CN102684875A - 组播安全代理组件及组播加密管理方法 - Google Patents

组播安全代理组件及组播加密管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及组播安全代理组件及组播加密管理方法，组播模块中的文件加解密子模块是组播用户进行消息或文件加/解密的具体执行模块，采用RSA算法作为组播加/解密的算法，用户私钥作为解密密钥，系统认证后，如果内网的某些用户需组内交流，则由所有成员私钥的乘积所构成的组密钥能够保障组播安全，当有新用户加入或老用户退出时，通过更新组密钥使得新加入的用户无法访问加入前的通信内容以及退出的用户无法访问退出后的通信内容，实现了组播组内一把密钥加密、多把密钥解密的功能，组成员变化时，不需要对组内其余用户的密钥（私钥）进行更新，解决了既可实现对组播信息的加密，又同时满足安全组播中重要的前向保密、后向保密和抗同谋破解等问题。

Description

组播安全代理组件及组播加密管理方法
技术领域
本发明属于密钥管理技术领域，涉及一种组播安全代理组件及组播加密管理方法。
背景技术
当一个相同的信息必须传递给多个接收者时，组播是一个较好的通信模型，组播通信减少了发送者和网络媒介的经常开支。加密算法的应用对于作用在—个不可靠的网络媒介上的安全组播通信来说是一个实际可行的方法。加密算法又分为对称(私钥)加密算法和非对称(公钥)加密算法。对称加密算法加解密速度快，加密强度高，密钥分发与管理困难；而非对称加密算法的加解密速度慢，密钥管理简单。
例如，一个会话加密钥匙SEK (一种对称加密算法的密钥) 在安全通信中用于将数据加密。由于数据分配给多个接受者，为了减少在发送者节点的加密数量同时最小化网络上数据包的数量，每个预期的接收者以及发送者应该共享一个相同的SEK。为了确保只有组中合法的成员具有信息传递的权力，SEK在下列情况时需要改变：a)当SEK的生命周期到期时；b)组的成员关系发生改变；c)一个或更多的成员被泄露时。
因此，在现有的技术方案中，安全组播通信是通过使用组内所有成员共享的组密钥来加密通信内容。为了保障安全，密钥服务器需要在组成员关系改变时进行组密钥更新(rekey)。由于组内成员关系的动态性和加解密操作的高代价，组密钥更新性能成为衡量组密钥管理性能的主要指标，也是影响组播通信的一个重要的因素。
  在现有的安全组播技术中，无论使用对称(私钥)加密算法和非对称(公钥)加密算法，当用户加入或退出该组时，该组中的密钥必须更新，使新加入的用户不能访问过去的通信内容，以及退出的用户不能访问现在和将来的通信内容。同时，还要考虑密钥的存储代价和通信代价。
发明内容
本发明的目的是提供一种组播安全代理组件及组播加密管理方法，以实现组播中的组成员发生变化时，不需要对组内其余用户的密钥进行更新，仍然能够保证组播通信的安全性。
为实现上述目的，本发明的组播安全代理组件包括：
安全模块，用于提供代理所在区域的内外安全相关的服务，用于将收集到的有用信息转存在知识库中；
通信模块，用于负责代理与内网主机以及代理之间相关交换信息；
组播模块，用于内网用户之间以及内网用户与外网用户相互通信，并划分为一个信息组，实现组内用户安全高效的信息交流与共享；
知识库模块，用于对原信息和知识进行收集和整理，并进行分类存储，并提供相应的检索手段。
进一步的，所述安全模块包括防病毒、入侵检测、漏洞扫描、访问控制、灾难恢复和不定升级子模块。
进一步的，所述通信模块中发送的请求信息包括需求信息、告警信息和代理之间广播安全检测信息。
进一步的，所述通信模块包括通信语言和传输协议子模块。
进一步的，所述组播模块包括建立删除组、文件加解密、组密钥更新、密钥认证、密钥生成和密钥注销子模块。
本发明的组播加密管理方法步骤如下：
    (1) 根据任务的需要，把内网中的某些用户建立成一个组播组；
    (2) 对用户进行身份认证，认证通过后的用户能和组内其他的用户正常通信；
    (3) 将组内所有用户的私钥相乘计算得到组播加密密钥，解密密钥为每个用户的私钥；当组内用户发生变化时，重新计算得到新组播密钥并更新组播加密密钥，解密密钥为组内每个用户的私钥；
    (4) 组内发送信息方在发送信息时，需要将信息或文件用组密钥加密后，发给组内其他的收听用户；收听用户用自己的私钥解密后，可以查看接收到的信息；
    (5) 组内用户进行通信，直到任务结束后，删除该组播组，释放相应的系统资源。
进一步的，所述步骤（2）中对用户进行身份认证是利用用户USB Key或智能卡中存储的私钥来进行身份认证。
进一步的，所述步骤（3）中解密密钥为每个用户USB Key或智能卡中存储的私钥。
进一步的，所述步骤（3）中加密解密密钥的产生是基于RSA算法。
进一步的，将原解密密钥d作为输入值输入哈希函数，得到一个值                                                
Figure 442120DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 359260DEST_PATH_IMAGE004
，根据扩展的欧几里德算法：
Figure 138997DEST_PATH_IMAGE006
 可以求出
Figure 596524DEST_PATH_IMAGE008
，称
Figure 410896DEST_PATH_IMAGE010
为加密密钥，需要公开；为解密密钥；
Figure 562708DEST_PATH_IMAGE014
(
Figure 761609DEST_PATH_IMAGE016
)为私钥；
Figure 430487DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 423851DEST_PATH_IMAGE020
为辅助密钥，哈希函数
Figure 240497DEST_PATH_IMAGE022
对外公开。
本发明的组播安全代理组件及组播加密管理方法，组播模块中的文件加解密子模块，是组播用户进行消息或文件加/解密的具体执行模块，采用RSA算法作为组播加/解密的算法，在用户USB Key或智能卡中存储的私钥作为解密密钥，经过系统认证后，如果内网的某些用户需要互相通信并且要求通信内容对内网其他用户保密，则可以在服务器的存储区域专门开辟一块供组内信息交流的空间。由所有成员私钥的乘积所构成的组密钥能够保障组播安全，当有新用户加入或有老用户退出时，通过更新组密钥使得新加入的用户无法访问加入前的通信内容以及退出的用户无法访问退出后的通信内容，能够保证组播通信的安全性。实现了组播组内一把密钥加密、多把密钥解密的功能，当组成员变化时，不需要对组内其余用户的密钥（私钥）进行更新，解决了既可实现对组播信息的加密，又同时满足安全组播中重要的前向保密、后向保密和抗同谋破解等问题。
附图说明
图1是实施例的安全代理组件功能框图；
图2是实施例的组播通信流程图；
图3是实施例的分布式安全组播管理示意图。
具体实施方式
一、组播安全代理组件
一般来说，代理具有自治性、适应性和合作性的特性[3]，能够根据它的状态，决定自己下一步做什么，而不需要人为的或其他外界的干预。组播安全代理(Security Agent)组件主要由四个模块组成：安全模块、通信模块、组播模块和知识库模块。
(1) 安全模块
安全模块提供代理所在区域的内网安全相关的服务，它收集到的有价值的信息都存储在知识库中。安全模块又由防病毒、入侵检测、漏洞扫描、访问控制、灾难恢复和补丁升级等子模块组成。
(2)通信模块
通信模块主要用于代理与内网主机以及代理之间相互交换信息，这些被发送的请求信息包括需求信息、告警信息，以及在代理之间广播安全检测信息。通信模块由通信语言和传输协议组成，通信语言是代理之间交流的基础，而传输协议是通信的传输机制。
(3)组播模块
组播模块是组件的核心部分，实现内网用户之间以及内网用户与Internet用户相互通信，并划分为一个信息组，实现组内用户安全高效的信息交流与共享。组播模块又由建立/删除组、文件加解密、组密钥更新、密钥认证、密钥生成及密钥注销子模块组成。
关于组播模块中的文件加解密子模块，是组播用户进行消息或文件加/解密的具体执行模块。采用RSA算法作为组播加/解密的算法，在用户USB Key或智能卡中存储的私钥作为解密密钥。经过系统认证后，如果内网的某些用户需要互相通信并且要求通信内容对内网其他用户保密，则可以在服务器的存储区域专门开辟一块供组内信息交流的空间。由所有成员私钥的乘积所构成的组密钥能够保障组播安全，当有新用户加入或有老用户退出时，通过更新组密钥使得新加入的用户无法访问加入前的通信内容以及退出的用户无法访问退出后的通信内容。
(4)知识库模块
知识库模块中的数据，都是由安全模块提供的，分类存储相关的安全日志、状态信息和告警信息。知识库使信息和知识有序化，对原有的信息和知识做一次大规模的收集和整理，按照一定的方法进行分类保存，并提供相应的检索手段。
二、组播加密管理方法
1，RSA算法描述
1)密钥的产生
①选两个保密的大素数和；
②计算
Figure 995985DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 237611DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure 512734DEST_PATH_IMAGE032
是的欧拉函数值；
③选一整数e，满足，且
Figure 282610DEST_PATH_IMAGE036
；
④计算d，满足
Figure 423742DEST_PATH_IMAGE038
，即d是e在模
Figure 921719DEST_PATH_IMAGE032
下的乘法逆元，因e与
Figure DEST_PATH_IMAGE039
互素，由模运算可知，它的乘法逆元一定存在；
⑤以
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为公开钥，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为秘密钥。
2)加密
加密时首先将明文比特串分组，使得每个分组对应的十进制数小于n，即分组长度小于
Figure DEST_PATH_IMAGE045
。然后对每个明文分组M作加密运算，得到密文C。
Figure DEST_PATH_IMAGE047
3)解密
对密文分组的解密运算为：
2，密钥设计及加密解密过程
随机选取两个大素数p、q（约为十进制100位或更大），且p、q保密。计算n=pq和n的欧拉函数
Figure DEST_PATH_IMAGE029
。n是公开的，而
Figure 818000DEST_PATH_IMAGE032
是保密的。随机选取m个大于n的互不相同的素数,
Figure 713460DEST_PATH_IMAGE052
,
Figure 65944DEST_PATH_IMAGE054
,…,
Figure 70809DEST_PATH_IMAGE056
（m为授权收听的组成员数，
Figure 508744DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 929361DEST_PATH_IMAGE052
,
Figure 401931DEST_PATH_IMAGE054
,…,
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为组成员手中的私钥）。计算，即d为,
Figure 568174DEST_PATH_IMAGE052
,
Figure 792482DEST_PATH_IMAGE054
,…,
Figure 853979DEST_PATH_IMAGE056
的乘积。令
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，。其中为取整符号，是公开的。有下面结果：
1)
Figure DEST_PATH_IMAGE067
2)对任意
Figure DEST_PATH_IMAGE069
（
Figure 737808DEST_PATH_IMAGE070
）有
        
Figure 947389DEST_PATH_IMAGE074
        
Figure 137062DEST_PATH_IMAGE076
        
Figure DEST_PATH_IMAGE077
                        公式(1)
由此，若已知
Figure 99202DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure 665312DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，可通过公式(1)计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，进而求出
Figure DEST_PATH_IMAGE083
。但对于不同于
Figure 91614DEST_PATH_IMAGE084
,
Figure DEST_PATH_IMAGE085
,
Figure 452189DEST_PATH_IMAGE086
,…,的其他素数
Figure 901625DEST_PATH_IMAGE088
代替
Figure 271426DEST_PATH_IMAGE078
，式(1)不成立。即已知
Figure 51487DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 848542DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 519694DEST_PATH_IMAGE020
很难计算出和
Figure 703868DEST_PATH_IMAGE083
。
3)由,,,…,
Figure 892590DEST_PATH_IMAGE092
的选取及
Figure DEST_PATH_IMAGE093
的定义知：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
类似RSA公钥密码体制，由欧几里德扩展算法，从中计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE097
。
现有文献中公开发表了公式(1)，在此基础上应用欧几里德扩展算法来实现消息或文件的加/解密。但如果组播用户数量很大，由于解密密钥
Figure 594016DEST_PATH_IMAGE083
非常大，将会使解密计算非常耗时。解密计算中的大整数模指数算法一直是RSA密码体制中研究的热点，用比较成熟的Montgomery算法及其改进算法或国外密码学库中的一些高效函数，可以减少一些计算量，但对于本发明中的改进算法仍是杯水车薪，尤其是在参与组播的成员较多时，这将使得解密基本上成为不可能，严重影响了组成员的扩展性。为了有效解决这个问题，此处引入一个哈希函数
Figure 795190DEST_PATH_IMAGE022
,原解密密钥作为输入值输入哈希函数，得到一个值
Figure 628334DEST_PATH_IMAGE002
，如下所示：
                        
Figure 675924DEST_PATH_IMAGE098
                    公式(2)
根据扩展的欧几里德算法：
                                     公式(3)
可以求出
Figure 50929DEST_PATH_IMAGE100
，称
Figure 121653DEST_PATH_IMAGE010
为加密密钥，需要公开；
Figure DEST_PATH_IMAGE101
为解密密钥；
Figure 237377DEST_PATH_IMAGE014
(
Figure 77157DEST_PATH_IMAGE102
)为私钥；
Figure 620134DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 912575DEST_PATH_IMAGE079
为辅助密钥。哈希函数
Figure 769672DEST_PATH_IMAGE022
对外公开，这很好地满足了公钥密码体制的特点。
3，组播加密方法的强度分析
组播加密方法是基于RSA公钥密码体制的改进，关于RSA公钥密码体制的强度已有大量的分析结果。对RSA的改进部分，由于
Figure 526276DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 177837DEST_PATH_IMAGE079
已知，故为了计算
Figure 285470DEST_PATH_IMAGE083
，穷举破解可以从
Figure 680680DEST_PATH_IMAGE081
做起；穷举破解范围与
Figure 291789DEST_PATH_IMAGE018
成正比，由
Figure 379831DEST_PATH_IMAGE018
的选取可知，其值超过；穷举破解强度已经超过DES算法，与RSA相当。
当
Figure 908082DEST_PATH_IMAGE078
比
Figure 311381DEST_PATH_IMAGE018
大不多时，易受到穷举法攻击，即对所有大于
Figure 570324DEST_PATH_IMAGE018
的素数进行尝试，然后根据
Figure 324653DEST_PATH_IMAGE106
即可求出
Figure 123982DEST_PATH_IMAGE081
，进而可求出解密密钥
Figure 647367DEST_PATH_IMAGE083
。故
Figure DEST_PATH_IMAGE107
要比
Figure 142458DEST_PATH_IMAGE018
大得不能太少。
在有些情况下
Figure 118505DEST_PATH_IMAGE081
可能很小，易受到穷举法攻击，因此，在此要对做一些处理，以改善其不足。具体改进方法是：若按
Figure 364995DEST_PATH_IMAGE108
计算所得的
Figure 700162DEST_PATH_IMAGE081
比所有的
Figure 491400DEST_PATH_IMAGE018
都小，则根据公式
Figure 570215DEST_PATH_IMAGE110
，此时，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
和
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为辅助密钥。
4，组播方法的实现步骤：
    (1) 根据实际任务的需要，把内网中的某些用户建立成一个组播组，以实现信息通信和消息共享；
    (2) 利用用户USB Key或智能卡中存储的私钥来进行身份认证，认证通过后的用户可以和组内其他的用户正常通信；
    (3) 通过组内所有用户的私钥乘积来计算组播密钥；
    (4) 当组内用户变化时，需要更新组播密钥，即重新计算得到新的组播的加密密钥，解密密钥为每个用户为USB Key或智能卡中存储的私钥；
    (5) 组内发送信息方在发送信息时，需要将信息或文件用组密钥加密后，发给组内其他的收听用户；
(6) 收听用户用自己的私钥解密后，可以查看接收到的信息；
(7) 组内的用户继续通信；
(8) 由于任务结束，删除该组播组，释放相应的系统资源。
5，安全性分析
当有新用户
Figure DEST_PATH_IMAGE118
通过安全代理认证，加入组播组，获得私钥
Figure DEST_PATH_IMAGE120
，虽然他有可能获得其加入前的组播数据以及相应的组播信息，但由于安全代理分发给各个组成员的密钥互不相同，所以
Figure DEST_PATH_IMAGE121
没有参与生成解密密钥
Figure 698893DEST_PATH_IMAGE083
的求积运算，当然无法恢复出，也就无法解密以前的任何数据，满足了后向加密的要求。
若某个组成员
Figure DEST_PATH_IMAGE123
退出组播组，他虽然继续保存有手中的私钥
Figure DEST_PATH_IMAGE125
，并且能够获得新的组播的辅助密钥对和加密的组播数据，但由于他的私钥不再参与生成解密密钥
Figure 922250DEST_PATH_IMAGE083
的运算，所以无法恢复出新的解密密钥，也无法解密新的组播数据。这满足了前向加密的特性。所以无论是新的组成员加入组播组还是旧的组成员退出组播组，组内的其他成员都无需进行密钥更新，并且实现了前向和后向加密的安全组播需求。
关于抗同谋破解，容易看出，由于用户手中的私钥互不相同，并且私钥之间没有任何联系，同时只有安全代理控制生成解密密钥和辅助密钥
Figure 217282DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 717534DEST_PATH_IMAGE020
的运算，所以无论退出组播组的组成员如何共谋，都无法破解密文。
 6，分布式安全组播管理
一种适用于内网（局域网）相互通信的分布式安全组播管理方案，如图3所示。GSA(Global Security Agent)是分析处理从多个LSA(Local Security Agent)送来的数据的节点。LSA是收集网络数据包并进行初步分析的节点，管理本子网的密钥安全并实现代理之间的数据传递，可以在每个子网选出一个成员作为LSA。
如果某些成员需要在子网内以及各个子网之间互相通信，可以通过LSA来建立临时组，以组播加密方法为手段，来实现组内成员的安全通信。同时，每个子网的LSA的安全子模块实时监控本子网的安全状况，将告警信息和主机状态信息发送给GSA，GSA将这些相关信息写入数据库中，方便管理员管理和监控内网中的每台主机的状态以及是否遭受过攻击等。因此，本方案在保证内网安全的基础上，使得组成员能够安全共享组播信息。
组播安全代理组件能够保障内网中单台主机的安全，使得内网主机免受外部网络的病毒和木马攻击。在此基础上，提出了一种新的基于RSA的组播加密方法，进而给出一种适用于Internet完整的、有效的分布式安全组播方案。通过安全性的分析，实现了组播组内一把密钥加密，多把密钥解密的功能。当组成员变化时，不需要对组内其余用户的密钥（私钥）进行更新，解决了既可实现对组播信息的加密，又同时满足安全组播中重要的前向保密、后向保密和抗同谋破解等问题。

Claims (10)

1.一种组播安全代理组件，其特征在于，包括：
安全模块，用于提供代理所在区域的内外安全相关的服务，用于将收集到的有用信息转存在知识库中；
通信模块，用于负责代理与内网主机以及代理之间相关交换信息；
组播模块，用于内网用户之间以及内网用户与外网用户相互通信，并划分为一个信息组，实现组内用户安全高效的信息交流与共享；
知识库模块，用于对原信息和知识进行收集和整理，并进行分类存储，并提供相应的检索手段。
2.根据权利要求1所述的组播安全代理组件，其特征在于：所述安全模块包括防病毒、入侵检测、漏洞扫描、访问控制、灾难恢复和不定升级子模块。
3.根据权利要求1所述的组播安全代理组件，其特征在于：所述通信模块中发送的请求信息包括需求信息、告警信息和代理之间广播安全检测信息。
4.根据权利要求3所述的组播安全代理组件，其特征在于：所述通信模块包括通信语言和传输协议子模块。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的组播安全代理组件，其特征在于：所述组播模块包括建立删除组、文件加解密、组密钥更新、密钥认证、密钥生成和密钥注销子模块。
6.一种组播加密管理方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
    (1) 根据任务的需要，把内网中的某些用户建立成一个组播组；
    (2) 对用户进行身份认证，认证通过后的用户能和组内其他的用户正常通信；
    (3) 将组内所有用户的私钥相乘计算得到组播加密密钥，解密密钥为每个用户的私钥；当组内用户发生变化时，重新计算得到新组播密钥并更新组播加密密钥，解密密钥为组内每个用户的私钥；
    (4) 组内发送信息方在发送信息时，需要将信息或文件用组密钥加密后，发给组内其他的收听用户；收听用户用自己的私钥解密后，可以查看接收到的信息；
    (5) 组内用户进行通信，直到任务结束后，删除该组播组，释放相应的系统资源。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中对用户进行身份认证是利用用户USB Key或智能卡中存储的私钥来进行身份认证。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中解密密钥为每个用户USB Key或智能卡中存储的私钥。
9.根据权利要求6-8所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中加密解密密钥的产生是基于RSA算法。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：将原解密密钥d作为输入值输入哈希函数，得到一个值                                                
Figure 2012100031814100001DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 2012100031814100001DEST_PATH_IMAGE003
，根据扩展的欧几里德算法：
Figure 199856DEST_PATH_IMAGE004
 可以求出
Figure 116996DEST_PATH_IMAGE006
，称
Figure 896734DEST_PATH_IMAGE008
为加密密钥，需要公开；
Figure 354260DEST_PATH_IMAGE010
为解密密钥；
Figure 168632DEST_PATH_IMAGE012
()为私钥；和
Figure 519345DEST_PATH_IMAGE018
为辅助密钥，哈希函数
Figure 188224DEST_PATH_IMAGE020
对外公开。
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