- 相關(guān)推薦
PGP工作原理及其安全體制
摘要：介紹了PGP的工作原理和流程，同時(shí)對(duì)PGP獨(dú)特的密鑰管理體制的安全應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。關(guān)鍵詞：PGP（PrettyGoodPrivacy）證書(shū)密鑰環(huán)
現(xiàn)代信息社會(huì)里，當(dāng)電子郵件廣受歡迎的同時(shí)，其安全性問(wèn)題也很突出。實(shí)際上，電子郵件的傳遞過(guò)程是郵件在網(wǎng)絡(luò)上反復(fù)復(fù)制的過(guò)程，其網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑不確定，很容易遭到不明身份者的竊取、篡改、冒用甚至惡意破壞，給收發(fā)雙方帶來(lái)麻煩。進(jìn)行信息加密，保障電子郵件的傳輸安全已經(jīng)成為廣大E-mail用戶的迫切要求。PGP的出現(xiàn)與應(yīng)用很好地解決了電子郵件的安全傳輸問(wèn)題。將傳統(tǒng)的對(duì)稱性加密與公開(kāi)密鑰方法結(jié)合起來(lái)，兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點(diǎn)。PGP提供了一種機(jī)密性和鑒別的服務(wù)，支持1024位的公開(kāi)密鑰與128位的傳統(tǒng)加密算法，可以用于軍事目的，完全能夠滿足電子郵件對(duì)于安全性能的要求。
1操作描述
PGP的實(shí)際操作由五種服務(wù)組成：鑒別、機(jī)密性、電子郵件的兼容性、壓縮、分段和重裝。
1.1鑒別
如圖1。步驟如下：
�。�1）發(fā)送者創(chuàng)建報(bào)文；
（2）發(fā)送者使用SHA-1生成報(bào)文的160bit散列代碼（郵件文摘）；
（3）發(fā)送者使用自己的私有密鑰，采用RSA算法對(duì)散列代碼進(jìn)行加密，串接在報(bào)文的前面；
�。�4）接收者使用發(fā)送者的公開(kāi)密鑰，采用RSA解密和恢復(fù)散列代碼；
�。�5）接收者為報(bào)文生成新的散列代碼，并與被解密的散列代碼相比較。如果兩者匹配，則報(bào)文作為已鑒別的報(bào)文而接收。
另外，簽名是可以分離的。例如法律合同，需要多方簽名，每個(gè)人的簽名是獨(dú)立的，因而可以僅應(yīng)用到文檔上。否則，簽名將只能遞歸使用，第二個(gè)簽名對(duì)文檔的第一個(gè)簽名進(jìn)行簽名，依此類推。
圖1
1.2機(jī)密性
在PGP中，每個(gè)常規(guī)密鑰只使用一次，即對(duì)每個(gè)報(bào)文生成新的128bit的隨機(jī)數(shù)。為了保護(hù)密鑰，使用接收者的公開(kāi)密鑰對(duì)它進(jìn)行加密。圖2顯示了這一步驟，描述如下：
�。�1）發(fā)送者生成報(bào)文和用作該報(bào)文會(huì)話密鑰的128bit隨機(jī)數(shù)；
�。�2）發(fā)送者采用CAST-128加密算法，使用會(huì)話密鑰對(duì)報(bào)文進(jìn)行加密。也可使用IDEA或3DES；
（3）發(fā)送者采用RSA算法，使用接收者的公開(kāi)密鑰對(duì)會(huì)話密鑰進(jìn)行加密，并附加到報(bào)文前面；
（4）接收者采用RSA算法，使用自己的私有密鑰解密和恢復(fù)會(huì)話密鑰；
�。�5）接收者使用會(huì)話密鑰解密報(bào)文。
除了使用RSA算法加密外，PGP還提供了DiffieHellman的變體EIGamal算法。
1.3常規(guī)加密和公開(kāi)密鑰結(jié)合的好處
（1）常規(guī)加密和公開(kāi)密鑰加密相結(jié)合使用比直接使用RSA或E1Gamal要快得多。
（2）使用公開(kāi)密鑰算法解決了會(huì)話密鑰分配問(wèn)題。
（3）由于電子郵件的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)特性，使用握手協(xié)議來(lái)保證雙方具有相同會(huì)話密鑰的方法是不現(xiàn)實(shí)的，而使用一次性的常規(guī)密鑰加強(qiáng)了已經(jīng)是很強(qiáng)的常規(guī)加密方法。
1.4機(jī)密性與鑒別
如圖3所示，對(duì)報(bào)文可以同時(shí)使用兩個(gè)服務(wù)。首先為明文生成簽名并附加到報(bào)文首部；然后使用CAST-128（或IDEA、3DES）對(duì)明文報(bào)文和簽名進(jìn)行加密，再使用RSA（或E1Gamal）對(duì)會(huì)話密鑰進(jìn)行加密。在這里要注意次序，如果先加密再簽名的話，別人可以將簽名去掉后簽上自己的簽名，從而篡改簽名。
圖2
1.5電子郵件的兼容性
當(dāng)使用PGP時(shí)，至少傳輸報(bào)文的一部分需要加密，因此部分或全部的結(jié)果報(bào)文由任意8bit字節(jié)流組成。但由于很多的電子郵件系統(tǒng)只允許使用由ASCII正文組成的塊，所以PGP提供了radix-64(就是MIME的BASE64格式)轉(zhuǎn)換方案，將原始二進(jìn)制流轉(zhuǎn)化為可打印的ASCII字符。
1.6壓縮
PGP在加密前進(jìn)行預(yù)壓縮處理，PGP內(nèi)核使用PKZIP算法壓縮加密前的明文。一方面對(duì)電子郵件而言，壓縮后再經(jīng)過(guò)radix-64編碼有可能比明文更短，這就節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間和存儲(chǔ)空間；另一方面，明文經(jīng)過(guò)壓縮，實(shí)際上相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一次
變換，對(duì)明文攻擊的抵御能力更強(qiáng)。
1.7分段和重裝
電子郵件設(shè)施經(jīng)常受限于最大報(bào)文長(zhǎng)度（50000個(gè)）八位組的限制。分段是在所有其他的處理（包括radix-64轉(zhuǎn)換）完成后才進(jìn)行的，因此，會(huì)話密鑰部分和簽名部分只在第一個(gè)報(bào)文段的開(kāi)始位置出現(xiàn)一次。在接收端，PGP必須剝掉所在的電子郵件首部，并且重新裝配成原來(lái)的完整的分組。
2加密密鑰和密鑰環(huán)
2.1會(huì)話密鑰的生成
PGP的會(huì)話密鑰是個(gè)隨機(jī)數(shù)，它是基于ANSIX.917的算法由隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生的。隨機(jī)數(shù)生成器從用戶敲鍵盤(pán)的時(shí)間間隔上取得隨機(jī)數(shù)種子。對(duì)于磁盤(pán)上的randseed.bin文件是采用和郵件同樣強(qiáng)度的加密。這有效地防止了他人從randseed.bin文件中分析出實(shí)際加密密鑰的規(guī)律。
2.2密鑰標(biāo)志符
允許用戶擁有多個(gè)公開(kāi)/私有密鑰對(duì)：（1）不時(shí)改變密鑰對(duì)；（2）同一時(shí)刻，多個(gè)密鑰對(duì)在不同的通信組交互。所以用戶和他們的密鑰對(duì)之間不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)A給B發(fā)信，B就不知道用哪個(gè)私鑰和哪個(gè)公鑰認(rèn)證。因此，PGP給每個(gè)用戶公鑰指定一個(gè)密鑰ID，這在用戶ID中可能是唯一的。它由公鑰的最低64bit組成（Kuamod264）,這個(gè)長(zhǎng)度足以使密鑰ID重復(fù)概率非常小。
2.3密鑰環(huán)
密鑰需要以一種系統(tǒng)化的方法來(lái)存儲(chǔ)和組織，以便有效和高效地使用。PGP在每個(gè)結(jié)點(diǎn)提供一對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)是存儲(chǔ)該結(jié)點(diǎn)年月的公開(kāi)/私有密鑰對(duì)（私有密鑰環(huán)）；另一個(gè)是存儲(chǔ)該結(jié)點(diǎn)知道的其他所有用戶的公開(kāi)密鑰。相應(yīng)地，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被稱為私有密鑰環(huán)和公開(kāi)密鑰環(huán)。
3公開(kāi)密鑰管理
3.1公開(kāi)密鑰管理機(jī)制
一個(gè)成熟的加密體系必然要有一個(gè)成熟的密鑰管理機(jī)制配磁。公鑰體制的提出就是為了解決傳統(tǒng)加密體系的密鑰分配過(guò)程不安全、不方便的缺點(diǎn)。例如網(wǎng)絡(luò)黑客們常用的手段之一就是“監(jiān)聽(tīng)”，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送的密鑰很容易被截獲。對(duì)PGP來(lái)說(shuō)，公鑰本來(lái)就是要公開(kāi)，就沒(méi)有防監(jiān)聽(tīng)的問(wèn)題。但公鑰的發(fā)布仍然可能存在安全性問(wèn)題，例如公鑰被篡改（publickeytampering），使得使用公鑰與公鑰持有人的公鑰不一致。這在公鑰密碼體系中是很嚴(yán)重的安全問(wèn)題。因此必須幫助用戶確信使用的公鑰是與他通信的對(duì)方的公鑰。
圖3
以用戶A和用戶B通信為例，現(xiàn)假設(shè)用戶A想給用戶B發(fā)信。首先用戶A就必須獲取用戶B的公鑰，用戶A從BBS上下載或通過(guò)其它途徑得到B的公鑰，并用它加密信件發(fā)給B。不幸的是，用戶A和B都不知道，攻擊者C潛入BBS或網(wǎng)絡(luò)中，偵聽(tīng)或截取到用戶B的公鑰，然后在自己的PGP系統(tǒng)中以用戶B的名字生成密鑰對(duì)中的公鑰，替換了用戶B的公鑰，并放在BBS上或直接以用戶B的身份把更換后的用戶B的“公鑰”發(fā)給用戶A。那A用來(lái)發(fā)信的公鑰是已經(jīng)更改過(guò)的，實(shí)際上是C偽裝B生成的另一個(gè)公鑰（A得到的B的公鑰實(shí)際上是C的公鑰/密鑰對(duì)，用戶名為B）。這樣一來(lái)B收到A的來(lái)信后就不能用自己的私鑰解密了。更可惡的是，用戶C還可偽造用戶B的簽名給A或其他人發(fā)信，因?yàn)锳手中的B的公鑰是仿造的，用戶A會(huì)以為真是用戶B的來(lái)信。于是C就可以用他手中的私鑰來(lái)解密A給B的信，還可以用B真正的公鑰來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)A給B的信，甚至還可以改動(dòng)A給B的信。
3.2防止篡改公鑰的方法
�。�1）直接從B手中得到其公鑰，這種方法有局限性。
�。�2）通過(guò)電話認(rèn)證密鑰：在電話上以radix-64的形式口述密鑰或密鑰指紋。密鑰指紋（keysfingerprint）就是PGP生成密鑰的160bit的SHA-1摘要（16個(gè)8位十六進(jìn)制）。
�。�3）從雙方信任的D那里獲得B的公鑰。如果A和B有一個(gè)共同的朋友D，而D知道他手中的B的公鑰是正確的。D簽名的B的公鑰上載到BBS上讓用戶去拿，A想要獲得B的公鑰就必須先獲取D的公鑰來(lái)解密BBS或網(wǎng)上經(jīng)過(guò)D簽名的B的公鑰，這樣就等于加了雙重保險(xiǎn)，一般沒(méi)有可能去篡改而不被用戶發(fā)現(xiàn)，即使是BBS管理員。這就是從公共渠道傳遞公鑰的安全手段。有可能A拿到的D或其他簽名的朋友的公鑰也是假的，但這就要求攻擊者C必須對(duì)三人甚至很多人都很熟悉，這樣的可能性不大，而且必需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的策劃。
只通過(guò)一個(gè)簽名證力度可能是小了一點(diǎn)，于是PGP把用不同私鑰簽名的公鑰收集在一起，發(fā)送到公共場(chǎng)合，希望大部分從至少認(rèn)識(shí)其中一個(gè)，從而間接認(rèn)證了用戶（A）的公鑰。同樣用戶（D）簽了朋友（A）的公鑰后應(yīng)該寄回給他（A）（朋友），這樣可以讓他（A）通過(guò)該用戶（D）被該用戶（D）的其他朋友所認(rèn)證。與現(xiàn)實(shí)中人的交往一樣。PGP會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶拿到的公鑰分析出哪些是朋友介紹來(lái)的簽名的公鑰，把它們賦以不同的信任級(jí)別，供用戶參考決定對(duì)它們的信任程度。也可指定某人有幾層轉(zhuǎn)介公鑰的能力，這種能力隨著認(rèn)證的傳遞而遞減的。
�。�4）由一個(gè)普通信任的機(jī)構(gòu)擔(dān)當(dāng)?shù)谌�，即“認(rèn)證機(jī)構(gòu)”。這樣的“認(rèn)證機(jī)構(gòu)”適合由非個(gè)人控制的組織或政府機(jī)構(gòu)充當(dāng)，來(lái)注冊(cè)和管理用戶的密鑰對(duì)�，F(xiàn)在已經(jīng)有等級(jí)認(rèn)證制定的機(jī)構(gòu)存在，如廣東省電子商務(wù)電子認(rèn)證中心（WWW.cnca.net）就是一個(gè)這樣的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。對(duì)于那些非常分散的用戶，PGP更贊成使用私人方式的密鑰轉(zhuǎn)介。
3.3信任的使用
PGP確實(shí)為公開(kāi)密鑰附加侂任和開(kāi)發(fā)信任信息提供了一種方便的方法使用信任。
公開(kāi)密鑰環(huán)的每個(gè)實(shí)體都是一個(gè)公開(kāi)的密鑰證書(shū)。與每個(gè)這親的實(shí)體相聯(lián)系的是密鑰合法性字段，用來(lái)指示PGP信任“這是這個(gè)用戶合法的公開(kāi)密鑰”的程度；信任程度越高，這個(gè)用戶ID與這個(gè)密鑰的綁定越緊密。這個(gè)字段由PGP計(jì)算。與每個(gè)實(shí)體相聯(lián)系的還有用戶收集的多個(gè)簽名。反過(guò)來(lái)，每個(gè)簽名都帶有簽名信任字段，用來(lái)指示該P(yáng)GP用戶信任簽名者對(duì)這個(gè)公開(kāi)密鑰證明的程度。密鑰合法性字段是從這個(gè)實(shí)體的一組簽名信任字節(jié)中推導(dǎo)出來(lái)的。最后，每個(gè)實(shí)體定義了與特定的擁有者相聯(lián)系的公開(kāi)密鑰，包括擁有者信任字段，用來(lái)指示這個(gè)公開(kāi)密鑰對(duì)其他公開(kāi)密鑰證書(shū)進(jìn)行簽名的信任程度（這個(gè)信任程度是由該用戶指定的）�？梢园押灻湃巫侄慰闯墒莵�(lái)自于其他實(shí)體的擁有者信任字段的副本。
例如正在處理用戶A的公開(kāi)密鑰環(huán)，操作描述如下：
�。�1）當(dāng)A在公開(kāi)密鑰環(huán)中插入了新的公開(kāi)密鑰時(shí)，PGP為與這個(gè)公開(kāi)密鑰擁有者相關(guān)聯(lián)的信任標(biāo)志賦值，插入KUa，則賦值=1終極信任；否則，需說(shuō)明這個(gè)擁有者是未知的、不可任信的、少量信任的和完全可信的等，賦以相應(yīng)的權(quán)重值1/x、1/y等。
�。�2）當(dāng)新的公開(kāi)密鑰輸入后，可以在它上面附加一個(gè)或多個(gè)簽名，以后還可以增加更多的簽名。在實(shí)體中插入簽名時(shí)，PGP在公開(kāi)密鑰環(huán)中搜索，查看這個(gè)簽名的作者是否屬于已知的公開(kāi)密鑰擁有者。如果是，為這個(gè)簽名的SIGTRUST字段賦以該擁的者的OWNERTRUST值。否則，賦以不認(rèn)識(shí)的用戶值。
（3）密鑰合法性字段的值是在這個(gè)實(shí)體的簽名信任字段的基礎(chǔ)上計(jì)算的。如果至少一個(gè)簽名具有終極信任的值，那么密鑰合法性字段的設(shè)置為完全；否則，PGP計(jì)算信任值的權(quán)重和。對(duì)于總是可信任的簽名賦以1/x的權(quán)重，對(duì)于通�？尚湃蔚暮灻x以權(quán)重1/y，其中x和y都是用戶可配置的參數(shù)。當(dāng)介紹者的密鑰/用戶ID綁定的權(quán)重總達(dá)到1時(shí)，綁定被認(rèn)為是值得信任的，密鑰合法性被設(shè)置為完全。因此，在沒(méi)有終極信任的情況下，需要至少x個(gè)簽名總是可信的，或者至少y個(gè)簽名是可信的，或者上述兩種情況的某種組合。如圖4所示。
總之，PGP采用了RSA和傳統(tǒng)加密的雜合算法，用于數(shù)字簽名的郵件文摘算法、加密前壓縮等，可以用來(lái)加密文件，還可以代替Uuencode生成RADIX64格式（就是MIME的BASE64格式）的編碼文件。PGP創(chuàng)造性地把RSA公鑰體系的方便和傳統(tǒng)加密體系的高速度結(jié)合起來(lái)，并且在數(shù)字簽名和密鑰認(rèn)證管理機(jī)制上有巧妙的設(shè)計(jì)。這是目前最難破譯的密碼體系之一。
用戶通過(guò)PGP的軟件加密程序，可以在不安全的通信鏈路上創(chuàng)建安全的消息和通信。PGP協(xié)議已經(jīng)成為公鑰加密技術(shù)和全球范圍內(nèi)消息安全性的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樗腥硕寄芸吹剿脑创a，從而查找出故障和安全性漏局。
【PGP工作原理及其安全體制】相關(guān)文章：
電解原理及其應(yīng)用08-17
原電池原理及其應(yīng)用08-17
淺論“內(nèi)化”原理及其德育意義08-17
淺論“內(nèi)化”原理及其德育意義08-08
TrueFFS原理及其在CF卡上的實(shí)現(xiàn)08-06
鍵盤(pán)事件的掛鉤監(jiān)控原理及其應(yīng)用08-19