信息安全原理与技术之消息认证与数字签名
身份认证和数字签名技术的实现
身份认证和数字签名技术的实现身份认证和数字签名技术是现代信息安全中至关重要的技术，可以用于确保信息的安全性和完整性。
本文将介绍身份认证和数字签名技术的原理和实现。
一、身份认证技术身份认证技术是核实用户身份和权限的一种方法。
常见的身份认证技术包括用户名/密码、指纹识别、虹膜识别、声音识别等。
其中，用户名/密码是最常用的一种身份认证技术。
1.用户名/密码用户名/密码是一种基础的身份认证技术。
用户需要输入用户名和密码才能登录系统。
系统会根据用户输入的用户名和密码来核实用户身份。
如果用户输入的用户名和密码与系统存储的一致，就可以登录系统。
用户名/密码身份认证技术的优点是简单易用，缺点是安全性相对较低。
因为用户很容易忘记密码，在输入密码时也很容易被攻击者盗取。
2.指纹识别指纹识别是一种生物特征识别技术。
系统会通过扫描用户手指上的指纹来进行身份认证。
从生物特征的角度来看，指纹是一种唯一的特征，因此指纹识别技术的安全性相对较高。
指纹识别技术在金融、政府等领域得到广泛应用。
指纹识别技术的优点是安全性高，缺点是成本相对较高。
因为需要购买指纹识别设备，并且需要不断更新设备以提高识别精度。
3.虹膜识别虹膜识别是一种更高级别的生物特征识别技术。
虹膜是人眼的一部分，具有与生俱来、独一无二的特征。
虹膜识别技术通过扫描用户眼睛中的虹膜来进行身份认证。
虹膜识别技术的优点是识别精度高，安全性更高，缺点是成本高，需要较专业的设备。
4.声音识别声音识别是一种新兴的生物特征识别技术。
用户用自己的声音进行身份认证。
声音识别技术的优点是无需专门设备，使用方便。
但是其安全性还有待提高。
二、数字签名技术数字签名技术是一种确保数字文档的完整性、真实性和不可抵赖性的技术。
所谓数字签名，就是将原始文档经过加密算法处理，得到一段特殊的字符串，叫做签名。
数字签名技术的核心是公钥加密技术和哈希算法。
1.公钥加密技术公钥加密技术是一种常见的加密技术。
它使用一对密钥来实现加密和解密。
信息安全学习总结13-消息认证与数字签名
（十三）消息认证与数字签名作者：山石1.消息认证消息认证（MAC，Message Authentication Code），用来保护通信双方免受第三方的攻击，验证消息的完整性。
接收方能够验证收到的报文是真实的未被篡改的。
（1）认证方案如下：●发方将消息和认证密钥输入认证算法，得到消息的认证标签，一起发送消息和认证标签●收方将同样的认证密钥和收到的消息输入认证算法。
检验计算结果是否与收到的认证标签相同，若相同，则认为消息未经篡改，否则认为消息被入侵者篡改。
（2）对安全认证方案的要求：●通信双方能有效（容易）地产生任意消息的认证标签●通信双方能有效（容易）地验证一给定的数字串是否是一给定消息的认证标签●入侵者不能有效（容易）地产生通信双方没发送消息的认证标签。
2.数字签名（1）概念消息认证用以保护双方之间的数据交换不被第三方侵犯；但它无法防止通信双方的相互攻击（欺骗、抵赖等）。
假定A发送一个认证的信息给B，双方之间的争议可能有多种形式：●B伪造一个不同的消息，但声称是从A收到的。
●A可以否认发过该消息，B无法证明A确实发了该消息。
数字签名的基本功能，就是将消息与发起实体相关联，由签名算法和相应验证算法组成。
●数字签名过程：发送方用其私钥对报文进行加密●验证签名过程：利用发送方公钥解密签名，再与发送方出示的明文或明文摘要进行比较。
●签名算法：RSA、E1Gamal、DSS●签名方案：一次签名、群签名、盲签名等。
（2）数字签名的性质：●用户能有效（容易）地在他选择的文件上产生自己的签名。
●用户能有效（容易）地验证一给定的数字是否是另一特定用户在某特定文件上的签名。
●没人能在其他用户没签名的文件上有效（容易）地产生他们的签名。
（3）数字签名算法的分类：无仲裁数字签名：●仅涉及通信方，假定接受方知道发送方的公钥●优点：无仲裁，不需要与第三方通信，比较方便。
●缺点：方案的有效性依赖于发送方私钥的安全性。
如果私钥被窃取，他人就会冒充发送方进行签名。
信息安全第3讲-认证3(2011)
电力供应基础设施可以让各种电力设备获得运行 所需要的电压和电流
PKI 是什么?
• PKI(Pubic Key Infrastructure)是一系列基于公钥密 码学之上，用来创建、管理、存储、分布和作废证书 的软件、硬件、人员、策略和过程的集合。 基础：公钥密码学 动作：创建、管理、存储、分布和作废证书 包含：软件、硬件、人员、策略和过程 目的：表示和管理信任关系 作用： PKI能为网络用户建立安全通信信任机制。
• IPSEC • SSL/TLS
小结
PKI是一个用公钥技术来实施和提供安 全服务的具有普适性的安全基础设施 PKI的主要任务是管理密钥和证书 PKI由证书签发机构、证书注册机构、 证书库、密钥备份与恢复系统、证书废除系 统、应用接口组成 PKI标准化文档包括X.509、PKIX、 PKCS等
第3讲 信息认证技术与应用
孙旭 主讲 成都理工大学信息工程学院
目录
• • • • • • • • 一.引言 二.消息认证技术－验证完整性 三.数字签名技术－不可抵赖性 四.身份识别技术－用户标识 五.主体认证协议－证实身份 六. PKI 基本知识 七. PKI 关键技术 八. PKI 发展与应用
六、PKI 基本知识
PKIX系列文档
• 概貌 – RFC2459（描述证书和证书撤销列表）, RFC3280 • 运作协议 – RFC2559（描述LDAPv2）, RFC2560, RFC2585(描述FTP/HTTP操作协议), etc. • 管理协议 – RFC2510（描述证书管理协议CMP）, RFC2511, RFC2797, etc. • 策略概要– RFC2527 • 时间戳、数据验证和数据认证服务 – RFC3029, RFC3161 • • 处于IETF标准化的第一阶段：proposed standrad
信息安全概论第五章消息认证与数字签名
5.1.1 信息加密认证
信息加密函数分两种，一种是常规的对称密钥加密函数， 另一种是公开密钥的双密钥加密函数。下图的通信双方 是，用户A为发信方，用户B为接收方。用户B接收到信 息后，通过解密来判决信息是否来自A， 信息是否是完 整的，有无窜扰。
1.对称密码体制加密： 对称加密：具有机密性，可认证,不提供签名
通常b>n
24
5.2.3
MD5算法
Ron Rivest于1990年提出了一个称为MD4的散列函数。 他的设计没有基于任何假设和密码体制，不久，他的 一些缺点也被提出。为了增强安全性和克服MD4的缺 陷， Rivest于1991年对MD4作了六点改进，并将改进 后的算法称为MD5. MD5算法：将明文按512比特进行分组，即MD5中的 b=512bit，经填充后信息长度为512的倍数（包括64 比特的消息长度）。 填充：首位为1，其余补0至满足要求，即填充后的比 特数为512的整数倍减去64，或使得填充后的数据长 度与448模512同余。
18
通过以下方式使用散列函数常提供消息认证
（1）使用对称加密算法对附加消息摘要的报文进行加密 A B: EK(M||H(M)) 提供保密、认证 （2）使用对称加密方法对消息摘要加密 A B: M||EK(H(M)) 提供认证 （3）使用发方的私钥对消息摘要进行加密 A B: M||EKRa(H(M)) 提供数字签名、认证 （4）在（3）的基础上，使用对称加密方法进行加密 A B: EK(M||EKa(H(M)) ) 提供数字签名、认证和保密 （5）假定双方共享一个秘密值S，与消息M串接，计算散 列值 A B: M||(H(M||S)) 提供认证 （6）假定双方共享一个秘密值S，使用散列函数，对称加 密方法 A B: EK(M||H(M||S)) 提供数字签名、认证和保密19
《信息安全原理与技术》(第3版)习题答案
《信息安全》习题参考答案第1章1.1 主动攻击和被动攻击是区别是什么？答：被动攻击时系统的操作和状态不会改变，因此被动攻击主要威胁信息的保密性。
主动攻击则意在篡改或者伪造信息、也可以是改变系统的状态和操作，因此主动攻击主要威胁信息的完整性、可用性和真实性。
1.2 列出一些主动攻击和被动攻击的例子。
答：常见的主动攻击：重放、拒绝服务、篡改、伪装等等。
常见的被动攻击：消息内容的泄漏、流量分析等等。
1.3 列出并简单定义安全机制的种类。
答：安全机制是阻止安全攻击及恢复系统的机制，常见的安全机制包括：加密机制：加密是提供数据保护最常用的方法，加密能够提供数据的保密性，并能对其他安全机制起作用或对它们进行补充。
数字签名机制：数字签名主要用来解决通信双方发生否认、伪造、篡改和冒充等问题。
访问控制机制：访问控制机制是按照事先制定的规则确定主体对客体的访问是否合法，防止未经授权的用户非法访问系统资源。
数据完整性机制：用于保证数据单元完整性的各种机制。
认证交换机制：以交换信息的方式来确认对方身份的机制。
流量填充机制：指在数据流中填充一些额外数据，用于防止流量分析的机制。
路由控制机制：发送信息者可以选择特殊安全的线路发送信息。
公证机制：在两个或多个实体间进行通信时，数据的完整性、来源、时间和目的地等内容都由公证机制来保证。
1.4 安全服务模型主要由几个部分组成，它们之间存在什么关系。
答：安全服务是加强数据处理系统和信息传输的安全性的一种服务，是指信息系统为其应用提供的某些功能或者辅助业务。
安全服务模型主要由三个部分组成：支撑服务，预防服务和恢复相关的服务。
支撑服务是其他服务的基础，预防服务能够阻止安全漏洞的发生，检测与恢复服务主要是关于安全漏洞的检测，以及采取行动恢复或者降低这些安全漏洞产生的影响。
1.5 说明安全目标、安全要求、安全服务以及安全机制之间的关系。
答：全部安全需求的实现才能达到安全目标，安全需求和安全服务是多对多的关系，不同的安全服务的联合能够实现不同的安全需求，一个安全服务可能是多个安全需求的组成要素。
06_密码学基础(五)_消息认证和数字签名
密码学基础(五)
内容
消息认证
MAC 散列算法
MD5 SHA/SHA-1
数字签名
问题的提出
通信威胁： 1. 泄露：把消息内容发布给任何人或没有合法密钥的 进程 2. 流量分析：发现团体之间信息流的结构模式。在一 个面向连接的应用中，可以用来确定连接的频率和持 续时间长度 3. 伪造：从一个假冒信息源向网络中插入消息 4. 内容修改：消息内容被插入删除变换修改 5. 顺序修改：插入删除或重组消息序列 6. 时间修改：消息延迟或重放 7. 否认：接受者否认收到消息，发送者否认发送过消 息
认证编码的基本方法
认证编码的基本方法是要在发送的消息中引入多余度 ，使通过信道传送的可能序列集Y大于消息集X。 对于任何选定的编码规则，则(相应于某一特定密钥) ：发方从Y中选出用来代表消息的许用序列，即码字 收方根据编码规则唯一地确定出发方按此规则向他传 来的消息。 窜扰者由于不知道密钥，因而所伪造的假码字多是Y 中的禁用序列，收方将以很高的概率将其检测出来， 而被拒绝认证 系统设计者的任务是构造好的认证码 (Authentication Code),使接收者受骗概率极小化
注：若设E=1- e(-(k(k-1)/(2n)) ,可解出k的关于n、E 的函数，有
若略去-k项，有：k≈(n(ln(1/(1-E))×2)0.5； 若取E=0.5,我们估计：k≈1.17 n0.5 ≈n0.5 说明在集合X中，n0.5个随机元素散列的结果产 生一个碰撞的概率为50%!
MAC算法的要求
条件：
攻击者知道MAC函数但不知道密钥K 已知M和CK(M)，要想构造M使得CK(M)=CK(M)在 计算上不可行 (计算上无碰撞) CK(M)均匀分布：随机选择M和M, Pr[CK(M) = CK(M)]=2-|MAC| f是M的一个变换(例如对某些位取反),那么, Pr[CK(M)= CK(f(M))]=2-|MAC|
消息认证与数字签名
最后一次i循环得到的ABCD级联起来 (共4*32=128位 )就是报文摘要。
说明：常数组T[1…64]：T[i]为32位整 数，第i步中， T[i]取232*abs(sin(i))的整数 部分，用十六进制表示，i的单位是弧度。 有的算法中直接给出了常数。如第1轮：
[ABCD 0 7 oxd76aa478] [ABCD 0 7 oxe8c7b756] [ABCD 0 7 ox242070db] [ABCD 0 7 oxc1bdceee] ………
(3)报文分组
按照每组512位，将报文分成n+1组：Y0、 Y1…Yn。每一分组又可表示为16个32位的子 分组。
(4)初始化MD5参数
MD5中有4个32位的链接变量，用于存 储中间结构和最终散列值。初始值用十六进 制表示，分别为：
A=ox01234567 C=oxfedcba98 B=ox89abcdef D=ox76543210
第一个人的生日为特定生日； 第二个人不在该日生的概率为(1-1/365) ； 第三个人与前二人不同生日的概率为(1-2/365) ； ……………. 第t个人与前t-1人不同生日的概率为(1-(t-1)/365) ； 所以t个人都不同生日的概率为
1* (1-1/365) * (1-2/365) *…*(1-(t-1)/365)
没被改变。
5.使用Hash函数提供消息鉴别
①对称加密 提供保密与鉴别
A→B：EK(M‖H(M))
②对称加密
提供鉴别
A→B：M‖EK(H(M))
③公钥加密
提供鉴别与数字签名
A→B：M‖EKa(H(M))
④在③的基础上 对称加密 提供鉴别、数
字签名与保密 A→B：EK (M‖EKa(H(M)))
网络信息安全技术-第四章 数字签名与认证技术
密钥生成算法Gen
者消以息签对名(m秘, 密s)密为钥输S入k对，消输息出m0所或做1，的即 V签er名(P，k,即m,Ssi)g→(S{k0,,m1)}→，s如。果
签名生成算法Sig
s∈Sig(m)，则输出1说明签名有效； 反之输出0，则说明签名无效
签名验证算法Ver
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4.2 消息认证与哈希函数
第4章 数字签名与认证技术
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第四章 数字签名与认证技术
在网络环境下，数字签名与认证技术是信 息完整性和不可否认性的重要保障，是公钥密 码体制的重要应用。信息的发送方可以对电子 文档生成数字签名，信息的接收方则在收到文 档及其数字签名后，可以验证数字签名的真实 性。身份认证则是基于数字签名技术为网络世 界中实体的身份提供可验证性。
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哈希函数的结构
由Merkle提出的迭代哈希函数一般结构如图 所示，这也是目前大多数哈希函数（MD5、SHA-1、
RIPEMD）的结构。其中，IV称为初始向量，CV称 为链接变量，Yi是第i+1个输入消息分组，f称为 压缩函数，L为输入的分组数，l为哈希函数的输 出长度，b为输入分组长度。
哈希函数的性质 哈希函数的结构 安全哈希函数（SHA） 消息认证
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哈希函数的性质
定义 哈希（Hash）函数是一个输入为任意长的二元
串，输出为固定长度的二元串的函数。一般用
H(·)表示哈希函数，若输出是长度为l的二元串，
哈希函数表示为：
H(·):{0,1}*→{0,1}l
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碰撞性（Collision Resistant），是指求出
任意M,M′∈{0,1}*，且M′≠M，使得 H(M′)=H(M)是困难的。
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认证的目的
• 可提供认证功能的认证码的函数可分为三 类：
– 加密函数：使用消息发送方和消息接收方共 享的密钥对整个消息进行加密，则整个消息 的密文作为认证符。
– 消息认证码：它是消息和密钥的函数，产生 定长度值，该值作为消息的认证符。
• 在这种方法中假定通信双方A和B共享密 钥K。若A向B发送消息M时，则A使用消
息M和密钥K，计算MAC＝C(K,M)
消息认证码的使用
消息认证码的使用（续）
MAC的安全要求
• MAC中使用了密钥，这点和对称密钥加密 一样，如果密钥泄漏了或者被攻击了，则 MAC的安全性则无法保证。
• 在基于算法的加密函数中，攻击者可以尝 试所有可能的密钥以进行穷举攻击，一般 对k位的密钥，穷举攻击需要2(k-1)步。
• 攻击者针对下面的MAC算法，则不需要使用穷举攻击即可获 得密钥信息。
• 设消息M＝(X1||X2||…||Xm)，即由64位分组Xi联结而成。定义
Δ(M)＝X1X2… Xm Ck(M)=EK[Δ(M)] 攻击者可以用任何期望的Y1至Ym-1替代X1至Xm-1，用Ym替代 Xm来进行攻击，其中Ym如下计算的：
• 3．抗强碰撞性：找到任何满足H(x)=H(y) 的偶对(x,y)在计算上是不可行的。
生日攻击（Birthday Attack）
• 如果攻击者希望伪造消息M的签名来欺骗接收者 ，则他需要找到满足H(M’)=H(M)的M’来替代M 。对于生成64位散列值的散列函数，平均需要 尝试263次以找到M’。但是建立在生日悖论上的 生日攻击法，则会更有效。
MAC的性质
• 一个安全的MAC函数应具有下列性质：
– 若攻击者知道M和Ck(M)，则他构造满足 Ck(M’)= Ck(M)的消息M’在计算上是不可行的 。
– Ck(M)应是均匀分布的，即对任何随机选择的 消息M和M’, Ck(M)=Ck(M’)的概率是2-n,其中n 是MAC的位数。
– 设M’是M 的某个已知的变换，即M’=f(M)，则 Ck(M)= Ck(M’)的概率为2-n。
信息安全原理与技术之 消息认证与数字签名
2020年4月25日星期六
第5章 消息认证与数字签名
• 主要知识点：
-- 认证 -- 认证码 -- 散列函数 -- MD5 -- SHA-512 -- 数字签名
认证
• 认证则是防止主动攻击的重要技术，可以 防止如下一些攻击 ：
– 伪装：攻击者生成一个消息并声称这条消息是来自某 合法实体，或者攻击者冒充消息接收方向消息发送方 发送的关于收到或未收到消息的欺诈应答。
m2m1且H(m2)=H(m1)的m2在计算上是不可行的； • 找到任何满足H(m1)=H(m2)且m1 m2的消息对(m1, m2)
在计算上是不可行的。
Hash的一般结构
Hash函数的安全要求
• 1．单向性：对任何给定的散列码h，找到 满足H(x)＝h的x在计算上是不可行的。
• 2．抗弱碰撞性：对任何给定的消息x，找 到满足y≠x且H(x)=H(y)的y在计算上是不 可行的。
在计算上是不可行的。
安全的Hash函数的要求
• H可以应用于任意长度的数据块，产生固定长度的散列 值；
• 对每一个给定的输入m，计算H(m)是很容易的； • 给定Hash函数的描述，对于给定的散列值h，找到满足
H(m) = h的m在计算上是不可行的； • 给定Hash函数的描述，对于给定的消息m1，找到满足
• 对于上述问题换种说法：假设一个函数有n个函 数值，且已知一个函数值H(x)。任选k个任意数 作为函数的输入值，则k必须为多大才能保证至 少找到一个输入值y且H(x)=H(y)的概率大于0.5?
• 对每一个给定的输入m，计算H(m)是很容易的； • 给定Hash函数的描述，对于给定的散列值h，找到满足
H(m) = h的m在计算上是不可行的； • 给定Hash函数的描述，对于给定的消息m1，找到满足
m2m1且H(m2)=H(m1)的m2在计算上是不可行的； • 找到任何满足H(m1)=H(m2)且m1 m2的消息对(m1, m2)
对MAC的攻击
•第一轮
·给定M1, MAC1＝CK(M1) ·对所有2k个密钥判断MACi＝CKi(M1)
·匹配数2(k-n) 。 •第二轮
·给定M2, MAC2＝CK(M2) ·对循环1中找到的2(k-n)个密钥判断MACi＝CKi
(M2) ·匹配数2(k-2n) 。 • 攻击者可以按此方法不断对密钥进行测试，直到 将匹配数缩写到足够小的范围。平均来讲，若
Ym＝Y1Y2…Ym-1Δ(M) 攻击者可以将Y1至Ym-1与原来的MAC连结成一个新的消息M’ ，接收方收到(M’, Ck(M))时，由于Δ(M’)= Y1 Y2… Ym =Δ(M)，因此Ck(M)=EK[Δ(M’)]，接受者会认为该消息是真实 。用这种办法，攻击者可以随意插入任意的长为64(m-1)位 的消息。
– 散列函数：它是将任意长的消息映射为定长 的hash值的函数，以该hash值作为认证符。
基本的认证系统模型
消息认证码
• 消息认证码，简称MAC (Message Authentication Code)，是一种使用密钥 的认证技术，它利用密钥来生成一个固定 长度的短数据块，并将该数据块附加在消 息之后。
基于DES的消息认证码
Hash函数
• Hash函数(也称散列函数或杂凑函数)是将 任意长的输入消息作为输入生成一个固定 长的输出串的函数，即h=H(M)。这个输 出串h称为该消息的散列值（或消息摘要 ，或杂凑值）。
安全的Hash函数的要求
• H可以应用于任意长度的数据块，产生固定长度的散列 值；
– 内容修改：对消息内容的修改，包括插入、删除、转 换和修改。
– 顺序修改：对通信双方消息顺序的修改，包括插入、 删除和重新排序。
– 计时修改：对消息的延迟和重放。在面向连接的应用 中，攻击者可能延迟或重放以前某合法会话中的消息 序列，也可能会延迟或重放是消息序列中的某一条消 息。
认证的目的
• 第一，验证消息的发送者是合法的，不是 冒充的，这称为实体认证，包括对信源、 信宿等的认证和识别；