电子商务安全 第6章 数字签名.ppt
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1、第六章 数字签名l6.1数字签名的基本原理l6.2RSA签名l6.3ELGAMAL签名l6.4盲签名及其应用l6.5多重签名及其应用l6.6定向签名及其应用l6.7代理签名及其应用l6.8美国数字签名标准(DSS)l6.9数字签名应用系统与产品介绍6.1数字签名的基本原理l1.数字签名的要求l2.数字签名与手书签名的区别 l3.数字签名的分类 l4.使用数字签名 1.数字签名的要求l政治、军事、外交等领域的文件、命令和条约,商业中的契约,以及个人之间的书信等,传统上都采用手书签名或印章,以便在法律上能认证、核准和生效。随着计算机通信网的发展,人们希望通过电子设备实现快速、远距离的交易,数字(或
2、电子)签名法便应运而生,并开始用于商业通信系统,如电子邮递、电子转账和办公自动化等系统中。1.数字签名的要求l 类似于手书签名,数字鉴名也应满足以下要求:l(1)收方能够确认或证实发方的签名,但不能伪造。l(2)发方发出签名的消息送收方后,就不能再否认他所签发的消息:l(3)收方对已收到的签名消息不能否认,即有收到认证。l(4)第三者可以确认收发双方之间的消息传送,但不能伪造这一过程。2.数字签名与手书签名的区别数字签名与手书签名的区别 l数字签名与手书签名的区别在于,手书签名是模拟的,且因人而异。数字签名是0和1的数字串,因消息而异。l数字签名与消息认证的区别在于,消息认证使收方能验证消息发
3、送者及所发消息内容是否被纂改过。l当收发者之间没有利害冲突时,这对于防止第三者的破坏来说是足够了。l但当收者和发者之间有利害冲突时,单纯用消息认证技术就无法解决他们之间的纠纷,此时须借助满足前述要求的数字签名技术。2.数字签名与手书签名的区别数字签名与手书签名的区别l为了实现签名目的,发方须向收方提供足够的非保密信息,以便使其能验证消息的签名。l但又不能泄露用于产生签名的机密信息,以防止他人伪造签名。l因此,签名者和证实者可公用的信息不能太多。l任何一种产生签名的算法或函数都应当提供这两种信息,而且从公开的信息很难推测出用于产生签名的机密信息。l再有,任何一种数字签名的实现都有赖精心设计的通信
4、协议。3.数字签名的分类数字签名的分类 l数字签名有两种:l一种是对整个消息的签名,一种是对压缩消息的签名,它们都是附加在被签名消息之后或某一特定位置上的一段签名图样。l若按明、密文的对应关系划分,每一种又可分为两个子类:l一类是确定性数字签名。其明文与密文一一对应,它对一特定消息的签名不变化(使用签名者的密钥签名),如RSA、ElGamal等签名;l另一类是随机化的或概率式数字签名。它对同一消息的签名是随机变化的,取决于签名算法中的随机参数和取值。3.数字签名的分类数字签名的分类l一个签名体制一般含两个组成部分即签名算法和验证算法。对M的签名可简记 (有时为了说明密钥k在签名中的作用,也可以
5、将签名写成 如(M)或 ,而对s的证实简记为Ver(s0)=真,伪=0,1。签名算法或签名密钥是秘密的,只有签名人掌握。证实算法应当公开,以便于他人进行验证。l一个签名体制可由量(M,S,K,V)表示,其中M是明文空间S是签名的集合,K是密钥空间,V证实函数的值域,由真、伪组成。数字签名的分类数字签名的分类l对于每一 ,有一签名算法,易于计算 。利用公开的证实算法:l l可以验证签名的真伪。l它们对每一m属于M,有签名Sigk(m)属于S为(M-S的映射)。易于证实S是否为M的签名。3.数字签名的分类数字签名的分类l =真,当满足验证方程l 伪,当不满足验证方程 l体制的安全性在于,从m和其签
6、名s难于推出k,或伪造一个m,使 属于S满足验证方程。3.数字签名的分类数字签名的分类l消息签名与消息加密有所不同,消息加密和解密可能是一次性的,它要求在解密之前是安全的。l而一个签名的消息可能作为一个法律上的文件(如合同等),很可能在对消息签署多年之后才验证其签名,且可能需要多次验征此签名。l因此,签名的安全性和防伪造的要求会更高,且要求证实速度比签名速度要快些。特别是联机在线时进行实时验证。4.使用数字签名使用数字签名 l随着计算机网络的发展,过去依赖于手书签名的各种业务都可用这种电子化的数字签名代替l它是实现电子贸易,电子支票、电子货币、电子出版及知识产权保护等系统安全的重要保证l数字签
7、名已经并将继续对人们如何共享和处理网络上信息以及事务处理产生巨大的影响。4.使用数字签名使用数字签名l为电子形式为文档附上电子时间标签。l使用电子汇款系统的人可以利用电子鉴名l大范围的商业应用要求变更手书签名方式时,可以使用数字签名,EDIl数字签名的使用已延伸到保护数据库的应用中6.2RSA签名l安全参数:令n=qp,p和q是大素数,选e并计算出d,使 ,公开n和e,将p、q和d保密。则所有的RSA参数为 。l数字签名:对消息M属于Z,定义l l为对M的签名。l签名验证:对给定的M,S可按下式验证:设 ,如果M=M,则签名为真,否则,不接受签名。6.2RSA签名l显然,对于只有签名者知道d,
8、由RSA体制知,其他人不能伪造签名但容易证实所给任意消息(M,S)对是否是消息M和相应的签名所构成的合法对。RSA体制的安全性依赖于n=pq分解的困难性。6.2RSA签名lRSA是是完整的加密系统,它支持公钥/私钥对的生成、加密以及数字签名。lCarol为了机密消息以发送给Bob,Bob首先生成一个密钥对,并和Carol共享公钥。l公钥由两个数字组成:模数n和公共指数e。私钥也由两个数字组成:相同的模数n和私有指数d。l通过随机选择两个大的质数p和q,并把他们一起相乘,就可以创建模数。6.2RSA签名l所选择的指数e必须与(p-1)和(q-1)互质(也就是说,e与(p-1)和(q-1)这个数必
9、须不具有相同的因数。l质数d必须满足等式d*emod(p-1)(q-1)=1。l然后,如果Carol的明文是M,那么,他就能够通过计算C=Me mod n把它加密成密文C。lBob通过计算M=Cd mod n就可以恢复明文。6.2RSA签名l第一步Bob选择大的质数p和q,并使他们相乘,从而得到n;l第二步Bob选择一个公共质数e,它与(p-1)(q-1)是互质数;l第三步Bob计算私有质数d=e-1 mod(p-1)(q-1);l第四步Bob与Carol共享公钥,数字n和e;l第五步Bob使用C=Me mod n把M加密成C,并把C发送给Bob;l第六步Bob使用M=Cd mod n把C解密
10、成M 6.2RSA签名l这里有一个RSA加密的示例,同样为了简洁起见,在这个例子中使用的数字都很小。lBob选择了质数p=5和q=11,然后把这两个数字相乘,从而得到模数n=55。lBob计算出f(n)=(p-1)*(q-1)=4*10=40lBob选择一个数字e,e与40是互质数。40的质因数是2、2、2、5和1,所以Bob选择的私有指数e=3。6.2RSA签名lBob选择了一个公共指数d=3(-1)mod 40。这个模数反函数实际上是非常困难的,但是对于所用的这些小数字,可以看到27*3mod40=81mod40=1。所以d=27。l现在Bob的公钥就是数对(3,55),其私钥就是数对(2
11、7,55)。Bob把自己的公钥发送给Carol。lCarol的消息M=25。它把该消息加密成密文C=25的3次幂mod55=15625mod55=5。Carol把结果发送给Bob。lBob使用M=5的27次幂mod55=7450580596923828125mod55=25对密文进行解密,这就是Carol的原始消息。6.3ElGamal签名签名 l该体制由TElGamal在1985年给出。其修正形式已被美国NIST作为数字签名标准(DSS),它是Rabin体制的一种变型。l此体制专门为签名用而设计,方案的安全性基于求离散对数的困难性。l可以看出,它是一种非确定性的双钥体制,即对同一明文消息,由
12、于随机参数选择的不同而有不同的签名。6.3ElGamal签名签名l1.体制参数lP:一个大素数,可使Zp,中求解离散对数为困难问题;lg:是Zp中乘群Zpn的一个生成元或本原元素;lM消息空间为为Zp*Zp-1;lX:用户密钥,X属于Z,公钥为y=g x mod pl安全参数为:k=(p,g,x,y),其中p,g,y为公钥,x为秘密钥。6.3ElGamal签名签名l2签名过程l给定消息M,发送端用户进行下述工作l(1)选择秘密随机数 k属于Z;l(2)计算压缩值H(M),并计算l(3)将 =(M,r,s)作为签名,将(M,r,s)6.3ElGamal签名签名l3验证过程l收信人收到(M,r,s
13、),先计算H(M),并按下式验证签名l这是因为 ,由上式有 l故有l在此方案中,对同一消息M,由于随机数K不同而有不同的签名(M,r,s)。6.4盲签名及其应用盲签名及其应用l6.6.1盲消息签名 l6.6.2盲参数签名 l6.6.3弱盲签名 l6.4.4强盲签名6.4盲签名及其应用盲签名及其应用 l为了说明盲签名的基本概念,本节假设Alice为消息拥有者,而Bob为签名人。l在盲签名协议中,Alice的目的是让Bob对某文件进行签名,但又不想让Bob知道文件的具体内容,而Bob并不关心文件中说些什么。l他只是保证他在某一时期以公正人的资格证实了这个文件。6.4盲签名及其应用盲签名及其应用lA
14、lice从Bob处获得盲签名的过程一般有如下几个步骤:l(1)Alice将文件m乘一个随机数得m,这个随机数通常称为盲因子,Alice将盲消息m送给Bob;l(2)Bob在m上签名后,将其签名Sig(m)送Alice;l(3)Alice通过除去盲因子可从Bob关于m的签名Sig(m)中得到Bob关于原始文件的签名Sig(m)。6.4盲签名及其应用盲签名及其应用lDChaum关于盲签名曾经给出一个非常直观的说明:所谓盲签名,就是先将要隐蔽的文件放进信封里,而除去盲因子的过程就是打开这个信封。当文件在一个信封中时,任何人都不能读它。对文件签名就是通过在信封里放一张复写纸,当签名者在信封上签名时,他
15、的签名便透过复写纸签到了文件上。l下面所介绍的若干盲签名方案都是在EIGamal签名方案上构造的,其中x和y=a mod p为签名者Bob的密钥和公钥。6.6.1盲消息签名l在盲消息签名方案中,签名者仅对盲消息m签名,并不知道真实消息m的具体内容。这类签名的特征是:sig(m)=sig(m)或sig(m)含sig(m)中的部分数据。因此,只要签名者保留关于盲消息m的签名,便可确认自己关于m的签名。l可以看出,在上述盲消息签名方案中Alice将Bob关于m的签名数据作为其对m的签名,即sig(m)=sig(m)。所以,只要Bob保留Sig(m)便可将Sig(m)与Sig(m)相联系。6.6.1盲
16、消息签名l为了保证真实消息m对签名者保密,盲因子尽量不要重复使用。l因为盲因子k是随机选取。所以,对一般的消息m而言,不存在盲因子k,使m(m=mk mod p-1)有意义,否则,Alice将一次从Bob处获得两个有效签名Sig(m)和Sig(m),从而使得两个不同的消息对应相同的签名。l这一点也是签名人Bob最不愿看到的。l盲消息签名方案在电子商务中一般不用于构造电子货币支付系统,因为它不保障货币持有者的匿名性。6.6.2盲参数参数签名l在盲参数签名方案中,签名者知道所签消息m的具体内容。l按照签名协议的设计,签名收方可改变原签名数据,即改变Sig(m)而得到新的签名,但又不影响对新签名的验
17、证。因此,签名者虽然签了名,却不知道用于改变签名数据的具体安全参数。l验证方程:在上述盲参数签名方案中,m对签名者并不保密。当Alice对Sig(m)做了变化之后,(m,r,s)和(m,r,s)的验证方程仍然相同。6.6.2盲参数参数签名l盲参数签名方案的这些性质可用于电子商务系统CA中心,为交易双方颁发口令。任何人虽然可验证口令的正确性,但包括CA在内谁也不知变化后的口令。l在实际应用中,用户的身份码ID相当于m,它对口令产生部门并不保密。l用户从管理部门为自己产生的非秘密口令得到秘密口令的方法,就是将(ID,r,s)转化为(ID,r,s)。这种秘密口令并不影响计算机系统对用户身份进行的认证
18、。l另外,利用盲参数签名方案还可以构造代理签名机制中的授权人和代理签名人之间的授权方程,以用于多层CA机制中证书的签发以及电子支票和电子货币的签发。6.6.3弱盲签名弱盲签名 l在弱盲签名方案中,签名者仅知Sig(m),而不知Sig(m)。如果签名者保留Sig(m)及其他有关数据,待Sig(m)公开后,签名者可以找出Sig(m)和Sig(m)的内在联系,从而达到对消息m拥有者的追踪。l盲消息签名方案与弱盲签名方案的不同之处在于,后者不仅将消息m做了盲化,而且对签名Sig(m)做了变化,但两种方案都未能摆脱签名者将Sig(m)和Sig(m)相联系的特性,只是后者的隐蔽性更大一些。由此可以看出,弱
19、盲签名方案与盲消息签名方案的实际应用较为类似。6.4.4强盲签名盲签名l在强盲签名方案中,签名者仅知Sig(m),而不知Sig(m)。即使签名者保留Sig(m)及其他有关数据,仍难以找出Sig(m)和Sig(m)之间的内在联系,不可能对消息m的拥有者进行追踪。l强盲签名方案是目前性能最好的一个盲签名方案,电子商务中使用的许多数字货币系统和电子投票系统的设计都采用了这种技术。6.5多重签名及其应用多重签名及其应用 l多重数字签名的目的是将多个人的数字签名汇总成一个签名数据进行传送,签名收方只需验证一个签名便可确认多个人的签名。l由此可以看出,无论签名人有多少,多重签名并无过多地增加签名验证人的负
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