信息安全学习笔记（八）------PKI原理与应用

PKI原理与应用

前言：PKI是public key infrastructure的缩写，意为"公钥基础设施"，是一个用非对称密钥算法原理和技术实现，具有通用性的安全的基础设施。

一.PKI概述

PKI利用证书标识密钥持有人的身份，通过对密钥的规范化管理，为组织机构建立和维护一个可信赖的系统环境，透明地为应用系统提供身份认证、数据保密性和完整性、抗抵赖等各种必要的安全保障，满足各种应用系统的安全需求。简单地说，PKI是提供公钥加密和数字签名服务的系统，目的是为了自动管理密钥和证书，保证网上数字信息传输的机密性真实性、完整性和不可否认性。

1. PKI的作用：
   1)对身份合法性进行验证：以明文传输的用户名和口令存在被截获的安全隐患。
   2)实现数据保密性和完整性：企业中存储的数据大多是明文存储，避免被篡改和泄露。
   3)实现数据传输安全性：以明文方式在网络上传输的数据很容易被泄露。
   4)实现数字签名和不可抵赖：

2. PKI的体系结构：PKI的体系是由多种认证机构及各种终端实体等组件组成，其结构模式一般为多层次的树状结构。PKI是由很多CA和CA信任链组成的。CA通过3种方式组织到一起。
   注：CA：证书颁发机构（Certificate Authority）即颁发数字证书的机构。是负责发放和管理数字证书的权威机构，并作为电子商务交易中受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。
   第一种：首先建立CA，再在根CA下组成分层的体系结构，上层CA向下层CA发起证书。
   第二种：CA连接成的网状，并且它们之间的地位平等
   第三种：桥接体系结构

3. PKI的组成：PKI的公钥基础设施体系主要由密钥管理中心、CA认证机构、RA注册审核、证书/CRL发布系统和应用接口系统五部分组成。
   1)密钥管理中心(KMC)：密钥管理中心向CA服务提供相关密钥服务，如密钥生成、密钥存储、密钥备份、密钥恢复、密钥托管和密钥运算。
   2)CA认证中心：CA认证机构是PKI公钥基础设施的核心，它主要完成生成/签发证书、生成/签发证书撤销列表(CRL)、发布证书和CRL到目录服务器、维护证书数据库和审计日志库等功能。
   3)RA注册审核机构：RA是数字证书的申请、审核和注册中心。它是CA认证机构的延伸。在逻辑上RA和CA是一个整体，主要负责提供证书注册、审核以及发证功能。
   4)发布系统：发布系统主要提供LDAP服务，OCSP服务和注册服务。注册服务为用户提供在线注册功能；LDAP提供证书和CRL的目录浏览服务；OCSP提供证书状态在线查询服务。
   5)应用接口系统：应用接口系统为外界提供使用PKI安全服务入口。一般有API，JavaBean，COM等多种形式。

二.认证机构CA：

CA采用PKI公开密钥基础架构技术，专门提供网络身份认证服务，负责签发和管理数字证书，且具有权威性和公正性的第三方信任机构。

1. CA证书签发机构：
2. RA注册审核机构设置：
3. KMC密钥管理：
4. 发布系统：

三.数字证书：

数字证书是指网络通信中标志通信各方身份信息的一系列数据，其作用类似于现实生活中的身份证。

1. 数字证书的作用：
   访问需要客户验证的安全Internet安全点。
   用对方的数字证书向对方发送加密信息。
   给对方发送带自己签名的信息。

2. 数字证书的内容：
   证书的格式有ITU标准X.509 v3来定义。
   (1)证书数据：
   a.版本信息，用来与X.509的将来版本兼容。
   b.证书序列号，每个由CA发行的证书必须有一个唯一的序列号。
   c.CA所使用的签名算法。
   d.发行证书CA的名称。
   e.证书的有效期限。
   f.证书的主题名称
   g.被证明的公钥信息，包括公钥算法、公钥的位字符串表示。
   h.包含额外信息的拓展。
   (2)发行证书的CA签名
   证书第二部分包括发行证书的CA签名和用来生成数字签名的签名算法。任何人收到证书后都能使用签名算法来验证证书是否由CA的签名密钥签发。

3. 使用数字证书的注意事项：
   (1)含有用户私钥的数字证书导出文件本身应加上密码，并且有备份，妥善保存在比较安全的地方。
   (2)安装用户的数字签名证书时，应该使用密码对私钥进行保护，并且密码要足够长、很难猜测。
   (3)安装用户的数字证书时最好不要将私钥标记为可导出，以防止意外。
   (4)使用私钥进行数字签名或者解密时，不要选择选项记录密码。
   (5)如果用户证书遗失或者被他人窃取，应及时吊销。

四.PKI的应用：

基于PKI技术，目前世界上已经出现了许多依赖PKI的安全标准，即PKI的应用标准，如安全的套接层标准SSL、传输层安全协议TLS、安全的多用途互联网邮件拓展协议S/MIME和IP安全协议IPSEC等

1. 电子商务应用：
   电子商务的参与方一般包括买方、卖方、银行和作为中介的电子市场。买方通过自己的浏览器上网，登录到电子交易市场的Web服务器并寻找卖方。当买方登陆服务器时，互相之间需要通过PKI验证对方以确认其身份，这被称作为双向认证。
   在双方身份被互相确认以后，建立起安全通道，并进行讨价还价，之后向商城提交订单。订单里有两种信息：一部分是订货信息，另一部分是提交银行的支付信息。
   买方对这两种信息进行数字签名，分别用商场和银行的证书公钥加密上述信息。当商场收到交易信息后留下订货单信息，而将支付信息转发给银行。商场只有用自己的密钥解开订货信息并验证签名。同理，银行只能用自己的私钥解开加密的支付信息、验证签名并进行划账。银行在完成划账之后，通知起中介作用的电子市场，物流中心和买方，并进行商品配送。整个交易过程都是在PKI所提供的安全服务下进行的，实现了安全、可靠、保密和不可否认性。
2. 电子政务：
   电子政务的主要内容有网上信息发布、办公自动化、网上办公、信息资源共享等。按应用模式也可以分为G2C、G2B、G2G，PKI在其中的应用主要是解决身份认证、数据完整性、数据保密性和不可抵赖性等问题。
   例如，一个保密文件发给谁或者哪一级公务员有权查看某个机密文件，这些都需要进行身份认证，与身份认证相关的还有访问控制，即权限控制。认证通过证书进行，而访问控制通过属性证书或者访问控制列表(ACL)完成。有些文件在网络传输中要保密以保证数据的保密性。有些文件在网上传输时要求不能被丢失或者被篡改。特别是一些保密文件的收发必须要有数字签名等。只有PKI提供的安全服务才能满足电子政务中的这些安全需求。