKI/CA应用模式

PKI/CA是S-MIS和S2-MIS的安全基础平台。

PKI/CA的应用范围包括：

.电子商务应用。

.电子政务。

.网上银行。

.网上证券。

.其他应用。

数字证书

数字证书是各类终端实体和最终用户在网上进行信息交流及商务活动的身份证明，在电子交易的各个环节，交易的各方都需验证对方数字证书的有效性，从而解决相互间的信任问题。

数字证书采用公钥体制，即利用一对互相匹配的密钥进行加密和解密。每个用户自己设定一个特定的仅为本人所知的私有密钥（私钥），用它进行解密和签名，同时设定一个公共密钥（公钥），并由本人公开，为一组用户所共享，用于加密和验证。公开密钥技术解决了密钥发布的管理问题。一般情况下，证书中还包括密钥的有效时间、发证机构（证书授权中心）的名称及该证书的序列号等信息。数字证书的格式遵循ITUT X.509国际标准。

用户的数字证书由某个可信的证书发放机构（Certification Authority，CA）建立，并由CA或用户将其放入公共目录中，以供其他用户访问。目录服务器本身并不负责为用户创建数字证书，其作用仅仅是为用户访问数字证书提供方便。

在X.509标准中，数字证书的一般格式包含的数据域如下。

（1）版本号：用于区分X.509的不同版本。

（2）序列号：由同一发行者（CA）发放的每个证书的序列号是唯一的。

（3）签名算法：签署证书所用的算法及参数。

（4）发行者：指建立和签署证书的CA的X.509名字。

（5）有效期：包括证书有效期的起始时间和终止时间。

（6）主体名：指证书持有者的名称及有关信息。

（7）公钥：有效的公钥以及其使用方法。

（8）发行者ID：任选的名字唯一地标识证书的发行者。

（9）主体ID：任选的名字唯一地标识证书的持有者。

（10）扩展域：添加的扩充信息。

（11）认证机构的签名：用CA私钥对证书的签名。

证书的获取

CA为用户产生的证书应具有以下特性：

（1）只要得到CA的公钥，就能由此得到CA为用户签署的公钥。

（2）除CA外，其他任何人员都不能以不被察觉的方式修改证书的内容。

因为证书是不可伪造的，因此无须对存放证书的目录施加特别的保护。

如果所有用户都由同一CA签署证书，则这一CA必须取得所有用户的信任。用户证书除了能放在公共目录中供他人访问外，还可以由用户直接把证书转发给其他用户。用户B得到A的证书后，可相信用A的公钥加密的消息不会被他人获悉，还可信任用A的私钥签署的消息不是伪造的。

如果用户数量很多，仅一个CA负责为所有用户签署证书可能不现实。通常应有多个CA，每个CA为一部分用户发行和签署证书。

设用户A已从证书发放机构X₁处获取了证书，用户B已从X₂处获取了证书。如果A不知X₂的公钥，他虽然能读取B的证书，但却无法验证用户B证书中X₂的签名，因此B的证书对A来说是没有用处的。然而，如果两个证书发放机构X₁和X₂彼此间已经安全地交换了公开密钥，则A可通过以下过程获取B的公开密钥：

（1）A从目录中获取由X₁签署的X₂的证书X₁《X₂》，因为A知道X₁的公开密钥，所以能验证X₂的证书，并从中得到X₂的公开密钥。

（2）A再从目录中获取由X₂签署的B的证书X₂《B》，并由X₂的公开密钥对此加以验证，然后从中得到B的公开密钥。

在以上过程中，A是通过一个证书链来获取B的公开密钥的，证书链可表示为

X₁《X₂》X₂《B》

类似地，B能通过相反的证书链获取A的公开密钥，表示为

X₂《X₁》X₁《A》

以上证书链中只涉及两个证书。同样，有N个证书的证书链可表示为

X₁《X₂》X₂《X₃》…X_N《B》

此时，任意两个相邻的CAX_i和CAX_i₊₁已彼此间为对方建立了证书，对每一个CA来说，由其他CA为这一CA建立的所有证书都应存放于目录中，并使得用户知道所有证书相互之间的连接关系，从而可获取另一用户的公钥证书。X.509建议将所有的CA以层次结构组织起来，用户A可从目录中得到相应的证书以建立到B的以下证书链：

X《W》W《V》V《U》U《Y》Y《Z》Z《B》

并通过该证书链获取B的公开密钥。

类似地，B可建立以下证书链以获取A的公开密钥：

X《W》W《V》V《U》U《Y》Y《Z》Z《A》

证书的吊销

从证书的格式上可以看到，每个证书都有一个有效期，然而有些证书还未到截止日期就会被发放该证书的CA吊销，这可能是由于用户的私钥已被泄漏，或者该用户不再由该CA来认证，或者CA为该用户签署证书的私钥已经泄漏。为此，每个CA还必须维护一个证书吊销列表（Certificate Revocation List，CRL），其中存放所有未到期而被提前吊销的证书，包括该CA发放给用户和发放给其他CA的证书。CRL还必须由该CA签字，然后存放于目录中以供他人查询。

CRL中的数据域包括发行者CA的名称、建立CRL的日期、计划公布下一CRL的日期以及每个被吊销的证书数据域。被吊销的证书数据域包括该证书的序列号和被吊销的日期。对一个CA来说，它发放的每个证书的序列号是唯一的，所以可用序列号来识别每个证书。

因此，每个用户收到他人消息中的证书时都必须通过目录检查这一证书是否已经被吊销，为避免搜索目录引起的延迟以及因此而增加的费用，用户自己也可维护一个有效证书和被吊销证书的局部缓存区。

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