PKI关键技术研究及其应用

论文摘要

公钥基础设施(PKI)是信息安全基础设施的一个重要组成部分,是一种普遍适用的网络安全基础设施。随着PKI的广泛应用和不断发展,目前它已经形成一套比较成熟完善的理论和应用模型。PKI在电子商务、电子政务以及网络安全保障等方面发挥着极为重要的作用。PKI是以公钥密码理论为基础的,它的应用涵盖了密码学中的大部分知识和技术,而且它是一个开放结构,基于安全和效率的改进是没有终点的,直到一个新的安全体系可以完全替代它。本文以PKI体系为研究背景,对PKI中涉及的几类关键的密码技术做了不同程度的研究,目标是扩展PKI的应用层面,提高PKI体系的安全防护能力,使其可以更好地适应现代网络发展需求。本文的主要研究成果如下:1.从信息论的角度出发,对RSA公钥密码体制进行了深入的分析,给出了RSA密码体制中明文密文的不变子集的划分,根据划分可以计算出明文与密文的互信息,这样既从另一个角度给出了RSA密码体制安全参数选择的依据,同时对RSA密码体制的攻击也具有重要的指导意义。2.将XTR这一新的、高效的公钥密码体制应用到普通签密算法中,然后利用签密算法的特点设计了半匿名签密算法,使得只有合法接收者在解签密后才能够知道发送者的身份,与其他匿名通信手段结合可以更好地防止流量分析;另外,这些算法结合了XTR公钥体制和签密算法的优点,使得计算复杂度和通信复杂度都明显降低。3.对美国高级加密算法AES进行了深入的研究,首先提出了一个变型的AES算法,变型算法的各密码特性均等价或优于原算法,而且加密解密具有更多的一致性,有利于密码算法的硬件实现;然后,深入分析了AES的结构,给出了AES密码的三种等价结构,进而得到结论:不同的S盒结构可以得到同样安全特性的密码。4.通过对安全协议及其分析方法的广泛研究,指出完全“公平”的两方安全协议是不存在的,进一步,根据博弈论中的Nash均衡,定义了“合理协议”以及“强合理协议”,在安全协议的具体应用中,“合理”要比“完备”更重要,最后给出了判断协议合理性的模型。5.总结了三方协议设计的原则,在这些设计原则的指导下,构造了基于“汉诺塔”游戏的电子商务中的公平签约协议,以及基于XTR签密算法的匿名无线认证协议,通过分析和形式化证明,说明这两个协议是安全的。6.最后,使用J2EE软件架构和PKI体系设计实现了教育部教育电子政务中的数字身份认证系统。系统中采用了开放式、松耦合的软件架构,整个系统具有非常好的扩展能力。系统中采用了基于视觉密码的认证登录方案,提高用户注册申请证书的安全性,避免了使用传统密码算法所面临的限制;另外,分布式的RSA密钥管理方案的使用,大大地提高了系统的安全强度和可靠性,也适应一个KMC为多个CA提供密钥服务的趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外相关研究和现状
• 1.2.1 PKI发展综述
• 1.2.2 几个关键密码技术研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 研究任务
• 1.3.2 主要工作和创新点
• 1.3.3 论文组织结构
• 第二章 PKI 中公钥密码技术研究
• 2.1 RSA密码体制的信息论刻画
• 2.1.1 RSA信息论分析
• 2.1.2 明文和密文的互信息
• 2.2 基于XTR 公钥体制的签密算法
• 2.2.1 基本签密算法及其特点
• 2.2.2 半匿名签密算法
• 2.3 本章小结
• 第三章 PKI 中分组密码技术研究
• 3.1 AES算法概述
• 3.1.1 AES 总体结构
• 3.1.2 轮变换
• 3.1.3 密钥扩展方案
• 3.2 变型AES的密码特性
• 3.2.1 变型的AES 算法
• 3.2.2 变型算法的安全性分析
• 3.3 三种AES的等价密码形式
• 3.3.1 改变S盒中常量得到的等价密码AES1
• 3.3.2 改变仿射变换中乘矩阵后得到的等价密码AES2
• 3.3.3 仿射变换与逆变换改变顺序的S 盒变换得到的等价密码AES3
• 3.3.4 三种等价密码的比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 三方安全协议分析与设计
• 4.1 管理层次的协议分析
• 4.1.1 合理协议
• 4.1.2 基本概念
• 4.1.3 协议博弈
• 4.2 三方协议设计原则
• 4.2.1 三方认证协议的设计原则
• 4.2.2 三方秘密交换协议的设计原则
• 4.3 两个复杂的例子
• 4.3.1 公平签约协议
• 4.3.2 高效的无线匿名认证协议
• 4.4 本章小结
• 第五章 教育电子政务中数字身份认证系统的设计与实现
• 5.1 背景与意义
• 5.2 系统整体结构和设计方案
• 5.2.1 系统整体结构
• 5.2.2 系统部署模式
• 5.2.3 系统基本功能划分
• 5.2.4 系统的优点
• 5.3 基于视觉密码的注册登录方案
• 5.3.1 传统认证方式的缺陷
• 5.3.2 预备知识
• 5.3.3 新的认证方案
• 5.3.4 方案的安全性分析
• 5.3.5 在RA 系统中的应用
• 5.4 分布式密钥管理系统
• 5.4.1 构建分布式密钥管理系统的必要性
• 5.4.2 相关算法回顾
• 5.4.3 素数生成算法的改进
• 5.4.4 密钥分发
• 5.5 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 进一步工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间取得的学术科研成果