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PGP工作原理及其安全體制
摘要：介紹了PGP的工作原理和流程，同時對PGP獨特的密鑰管理體制的安全應用進行了詳細分析。關鍵詞：PGP（PrettyGoodPrivacy）證書密鑰環(huán)
現(xiàn)代信息社會里，當電子郵件廣受歡迎的同時，其安全性問題也很突出。實際上，電子郵件的傳遞過程是郵件在網(wǎng)絡上反復復制的過程，其網(wǎng)絡傳輸路徑不確定，很容易遭到不明身份者的竊取、篡改、冒用甚至惡意破壞，給收發(fā)雙方帶來麻煩。進行信息加密，保障電子郵件的傳輸安全已經(jīng)成為廣大E-mail用戶的迫切要求。PGP的出現(xiàn)與應用很好地解決了電子郵件的安全傳輸問題。將傳統(tǒng)的對稱性加密與公開密鑰方法結(jié)合起來，兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點。PGP提供了一種機密性和鑒別的服務，支持1024位的公開密鑰與128位的傳統(tǒng)加密算法，可以用于軍事目的，完全能夠滿足電子郵件對于安全性能的要求。
1操作描述
PGP的實際操作由五種服務組成：鑒別、機密性、電子郵件的兼容性、壓縮、分段和重裝。
1.1鑒別
如圖1。步驟如下：
�。�1）發(fā)送者創(chuàng)建報文；
�。�2）發(fā)送者使用SHA-1生成報文的160bit散列代碼（郵件文摘）；
�。�3）發(fā)送者使用自己的私有密鑰，采用RSA算法對散列代碼進行加密，串接在報文的前面；
（4）接收者使用發(fā)送者的公開密鑰，采用RSA解密和恢復散列代碼；
�。�5）接收者為報文生成新的散列代碼，并與被解密的散列代碼相比較。如果兩者匹配，則報文作為已鑒別的報文而接收。
另外，簽名是可以分離的。例如法律合同，需要多方簽名，每個人的簽名是獨立的，因而可以僅應用到文檔上。否則，簽名將只能遞歸使用，第二個簽名對文檔的第一個簽名進行簽名，依此類推。
圖1
1.2機密性
在PGP中，每個常規(guī)密鑰只使用一次，即對每個報文生成新的128bit的隨機數(shù)。為了保護密鑰，使用接收者的公開密鑰對它進行加密。圖2顯示了這一步驟，描述如下：
�。�1）發(fā)送者生成報文和用作該報文會話密鑰的128bit隨機數(shù)；
�。�2）發(fā)送者采用CAST-128加密算法，使用會話密鑰對報文進行加密。也可使用IDEA或3DES；
�。�3）發(fā)送者采用RSA算法，使用接收者的公開密鑰對會話密鑰進行加密，并附加到報文前面；
（4）接收者采用RSA算法，使用自己的私有密鑰解密和恢復會話密鑰；
�。�5）接收者使用會話密鑰解密報文。
除了使用RSA算法加密外，PGP還提供了DiffieHellman的變體EIGamal算法。
1.3常規(guī)加密和公開密鑰結(jié)合的好處
（1）常規(guī)加密和公開密鑰加密相結(jié)合使用比直接使用RSA或E1Gamal要快得多。
�。�2）使用公開密鑰算法解決了會話密鑰分配問題。
�。�3）由于電子郵件的存儲轉(zhuǎn)發(fā)特性，使用握手協(xié)議來保證雙方具有相同會話密鑰的方法是不現(xiàn)實的，而使用一次性的常規(guī)密鑰加強了已經(jīng)是很強的常規(guī)加密方法。
1.4機密性與鑒別
如圖3所示，對報文可以同時使用兩個服務。首先為明文生成簽名并附加到報文首部；然后使用CAST-128（或IDEA、3DES）對明文報文和簽名進行加密，再使用RSA（或E1Gamal）對會話密鑰進行加密。在這里要注意次序，如果先加密再簽名的話，別人可以將簽名去掉后簽上自己的簽名，從而篡改簽名。
圖2
1.5電子郵件的兼容性
當使用PGP時，至少傳輸報文的一部分需要加密，因此部分或全部的結(jié)果報文由任意8bit字節(jié)流組成。但由于很多的電子郵件系統(tǒng)只允許使用由ASCII正文組成的塊，所以PGP提供了radix-64(就是MIME的BASE64格式)轉(zhuǎn)換方案，將原始二進制流轉(zhuǎn)化為可打印的ASCII字符。
1.6壓縮
PGP在加密前進行預壓縮處理，PGP內(nèi)核使用PKZIP算法壓縮加密前的明文。一方面對電子郵件而言，壓縮后再經(jīng)過radix-64編碼有可能比明文更短，這就節(jié)省了網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r間和存儲空間；另一方面，明文經(jīng)過壓縮，實際上相當于經(jīng)過一次
變換，對明文攻擊的抵御能力更強。
1.7分段和重裝
電子郵件設施經(jīng)常受限于最大報文長度（50000個）八位組的限制。分段是在所有其他的處理（包括radix-64轉(zhuǎn)換）完成后才進行的，因此，會話密鑰部分和簽名部分只在第一個報文段的開始位置出現(xiàn)一次。在接收端，PGP必須剝掉所在的電子郵件首部，并且重新裝配成原來的完整的分組。
2加密密鑰和密鑰環(huán)
2.1會話密鑰的生成
PGP的會話密鑰是個隨機數(shù)，它是基于ANSIX.917的算法由隨機數(shù)生成器產(chǎn)生的。隨機數(shù)生成器從用戶敲鍵盤的時間間隔上取得隨機數(shù)種子。對于磁盤上的randseed.bin文件是采用和郵件同樣強度的加密。這有效地防止了他人從randseed.bin文件中分析出實際加密密鑰的規(guī)律。
2.2密鑰標志符
允許用戶擁有多個公開/私有密鑰對：（1）不時改變密鑰對；（2）同一時刻，多個密鑰對在不同的通信組交互。所以用戶和他們的密鑰對之間不存在一一對應關系。假設A給B發(fā)信，B就不知道用哪個私鑰和哪個公鑰認證。因此，PGP給每個用戶公鑰指定一個密鑰ID，這在用戶ID中可能是唯一的。它由公鑰的最低64bit組成（Kuamod264）,這個長度足以使密鑰ID重復概率非常小。
2.3密鑰環(huán)
密鑰需要以一種系統(tǒng)化的方法來存儲和組織，以便有效和高效地使用。PGP在每個結(jié)點提供一對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個是存儲該結(jié)點年月的公開/私有密鑰對（私有密鑰環(huán)）；另一個是存儲該結(jié)點知道的其他所有用戶的公開密鑰。相應地，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被稱為私有密鑰環(huán)和公開密鑰環(huán)。
3公開密鑰管理
3.1公開密鑰管理機制
一個成熟的加密體系必然要有一個成熟的密鑰管理機制配磁。公鑰體制的提出就是為了解決傳統(tǒng)加密體系的密鑰分配過程不安全、不方便的缺點。例如網(wǎng)絡黑客們常用的手段之一就是“監(jiān)聽”，通過網(wǎng)絡傳送的密鑰很容易被截獲。對PGP來說，公鑰本來就是要公開，就沒有防監(jiān)聽的問題。但公鑰的發(fā)布仍然可能存在安全性問題，例如公鑰被篡改（publickeytampering），使得使用公鑰與公鑰持有人的公鑰不一致。這在公鑰密碼體系中是很嚴重的安全問題。因此必須幫助用戶確信使用的公鑰是與他通信的對方的公鑰。
圖3
以用戶A和用戶B通信為例，現(xiàn)假設用戶A想給用戶B發(fā)信。首先用戶A就必須獲取用戶B的公鑰，用戶A從BBS上下載或通過其它途徑得到B的公鑰，并用它加密信件發(fā)給B。不幸的是，用戶A和B都不知道，攻擊者C潛入BBS或網(wǎng)絡中，偵聽或截取到用戶B的公鑰，然后在自己的PGP系統(tǒng)中以用戶B的名字生成密鑰對中的公鑰，替換了用戶B的公鑰，并放在BBS上或直接以用戶B的身份把更換后的用戶B的“公鑰”發(fā)給用戶A。那A用來發(fā)信的公鑰是已經(jīng)更改過的，實際上是C偽裝B生成的另一個公鑰（A得到的B的公鑰實際上是C的公鑰/密鑰對，用戶名為B）。這樣一來B收到A的來信后就不能用自己的私鑰解密了。更可惡的是，用戶C還可偽造用戶B的簽名給A或其他人發(fā)信，因為A手中的B的公鑰是仿造的，用戶A會以為真是用戶B的來信。于是C就可以用他手中的私鑰來解密A給B的信，還可以用B真正的公鑰來轉(zhuǎn)發(fā)A給B的信，甚至還可以改動A給B的信。
3.2防止篡改公鑰的方法
�。�1）直接從B手中得到其公鑰，這種方法有局限性。
�。�2）通過電話認證密鑰：在電話上以radix-64的形式口述密鑰或密鑰指紋。密鑰指紋（keysfingerprint）就是PGP生成密鑰的160bit的SHA-1摘要（16個8位十六進制）。
�。�3）從雙方信任的D那里獲得B的公鑰。如果A和B有一個共同的朋友D，而D知道他手中的B的公鑰是正確的。D簽名的B的公鑰上載到BBS上讓用戶去拿，A想要獲得B的公鑰就必須先獲取D的公鑰來解密BBS或網(wǎng)上經(jīng)過D簽名的B的公鑰，這樣就等于加了雙重保險，一般沒有可能去篡改而不被用戶發(fā)現(xiàn)，即使是BBS管理員。這就是從公共渠道傳遞公鑰的安全手段。有可能A拿到的D或其他簽名的朋友的公鑰也是假的，但這就要求攻擊者C必須對三人甚至很多人都很熟悉，這樣的可能性不大，而且必需經(jīng)過長時間的策劃。
只通過一個簽名證力度可能是小了一點，于是PGP把用不同私鑰簽名的公鑰收集在一起，發(fā)送到公共場合，希望大部分從至少認識其中一個，從而間接認證了用戶（A）的公鑰。同樣用戶（D）簽了朋友（A）的公鑰后應該寄回給他（A）（朋友），這樣可以讓他（A）通過該用戶（D）被該用戶（D）的其他朋友所認證。與現(xiàn)實中人的交往一樣。PGP會自動根據(jù)用戶拿到的公鑰分析出哪些是朋友介紹來的簽名的公鑰，把它們賦以不同的信任級別，供用戶參考決定對它們的信任程度。也可指定某人有幾層轉(zhuǎn)介公鑰的能力，這種能力隨著認證的傳遞而遞減的。
�。�4）由一個普通信任的機構(gòu)擔當?shù)谌�，即“認證機構(gòu)”。這樣的“認證機構(gòu)”適合由非個人控制的組織或政府機構(gòu)充當，來注冊和管理用戶的密鑰對�，F(xiàn)在已經(jīng)有等級認證制定的機構(gòu)存在，如廣東省電子商務電子認證中心（WWW.cnca.net）就是一個這樣的認證機構(gòu)。對于那些非常分散的用戶，PGP更贊成使用私人方式的密鑰轉(zhuǎn)介。
3.3信任的使用
PGP確實為公開密鑰附加侂任和開發(fā)信任信息提供了一種方便的方法使用信任。
公開密鑰環(huán)的每個實體都是一個公開的密鑰證書。與每個這親的實體相聯(lián)系的是密鑰合法性字段，用來指示PGP信任“這是這個用戶合法的公開密鑰”的程度；信任程度越高，這個用戶ID與這個密鑰的綁定越緊密。這個字段由PGP計算。與每個實體相聯(lián)系的還有用戶收集的多個簽名。反過來，每個簽名都帶有簽名信任字段，用來指示該PGP用戶信任簽名者對這個公開密鑰證明的程度。密鑰合法性字段是從這個實體的一組簽名信任字節(jié)中推導出來的。最后，每個實體定義了與特定的擁有者相聯(lián)系的公開密鑰，包括擁有者信任字段，用來指示這個公開密鑰對其他公開密鑰證書進行簽名的信任程度（這個信任程度是由該用戶指定的）�？梢园押灻湃巫侄慰闯墒莵碜杂谄渌麑嶓w的擁有者信任字段的副本。
例如正在處理用戶A的公開密鑰環(huán)，操作描述如下：
�。�1）當A在公開密鑰環(huán)中插入了新的公開密鑰時，PGP為與這個公開密鑰擁有者相關聯(lián)的信任標志賦值，插入KUa，則賦值=1終極信任；否則，需說明這個擁有者是未知的、不可任信的、少量信任的和完全可信的等，賦以相應的權重值1/x、1/y等。
�。�2）當新的公開密鑰輸入后，可以在它上面附加一個或多個簽名，以后還可以增加更多的簽名。在實體中插入簽名時，PGP在公開密鑰環(huán)中搜索，查看這個簽名的作者是否屬于已知的公開密鑰擁有者。如果是，為這個簽名的SIGTRUST字段賦以該擁的者的OWNERTRUST值。否則，賦以不認識的用戶值。
（3）密鑰合法性字段的值是在這個實體的簽名信任字段的基礎上計算的。如果至少一個簽名具有終極信任的值，那么密鑰合法性字段的設置為完全；否則，PGP計算信任值的權重和。對于總是可信任的簽名賦以1/x的權重，對于通常可信任的簽名賦以權重1/y，其中x和y都是用戶可配置的參數(shù)。當介紹者的密鑰/用戶ID綁定的權重總達到1時，綁定被認為是值得信任的，密鑰合法性被設置為完全。因此，在沒有終極信任的情況下，需要至少x個簽名總是可信的，或者至少y個簽名是可信的，或者上述兩種情況的某種組合。如圖4所示。
總之，PGP采用了RSA和傳統(tǒng)加密的雜合算法，用于數(shù)字簽名的郵件文摘算法、加密前壓縮等，可以用來加密文件，還可以代替Uuencode生成RADIX64格式（就是MIME的BASE64格式）的編碼文件。PGP創(chuàng)造性地把RSA公鑰體系的方便和傳統(tǒng)加密體系的高速度結(jié)合起來，并且在數(shù)字簽名和密鑰認證管理機制上有巧妙的設計。這是目前最難破譯的密碼體系之一。
用戶通過PGP的軟件加密程序，可以在不安全的通信鏈路上創(chuàng)建安全的消息和通信。PGP協(xié)議已經(jīng)成為公鑰加密技術和全球范圍內(nèi)消息安全性的事實標準。因為所有人都能看到它的源代碼，從而查找出故障和安全性漏局。
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