交通大學 資訊工程系 曾文貴 - National Chiao Tung Universityrjchen/Crypto2008/PKI.pdf ·...

PKI原理與應用

交通大學資訊工程系曾文貴

1

2

最早有關密碼的書--1920

3

WWI 密碼室

4

Enigma （WWII, 德國）

5

6

Big machine (WWII, 美國)

7

聽不懂即可 （少數民族語言）

8

新時代 （Cray-XMP）

9

新時代 （U.S. Navy）

10

新時代（特殊IC）

11

解碼成果（美國）

安全需求

機密性 (privacy)

資料內容不外洩給非授權的人

完整性 (integrity)

資料未被竄改

驗證性 (authentication)

個人身份證明

資料來源證明

不可否認性 (non-repudiation)

無法否定送過的訊息

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紙本世界 vs 電子世界

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紙本世界 電子世界

機密性 實體保護 加密

完整性 紙張特性 雜湊函數

驗證性 手寫簽名 數位簽章

不可否認性 紙張特性+簽名 數位簽章

身份證明：紙本世界

身份證

參與的人來確認

不易仿冒

簽名

本人

驗簽

參與的人來確認

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身份證明：電子世界

電子憑證 (數位證書)

自動確認

易拷貝？

誰來確認電子憑證是真的？有效的？

簽名

如何做？

驗簽

如何做？

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電子憑證 (certificate)

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X.509 v3

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如何相信這張憑證是 F1220XXXXX 的？

PKI：公開金鑰基礎建設

PKI: Public Key Infrastructure

由主管單位、使用單位、使用者、政策、硬體、軟體、執行程序等單元組成

提供使用者在電子世界裡

取的合法的電子憑證，代表身份

確認他人電子憑證真確性的機制

數位簽章的機制

確認簽章的機制（驗章）

加密機制

解密機制

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PKI 模組

資訊安全政策

註冊管理中心 RA （Registration Authority）

憑證管理中心 CA（Certificate authority）

目錄服務系統 （Directory service）

PKI 應用程式

憑證申請程式

憑證驗證程式

簽章、驗章程式

加密、解密程式

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資訊安全政策

定義組織的最高資訊安全原則

資訊安全發展方向

憑證的處理方式

管理金鑰與機密資料方針

風險層級的定義

金鑰使用規範

…

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憑證的生命週期

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使用

產生公布

註銷逾期

使用期限到期 遺失、收回 …

憑證的申請

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使用者

目錄服務X500/LDAP/

Website

RA (政府單位

、銀行 …)

CA

申請

登錄、註銷、查詢 、認證、…

憑證的發行

使用者 U 透過前端應用程式向RA申請憑證

RA 確認 U 的身份與資格

U 透過前端應用程式產生

電子憑證所需資訊 (含公開金鑰 U-PK)

電子憑證相對的私密金鑰 U-SK（簽章或加密用），存入自己的電腦或智慧卡

RA 將傳給 CA

CA 產生 U 的電子憑證 U-Cert 傳給 RA

RA 將 U-Cert 給小明，並公布到目錄服務

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憑證的驗證

連到發行 U- Cert 的 CA 的目錄服務

確認憑證未過期與未被註銷

「拿到」 CA 的憑證 CA-Cert

利用應用程式及密碼演算法，驗證 U-Cert是否為U的憑證

如果為正確，使用之

否則，拒絕使用

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憑證的使用：驗章

U 對訊息 M 做簽章

利用密碼簽章法計算 =f1 (U-SK, M)

公布 (M, )

他人確認(M, )的正確性

拿到U的憑證 U-Cert

驗證 U-Cert

利用密碼驗章法計算 b=f2 (U-Cert, M, )

b=1 接受

b=0 拒絕

25

26

簽章者 U 驗章者 A

目錄服務X500/LDAP/

Website

(U-Cert, M, )

U-CertRevoked?CA-Cert

Check:f2(CA-Cert, U-Cert) f2(U-Cert, M, )

Compute = f1(U-SK, M)

憑證的使用：加密

他人加密訊息 M 給 U

拿到 U-Cert

驗證 U-Cert

利用密碼加密法計算 =g1 (U-Cert, M)

傳送 給 U

U 解密

利用密碼解密法計算 M=g2 (U-SK, M)

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28

接收者 U加密者 A

目錄服務X500/LDAP/

Website

(U, )

U-CertRevoked?CA-Cert

Check b=f2(CA-Cert, U-Cert) Compute =g1(U-Cert, M)

Compute M= g2(U-SK, )

憑證的註銷

在 U-Cert 的使用期限到期前，因為某些原因，CA可以註銷之

CA在其目錄服務中有一「憑證廢止清冊」（Certificate Revocation List, CRL），供所有人查詢

CA-CRL= (#1, #2, …, )

=f1 (CA-SK, #1, #2, …)

驗證 CA-CRL

取得 CA-Cert

驗章

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私密金鑰的管理

每一張憑證 U-Cert (內含 U 的公開金鑰 U-PK) 有一相對應的私密金鑰 U-SK

U-SK = 345a54bc648ffde398123afd……89eda36

thousands of bits

儲存

智慧卡 （suggested）

密碼計算在智慧卡裡執行

電腦檔案

需使用通行碼 (password) 保護

備份

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憑證的信賴架構

得到 U-Cert, 需要 CA-Cert 來驗證 U-Cert

如何驗證 CA-Cert ?

解決方法：X.500 憑證驗證架構

31

X.509 Hierarchy

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CA1

CA2

CA4 CA5

CA3

CA6

Alice: A-CertBob: B-CertCarol: C-Cert…

David: D-CertEve: E-Cert…

信賴起點

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每一 個CA 簽發憑證給其下的 CA

每一使用者擁有 CA1 的憑證

認證路徑 (validation path)

Alice 驗證 David 的憑證 D-Cert

CA1 CA3 CA6

CA 互簽憑證

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CA2CA1CA1-Cert

CA2-Cert

每一 CA 簽發憑證給其下的 CA 及其上的 CA

憑證路徑

Alice 擁有 CA4 的憑證

Alice 驗證 David 的憑證 D-Cert

CA4 CA2 CA1 CA3 CA6

PKI的應用

身份認證與簽章 自然人憑證：由GCA所發 個人所得稅報稅

監理所資料查詢

…

金融憑證：由各金融單位所發 轉帳

外匯買賣

網路股票交易

訊息加密

電子商務

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應用實例: SSL/TLS

36

Transport Layer Security

建立client-server間的安全通道 身份認證

通道加密

應用範圍 Web browsing

Email

Instant messaging

…

SSL/TLS

Applications (HTTP, FTP, Telnet, SMTP, …)

IP

TCP

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38

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電子簽章法

40

2001年通過

為推動電子交易之普及運用，確保電子交易之安全，促進電子化政府及電子商務之發展，特制定本法。

RSA公開金鑰簽章技術

參數選擇 p, q: large primes

N=pq, (N)=(p-1)(q-1)

公開金鑰 PK=(N, e), gcd(e, (N))=1

私密金鑰 SK=(N, d), de-1 (mod (N))

41

RSA 簽章演算法

計算 = f1(SK, M) = h(M)d mod N

h(M): 雜湊 (hash) 函數

42

M

h h(M)e mod N

M||

SK=(N, d)

RSA 驗章演算法

輸入：PK, M,

檢查 h(M) = e mod N

43

=?h

e mod N

M||

PK=(N, e)

M h(M)

accept/reject

安全條件

無法分解 N

從公開金鑰 PK=(N, e), 無法計算 d

沒有SK=(N, d), 無法 計算 =h(M)d mod N

到目前為止，沒有人/實用機器可以破解

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RSA 原理

Euler’s Theorem: x(N) mod N=1, for x with gcd(x, N)=1

ed = k(N)+1

為何檢查 h(M) =? e mod N

e mod N = h(M)de mod N= h(M) k(N)+1 mod N= (h(M)(N))k h(M) mod N= 1k h(M) mod N= h(M) mod N= h(M)

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DSS 公開金鑰簽章標準

參數選擇

p=kq+1

p, q: large prime, |q|=160

g: a generator of the subgroupGq = {ak mod p | aZp

* }

y=gx mod p

公開金鑰 PK=(p, g, y)

私密金鑰 SK=(p, g, x)

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簽章演算法

Randomly choose k

Compute r=(gk mod p) mod q

Compute s=k-1 (h(M)+xr) mod q

簽章 =(r, s) --> 320 bit long only

驗章演算法

輸入 PK, M, (r, s)

Compute w=s-1 mod q

Compute v= ((gh(M)w yrw ) mod p) mod q

Accept if and only if v=r

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DSA 原理

為何檢查 v= ((gh(M)w yrw ) mod p) mod q

((gh(M)w yrw ) mod p) mod q= ((gh(M)w gxrw ) mod p) mod q= (gw(h(M)+xr) mod p) mod q= (gk mod p) mod q = r

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RSA公開金鑰加密技術

參數選擇

p, q: large primes

N=pq, (N)=(p-1)(q-1)

公開金鑰 PK=(N, e), gcd(e, (N))=1

私密金鑰 SK=(N, d), de-1 (mod (N))

RSA 加密演算法

計算 = g1(PK, M) = Me mod N

RSA 解密演算法

計算 M=g2(SK, ) = d mod N

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結論

PKI 成功的因素

具備足夠的安全性

政府政策支持

容易使用

多樣的應用

互通性與彈性

密碼技術開發

更有效率的演算法

更安全的密碼演算法

創新性的應用

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