??? 摘? 要: 隨著對信息安全的要求不斷提高,傳統的等效于軟件加密的密鑰管理手段已不能滿足信息系統的安全要求,因此設計了一種新型的密鑰管理系統" title="管理系統">管理系統。該系統采用安全性高的CPU智能卡,用硬件方式來產生、存儲和傳遞密鑰,極大地提高了密鑰管理系統的安全性。?

??? 關鍵詞: 安全? 智能卡? 密鑰?

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??? 在傳統的密鑰管理系統中,密鑰通常是存儲在計算機或磁盤里,并借助于網絡、磁盤以郵件的方式進行傳遞。為了安全起見,通常在傳遞之前,必須先將所要傳遞的密鑰進行加密處理,接收方收到后再對其進行解密處理。由于采用這種方式時仍然需要傳遞密鑰,只是具體的密鑰對象改變了,因此安全性還是沒有明顯地提高;即使采用專門的硬件加密機器進行加密處理,但由于儲存和傳遞環節的影響,其安全性能仍等同于軟件加密效果,為此有必要提高儲存和傳遞環節的安全性。?

??? 雖然傳遞密鑰比較安全的做法是采用非對稱加密體制,用己方私鑰和對方公鑰" title="公鑰">公鑰進行雙重簽名加密,對方用其私鑰和己方公鑰進行解密處理。采用這種方法來傳遞密鑰比較麻煩,實現起來非常困難,不僅要求通信雙方要有己方的公鑰和私鑰,而且還要獲得對方的公鑰。公鑰和私鑰的產生比較復雜和困難,而且通常還需要作為公證的第三方介入。目前絕大多數的通信雙方都沒有這些條件,并且它們之間的通信絕大多數是一次性的。考慮到上述原因,往往不采用非對稱加密體制,而仍然采用實現方法和途徑都相對簡單和容易得多的對稱加密體制。?

??? 采用對稱加密體制時,加密密鑰和解密密鑰是相同的或相關聯的,因此對其存儲和傳遞的安全性要求非常高。如前所述,采用傳統方式進行加密處理時,其效果等同于軟件加密效果,在安全性方面不如硬件直接加密的效果;由此可以看出,如果我們既用硬件設備進行加密處理,又用專門的硬件設備來存儲和傳遞密鑰,這樣就可以極大地提高密鑰系統的安全性。目前能滿足這兩種要求,而且得到業界廣泛認可的器件只有CPU智能卡。CPU卡具有硬件加密結構,可以作為加密器件使用;而且其特殊的軟件體系-COS(Chip Operation System)又為數據存儲和操作提供了較高的安全性,可用于小批量數據的存儲。?

??? 本文采用CPU智能卡作為加密和存儲介質,按照對稱加密體制的思想,設計和實現了一種新型密鑰系統,較好地實現了密鑰的產生、存儲和傳遞功能,滿足了用戶信息系統的安全要求。?

1 CPU卡的安全功能?

??? CPU卡作為智能卡家族中最新的成員,由于具有較高的安全性和應用方便性,得到越來越廣泛的應用。CPU卡的安全性不僅體現在其硬件結構上,而且其軟件系統COS也保證了應用的安全性,同時還提高了應用的方便性和靈活性。?

??? CPU卡的加解密功能由內嵌的硬件加密協處理器來完成,具有很高的安全性。目前,CPU卡一般采用DES加密算法。DES算法是一種迭代分組密碼算法,它加密時把明文以64比特為單位分成塊,然后用密鑰把每一塊的明文轉化為64比特密文。使用的密鑰長度為64位,其中有效長度為56位(有8位用于奇偶校驗)。為了進一步提高安全性,CPU卡通常采用三重DES算法加密,采用的密碼長度為128位。?

??? 在應用時,CPU卡的安全性是由其COS的安全體系來保證的,它涉及到卡中信息的訪問控制機制和保密機制。智能卡之所以能夠迅速地發展并且流行起來,其中的一個重要的原因就在于它能夠通過COS的安全體系給用戶一個較高的安全保證和應用方便性。COS安全體系在概念上包括三部分:安全狀態、安全屬性和安全機制^[1]。智能卡在安全狀態滿足安全屬性的要求,通過執行操作指令,在安全機制的作用下,從當前的安全狀態轉移到下一個安全狀態。?

2 系統結構" title="系統結構">系統結構和功能?

??? 本密鑰系統的主要功能是提供各種密鑰的生成機制和加密算法,并將生成的密鑰存儲在具有密鑰導出功能的CPU智能卡,即SAM(Security Access Module)卡中。系統結構如圖1所示,密鑰的發行采用梯級生成、下發方式,即由上一級生成下一級所需的各種子密鑰,并以卡片的形式,采用線路加密的方式傳遞給下一級,極大地提高了系統的安全性和應用的方便性。根據功能,系統分為:根密鑰系統、主密鑰" title="主密鑰">主密鑰系統、初始化密鑰系統和SAM卡密鑰系統。系統結構具有一定的伸縮性,可以根據實際需要進行裁減,減少或增加分級層次,通常不超過三級傳遞關系(圖中所示即為三級),以免系統過于復雜。在我們投入實際使用的系統中,根據用戶要求和系統規模,取消了初始化密鑰系統這一級而只采用了二級傳遞關系,使系統結構更加緊湊,實現起來更加簡單容易。?

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??? 根密鑰系統的主要功能是生成系統最初的原始母密鑰,即根密鑰,它由系統安全管理員輸入的系統安全字(由安全管理員自主決定)來生成;主密鑰系統則用分散因子對根密鑰進行分散加密,得到主密鑰;而初始化密鑰系統則對主密鑰再進行分散加密,得到工作密鑰系統所使用的工作密鑰;SAM卡密鑰系統則直接由根密鑰導出SAM卡密鑰,將其直接用于工作密鑰系統,以控制和配合工作密鑰的使用。?

??? 系統將生成的各種密鑰存儲在相應的CPU智能卡中。根密鑰卡和主密鑰卡采用具有密鑰導出功能的SAM母卡;而SAM卡密鑰則采用不具有導出功能的SAM卡來儲存。SAM卡是一種加強了密鑰安全功能的CPU卡,它支持密鑰多級分散功能,比普通的CPU卡具有更高的安全性。工作密鑰則直接存放于實際工作系統所使用的普通CPU卡中。?

??? 系統在生成相應的密鑰時,同時生成相應的認證密鑰,將其存儲在相應的認證卡中,以控制和配合密鑰卡的使用。如圖2所示,密鑰卡必須通過其認證卡的相互認證(外部認證)后才能正常使用;而密鑰認證卡使用的合法性由個人身份識別號PIN保護,只有正確核對PIN后才可以使用。?

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????而空白卡片的合法性,則是由生產商認證卡來驗證的。生產商認證卡通常是由生產廠商制作的,其中存放著生產商傳輸代碼,它也是由PIN保護的,正確核對PIN后才可以使用。由此可以看出,系統中每一張卡的使用都必須經過相應的認證,成功驗證其合法性后,才能投入正常使用,這樣,極大地保證了系統的安全性。?

3 相關算法?

??? 在本系統,加密算法主要采用了非常成熟的、強度比較高的DES算法。為了進一步提高系統安全強度,在實際系統中,采用的是以DES算法為基礎的3DES" title="3DES">3DES算法。有關算法簡介如下。?

3.1 3DES算法?

??? 3DES算法用兩個密鑰(K_L和K_R)對明文(X)進行3次DES加密/解密^[2]。?

??? 3DES的加密方式:?

??? Y=DES(K_L,DES^-1(K_R,DES(K_L,X)))?

??? 對應的解密方式為:?

??? X=DES^-1(K_L,DES(K_R,DES^-1(K_L,Y)))?

其中DES(K,X)表示用密鑰K對數據X進行DES加密,DES^-1(K,Y)表示用密鑰K對數據Y進行解密(以下同)。?

3.2 分散算法?

??? 為了支持分級加密傳遞功能,CPU卡還采用了密鑰分散算法,它是指將一個雙長度(16字節)的密鑰MK,對分散數據進行處理,推導出一個雙長度的密鑰DK(DK_L||DK_R)。其算法如下^[3]:?

??? 推導DK左半部分DK_L的方法是:?

??? ·將分散數據的最右16個數字作為輸入數據;?

??? ·將MK作為加密密鑰;?

??? ·用MK對輸入數據進行3DEA運算。?

??? 推導DK右半部分DK_R的方法:?

??? ·將分散數據的最右16個數字求反,作為輸入數據;?

??? ·將MK作為加密密鑰;?

??? ·用MK對輸入數據進行3DEA運算。?

3.3 原始密鑰的生成算法?

??? 第一步,輸入種子A和種子B:由兩個獨立的人各輸入一個16位數(或少于16位),分別作為SeedA和SeedB;?

??? 第二步,計算種子C: SeedC=SeedASeedB;?

??? 第三步,密鑰種子的初始化:?

??? ·KEY_INIT=常量?

??? ·Seed=DES^-1(DES(DES^-1(KEY_INIT,SeedC),SeedB),SeedA)?

??? ·設K₃=Seed?

??? 第四步,密鑰種子的生成:?

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??? 重復執行從第四步到第六步,直到所有的原始密鑰全部生成。?

??? 本系統采用了成熟、安全性高的加密算法和完善的體系結構,其安全性是由CPU的安全性和DES算法的安全強度來保證的。經過國內某單位兩年多的實際運行,證明本系統較好地貫徹了“秘密在于密鑰”的思想,具有較高的安全性和先進性,主要表現為如下幾個特點:?

??? (1)采用安全性高的CPU卡作為密鑰的產生、存儲和傳遞介質,保證了密鑰數據的安全性;CPU卡獨特的安全體系保證了其中的數據不會被非法操作;?

??? (2)利用硬件加密技術,對整個過程中所使用的臨時變量進行加密處理,并對傳遞過程進行線路加密,保證了在生成和傳遞過程的安全性;?

??? (3)分級傳遞結構,使系統具有一定的擴展性,既支持獨立系統,也可用于分布式系統;?

??? (4)系統具有自愈合能力,對關鍵數據進行備份,保證了系統具有一定的抗毀能力;?

??? (5)系統結構簡單、實現方便、性價比較高。?

參考文獻?

1 Information technology-Identification cards-Integrated?circuit(s) cards with contracts-Part 4:terindustry?commands for interchange. International Standard ISO/IEC 7816-4, 1995?

2 王愛英. 智能卡技術. 北京:清華大學出版社,1996?

3 PSAM卡應用規范(試行).中國人民銀行,1999