证书撤销方法研究

　　 摘 要 PKI是网络安全的基础，其安全性和可靠性直接影响到上层的网络安全，证书撤销是PKI系统中重要的一个方面。本文详细讨论了现存的证书撤销状态信息发布方法, 并结合时戳服务提出了新的解决方案.该方法在现有时戳协议的基础上, 通过时戳提供证书的状态信息,可以有效降低系 统成本,提高系统的工作效率。 关键词 PKI; 证书撤销列表; 时戳服务
0 引 言 信息安全是日渐得到社会各方注意的热点问题之一。如何在公共网络上保证信息的完整性、机密性和不可否认性是各国推进电子商务、发展网络事业的最大挑战。公钥体制正迅速地成为解决这一问题的基础技术，但它的广泛应用要求有一个公钥基础设施来发布和管理这些公钥值。公钥基础设施( Public Key Infrastructure, 简称PKI )作为一个普适性的基础设施，能为多种协议和安全应用提供统一接口和底层支撑。它能在没有安全保障的公共网络中实现认证、密钥管理、数字签名和不可否认等服务，从而最大限度地满足网络安全的需要。在网络安全问题日趋严重的今天，PKI的应用具有非常重要的意义。 当密钥对的公钥以证书的形式公布后，在其整个有效期内都应该是可使用的。但是在某些情况下，比如发现或怀疑私钥被损害、用户名称的改变以及主体和CA之间关系的变化（比如终止雇佣关系）等，可能需要在密钥的有效期终止之前停止对该密钥的使用。在这些情况下，客户或CA需要撤消证书。用户在验证一个证书是否有效时，通常需要验证该证书是否已被撤消，因此证书撤销在PKI系统中的重要性不言而喻。由于PKI是网络安全的基础，所以其安全性和可靠性直接影响到上层的网络安全，本文详细讨论了PKI技术中有关证书撤销的方式，并提出了新的解决方案。1 现存证书撤销方案证书撤销的方法很多，最常用的方法是周期性的发布机制，比如CA颁发的证书撤消列表（Certificate Revokation List,简称CRL）。另一种方法是在线查询机制如在线证书状态协议。在文献[3]中对现存的证书撤销方法给予了详细说明，在此本文仅对这些方式给以简单介绍。1.1周期发布机制 CRL是一些带有时戳的被撤消证书的列表。CRL可以发布在已知的网址上或从CA自己的X.500目录条目中定期进行发布。每个被撤消的证书在CRL中由其证书序列号来确认。CRL的完整性和可靠性由它本身的数字签名来保障。 大规模网络环境中PKI的构成是复杂的，往往用于鉴别密钥的不再是一个单独的证书，而是一个证书链。要确认链中的证书的有效性，验证者需要获取与每一个证书相对应的CRL并一一加以验证。当CA的数量和层次较多时，下载和维护CRL就会成为沉重的负担。 CRL是定期发布的，而撤销请求的到达是随机的，从证书撤销请求到新的CRL公布之间的不确定的时间差。在这段时间中，被撤销的证书的状态是不一致的。这种不一致会严重影响到证书服务的质量。所以对PKI系统来说，CRL的更新和发布频率非常重要。另外随着用户的增加和系统使用时间延续，CRL列表有可能变得越来越大，最后可能使用户查询起来极不方便。到目前为止，对这个问题的解决方案有如下几种[6,7,8]：（1）完全CRL：即所有撤消证书都列在一个CRL表里，这只可能适合于那些用户群很小的PKI域。（2）CA撤消列表（ARL）：ARL不包括用户证书的撤消信息，相当于专项专用，因此在用户验证证书路径时会提高效率。（3）CRL分布点：这是目前最常采用的机制。系统对整个认证空间分区，并将一个单独的CRL与每个区联系。这种机制中的区段称为CRL发布点或分配点，所有撤消认证的子集就保留在这些点上。分区可以按照撤消原因、撤消证书是CA证书还是终端实体证书、用户的姓名等等来进行。每个发布点由一套名称来标识，这组名称可以有多种形式。一旦发布点定义下来，它们就可以包括在证书中，以至于那些必须检查证书状态的应用程序可以访问在证书中CRL发布点而不是主CRL中指定的CRL发布点，与主CRL相比，发布点中的CRL要小一些，可以加速证书状态检查的过程。CRL分配点可以通过使用证书中的cRLDistributionPoints扩展与证书联系起来。(4) 间接CRL：它使得在一个CRL中发布来自多个CA的撤消信息。间接CRL的使用可以减小用户在进行证书验证过程中需要检索的总的CRL的数目。(5) 证书撤消树：这是基于杂凑树概念的一种撤消列表方式。(6) Delta-CRL扩展：Delta-CRL允许用户只记录上次完整CRL发布后所发生的改变。用户维护着自己的CRL数据库，并利用Delta-CRL不断更新它。这样避免了下载整个CRL，节省了通信带宽和计算时间。每次Delta-CRL发布的时候，CA都需要同时发布一个完整的CRL。事实上，这些扩展并没有完全解决CRL撤消证书的延迟性问题。1.2在线检查周期性撤消列表方法的问题之一就是，证书使用系统不能容忍由于时间间隔而造成的撤消通知的延迟。根据应用环境，许多损害来自密钥受损的当天。在理想的情况下，当用户要使用某受损的证书时，他应该马上知道该证书已经受损。 通过实时撤消检查或在线状态检查(OCSP)，希望确认证书有效性的证书使用系统可以实现和相应的CA服务器之间的在线通讯。该通讯将返回关于该证书状态的一条指示。CA必须实现高度可用的在线服务，这种服务对所有的潜在用户都是可用的，并且必须在安全的环境中提供这种服务。对证书使用系统来说，该通讯在实时性和来源上必须是安全可靠的。这要求对每一次通讯，CA都产生数字签名，证书使用系统验证该签名。 实时状态检查在一些环境中运转良好，特别是在证书主体和证书使用的封闭环境中。但成本可能成为一个问题，尤其当环境的规模扩大时，考虑到服务器需要为每个询问通讯产生一个数字签名，所要求的加密处理资源也将特别昂贵。安全服务器的运作成本（包括所有安全控制的实施）将会很高。2 结合时间戳的证书撤销方案 在电子商务中，时间戳服务是一个必不可少的服务，通过时间戳服务为交易双方提供一个可信的交易时间，来标记交易的准确发生时间。RFC文档3161详细规定了PKI服务中提供时间戳服务的协议。作为一项重要的服务，时间戳服务同样必须进行安全防护，才能保证时间戳的安全性。时间服务器作为可信第三方TTP，客户端发送消息X的摘要H(X)到时间服务器，时间服务器获取当前时间t，并对(H(X),t)进行签字，把时间t和签字 SigTSS{(H(X),t)}回复给客户端。因为所有签字过程都需要一个可信的时间戳，作为签字时间的一个保证。如果把时间服务器与CA的证书状态服务器相关联，在客户请求时间戳时，除了原来的时间戳请求消息外，还要求客户提供将要使用的签字证书的序列号，然后时间服务器根据证书的序列号，查询该证书的状态，如果证书已撤消，则不给予时间戳，在没有时间戳的情况下，使用该证书对应私钥的签字是无效的，从而可防止用户欺骗行为。同时在发给用户的时间戳中包含当前时间和用户的签字证书序列号，其他用户在验证签字时，首先验证该时戳是否可信，然后再检查用户签字证书的序列号与该时戳中的用户签字证书序列
号是否一致，若一致，就说明签字时用户的签字证书处于有效状态；若不一致，则可怀疑用户有作弊行为，这样，就可以安全地获得用户证书的状态。该方案只需把原时间戳服务协议略加改造即可。（1）签字者在对消息X签字前，首先向时间服务器发送请求，获得时间戳，发送消息为：
TimeStampReq ::= SEQUENCE { version INTEGER , messageImprint MessageImprint, reqPolicy TSAPolicyId OPTIONAL, nonce INTEGER OPTIONAL, certReq BOOLEAN DEFAULT FALSE, extensions [0] IMPLICIT Extensions OPTIONAL }MessageImprint ::= SEQUENCE { hashAlgorithm AlgorithmIdentifier, hashedMessage OCTET STRING signCertID INTEGER }
该消息与rfc3161的协议相比增加了只增加了签字证书的序列号，即消息中的阴影部分的内容。（2）时间服务器接受到请求后，首先检查signCertID对应的签字证书的有效性，如果有效则按照通常的时间服务进行处理，生成响应消息，发送给签字者。响应消息的格式为：
TimeStampResp ::= SEQUENCE {Status PKIStatusInfo,timeStampToken TimeStampToken OPTIONAL}TSTInfo ::= SEQUENCE {version INTEGER,policy TSAPolicyId,messageImprint MessageImprint,serialNumber INTEGER,genTime GeneralizedTime,accuracy Accuracy OPTIONAL,ordering BOOLEAN DEFAULT FALSE,nonce INTEGER OPTIONAL,tsa [0] GeneralName OPTIONAL,extensions [1] IMPLICIT Extensions OPTIONAL }
在这个消息中格式与原来协议的格式一样，只是messageImprint 使用请求者发送来的messageImprint，即包含了请求者的签字证书的序列号。时间戳是对TSTInfo的签字，包括当前时间和messageImprint，因此其他用户不能更改时戳中的签字证书的序列号。（3）签字者按照正常时间戳的使用方式使用时间服务器发送来的时间戳，他在对消息X签字时务必使用在时戳请求中包含的签字证书序列号对应的证书。（4）其他用户在验证该签字时，首先验证时戳是否正确，然后在验证签字所使用的证书的序列号和时戳messageImprint中包含签字证书序列号是否一致，如果一致则表明该证书在使用时是有效的。 在一个安全性要求较高的环境中，时间服务器是必须的，其安全性也是必须要保证的，这样把证书状态响应服务与时间服务相连，可以节省状态响应服务器运行的成本，并且证书的使用者也可以通过验证时戳达到验证了证书状态的目的，从而节省了用户的资源和时间。3 结语 本文提出的结合时戳服务，提供证书状态信息，可以有效的解决证书撤销带来的问题，同时节约了用户和系统的资源和时间，并且对当前的时戳服务只需做一些小的改进，容易实现。上述关于证书撤消的各种方法具有不同的及时性，可以应用于各种不同的环境。除了成本方面的考虑，最合适的方法还依赖于风险评估。该领域的研究还在继续，新的撤消方法还会不断出现。参 考 文 献1 Housley.R, Fond.W, Polk.W, et al. Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate and CRL Profile[S]. (1999-1), RFC 2459.2 Adams C, Farrell S. Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate Management Protocols [S]. (1999-03), RFC, 2510.3 Carlisle Adams, Steve Lloyd 着, 冯登国 等译. 公开密钥基础设施——概念、标准和实施[M]. 人民邮电出版社, 2001.1.4 金融系统电子商务联络与研究小组，电子商务——安全认证与网上支付[M], 人民出版社.2000.4.5 Cain, P., Pinkas, D., and R. Zuccherato, "Internet X.509 Public Key Infrastructure Time Stamp Protocol",[S], rfc3161.6 薛源, 周永彬, 郭建锋, 倪惜珍. 基于Huffman算法的证书撤销树[J]. 通信学报. 2005,26(2):45-50.7 王永静, 谢冬青, 陈华勇. 证书撤销机制的分析与设计[J]. 计算机应用研究. 2004,21(9):147-149.8 刘爱江, 何大可, 许长枫. 基于排队模型的证书撤销机制分析.计算机应用研究[J]. 2004 ,21(4):68-70.