密码学：密钥管理

密钥管理是密码系统不可缺少的组成部分，也是密码系统中最重要、最困难的部分。出发点是在一种安全策略指导下的密钥产生、存储、分配、删除、归档和应用方案。

目的：维持系统各实体之间的密钥关系，抗击各种威胁：

1. 密钥泄露
2. 密钥和公钥身份真实性丧失
3. 未授权使用

内容：产生、登记、装入、存储和保护、分配和密钥协定、使用控制、备份恢复、更新、撤销和销毁。

密钥类型

• 会话密钥：两个终端在一次通信中使用的密钥。用于加密文件时叫文件密钥，加密数据时叫数据加密密钥。
• 密钥加密密钥：用于对会话密钥或文件密钥进行加密时采用的密钥。又称辅助（二级）密钥或密钥传送密钥。
• 主机主密钥：对密钥加密密钥加密的密钥，存于主机处理器。
• 基本密钥：也叫初始密钥、用户密钥。由用户指定或系统分配给用户的，可以在较长时间内由一对用户专用的密钥。
• 公钥体制下还有公开密钥、秘密密钥、签名密钥。

密钥的层次关系可以用下面的公式表示：

$E_{K_m}(K_e) \quad \text{其中 } K_m \text{ 为密钥加密密钥，} K_e \text{ 为会话密钥}$

密钥产生

密钥产生不当会导致密钥空间的减小和字典式攻击。要尽可能随机等概率产生密钥。不同等级的密钥产生方式不同：

• 主机主密钥最重要，要保证完全随机
• 密钥加密密钥可以伪随机或者安全算法产生
• 会话密钥可以通过密钥加密密钥和某些算法产生
• 初始密钥可以用类似主机主密钥的方式

密钥登记与装入

密钥登记：将密钥和特定使用者绑定。

密钥装入：主机主密钥和终端主密钥装入时要有电磁屏蔽，装入后不可再读出，可间接验证。会话密钥不存在装入问题。

密钥保护

最好放在物理安全的地方。否则要使用机密性和完整性服务来保护。公钥的存储方式有：一次性发放给用户；用户存放在公共媒体上；利用公钥建立密钥环分散保存。

密钥分配和密钥协定

• 密钥分配协议：系统内一个成员选择密钥，并安全传送给别的成员的协议。
• 密钥协定协议：系统内两个或多个成员在公开信道上联合建立秘密密钥。两个成员的密钥协定也称为密钥交换，如著名的 Diffie-Hellman 密钥交换。

一个是单成员确定，一个是协商确定。

主密钥的分配：将密钥切分成多部分，通过多种方式传输。

密钥分配体制

1. 集中式：中心服务器负责密钥的分发，密钥的存储量和用户量差不多。代表：Kerberos 协议。
2. 分布式：用户协商密钥交换。例如 Diffie-Hellman 密钥交换。但没有鉴别能力，不能抵抗中间人攻击。

密钥的分配技术

1. 静态分配：中心以脱线方式预分配
2. 动态分配：请求-分发的在线分发技术

密钥的静态配置管理体制

1. 点对点配置：单个体需要存储 $n-1$ 个密钥，整体密钥量为 $n^2$
2. 网状配置：用户统一和一个 KMC 交互，总密钥量为 $n$。KMC 容易成为性能瓶颈。
3. 星状配置：局部的网状配置再进一步集中到一个 KMC，配置局部 KMC，是密钥的层次管理方案。

公钥分配方案

首先是著名的 Diffie-Hellman 密钥交换，可被中间人攻击。利用离散对数的复杂度保证密钥不被获取，通过原根和选定随机数进行密钥协定，但中间人可以截获并伪造双方密钥进行攻击。

$K = g^{x_u \cdot x_v} \mod p$

STS 协议

假设用户有签名/验证算法 sig/ver，可信中心的签名/验证为 sig_TA/ver_TA，用户有证书 (ID(u), ver_u, sig_TA(ID(u), ver_u))：

1. 用户 U 随机选 $x_u \in \mathbb{Z}_p$，计算 $g^{x_u} \mod p$ 发给 V
2. 用户 V 随机选 $x_v \in \mathbb{Z}_p$，计算 $g^{x_v} \mod p$，$S_v = \text{sig}_v(g^{x_u} \| g^{x_v})$，发送 $(C(V), g^{x_v}, S_v)$ 给 U；同时计算 $K = g^{x_u \cdot x_v}$
3. 用户 U 计算 $K = g^{x_u \cdot x_v} \mod p$，用 ver_v 验证 $S_v$，用 ver_TA 验证 $C(V)$，计算 $S_u = \text{sig}_u(g^{x_u} \| g^{x_v})$，把 $(C(U), S_u)$ 发给 V
4. V 验证 ver_u(S_u) 和 ver_TA(C(U))

STS 协议在 Diffie-Hellman 基础上引入 TA 的证书校验机构，在交换密钥的同时补充身份认证，解决了中间人攻击。

MIT 协议

引入了证书，但双方不进行签名。MIT 协议在用户丢失证书时可以进行中间人攻击。

密钥使用控制

目标：标识密钥的种类，使得密钥值和合法使用范围绑定。通常标识有：密钥拥有者、密钥标识符、有效时间、特定算法、特定使用环境和用户、密钥产生注册认证的实体、完整性检查。

密钥长度

目标：保证系统安全但不能开销太大。确定长度需要考虑：保存信息的价值、信息的保密时间、攻击者的资源情况。

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