基于CPK的安全电子邮件系统的设计

∥种取法，由此形成了一个相当大的密钥空间．
２．２组合公钥的使用和管理 种子矩阵由可信第三方这里称密钥管理中心
（Ｋｅｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，ＫＭＣ）脱线生产，私钥种 子矩阵保持秘密，而公钥种子矩阵则可以公布．中心 适当选择单向陷门函数９作为公钥查询函数，根据
用户ＩＤ（邮箱地址或者身份证号等可以唯一标识用 户身份的信息）唯一确定列因子的一种组合，ＰＳＫ 和ＳＳＫ采用同样选择方法，求和后分别作为用户的 公钥和私钥，并通过安全通道（物理通道或秘密通 道）交付用户使用．
ｃｏｎｔＩ（ｓｉｇｎ）．
②验证过程
用发件人用户名和公钥种子包计算对方公钥
ｐｋ．计算（ｓｉｇｎ）ｐｋ＝ＭＡＣ．验证数字签名，检查邮件
内容的完整性．邮件的解密和验证过程如图３所示．
学Ｉｔ－ｓ 一Ｉ 匝亟ｋ捌习
密算法
Ｉ
．．６孬品嗣
．一ｒ———一
Ｌ———一 收件人公钥ｏｋ
图３邮件的勰密和验证过程
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微电子学与计算机
（４）资料库．供公开访问的系统信息库．该库作
２０２
微电子学与计算机
２００８年
限域Ｂ；ａ，ｂ是Ｂ上的整数，规定椭圆曲线Ｅ。（口， ６）；Ｇ是椭圆曲线已（口，ｂ）上的基点，用Ｇ＝（ｚＧ， 始）标记；靠是素数，是基点Ｇ的阶．
假定私钥ｓｋ为任一整数ｒ，那么对应的公钥ｐｋ 为椭圆曲线Ｅ上的一个点ｒＧ，用（ｚ，，辨）标记．
暴露，一旦注册管理中心将ＩＤ证书写入Ｕ—Ｋｅｙ中， 私钥对于外界就不再是可读写的了，同时还要通过 口令的方式加强对Ｕ－Ｋｅｙ的保护，用户必须输入访 问口令才可以使用Ｕ－ｋｅｙ中的数据．对ｍ证书包 含的私钥内置随机数算法用于生成会话密钥．公钥 因子矩阵使得用户能够一次性获得所有的公钥，相 当于一次性完成了对所有的公钥的认证．
一般过程为：用户面对面向ＫＭＣ提出申请，由 专门的注册管理中心，负责对用户身份进行审查，防 止不同用户使用相同用户名和不同用户名享有相同 映射值，然后通过专用网向密钥生成中心申请得到 密钥对，私钥写入ｍ卡、ＣＡ卡或其他安全的媒体 中，再通过安全通道分发给署名用户，如果公钥因子 矩阵也是存放在某种媒体中，那么就连同该媒体一 起分发给用户．使得最终用户能够一次性获得所有
（‰１，％Ｉ）（‰２，‰２）（‰３，％３）…（ｚ砸，‰）
上述矩阵具有性质：私钥变量ｒ打和公钥变量
（墨ｆ，Ｙ玎）一一对应，构成公私钥对；私钥变量（ｚ和 然ｉ）＋（ｚ越，抛）和公钥变量一一对应，构成公私钥
上 对；若以每列取一个因子作和即ｒ＝∑ｒ／ｊ（映射算
ｉ＝ｌ
法见文献［２］，一般先对ＩＤ作一个Ｈａｓｈ），理论上有
私钥种子矩阵ＳＳＫ由整数矢量（％）组成，而公 钥种子矩阵ＰＳＫ则由对应点的矢量（ｒｌｊ，Ｇ）＝（ｚ扣 敛ｉ）构成．如下：
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ｒ１２
ｒ１３
●●●
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ｒ２１ ｒ３１
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●●● ●●●
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■● ●
一 ．
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Ｌ‰１ ｒｍ２ ｒｍ３…ｒ，砌 （ｚ１１，Ｙ１１） （ｚ１２，Ｙ１２） （ｚ１３，Ｙ１３）… （ｚ１＾，Ｙ１＾） （ｚ２１，Ｙ２１） （ｚ２２，Ｙ２２） （ｘ２３，Ｙ２３）…（工２＾，Ｙ２＾） （Ｘ３１，ｙ３１） （Ｘ３２，Ｙ３２） （Ｘ３３，Ｙ３３）…（ｚ３＾，Ｙ３＾）
２００８年
４系统性能分析
４．１安全性分析 文中所设计的邮件系统，在安全机制考虑上采
用了数字信封和数字签名相结合的方式，即用对称
密钥加密邮件内容，形成消息密文；用公钥佛钥来
加密对称密钥，形成密钥密文；最后做数字签名． 从系统的设计上可以看到，每次用户开始通信
时，都是随机选择对称密钥的，采用ＡＥＳ对称密钥 算法对邮件内容做加密，而当收件人解开密文邮件 后，对称密钥就失效，实现了对称密钥的动态更换； 用公钥算法来保护对称密钥，确保了只有正确的收 件人来能解开对称密钥，而黑客是无法通过拦截邮 件内容来达到破解邮件内容的目的；另外，采用数字 签名机制保证了发件人邮件内容的完整性、真实性 和不可否认性．
（岛ｌ，‰ｉ）（‰２，‰２）（粕，‰３）…（岛＾，‰）
上述矩阵具有性质：私钥变量ｒ。和公钥变量
（墨ｆ，Ｙ“）一一对应，构成公私钥对；私钥变量（ｚ私 蚴）＋（Ｘｌｄ，蝴）和公铜变量一一对应，构成公私钥
上 对；若以每列取一个因子作和即，．＝∑ｒｏ（映射算
ｆ＝ｌ
法见文献［２］，一般先对ＩＤ作一个Ｈａｓｈ），理论上有 ｍ‘种取法，由此形成了一个相当大的密钥空问．
（５）安全电子邮件终端软件．由登陆认证模块， 邮件加密模块、邮件解密模块、邮件收发模块组成． 登陆验证模块用于验证用户口令和Ｕ—Ｋｅｙ中用户 证书的合法性，只有口令正确、ＩＤ证书有效才可以 登录到安全电子邮件系统进行邮件的收发操 作【４－５］．邮件加密模块负责对要发送的邮件进行加 密、摘要和签名等安全处理，以保障邮件信息在传输 过程中的机密性和完整性．邮件解密模块实现对加 密邮件的脱密处理．并计算加密邮件的摘要，验证邮 件发送方实体的完整性和邮件信息的完整性．邮件 发送模块与邮件接收模块，采用ＣＯＭ技术，将认 证、加密和解密模块形成一个安全插件，嵌人到第三 方邮件传输系统Ｏｕｔｌｏｏｋ中，所以加密、解密的具体 实现借用第三方邮件传输系统的客户端软件．其优 点在于可以实现第三方邮件系统强大的邮件收发、 管理功能与安全组件完善的安全功能的有机结合． 这样既方便了用户的操作，又提高了邮件系统的安 全性．
对于用户来说，先到注册管理中心申请电子邮 件认证Ｕ—Ｋｅｙ，然后凭借Ｕ－Ｋｅｙ登陆到安全电子邮 件系统中即可进行安全的电子邮件收发了． ３．２安全电子邮件系统安全传输流程
设：交信双方为Ａ、Ｂ，各自有自己的邮件地址， 且发放知晓对方地址；Ａ将邮件送到Ｂ．
（１）Ａ发送过程
运行安全电子邮件终端软件，提示插入Ｕ—Ｋｅｙ； 插好之后提示输入Ｕ－Ｋｅｙ保护口令：
（３）注册管理中心．接受用户的申请并代理客
户向密钥管理中心申请私钥，为用户生成电子邮件
认证Ｕ－Ｋｅｙ．此外，注册管理中心还要管理、维护并
发布终端实体统一的名字空间，存储和发布作废的
终端实体名称．
，
（４）资料库．供公开访问的系统信息库．该库作
第６期
张思高，等：基于ＣＰＫ的安全电子邮件系统的设计
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为一个独立的模块，统一存储公钥因子矩阵、终端实 体标识、作废的标识等数据．并向系统中其他模块提 供访问这些数据的接口．资料库分别向内部和外部 提供访问接口．对内的访问接口主要面注册管理中 心和密钥管理中心，而对外的接口主要面向终端实 体；对内的接口是可读写的，而对外的接口是只读 的．
电子邮件认证Ｕ－Ｋｅｙ．由注册管理中心生成，内 含电子邮件Ｄ证书，内置随机数生成算法，以及公 钥因子矩阵等．Ｄ证书是ＣＰＫ系统中的关键数据 结构，ＣＰＫ安全网络中的终端实体正是借助于ＩＤ 证书实现加密、认证、签名等活动．ＩＤ证书中最重要 的元素是用户的标识和用户的私钥，为了防治信息
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２００８越
限域Ｒ；口，ｂ是Ｂ上的整数，规定椭圆曲线Ｂ（口， ｂ）；Ｇ是椭圆曲线Ｅｐ（ａ，ｂ）上的基点，用Ｇ＝（ｚＧ， 船）标记；栉是素数，是基点Ｇ的阶．
假定私钥Ｓｋ为任一整数ｒ，那么对应的公钥ｐｋ 为椭圆曲线Ｅ上的一个点ｒＧ，用（ｚ，，强）标记．
私钥种子矩阵ＳＳＫ由整数矢量（％）组成，而公
将ｃｏｄｅｌ和ｃｏｄｅ２合并作为Ｅ—Ｍａｉｌ发给对方． 生成安全电子邮件过程如图２所示．
匝珐匮刻｝鬃忆荐
名算法
再盔＾Ｅ５ｌ ｔ田叉∞∞１’ｌ Ｉ牟邮件
Ｉ
（２）Ｂ方接收过程
同上，首先插入Ｕ－Ｋｅｙ登陆到安全电子邮件系统
①解密过程
从Ｕ－Ｋｅｙ中解出Ｂ的私钥，以私钥Ｓｋ解密随
机数，（∞ｄｅ２）出＝ｒａｎ．以ｒａｎ解密出原始邮件内容
中心的黑名单，然后利用公钥查询函数缈查找
ＰＳＫ即可． 文献［２］中给出了一个具体的组合映射函数，和
一些变换形式（以满足各种不同环境下的需求），其 基本思想和算法这里不再详述
３安全电子邮件系统的设计
３．１安全电子邮件系统的基本组成 文中设计的安全邮件系统主要由以下几部分组
成：密钥生产中心、密钥管理中心、注册管理中心、安 全电子邮件终端软件以及电子邮件认证Ｕ—Ｋｅｙ．整 个系统的结构如图１所示．
的公钥，相当于一次性完成了对所有的公钥的认证． 任一用户要求验证其他用户的公钥时，先访问管理
④一爨麓户
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／一 安装安全邮件终端软件的终端
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箩Ｕ哥－ＫｅｙΒιβλιοθήκη ９ ｕ基安装安全邮件终端软件的终端安装安全邮件终端软件的终端
图１安全电子邮件系统的基本组成
等通过物理保密通道发放到使用单位的密码管理中
心．
（２）密钥管理中心．负责管理系统的公／私钥
因子矩阵，发布公钥因子矩阵，接受注册管理中心的
申请，根据用户名计算私钥，生成用户ＩＤ证书并对
其签名，并通过安全信道将用户ＩＤ证书发回给注
册管理中心．系统规模小时，注册管理中心可以和密
钥管理中心合并，以节省系统资源。
钥种子矩阵ＰＳＫ则由对应点的矢量（ｒｌｉ．Ｇ）＝（麓ｉ， 奠，）构成．如下：
ｒｌｌ
ｒ１２
ｒ１３
ｒ¨
ＳＳＫ＝
ｒ２１ ｒ３１
ｒ２２ ｒ３２
ｒ２３ １＂３３
ｒ孤 ｒ弘 一 ．
附（＝
Ｌ‰１ ｒｍ２ ｒｍ３…ｒ，施 （。１Ｊ’Ｙ１１） （ｘ１２，Ｙ１２） （ｚ伽Ｙ１３）… （Ｘｌｈ Ｙｌ＾） （ｚ２ｌ，ｊ乜１） （ｚ２２，Ｙ２２） （ｚ２３，，２３） … （工２＾，Ｙ２＾） （Ｘ３１，ｊＪ３１） （Ｘ３２，Ｙａ２）（ｚ３３，Ｙａ３）…（。３＾，Ｙ３ｈ）
起分发给用户．使得最终用户能够一次性获得所有 的公钥，相当于一次性完成了对所有的公钥的认证． 任一用户要求验证其他用户的公钥时，先访问管理