2《应用密码学：协议、算法、源程序》

仲裁者：值得信赖的公正的第三方
Trent 仲裁者
Alice
Bob
仲裁协议
计算机仲裁者面临以下几个问题：
–双方怀疑并不露面的仲裁者； –谁承担仲裁者的费用； –网络延迟的特性； –大范围执行时，仲裁者是瓶颈； –对于破坏网络人来说，其是一个受攻击的弱点
Trent 仲裁者
Alice
Bob
裁决协议
裁决人：值得信赖的公正的第三方，只有 确定协议 是否被公平地执行时，才将他请来。
基本模块-单向散列函数
单向函数：已知x，能计算出f(x)，但已知f(x)却难于 计算出x，如打碎盘子，x2，x1/2 散列函数：就是把可变输入长度串转换成固定长度 输出串的一种函数 单向散列函数：一个方向的散列函数 特点： – 无冲突(Collision-free) – 函数是公开的，过程无需保密 – 输出不依赖于输入
Alice Bob Trent 事后
证据
证据
两个协议的区别：裁决者并不总是必需的，仲裁者 费用大；裁决协议是为了发现欺骗，起了防止和阻 碍欺骗的作用，而不是为了阻止欺骗。
协议的安全性
假设密码算法和密码技术都是安全的，分为被动攻 击和主动攻击。 被动攻击：与协议无关人员窃听获取消息，如同唯 密文攻击 主动攻击：主动干预，改变协议以便对自己有利， 如假装他人，重放消息 区别：前者遵守协议，不可能影响协议；后者试图 通过欺骗来破坏协议。 协议中应阻止被动攻击而发现这种攻击，合法用户 能发现欺骗。
Bob
优点：更容易，无需事先安排
密钥交换-混合密码系统
通常，单独的密钥对每次单独的会话加密，为会话密钥，密 钥交换解决会话密钥到达会话者手中这个复杂问题。 对称密码学的密钥交换，依赖于Trent，易造成瓶颈； 公开密钥的密钥交换，更容易，即使Bob没听过Alice。
协议： ① Alice从Trent得到Bob的公开密钥 ② Alice产生随机会话密钥，用Bob的公开密钥加密 它，然后传给Bob ③ Bob用他的私人密钥解密Alice的消息得到会话密 钥。 ④ 两人用同一会话密钥对他们的通信进行加密
用公钥和Hash函数对文件签名




在这个协议中，单向Hash函数和数字签名算法是 事先就协商好了的。 （1）Alice产生文件的单向Hash值。 （2）Alice用她的私钥对Hash加密，凭此表示对 文件签名。 （3）Alice将文件和Hash签名送给Bob。 （4）Bob用Alice发送的文件产生文件的Hash值， 然后用数字签名算法对hash值运算，同时用Alice 的公钥对签名的Hash解密。如果签名的hash值与 自己产生的Hash值匹配，签名就是有效的。
公钥的可信性
中间人Mallory攻击： ① Alice将她的公钥传送给Bob。Mallory截取了这个密钥并将 自己的公钥传送给Bob。 ② Bob将他的公钥传送给Alice。Mallory截取了这个密钥，并 将自己的公钥传送给Alice。 ③ 当Alice将用“Bob”的公钥加密的消息传送给Bob时， Mallory截取它，一系列动作后，然后发给Bob。 ④ 当Bob将用“Alice”的公钥加密的消息传送给Alice时， Mallory截取它，一系列动作后，然后发给Alice。 因Alice和Bob无法验证他们的互相交谈，此攻击行为可行。 若攻击没有导致网络延迟，更没办法知晓。
文件签名和时间标记
假若Alice交给Bob＄100的签名数字支票，Bob 把支票拿到银行去验证签名，然后把钱从Alice的帐 户上转到自己的帐上。Bob是一个无耻之徒，他保 存了数字支票的副本。过了一星期，他又把数字支 票拿到银行（或可能是另一个银行），银行验证数 字支票并把钱转到他的帐上。只要Alice不去对支票 本清帐，Bob就可以一直干下去。 因此，数字签名经常包括时间标记。对日期和时 间的签名附在信息中，并跟信息中的其他部分一起 签名。银行将时间标记存贮在数据库中。
基本模块-单向散列函数

消息鉴别码 消息鉴别码（MAC）也叫数据鉴别码 （DAC），它是带有秘密密钥的单向hash函数。 Hash值是预映射的值和密钥的函数。这在理论上 与hash函数一样，除非只有拥有密钥的某些人才 能验证hash值。你可以用hash函数或分组加密算 法产生MAC；也有专用于MAC的算法。
协议


所谓协议，就是两个或者两个以上的参与 者为完成某项特定的任务而采取的一系列 步骤。 在日常生活中，几乎所有的事情都有非正 式的协议：电话订货、玩扑克、选举中投 票，没有人认真考虑过这些协议，这些协 议随着时间的推移而发展，人们都知道怎 样使用它们，而且它们也很有效。
协议的主要特点

协议具有以下特点：
协议与算法

相同点
完成某项任务 要求高效

区别
算法应用于协议中消息处理的环节，对不同的
消息处理方式要求不同的算法 协议是应用算法提供实现方案
协议概述（二） 安全协议

密码学的用途是解决种种难题。
当我们考虑现实世界中的应用时，常常遇到以
下安全需求：机密性、完整性、认证性、匿名 性、公平性等，密码学解决的各种难题围绕这 些安全需求。
使用公钥密码对文件签名




基本协议是简单的： （1）Alice用她的私钥对文件加密，从而对文件签名。 （2）Alice将签名的文件传给Bob。 （3）Bob用Alice的公钥解密文件，从而验证签名。 这个协议也满足我们期待的特征： （1）签名是可信的。当Bob用Alice的公钥验证信息时， 他知道是由Alice签名的。 （2）签名是不可伪造的。只有Alice知道她的私钥。 （3）签名是不可重用的。签名是文件的函数，并且不可 能转换成另外的文件。 （4）被签名的文件是不可改变的。 （5）签名是不可抵赖的。
基本模块-单向函数


单向函数的概念是计算起来相对容易，但求逆却 非常困难。也就是说，已知x，我们很容易计算f （x）。但已知f（x），却难于计算出x。在这里， “难”定义成：即使世界上所有的计算机都用来 计算，从f（x）计算出x也要花费数百万年的时间。 陷门单向函数是有一个秘密陷门的一类特殊单向 函数。它在一个方向上易于计算而反方向却难于 计算。但是，如果你知道那个秘密，你也能很容 易在另一个方向计算这个函数。也就是说， 已知 x，易于计算f（x），而已知f（x），却难于计算x。 然而，有一些秘密信息y，一旦给出f（x）和y， 就很容易计算x。。
协议中的角色
人名
Alice Bob Carol Dave 所有协议中的第一个参与者 所有协议中的第二个参与者 三，四方协议中的参与者 四方协议中的参加者
角色
Eve
Mallory Trent Walter ……
窃听者
恶意的主动攻击者 值得信赖的仲裁者 监察人：在某些协议中保护Alice和Bob
仲裁协议
使用对称和仲裁者的文件签名





Trent是一个有权的、值得依赖的仲裁者。他能同时与 Alice和Bob（也可以是其他想对数据文件签名的任何人） 通信。他和Alice共享秘密密钥KA，和Bob共享另一个不同 的秘密密钥KB。 （1）Alice用KA加密她准备发送给Bob的信息，并把它传 送给Trent。 （2）Trent用KA解密信息。 （3）Trent把这个解密信息和他收到Alice信息的声明，一 起用KB加密。 （4）Trent把加密的信息包传给Bob。 （5）Bob用KB解密信息包，他就能读Alice所发的信息和 Trent的证书，证明信息来自Alice。
基本模块-数字签名与hash
1. 2. 3.
对称密码和仲裁者，耗时，通信瓶颈，易攻击 公钥密码术方式，签名效率较低 公钥和单向散列函数方式，速度大大提高
wenku.baidu.com
HASHBob
HASHAlice
Hash
HASHAlice
Alice
Bob
① Alice产生文件的单向散列值 ② Alice用她的私人密钥对散列值加密，凭此对文件签名 ③ Alice将文件和散列签名送给Bob ④ Bob用Alice发送的文件产生文件的单向散列值，用Alice 公钥对签名的散列解密，若匹配，签名有效
应用密码学—协议1
研究生讲义
参照《应用密码学：协议、 算法、源程序》2-3章
目录

协议结构模块
协议概述 基本模块

基本协议
密钥交换 鉴别 秘密分割
协议概述（一）

什么是“协议”？
协议（protocol） 是一系列的步骤，它包括两方或多方， 设计它的目的是要完成一项任务！协议具备以下的特点： 协议中的每个人都必须了解协议，并且预先知道所 要完成的所有的步骤 协议中的每个人都必须同意并遵循它 协议必须是清楚的，每一步必须明确定义，并且不 会引起误解 必须是完整的，每种可能的情况有规定具体的动作 举例
使用密码对文件签名



在文件上手写签名长期以来被用作作者身份的证明，或至 少同意文件的内容。签名为什么会如此引人注目呢？ （1）签名是可信的。签名使文件的接收者相信签名者是 慎重地在文件上签字的。 （2）签名不可伪造。签名证明是签字者而不是其他人慎 重地在文件上签字。 （3）签名不可重用。签名是文件的一部分，不法之徒不 可能将签名移到不同的文件上。 （4）签名的文件是不可改变的。在文件签名后，文件不 能改变。 签名是不可抵赖的。签名和文件是物理的东西。签名者事 后不能声称他没有签过名。
基本模块- 使用对称密码通信



对称密码算法存在下面的问题： （1）密钥必须秘密地分配，它们比任何加密的信 息更有价值，因为知道了密钥意味着知道了所有 信息。对于遍及世界的加密系统，这可能是令人 沮丧的任务，需经常派信使将密钥传递到目的地。 （2）如果密钥被损害了（被偷窃，猜出来，被逼 迫交出来，受贿等等），那么Eve就能用该密钥 去解密所有传送的信息，也能够假装是几方中的 一方，产生虚假信息去愚弄另一方。 （3）假设网络中每对用户使用不同的密钥，那么 密钥总数随着用户数的增加迅速增多。


密码协议（cryptographic protocol）是使用 密码学完成某项特定的任务并满足安全需 求 的 协 议 ， 又 称 安 全 协 议 （ security protocol）。 在密码协议中，经常使用对称密码、公开 密钥密码、单向函数、伪随机数生成器等。
安全协议中的角色



协议参与者 认证协议:发起者/响应者 签名协议:签名申请者/签署人/验证人 零知识证明:证明者/验证者 电子商务协议:商家/银行/用户 攻击者(或称敌手) 内部攻击者/外部攻击者 被动攻击者/主动攻击者 可信第三方
协议自始至终是有序的过程，每一个步骤必须
执行，在前一步没有执行完之前，后面的步骤 不可能执行； 协议至少需要两个参与者； 通过协议必须能够完成某项任务。
协议的其他特点

协议还有其他特点：
（1）协议中的每人都必须了解协议，并且预先
知道所要完成的所有步骤。 （2）协议中的每人都必须同意遵循它。 （3）协议必须是不模糊的，每一步必须明确定 义，并且不会引起误解。 （4）协议必须是完整的，对每种可能的情况必 须规定具体的动作。
安全协议的安全性质
机密性 完整性 认证性
可用性
非否认性 正确性
这些要求 根据应用组合
可验证性
公平性 匿名性 隐私属性 强健性 高效性
协议概述（二）
什么是密码协议？ 使用密码学的协议，目的在于： – 秘密性 – 共享秘密 – 确定身份，签署合同 – 防止或发现窃听者和欺骗
基本模块-公钥通信
特点：密钥对（公钥和私钥），类似私人信箱 Alice使用公开密钥密码发送消息给Bob：
① ②
③
④
Alice和Bob选用一个公开密钥密码系统； Bob将他的公钥传送给Alice； Alice用Bob的公钥加密他的消息，然后传送给Bob； Bob用他的私钥解密Alice的消息。
Alice
基本模块- 使用对称密码通信
Alice如何使用对称密码发送加密的信息给Bob ： （1）Alice和Bob协商用同一密码系统。 （2）Alice和Bob协商同一密钥。 （3）Alice用加密算法和选取的密钥加密她的明文 信息，得到了密文信息。 （4）Alice发送密文信息给Bob。 （5）Bob用同样的算法和密钥解密密文，然后读它。