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云计算中基于组合公钥的安全机制研究
关志2008年11月20日
大纲
• 选题背景与意义• 研究内容• 目前国内外研究现状• 现有工作和研究计划
云计算
• 云计算（CloudComputing）是基于互联网的计算模式。
• “一种信息持久地存储在位于因特网的服务器之上，并暂时缓存在包括台式机、笔记本、移动设备、传感器等本地客户端上的计算模式”
Google App Engine
Sun Grid Engine
实例
Amazon Elastic Compute Cloud (EC2)Amazon SimpleDBAmazon Simple Storage Service (Amazon S3)Amazon CloudFrontAmazon Simple Queue Service (Amazon SQS)
云计算特征
• 客户端的信息持久存储于服务端，在客户端不保留信息或仅保留缓存。
• 用户的计算逻辑主要由服务端完成，少量由客户端完成。
• 用户众多，以手机等移动设备和浏览器为代表的客户端，计算、存储资源有限。
• 客户端和服务端分属不同的安全域,客户端不完全信任服务端。
现有安全技术
• SSL/TLS提供对服务端的认证和安全通信• OpenID认证、单点登录• 在网格计算中PKI用于构建安全体系
云计算安全问题
• 认证体系的建立• 用户数据安全和隐私、未授权非法访问• 用户数据完整性保证• 计算逻辑的保密性• 相关法律问题
论文研究内容
• 领域为应用密码，在组合公钥（CombinedPublicKey）密码的研究基础上，为云计算环境设计安全机制
• 研究的三个主要内容是，完善CPK密码理论；基于CPK为云计算环境中提供大规模认证的支持；解决云计算中用户数据保密的问题。
基于身份的密码
• 为了简化对公钥和证书的管理，Shamir于1984年首次提出基于身份的密码（IdentityBasedCryptography,IBC）这一概念。
• IBC中的用户公钥可以为用户的公开身份信息，因此通信中双方无需预先交互以获取对方的公钥/证书信息。
• 组合公钥（CombinedPublicKey）是IBC的一种构造，有效率上的优势。
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在传统公钥密码中，给用户[email protected]发消息需要预先获得Bob的公钥证书（约4KB）
IBC的构造
• IBC包括IBS、IBE、IBKA，其构造基于：• 有限域上Diffie-Hellman相关问题、二次剩余问题、RSA问题，用于构造IBS、IBKA，难以构造IBE。
• Pairing相关问题，即Pairing上对有限域上Diffie-Hellman等问题的模仿，可以构造IBE。
• 非数论难题，CPK采用公钥的组合
安全模型
• 传统公钥加密：IND-CPA，IND-CCA，IND-CCA2
• IBC对应的安全模型：IND-ID-CPA，IND-ID-CCA，IND-ID-CCA2
• 以及某些较弱的模型，如IND-sID-CCA。
IBC的扩展
• 对ID的扩展，将标识符扩展为具有内部结构，如HIBE、FuzzyIBE、通配符IBE。
• 构造其他密码系统的ID-Based版本，如基于ID的盲签名、群签名、代理转换密码、门限密码等等。
CPK的理论研究
• 抽象数学表示：首先我们将CPK算法进行抽象，给出一个一般化的构造形式，之前针对CPK算法的变体都可以规约到这一形式。
• 安全分析：1.攻击整个系统，需要多少用户共谋？2.攻击给定ID对应的私钥，需要多少用户共谋？3.共谋用户数量和攻击任意一个ID的关系
设计安全模型
• 限制攻击者的攻击能力。• 这一模型将量化攻击者的攻击能力与系统安全之间的关系，并且将计算效率作为系统的评价标准之一。
CPK公钥基础设施
• 解决其中的包括密钥托管、密钥注销、密钥更新在内的密钥生存期管理的一系列问题，并考虑将该基础设施用于云计算环境中涉及的相关问题。
• 在此基础上，建立基于CPK的云计算环境中的大规模客户端的认证能力，使得服务端和客户端能够互相认证。
密钥托管作用
• 硬币的两面• 反面：恶意PKG损害用户利益，恶意用户否认自己的签名。
• 正面：有利于政府、企业对用户的监管，有利于密钥恢复。
密钥托管解决思路
• 将单一PKG的功能分解到多个PKG上以防止单个恶意PKG；
• 私钥由PKG和用户共同生成从而防止恶意PKG；
• 不从机制上禁止恶意PKG的出现，而是提供PKG犯错检测机制，如TraceableIBC。
密钥生命周期管理
• 密钥的生成、分发、更新和注销在内的生命周期的管理。
• IBC中公钥即身份，制约了密钥注销为主的密钥管理，为ID添加有效期则增加了私钥分发的困难。
• 我们利用可信计算模块（TPM）来建立更为有效的密钥分发机制。
IBC密码发布
RootPKG
TPM-PKG
App
TrustedService
❶❷ Setup
❸❹
❺❻
❼
❽
WebIBC
• 针对Web应用程序难以通过公钥密码来提供基本安全服务的难题，我们提出采用
• IBC/CPK来为Web应用程序提供公钥，• 通过URL中段标识符（fragmentidentifier）来提供私钥安全存储，初步解决这一问题。
浏览器中随机数安全
• 现有基于密码的浏览器端密码系统的安全都依赖于真随机数的获取，我们发现现有机制无法提供有效的真随机数。
• 我们分析了针对此类系统的攻击，设计了一个针对该环境的密码随机数生成器以解决这一问题。
• 通过Cookie调用操作系统的随机数生成器。
具体实现
• USBKey• 安全电子邮件（Outlook插件形式）• 民生银行电子票据认证• Solaris操作系统密码框架的支持以及nei
CPK的扩展及其应用
• 扩展CPK（第二类扩展），如CPK短签名、CPK代理转换加密。
• 通过代理转换加密为云计算客户提供数据安全机制。用户将数据加密发布到服务器，当其他用户需要获取某些数据时，服务器上的用户程序无需解密，即可将原加密转换为针对目标用户的加密。
• 支持搜索的加密方案。
计算逻辑安全？
• 用户向云计算中的服务端上传程序，希望由服务端执行程序计算又不希望服务端了解程序的执行逻辑。我们希望通过密码学中的FunctionEncryption机制来在为可执行程序提供一定程度的保护，在此方向做出一定的探索。
请各位老师指正☺
