CN101282211A - 一种密钥分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种密钥分配方法，该方法包括以下步骤：1)需要进行通信的第一实体和第二实体各自分别产生一对临时公私钥对；2)通过第一实体和第二实体各自产生的临时公私钥对，向密钥分配中心申请，得到通信会话密钥。本发明基于三元对等鉴别(TePA)原理，采用公钥密码技术，通过密钥分配中心KDC为需要通信的实体分发密钥，实现了通信密钥的安全分发、动态更新，并具有完善前向保密性PFS，解决了传统方法密钥分配中心需要管理大量密钥、用户需要存储长期秘密密钥且通信密钥不具备前向保密性等问题。本发明可应用于移动通信网络系统，也可应用于其他通信系统。

Description

一种密钥分配方法
技术领域
本发明涉及一种密钥分配方法，特别涉及一种基于密钥分配中心的密钥分配方法。
背景技术
当通信网络实体之间需要进行保密通信时，密钥管理是其中的关键技术之一。小型网络可采用每对用户共享一个密钥的方法，但在大型网络中却不可行。一个具有N个用户的系统，为实现任意两个用户之间的保密通信，则需要生成和分配N(N-1)/2个密钥才能保证网络中任意两用户之间的保密通信。随着系统规模的增大，复杂性剧增，对于N为1000的网络而言，就需要约50万个密钥进行分配、存储等。为了降低复杂性，通常采用中心化密钥管理方式，由一个可信赖的联机服务器作为密钥分配中心KDC(KeyDistribution Center)或密钥转递中心KTC(Key Transportation Center)来实现，图1-4给出常见的几种基本模式，其中k为第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥。
图1中，第一实体A向密钥分配中心请求分发与第二实体B通信所用的密钥，则密钥分配中心生成k分别传递给第一实体A和第二实体B，该传递过程分别利用密钥分配中心与A和密钥分配中心与B的预共享密钥加密实现；图2中，第一实体A向密钥分配中心请求分发与第二实体B通信所用的密钥，则密钥分配中心生成k传递给第一实体A，并通过A转递给第二实体B，该传(转)递过程分别利用密钥分配中心与A和密钥分配中心与B的预共享密钥加密实现。
图3中，第一实体A将与第二实体B的通信密钥k传送给密钥转递中心，密钥转递中心再传递给第二实体B，该传递过程分别利用密钥转递中心与A和密钥转递中心与B的预共享密钥加密实现；图4中，第一实体A将与第二实体B的通信密钥k传送给密钥转递中心，密钥转递中心再通过A转递给第二实体B，该传(转)递过程分别利用密钥转递中心与A和密钥转递中心与B的预共享密钥加密实现。
由于有密钥分配中心或密钥转递中心参与，可实现每对实体每次通信时使用一个新鲜的通信密钥，但各用户需保存一个与密钥分配中心或密钥转递中心共享的较长期使用的秘密管理密钥，且对于密钥分配中心和密钥转递中心而言，不仅需存储数量巨大的秘密管理密钥，而且承担较大的安全风险，因为其一旦出现问题将直接威胁整个系统的安全，再者上述这些密钥分配方法均不具有密钥的完善前向保密性PFS(Perfect Forward Secrecy)。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，基于三元对等鉴别(TePA)原理，而提出一种安全地为每对实体分发通信密钥，使密钥具有PFS属性，降低系统密钥管理复杂度的密钥分配方法。
本发明的技术解决方案是：本发明为一种密钥分配方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：
1)需要进行通信的第一实体和第二实体各自分别产生一对临时公私钥对；
2)通过第一实体和第二实体各自产生的临时公私钥对，向密钥分配中心申请，得到通信会话密钥。
上述步骤2)包括如下具体步骤：
2.1.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.1.2)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心使用第一实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.1.3)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥；
2.1.4)第二实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.1.5)密钥分配中心收到第二实体发来的密钥请求消息后，将第一实体和第二实体之间的通信会话密钥使用第二实体的临时公钥加密后，构成密钥响应消息返回给第二实体；
2.1.6)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
上述步骤2)包括如下具体步骤：
2.2.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.2.2)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心使用第一实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.2.3)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥；
2.2.4)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.2.5)密钥分配中心收到第一实体转递发来的第二实体的密钥请求消息后，将第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥使用第二实体的临时公钥加密后，构成密钥响应消息再通过第一实体转递回给第二实体；
2.2.6)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
上述步骤2)包括如下具体步骤：
2.3.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.3.2)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.3.3)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息及第一实体转递发来的第二实体的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心分别使用第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.3.4)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥对属于它的密文解密得到通信会话密钥，然后将密钥响应消息或仅将属于第二实体的密文构成密钥响应消息转递给第二实体；
2.3.5)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
上述步骤2)包括如下具体步骤：
2.4.1)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.4.2)第一实体收到密钥请求消息后，构成新的密钥请求消息发送给密钥分配中心，新的密钥请求消息包含第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥；
2.4.3)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心分别使用第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.4.4)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥对属于它的密文解密得到通信会话密钥，然后将密钥响应消息或仅将属于第二实体的密文构成密钥响应消息转递给第二实体；
2.4.5)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
得到通信会话密钥后，所述第一实体和第二实体均不用存储各自的临时公私钥对，可适时删除，待下次开始保密通信时或在保密通信过程中需要更新通信会话密钥时，重新再生成临时公私钥对，向密钥分配中心发出密钥请求消息，重复上述步骤，获得新的会话密钥。
上述密钥分配中心也有一对公私钥，且实体在进行保密通信前应知晓该公钥，密钥分配中心在给实体发出的密钥响应消息中携带有密钥分配中心的签名信息。
上述密钥请求消息和/或密钥响应消息中加载有随机数、时戳、流水作业号或者累加器值。
上述密钥请求消息和密钥响应消息携带安全参数。
上述第一实体和第二实体发送给密钥分配中心的密钥请求消息中，携带对方实体的信息。
本发明基于三元对等鉴别(TePA)原理，采用公钥密码技术，通过密钥分配中心KDC为需要通信的实体分发密钥，实现了通信密钥的安全分发、动态更新，并具有完善前向保密性PFS，解决了传统方法密钥分配中心需要管理大量密钥、用户需要存储长期秘密密钥且通信密钥不具备前向保密性等问题。本发明可应用于移动通信网络系统，也可应用于其他通信系统。
附图说明
图1-4为传统的基于密钥分配中心或密钥转递中心的密钥分配方法示意图；
图5为本发明实施例一的方法示意图；
图6为本发明实施例二的方法示意图；
图7为本发明实施例三的方法示意图；
图8为本发明实施例四的方法示意图。
具体实施方式
在此，给出本发明一种密钥分配方法的四个实施例。
参见图5，本发明实施例一的具体步骤如下：
当第一实体A和第二实体B需要进行保密通信时，向密钥分配中心申请通信会话密钥。第一实体A产生一对临时公私钥对a和Pa，向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含临时公钥Pa，密钥分配中心收到第一实体A发来的密钥请求消息后，产生第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k，密钥分配中心使用A的临时公钥Pa加密k后，构成密钥响应消息返回给第一实体A，第一实体A收到密钥响应消息后，利用临时私钥a解密得到通信会话密钥k；同时，第二实体B产生一对临时公私钥对b和Pb，向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含临时公钥Pb，密钥分配中心收到第二实体B发来的密钥请求消息后，将第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k使用B的临时公钥Pb加密后，构成密钥响应消息返回给第二实体B，第二实体B收到密钥响应消息后，利用临时私钥b解密得到通信会话密钥k。然后第一实体A和第二实体B使用k作为会话密钥进行保密通信。
参见图6，本发明实施例二的具体步骤如下：
当第一实体A和第二实体B需要进行保密通信时，向密钥分配中心申请通信会话密钥，此种情况下，第二实体B与密钥分配中心之间没有直接通信信道。第一实体A产生一对临时公私钥对a和Pa，向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含临时公钥Pa，密钥分配中心收到第一实体A发来的密钥请求消息后，产生第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k，密钥分配中心使用A的临时公钥Pa加密k后，构成密钥响应消息返回给第一实体A，第一实体A收到密钥响应消息后，利用临时私钥a解密得到通信会话密钥k；同时，第二实体B产生一对临时公私钥对b和Pb，通过第一实体A的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含临时公钥Pb，密钥分配中心收到第一实体A转递发来的第二实体B的密钥请求消息后，将第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k使用B的临时公钥Pb加密后，构成密钥响应消息再通过第一实体A转递回给第二实体B，第二实体B收到密钥响应消息后，利用临时私钥b解密得到通信会话密钥k。然后第一实体A和第二实体B使用k作为会话密钥进行保密通信。
参见图7，本发明实施例三的具体步骤如下：
当第一实体A和第二实体B需要进行保密通信时，向密钥分配中心申请通信会话密钥，此种情况下，第二实体B与密钥分配中心之间没有直接通信信道。第一实体A产生一对临时公私钥对a和Pa，向密钥分配中心发送密钥请求消息1，该消息包含临时公钥Pa，第二实体B产生一对临时公私钥对b和Pb，并通过第一实体A的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息2，该消息包含临时公钥Pb，密钥分配中心收到第一实体A发来的密钥请求消息1及第一实体A转递发来的第二实体B的密钥请求消息2后，产生第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k，密钥分配中心分别使用A的临时公钥Pa和B的临时公钥Pb加密k后，构成密钥响应消息返回给第一实体A；第一实体A收到密钥响应消息后，利用临时私钥a对属于它的密文解密得到通信会话密钥k，然后将密钥响应消息1或仅将属于第二实体B的密文构成密钥响应消息2转递给第二实体B，第二实体B收到密钥响应消息1或密钥响应消息2后，利用临时私钥b解密得到通信会话密钥k。然后第一实体A和第二实体B使用k作为会话密钥进行保密通信。
参见图8，本发明实施例四的具体步骤如下：
当第一实体A和第二实体B需要进行保密通信时，向密钥分配中心申请通信会话密钥，此种情况下，第二实体B与密钥分配中心之间没有直接通信信道。第二实体B产生一对临时公私钥对b和Pb，通过第一实体A的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息1，该消息包含临时公钥Pb，第一实体A收到密钥请求消息1后，产生一对临时公私钥对a和Pa，构成密钥请求消息2发送给密钥分配中心，密钥请求消息2包含临时公钥Pa和Pb，密钥分配中心收到第一实体A发来的密钥请求消息2后，产生第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥k，密钥分配中心分别使用A的临时公钥Pa和B的临时公钥Pb加密k后，构成密钥响应消息1返回给第一实体A；第一实体A收到密钥响应消息1后，利用临时私钥a对属于它的密文解密得到通信会话密钥k，然后将密钥响应消息1或仅将属于第二实体B的密文构成密钥响应消息2转递给第二实体B，第二实体B收到密钥响应消息1或密钥响应消息2后，利用临时私钥b解密得到通信会话密钥k。然后第一实体A和第二实体B使用k作为会话密钥进行保密通信。
无论上述哪种具体实施例，第一实体A和B均不用存储各自的临时公私钥对，可适时删除之，待下次开始保密通信时或在保密通信过程中需要更新通信会话密钥时，重新再生成临时公私钥对，向密钥分配中心发出密钥请求消息，重复上述步骤，获得新鲜的会话密钥。
无论上述哪种具体实施例，为了防止对密钥分配中心的伪造攻击，密钥分配中心应有一对公私钥，且用户实体在进行保密通信前应知晓该公钥，密钥分配中心在给用户实体发出的密钥响应消息中携带有密钥分配中心的签名信息。
无论上述哪种具体实施例，为了防止重放攻击，需要保证密钥的新鲜性，可在密钥请求和/或密钥响应消息中加载随机数、时戳、流水作业号或者累加器值等来实现。
无论上述哪种具体实施例，密钥请求消息和密钥响应消息可携带安全参数，完成加密算法、工作模式、工作参数等的协商与通告。
无论上述哪种具体实施例，第一实体A和第二实体B发送给密钥分配中心的密钥请求消息中，可携带对方实体的信息。
无论上述哪种具体实施例，本发明方法均可推广到每次通信三个及三个以上实体之间的保密通信会话密钥的分配应用。

Claims (10)

1、一种密钥分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)需要进行通信的第一实体和第二实体各自分别产生一对临时公私钥对；
2)通过第一实体和第二实体各自产生的临时公私钥对，向密钥分配中心申请，得到通信会话密钥。
2、根据权利要求1所述的密钥分配方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下具体步骤：
2.1.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.1.2)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心使用第一实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.1.3)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥；
2.1.4)第二实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.1.5)密钥分配中心收到第二实体发来的密钥请求消息后，将第一实体和第二实体之间的通信会话密钥使用第二实体的临时公钥加密后，构成密钥响应消息返回给第二实体；
2.1.6)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
3、根据权利要求1所述的密钥分配方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下具体步骤：
2.2.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.2.2)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心使用第一实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.2.3)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥；
2.2.4)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.2.5)密钥分配中心收到第一实体转递发来的第二实体的密钥请求消息后，将第一实体A和第二实体B之间的通信会话密钥使用第二实体的临时公钥加密后，构成密钥响应消息再通过第一实体转递回给第二实体；
2.2.6)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
4、根据权利要求1所述的密钥分配方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下具体步骤：
2.3.1)第一实体向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第一实体的临时公钥；
2.3.2)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.3.3)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息及第一实体转递发来的第二实体的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心分别使用第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.3.4)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥对属于它的密文解密得到通信会话密钥，然后将密钥响应消息或仅将属于第二实体的密文构成密钥响应消息转递给第二实体；
2.3.5)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
5、根据权利要求1所述的密钥分配方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下具体步骤：
2.4.1)第二实体通过第一实体的转递向密钥分配中心发送密钥请求消息，该消息包含第二实体的临时公钥；
2.4.2)第一实体收到密钥请求消息后，构成新的密钥请求消息发送给密钥分配中心，新的密钥请求消息包含第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥；
2.4.3)密钥分配中心收到第一实体发来的密钥请求消息后，产生第一实体和第二实体之间的通信会话密钥，密钥分配中心分别使用第一实体的临时公钥和第二实体的临时公钥加密通信会话密钥后，构成密钥响应消息返回给第一实体；
2.4.4)第一实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥对属于它的密文解密得到通信会话密钥，然后将密钥响应消息或仅将属于第二实体的密文构成密钥响应消息转递给第二实体；
2.4.5)第二实体收到密钥响应消息后，利用自己的临时私钥解密得到通信会话密钥。
6、根据权利要求2至5任一权利要求所述的密钥分配方法，其特征在于：得到通信会话密钥后，所述第一实体和第二实体均不用存储各自的临时公私钥对，可适时删除，待下次开始保密通信时或在保密通信过程中需要更新通信会话密钥时，重新再生成临时公私钥对，向密钥分配中心发出密钥请求消息，重复上述步骤，获得新的会话密钥。
7、根据权利要求2至5任一权利要求所述的密钥分配方法，其特征在于：所述密钥分配中心也有一对公私钥，且实体在进行保密通信前应知晓该公钥，密钥分配中心在给实体发出的密钥响应消息中携带有密钥分配中心的签名信息。
8、根据权利要求2至5任一权利要求所述的密钥分配方法，其特征在于：所述密钥请求消息和/或密钥响应消息中加载有随机数、时戳、流水作业号或者累加器值。
9、根据权利要求2至5任一权利要求所述的密钥分配方法，其特征在于：所述密钥请求消息和密钥响应消息携带安全参数。
10、根据权利要求2至5任一权利要求所述的密钥分配方法，其特征在于：所述第一实体和第二实体发送给密钥分配中心的密钥请求消息中，携带对方实体的信息。
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