an introduction to Public Key Infrastucture language: Chinese

2. 内容索引
• 信息安全
• 密码学原理
• 公钥基础设施(PKI)
• CA和数字证书

3. 信息安全的需求
• 信息在网络的传输过程中被截获
• 传输的文件可能被篡改
• 伪造电子邮件
• 假冒他人身份
• 不承认或抵赖网络上已经做过的事
这些问题是不是您最担心的问题呢？

4. 信息安全的范围
• 信息安全是一个复杂领域，涉及计算机科学、
网络通信、密码学、应用数学、数论、信息论
等多学科的综合学科。
• 信息安全又与系统的硬件、软件、网络、数据
等复杂系统有关。
• 信息安全要求确保信息在存储、处理和传输的
过程中的可靠性、可用性、保密性、完整性、
不可抵赖性和可控性。
• 信息安全是与信息、人、组织、网络、环境有
关的技术安全、结构安全和管理安全的总和。

5. 信息安全的技术特征
• 可靠性(Reliability)
指信息系统能够在规定条件下和规定的时间内完成规
定的功能的特性。
• 可用性(Availability)
指信息可被授权实体访问并按需求使用的特性，是系
统面向用户的安全性能。
• 保密性(Confidentiality)
指信息不被泄露给非授权的用户、实体或过程，或供
其利用的特性。

6. 信息安全的技术特征
• 完整性(Integrity)
指网络信息未经授权不能进行改变的特性，既信息在
存储或传输过程中保持不被偶然或蓄意地删除、修改、
伪造、乱序、重放、插入等破坏和丢失的特性。
• 不可抵赖性(Non-repudiation)
指在信息交互过程中，确信参与者的真实同一性，既
所有参与者都不可能否认或抵赖曾经完成的操作和承
诺的特性。
• 可控性(Controllability)
指对信息传播及内容具有控制能力的特性。

7. 密码学
• 密码学是信息安全的核心。
• 密码学(cryptology)作为数学的一个分支，
是研究信息系统安全保密的科学。
• 密码学包括如下两个分支
▪ 密码编码学(cryptography)
▪ 密码分析学(cryptoanalytics)

8. 密码系统的定义
密码体制是一个五元组(M,C,K,E,D)满足条件
• M是可能明文的有限集(明文空间)
• C是可能密文的有限集(密文空间)
• K是可能密钥的有限集(密钥空间)
• 并有加密解密算法满足以下：
▪ 加密 E(M,K)=C
▪ 解密 D(C,K)=M
▪ 并且有D(E(M,K1),K2)=M
• 所有算法的安全性都基于密钥的安全性，而不是基于
算法的细节的安全性。

9. 密码体制分类
密码体制分两大类：
• 单钥体制(对称算法)K1＝K2
▪ 流密码(Stream Cipher)
明文按位加密。
▪ 对称密码(Symmetric Cipher)
明文按组(含多个字符)加密。
(也称为分组密码Block Cipher)
• 双钥体制(非对称算法)K1≠K2
▪ 加密
M=D(E(M,public-key),private-key)
▪ 认证
M=D(E(M,private-key),public-key)

10. 单钥体制/对称密钥加解密技术
• 对信息的加密和解密都使用相同的密钥。
• 过程说明
▪ 加密方：明文P用密钥k加密成密文C=E (P,k)
▪ 解密方：密文C用密钥k解密成明文P=D (P,k)=D
(E (P,k) ,k)
▪ 传输：密文C通过普通信道传输；密钥k通过安全
信道传输（安全重心之所在）

11. 单钥体制示意图

12. 双钥体制/非对称密钥加解密技术
• 对信息的加密和解密都使用不同的密钥，公钥
用于加密，私钥用于解密。
• 过程说明
▪ 加密：明文P用解密方的公钥k1加密成密文C=E
(P,k1)
▪ 解密：密文C用解密方的私钥k2解密成明文P=D
(C,k2)=D (E (P,k1) ,k2)
▪ 传输：密文C和公钥k1通过普通信道传输
▪ 保存：私钥k2由解密方秘密保存（安全重心之所
在）

13. 双钥体制示意图

14. 数字信封/随机数加解密技术
• 非对称加密技术和对称加密技术的结合，对明文
用对称加解密，对此对称密钥用非对称加解密。
• 过程
▪ 发送：发送方通过Rand()函数产生一个随机数作为密
钥k用解密方的公钥k1加密成密钥密文Ck=E (k,k1)；
明文P用密钥k加密成密文C=E (P,k)
▪ 解密：解密方用解密方的私钥k2将密钥密文解密成密
钥k=Pk=D (Ck,k2)=D (E (k,k1) ,k2)；密文C用密
钥k解密成明文P=D (C,k)=D (E (P,k) ,k)
▪ 传输：密文C和密钥密文Ck及解密方公钥k1通过普通
信道传输
▪ 保存：私钥k2由解密方秘密保存(安全重心之所在)

15. 加解密技术比较
• 单钥体制
▪ 优点：处理速度快，高保密强度
▪ 缺点：密钥管理繁杂
• 双钥体制
▪ 优点：密钥分发管理简单，密钥安全风险较低
▪ 缺点：密钥生成、加解密的计算代价高，处理慢
• 数字信封
▪ 优点：既保证密钥的安全，又兼顾处理速度，且一旦
被破解仅影响本次通信，危害范围较小
▪ 缺点：随机密钥量与明文量一样大，产生、存储、传
递与管理密钥困难。

16. 数字摘要
• 摘要(Message Digest)是一种防止篡改的方
法，用到的函数叫摘要函数(Hash函数)。
• 摘要的性质：若改变输入消息中的任何东西，
输出的摘要将发生不可预测的改变，即输入的
每一位对输出都有影响。
• Hash函数的输入可以是任意大小的消息，而
输出是一个固定长度的摘要。
• Hash函数无法逆向运算，并且不带密钥。
• 摘要可以保证网络通信中数据的完整性。

17. 数字签名
• 通过数字签名(Digital Signature)能够实现对原
始报文的鉴别和不可抵赖性，可以基于对称加密
技术、非对称加密技术和密钥分发中心KDC(Key
Distribution Center) 进行数字签名
• 过程
▪ 发送：对报文生成摘要MD并用发送方的私钥k1进行加
密得到数字签名DS=E(MD,k1)联同报文M一齐发送
▪ 接收：对收到的报文生成摘要MD’并与用发送方公钥
k2解密数字签名DS得到的发送方报文摘要
MD=D(DS,k2)核对
▪ 传输：数字签名DS和报文M通过普通信道传输
▪ 验证：若MD=MD’则可认为报文未被篡改具有完整
性和确认发送方具有不可抵赖性

18. 数字签名示意图

19. 还有一个问题
• 在双钥体制中，发送方与密钥是相互脱离的，如
果不同的发送方以相同的密钥与接受方通信，接
受方是无法识别的。
• 日常生活中，每个人都有唯一号码的身份证来标
识自己的唯一性。网络通信中，为了能够识别通
信双方的身份，完成身份验证，你的身份必须以
某种方式与你的密钥捆绑，这就是数字证书。
• 通过数字证书可以将一个公钥和一个身份的实体
及其相关信息相绑定，这种绑定的方法使得被验
证方的信息必须与数字验证系统中的信息完全吻
合才能通过，这也正是数字验证的目的所在。

20. 公钥基础设施 - PKI
• 公钥基础设施是提供公钥加密和数字签名服务
的综合系统，简称PKI(Public Key
Infrastructure)。
• PKI是一个提供公钥加密和数字签名服务的系
统或平台，目的是为了管理密钥和证书。
• PKI是生成、管理、存储、分发和吊销基于公
钥密码学的公钥证书所需要的硬件、软件、人
员、策略和规程的总和。

21. PKI 的架构
PKI应用
PKI应用接口
CA中心 KM中心 其他PKI设施
加密设备

22. PKI 的组成
• Certificate Authority (CA)
• Directory (目录)
• PKI-enabled Applications (基于PKI的应
用)
• Security Policy (安全策略)
CA是PKI体系的核心

23. CA 和数字证书
• PKI体系中，认证中心CA(Certificate Authority)
和数字证书(Certificate)是密不可分的两个部分。
CA中心是负责产生、分配并管理数字证书的可信赖
的第三方权威机构。CA是PKI安全体系的核心环节，
故又被称作PKI/CA。CA通常采用多层次的分级结
构，上级CA负责签发和管理下级CA的证书，最下
一级的CA直接面向最终用户。
• 数字证书是由认证中心发放并经认证中心数字签名
的，包含公开密钥拥有者以及公开密钥相关信息的
一种电子文件，可以用来证明数字证书持有者的真
实身份，无法伪造。

24. 证书颁发示意图

25. 数字证书的内容
• 证书包括两部分：证书本身内容及签发该证书的CA
机构对该证书的数字签名
• 证书本身的内容：
▪ 版本号(Version)
▪ 证书序列号(Serial Number)
▪ 证书有效期间(Validity)
▪ 证书拥有者的姓名标识符(Subject/DN)
▪ 证书拥有者的公钥参数信息(Subject Public Key Info)
▪ CA机构唯一的标识符(Issuer/DN)
▪ 签发证书的CA机构采用的签名算法(Signature Info)
• CA机构对证书签发的数字签名(Signature)
包括CA机构签发的数字签名和签名算法

26. 数字证书与物理证件
• 相同点
▪ 由可信任的权威机构颁发
▪ 表明实体的身份
▪ 有效期结束后须重新申领
▪ 被社会和法律承认和接受
• 不同点
▪ 数字证书不能伪造
▪ 数字证书里的公钥可用来加密和验证数字签名
▪ 可以实现网上不见面的身份识别
▪ 每个数字证书对应有一把私钥

27. 数字证书的类型
• 个人证书
• 单位证书
• 服务器证书
• 电子邮件证书
• VPN证书
• 代码签名证书
• 无线应用证书
• CA系统证书

28. 数字证书的保管
• 数字证书是持有人身份的表征。
• 任何由该数字证书签发的文件视为证书持有人
发生的行为。
• 妥善保管数字证书的介质。
(IC、软盘、硬盘、USB接口棒等)
• 发现证书被窃后，立即挂失。

29. 证书认证系统的功能特性
• 认证系统采用B/S多层架构；
• 在认证系统的设计中支持多级CA，并提供证
书链的编码与下载功能；
• 证书系统能实现远程的证书申请，远程的证书
废除，远程的证书下载；
• 证书系统在一般B/S的结构上加入网页签名、
代码签名、信息加密等新技术，保证证书认证
系统在公网上的运行安全；