基于模塊屬性的遠(yuǎn)程證明協(xié)議

彭新光，王曉陽

(太原理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西太原030024)

0 引言

可信計算通過建立信任鏈?zhǔn)箤嶓w行為按照預(yù)期的方式與目標(biāo)運(yùn)行［1-2］，遠(yuǎn)程證明指網(wǎng)絡(luò)中的兩個實體在信息交互前需要判定實體的可信狀態(tài)。因此，遠(yuǎn)程證明是可信計算的重要內(nèi)容之一。可信遠(yuǎn)程證明已取得很多成果，其中，基于屬性的遠(yuǎn)程證明具有優(yōu)勢和發(fā)展前景。它克服了基于配置遠(yuǎn)程證明中步驟繁多、證明信息量大和平臺信息易被竊取等不足，實現(xiàn)了快速和高效的驗證過程。基于屬性的遠(yuǎn)程證明架構(gòu)首先由Poritz提出，之后Chen提出了基于屬性遠(yuǎn)程證明協(xié)議，Qin提出了基于組件屬性的遠(yuǎn)程證明，這些研究成果對基于屬性遠(yuǎn)程證明的發(fā)展具有極大的幫助［3-5］。

現(xiàn)存的基于屬性的遠(yuǎn)程證明具有以下缺點(diǎn):證書權(quán)威發(fā)布機(jī)為組件頒布屬性證書后，證書完全暴露在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，證書的安全性得不到保證。而對證書的加密是另外一道工序，效率低;證書權(quán)威驗證機(jī)構(gòu)的驗證壓力過大，其不但要驗證屬性證書的正確性，還要驗證度量值與對應(yīng)安全等級的相關(guān)性是否符合規(guī)定［6-8］。

本文在原有屬性遠(yuǎn)程證明協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種新的模塊級的屬性遠(yuǎn)程證明方案。該方案有以下特點(diǎn):引入簽密，在各模塊屬性證書生成和加密一起完成，提高了整個證明方案的安全性［9-10］;將驗證中心拆分為證書正確性驗證中心和屬性驗證中心兩部分，分別對證書的正確性和屬性值進(jìn)行驗證，提高了整個驗證體系的驗證效率［11-12］。

1 模塊屬性證明體系

在本文的模塊屬性證明體系中，將整個體系分為6個部分，如圖1所示。

(1)模塊生產(chǎn)商 (Module Factory):生產(chǎn)用戶平臺所需的模塊。沒有發(fā)布模塊證書的權(quán)利。

(2)證書權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu) (Certificate Authorization):負(fù)責(zé)為模塊發(fā)布模塊屬性證書。

(3)用戶平臺 (User Platform):配置有TPM Trusted Platform Module)，接受并使用配有屬性證書的各模塊，并向服務(wù)提供商提出數(shù)據(jù)請求。

(4)服務(wù)提供商 (Trusted Platform Module):為用戶平臺提供各種服務(wù)，自身沒有檢測用戶平臺真?zhèn)蔚哪芰Α?/p>

(5)正確性驗證中心 (Accuracy Verification Center):驗證屬性證書的正確性。不具有檢驗屬性與度量值對應(yīng)關(guān)系的能力。

(6)屬性驗證中心 (Property Verification Center):驗證屬性證書中屬性與度量值對應(yīng)關(guān)系的正確性。

一個完整的模塊屬性驗證過程為:

1)模塊生產(chǎn)商生成模塊。

2)證書權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu)為模板頒發(fā)屬性證書。

3)用戶獲得模塊、向服務(wù)提供商提出服務(wù)請求。

4)服務(wù)提供商要求驗證模塊，并獲得度量值摘要與模塊屬性證書。

5)證書正確性驗證中心確定屬性證書是否正確，有無被篡改。

6)屬性驗證中心確定度量值摘要中的值是否與屬性證書中的值相匹配，屬性證書是否過期。

圖1 模塊屬性證明體系

2 模塊屬性證明協(xié)議

2.1 遠(yuǎn)程證明中模塊屬性的定義

根基TNC規(guī)范，當(dāng)模塊生產(chǎn)商制造出某一模塊后，它會首先被定義一個ID，長度為32位 (bit);然后經(jīng)過模塊生產(chǎn)商的TPM度量后，會生成度量值ζ，長度為160位;最后是與該度量值安全等級相對應(yīng)的屬性值P，長度為160位。

所以對于模塊Ki，其配置為(ID，ζi，Pi)

2.2 遠(yuǎn)程證明協(xié)議

針對當(dāng)前遠(yuǎn)程證明存在的問題，本文提出了一種新的模塊級的遠(yuǎn)程證明協(xié)議［13-14］。

協(xié)議分為三步驟:

(1)模塊屬性證書的生成

1)證書權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu)初始化參數(shù)

在CA端，選擇一大素數(shù)p，并選擇p－1的一個大素因子q，g為乘法群中的一個q階元，hash為一個單向哈希函數(shù)，KHKEY為帶密鑰的單向哈希函數(shù))為一個對稱的加解密操作。

xCA∈為CA的私鑰，yCA=gxcamod p為CA的公鑰。CA將(p，q，g)傳送給屬性驗證中心 PVC，供解簽密時使用。

2)屬性驗證中心初始化參數(shù)

3)證書權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu)進(jìn)行簽密

對于MF端傳過來的消息m=(ID||ζ||p)，CA選擇對m進(jìn)行對稱加密，得到并計算k=gLmod p，r=k mod q，h=hash(m)，s=(h+xAr)/x mod q。最后得到e1=h/s mod q ，e2=r/s mod q 。CA 將 (p，q，g，h，r，s)發(fā)送至AVC，供驗證屬性證書正確性時使用。(c，e1，e2)為簽密后的模塊屬性證書。

(2)服務(wù)提供商與用戶間的遠(yuǎn)程證明交互

用戶平臺向服務(wù)提供商發(fā)出服務(wù)請求，服務(wù)提供商會發(fā)回一個隨機(jī)數(shù)N和用戶平臺需要達(dá)到的安全等級。

用戶平臺的TPM對與安全等級相對應(yīng)的模塊進(jìn)行度量。通過TPM的度量算法，度量出組件mod1到modn的度量值 ζ1到 ζn。

TPM選擇Hash函數(shù)Hashsum，對組件mod1到modn的ID值和度量值進(jìn)行連接操作，生成摘要

最后TPM利用skTPM進(jìn)行簽名:σ =SignskTPM(ο||N)。則用戶平臺的屬性簽名為

(3)服務(wù)提供商驗證屬性證書的正確性

然后，服務(wù)提供商將σproperty發(fā)送給屬性驗證中心PVC。

(4)PVC驗證屬性證書

由于m'=(id||ζ||P)，在通過id在數(shù)據(jù)庫中查詢組件的度量值是否對應(yīng)正確的屬性值，若對應(yīng)正確，則說明用戶平臺的信息真實可靠，PVC將屬性證書的驗證結(jié)果傳遞給SP。

2.3 協(xié)議分析

本論文提出的基于模塊屬性的遠(yuǎn)程證明協(xié)議滿足以下安全要求。

(1)不可偽造性。由屬性信息(id，ζ，P)生成的消息m并不在生成的簽密證書(c，e1，e2)中出現(xiàn)，簽密所需的關(guān)鍵參數(shù)(p，q，hash)都不對外公開。有效地防范了攻擊者通過m和(c，e1，e2)推算出簽密算法。

(2)可驗證性。簽密證書 (c，e1，e2)的驗證方式有兩種:一種為通過標(biāo)準(zhǔn)的DSA簽名驗證過程來完成，另一種是通過解簽密操作恢復(fù)出m，通過驗證來實現(xiàn)。本協(xié)議中，第一種驗證方式由AVC來完成，但AVC并不能得到消息m，而是從CA得到m的hash值，避免了m從AVC泄露出去的可能性。第二種驗證方式由PVC來完成。

(3)不可否認(rèn)性。用戶平臺U向服務(wù)提供商發(fā)送的σproperty中，包含服務(wù)提供商向他發(fā)送的隨機(jī)數(shù)N。同時σ的生成中也包含了隨機(jī)數(shù)N。當(dāng)用戶的屬性簽名沒有通過驗證后，他無法否認(rèn)此屬性簽名是自己所發(fā)。

3 協(xié)議原型模型

為在實踐中驗證協(xié)議方案的可行性，本文在Red Flag 6.0 系統(tǒng)下 (Intel Core i5 M480 2.67GHZ，Memory 1.98GB，Trusted Platform Module_Emula-tor，Java Trusted Software Stack)實現(xiàn)了協(xié)議方案原型。采用的編程環(huán)境為Eclipse，編程語言為Java語言

實驗中模塊屬性證明中的各模塊采用編寫Java程序所用的第三方Java開源包。每個Java開源包都包含有一個PropertyCertificate.java文件，為各開源包的屬性證書文件，其中包含有5個字段，見表1。

表1 屬性證書文件各字段說明

其中，模塊的身份號和度量值已確定，身份號由MF的隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)生成，度量值由TPM-Emulator中的sha1函數(shù)生成。屬性簽名對初始值為空，其值由CA頒發(fā)后獲得。獲得屬性證書值后，模塊的MeasureValue字端和 Property字端的值將被置為空值，只保留Id、Property_e1和Property_e2、Property_c字段。

原型模型時序圖如圖2所示。

圖2 原型模型時序圖

由圖2可知，協(xié)議的原型模型由6個組件構(gòu)成:模塊發(fā)布者 (MF)、用戶平臺 (USER)、服務(wù)提供商 (SP)、證書權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu) (CA)，正確性驗證中心 (AVC)和屬性驗證中心 (PVC)。

initializePropertyParameter()對屬性證書的參數(shù)進(jìn)行初始化。對于 p和q的初始化長度選擇有兩種:256bit和512bit。不同位數(shù)p和q的選取會對屬性簽名的長度產(chǎn)生影響，繼而影響其安全性，位數(shù)越大，安全性越大。大素數(shù)p和q由于是隨機(jī)生成，其生成時間并是完全確定的。

初始化256bit的 p、q及其生成元 g的平均時間為108ms，生成的時間分布圖如圖3所示。

圖3 256位的p、q，g生成時間

512bit的p、q，g初始化平均時間為373 ms，生成的時間分布圖如圖4所示。

參數(shù)總生成時間與 p、q，g生成時間對比圖如圖5所示。

其中，生成pca、qca、x這3個大素數(shù)的時間占到整個時間的53%～55%。signEnctypt()完成對消息m的簽密過程。在對稱加密采用256位AES的情況下，對于352位的代簽屬性信息 (32位ID值，160位度量值，160位屬性值)，在初始化參數(shù)為512位的情況下，簽密生成屬性簽名的平均時間分別為374ms。生成的屬性簽名 (c，e1，e2)中，c為128位、e1為256位、e2為256位。

sendParameterToAVC()將簽密時的部分參數(shù)和消息m的哈希值發(fā)送給AVC，供其驗證屬性證書正確性時使用。

sendParameterToPVC()將簽密時的全部參數(shù)發(fā)送給PVC，供其驗證屬性值匹配時使用。

verifyAccuracy()為通過DSA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字簽名算法驗證屬性證書的正確性。屬性簽名正確性驗證時間圖如圖6所示。

經(jīng)計算，驗證組件屬性證書正確性的所需的平均時間為75ms。

verifyProperty()為解簽密過程和匹配度量值與屬性值的過程。時間分布圖如圖7所示。

經(jīng)計算，解簽密及度量值、屬性值匹配所需的平均時間為98ms。

4 結(jié)束語

本文給出了一種抗風(fēng)險性較強(qiáng)、效率較高的模塊屬性遠(yuǎn)程證明協(xié)議。協(xié)議中提出以“模塊屬性”為單位執(zhí)行遠(yuǎn)程證明;采用用簽密減小了屬性證書的生成時間;同時協(xié)議分擔(dān)了驗證中心的數(shù)據(jù)壓力;執(zhí)行效率與現(xiàn)有遠(yuǎn)程證明方案相比有較大提升。

當(dāng)前方案中，CA在進(jìn)行屬性證書簽名時，擁有模塊屬性的全部信息。下一步工作集中在使CA進(jìn)行盲簽密，使其在簽名時無法獲得模塊的屬性信息，進(jìn)一步提高協(xié)議的安全性。

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