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PKI技术知识系统深入介绍

公钥基础设施(PKI)是目前网络安全建设的基础与核心,是电子商务安全实施的基本保障,因此,对PKI技术的研究和开发成为目前信息安全领域的热点。本文对PKI技术进行了全面的分析和总结,其中包括PKI组成、证书认证机构CA、PKI应用、应用编程接口和PKI标准等,并对CA的开发做了简要分析。本文对PKI,特别是CA的开发、应用和普及具有一定的促进作用。

PKI采用证书进行公钥管理,通过第三方的可信任机构(认证中心,即CA),把用户的公钥和用户的其他标识信息捆绑在一起,其中包括用户名和电子邮件地址等信息,以在Internet网上验证用户的身份。PKI把公钥密码和对称密码结合起来,在Internet网上实现密钥的自动管理,保证网上数据的安全传输。

因此,从大的方面来说,所有提供公钥加密和数字签名服务的系统,都可归结为PKI系统的一部分,PKI的主要目的是通过自动管理密钥和证书,为用户建立起一个安全的网络运行环境,使用户可以在多种应用环境下方便的使用加密和数字签名技术,从而保证网上数据的机密性、完整性、有效性。数据的机密性是指数据在传输过程中,不能被非授权者偷看;数据的完整性是指数据在传输过程中不能被非法篡改;数据的有效性是指数据不能被否认。

一个有效的PKI系统必须是安全的和透明的,用户在获得加密和数字签名服务时,不需要详细地了解PKI的内部运作机制。在一个典型、完整和有效的PKI系统中,除证书的创建和发布,特别是证书的撤销,一个可用的PKI产品还必须提供相应的密钥管理服务,包括密钥的备份、恢复和更新等。没有一个好的密钥管理系统,将极大影响一个PKI系统的规模、可伸缩性和在协同网络中的运行成本。在一个企业中,PKI系统必须有能力为一个用户管理多对密钥和证书;能够提供安全策略编辑和管理工具,如密钥周期和密钥用途等。

PKI组成

PKI作为一组在分布式计算系统中利用公钥技术和X.509证书所提供的安全服务,企业或组织可利用相关产品建立安全域,并在其中发布密钥和证书。在安全域内,PKI管理加密密钥和证书的发布,并提供诸如密钥管理(包括密钥更新,密钥恢复和密钥委托等)、证书管理(包括证书产生和撤销等)和策略管理等。PKI产品也允许一个组织通过证书级别或直接交叉认证等方式来同其他安全域建立信任关系。这些服务和信任关系不能局限于独立的网络之内,而应建立在网络之间和Internet之上,为电子商务和网络通信提供安全保障,所以具有互操作性的结构化和标准化技术成为PKI的核心.

PKI在实际应用上是一套软硬件系统和安全策略的集合,它提供了一整套安全机制,使用户在不知道对方身份或分布地很广的情况下,以证书为基础,通过一系列的信任关系进行通讯和电子商务交易。

一个典型的PKI系统如图1所示,其中包括PKI策略、软硬件系统、证书机构CA、注册机构RA、证书发布系统和PKI应用等。

1. PKI安全策略建立和定义了一个组织信息安全方面的指导方针,同时也定义了密码系统使用的处理方法和原则。它包括一个组织怎样处理密钥和有价值的信息,根据风险的级别定义安全控制的级别。一般情况下,在PKI中有两种类型的策略:一是证书策略,用于管理证书的使用,比如,可以确认某一CA是在Internet上的公有CA,还是某一企业内部的私有CA;另外一个就是CPS(Certificate Practice Statement)。一些由商业证书发放机构(CCA)或者可信的第三方操作的PKI系统需要CPS。这是一个包含如何在实践中增强和支持安全策略的一些操作过程的详细文档。它包括CA是如何建立和运作的,证书是如何发行、接收和废除的,密钥是如何产生、注册的,以及密钥是如何存储的,用户是如何得到它的等等。

2. 证书机构CA是PKI的信任基础,它管理公钥的整个生命周期,其作用包括:发放证书、规定证书的有效期和通过发布证书废除列表(CRL)确保必要时可以废除证书。后面将会在CA进行详细介绍。

3. 注册机构RA提供用户和CA之间的一个接口,它获取并认证用户的身份,向CA提出证书请求。它主要完成收集用户信息和确认用户身份的功能。这里指的用户,是指将要向认证中心(即CA)申请数字证书的客户,可以是个人,也可以是集团或团体、某政府机构等。注册管理一般由一个独立的注册机构(即RA)来承担。它接受用户的注册申请,审查用户的申请资格,并决定是否同意CA给其签发数字证书。注册机构并不给用户签发证书,而只是对用户进行资格审查。因此,RA可以设置在直接面对客户的业务部门,如银行的营业部、机构认识部门等。当然,对于一个规模较小的PKI应用系统来说,可把注册管理的职能由认证中心CA来完成,而不设立独立运行的RA。但这并不是取消了PKI的注册功能,而只是将其作为CA的一项功能而已。PKI国际标准推荐由一个独立的RA来完成注册管理的任务,可以增强应用系统的安全。

4. 证书发布系统负责证书的发放,如可以通过用户自己,或是通过目录服务。目录服务器可以是一个组织中现存的,也可以是PKI方案中提供的。

PKI应用

---PKI技术的广泛应用能满足人们对网络交易安全保障的需求。当然,作为一种基础设施,PKI的应用范围非常广泛,并且在不断发展之中,下面给出几个应用实例。

1. 虚拟专用网络(VPN)
VPN是一种架构在公用通信基础设施上的专用数据通信网络,利用网络层安全协议(尤其是IPSec)和建立在PKI上的加密与签名技术来获得机密性保护。基于PKI技术的IPSec协议现在已经成为架构VPN的基础,它可以为路由器之间、防火墙之间或者路由器和防火墙之间提供经过加密和认证的通信。虽然它的实现会复杂一些,但其安全性比其他协议都完善得多。

2. 安全电子邮件
----作为Internet上最有效的应用,电子邮件凭借其易用、低成本和高效已经成为现代商业中的一种标准信息交换工具。随着Internet的持续增长,商业机构或政府机构都开始用电子邮件交换一些秘密的或是有商业价值的信息,这就引出了一些安全方面的问题,包括:消息和附件可以在不为通信双方所知的情况下被读取、篡改或截掉;发信人的身份无法确认。电子邮件的安全需求也是机密、完整、认证和不可否认,而这些都可以利用PKI技术来获得。目前发展很快的安全电子邮件协议是S/MIME (The Secure Multipurpose Internet Mail Extension),这是一个允许发送加密和有签名邮件的协议。该协议的实现需要依赖于PKI技术。

3. Web安全
----浏览Web页面是人们最常用的访问Internet的方式。如果要通过Web 进行一些商业交易,该如何保证交易的安全呢?为了透明地解决Web的安全问题,在两个实体进行通信之前,先要建立SSL连接,以此实现对应用层透明的安全通信。利用PKI技术,SSL协议允许在浏览器和服务器之间进行加密通信。此外服务器端和浏览器端通信时双方可以通过数字证书确认对方的身份。-结合SSL协议和数字证书,PKI技术可以保证Web 交易多方面的安全需求,使Web上的交易和面对面的交易一样安全。

应用编程接口API

协议标准是系统具有可交互性的前提和基础,它规范了PKI系统各部分之间相互通信的格式和步骤。而应用编程界面API(Application programming interfaces)则定义了如何使用这些协议,并为上层应用提供PKI服务。当应用需要使用PKI服务,如获取某一用户的公钥、请求证书废除信息或请求证书时将会都会用到API。目前API没有统一的国际标准,大部分都是操作系统或某一公司产品的扩展,并在其产品应用的框架内提供PKI服务。

从目前的发展来说,PKI的范围非常广,而不仅仅局限于通常认为的CA机构,它还包括完整的安全策略和安全应用。因此,PKI的开发也从传统的身份认证到各种与应用相关的安全场合,如企业安全电子商务和政府的安全电子政务等。

另外,PKI的开发也从大型的认证机构到与企业或政府应用相关的中小型PKI系统发展,既保持了兼容性,又和特定的应用相关。在以后的文章中,我们会对PKI的源代码工程OpenCA进行详细分析,为PKI的开发提供借鉴。

总结

PKI的应用非常广泛,包括在web服务器和浏览器之间的通讯、电子邮件、电子数据交换(EDI)、在Internet上的信用卡交易和虚拟私有网(VPN)等。

一个简单的PKI系统包括证书机构CA、注册机构RA和相应的PKI存储库。CA用于签发并管理证书;RA可作为CA的一部分,也可以独立,其功能包括个人身份审核、CRL管理、密钥产生和密钥对备份等;PKI存储库包括LDAP目录服务器和普通数据库,用于对用户申请、证书、密钥、CRL和日志等信息进行存储和管理,并提供一定的查询功能。

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