基于服务器组的群组密钥协商机制

２基于服务器密钥协商群组通信体系结构 安全群组通信系统采用Ｃ／Ｓ通信模式，群组密
钥协商机制为群组密钥协商协议以客户端函数库形
通信【１ Ｊ是指把同一数据块从一台计算机传送到一 个由若干台计算机组成的集合的每个成员的过程．
收稿日期：２００８—０７—１０
基金项目：国家自然科学基金项目（６０５０３０１２）；国家“八六三”计划项目（２００７ＡＡ０１２４０５）
③服务器组｛ｓ１，ｓ２，…，如｝调用密钥协商协议
协商出服务器组密钥ＫＥＹｓ； ④客户端ａ调用ｙ—ｓ—ｃ（ｊ皿ｈ，Ａ，ＮｕｍＡ）计算出客户端
组密钥ＫＥＹｃａ； ⑤客户端口利用客户端组密钥ＫＥＹｃａ与群组 Ａ的成员进行通信． 其他群组Ａ的客户端都要进行同样的操作： ①服务器组｛Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ。｝检测有新成员加 入或密钥更新消息时，群组Ａ其他成员都接收到一
最初的群组通信研究仅考虑成员关系协议与消息的 有序性，几乎没有涉及到群组通信的安全性．最近 几年出现了群组通信的安全性研究，Ｃｏｍｅｌｌ Ｕｎｉｖｅｒ—
ｓｉｔｙ，Ｈｅｂｒｅｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ与ＩＢＭ公司合作研究的ｅｎ—
ｓｅｍｂｌｅ［２ Ｊ系统、Ｊｏｈｎｓ Ｈｏｐｋｉｎｓ
ｃｕｒｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ研发的Ｓｅ．
：
ｆ．ｋｅｙ
商合一●＝
发送到该群组的数据；通信安全层主要从群组管理 层的安全性角度出发，进行群组密钥管理，保证成员
加入的合法性、离开后的安全性等性质．群组密钥管 理主要包括密钥的产生、交换、存储、更新和销毁等 操作． 完善的通信安全层需要提供的安全服务，包括 认证服务、访问控制服务、数据机密服务、数据完整 性服务、数据源点认证服务等．为了实现上述安全服 务，设计通信安全层至少包含以下三个模块： （１）认证与访问控制模块：当一个客户端应用 程序连接服务器组时，服务器组对其进行认证，必须
的信息源认证以及资源的访问控制． （２）加密模块：客户端发送数据要进行加密时， 调用加密模块．该模块共有三个部分；加密引擎、加 密选择器与加密算法．加密引擎：当检测到发送消息 时，该模块传递信息给加密选择器．加密选择器：当 加密引擎送来信号时，加密选择器就调用一个加密 算法；加密算法：加密算法序列集合提供ＤＥＳ，ＡＥＳ， Ｂｌｏｗｆｉｓｈ加密算法． （３）密钥协商模块：该模块功能是根据加密算 法协商群组密钥用于加密组内数据．当群组成员有
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
Ｓｅｒｖｅｒｓ Ｇｒｏｕｐ Ｋｅｙ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ
Ｙｏｎｇ－ｇａｎｇ
ＺＨＡＮＧ
Ｚｈｉ—ｊｕｎ，ＧＵＯ Ｙｕａｎ—ｂｏ，ＬＩＵ Ｗｅｉ，ＪＩＮ
Ｅｎｇｉｎｅｅｘｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ＰＬＡ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
加入、离开或更新密钥时，密钥协商协议重新协商群
组密钥．该模块也分三个部分：密钥协商引擎，密钥 协商选择器，密钥协商协议．密钥协商引擎：当客户 端应用程序加入、离开或者密钥更新时，密钥协商引 擎被触发，并传递值到密钥协商选择器；密钥协商选 择器：当密钥协商引擎送来信号时，密钥协商选择器 就调用密钥协商协议；密钥协商协议：密钥协商协议 序列集合提供ＴＧＤＨ协议，ＳＴＲ协议，ＧＤＨ协议， ＢＤ协议及ＣＫＤ协议Ｌ４Ｊ． 从通信安全层具体的实现模式上把通信安全层 的安全服务分为两部分，认证与访问控制模块与密
个函数来完成从服务器组密钥到客户端群组密钥的
映射．服务器端通信安全层为如下图２所示．
到要通过可靠性保证措施，即数据重传机制；全序多
播层用于通过全序多播协议提供发送方到接收方群
组各成员的可靠、有序的信息传送的保证；群组管理
层包括群组地址分配、群组的建立、群组的关闭、群 组成员的动态加入和退出、错误恢复等功能．通过为 群组群组分配地址，所有发送到这个群组的信息都 以这个群组地址为接收方地址，所有组成员都接收
微电子学与计算机
２００８焦
式挂载到客户端应用程序．密钥管理占用了维护系 统安全所需的绝大部分开销．因为可以通过选用高 速密码算法来减少加密开销，完整性开销则可以利 用每秒几个Ｇ比特的ＭＡＣ算法来减小，而密钥管 理机制要相对比较费时的数学运算和群组成员之间 额外的通信开销．这种结构缺点在于参与群组密钥 协商群组成员数量多，运算量较大．这不是我们所期 望的．基于以上不足，给出基于服务器端的密钥协 商机制．假定安全群组通信系统中客户端组的数量 为ｍ，服务器组的数量为规，则ｍ》，ｚ如图１所示． 利用分簇的思想，选取一个核心最小子集进行组密 钥协商，而不必组成员全部参加，这样群组密钥协商
①客户端ｎ申请加入群组Ａ请求；
②服务器组响应该请求并调用Ｖｉｅｗ视图函数 更改视图标识ＮｕｍＡ；／／ＮｕｍＡ表示当前群组Ａ的 成员数量．
３基于服务器端组密钥协商机制
假定服务器组为Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ。．客户端应用程 序为Ｃ１，Ｃ２，…，Ｃｍ．一般情况下优》，１．且这些服 务器都是具有同一配置服务器，不具有同一配置的 服务器是不能连接服务器组｛Ｓｌ，Ｓ２，…，Ｓ。｝． 服务器组都具有同一配置文件．这些配置主要 是通过显示一个ＩＰ列表，该列表在每一个服务器中 维护．当一个服务器需要加入服务器组时，修改每一 个服务器的配置．而且不具有同样配置的服务器组 是不相互干扰的．具有相同配置的服务器组成员之 间均是相互信任．服务器加入服务器组的流程如下： （１）服务器请求加入服务器组； （２）检查服务器组的请求服务器的ＩＰ列表是 否与匹配．如果匹配，允许加入，否则不允许加入； （３）服务器组生成新的成员关系ＩＤ发送给每 一服务器组成员． 客户端加入基于客户端一服务器模式的群组通 信流程如下： （１）客户端请求连接服务器组； （２）服务器组进行认证与访问控制，如果通过， 允许该连接，否则拒绝；
忑一引 ］科～
固网
算法ｌ
＝＝亡＝ ＝＝亡＝
算法ｎ
图３客户端函数厍
（６）群组的成员调用客户端函数库群组密钥计
算函数ｆ—ｋｅｙ—ｓ—ｅ（ｃｈａｒ ａｒｒａｙ［ｉ］，ｃｈａｒ ａ［ｊ］，ｉｎｔ
该函数功能：通过三个输人参数返回一个字符数组； 具体函数伪代码如下： （１）输入ｃｈａｒ ａｒｒａｙ［ｉ］，ｃｈａｒ ａ［Ｊ］，ｉｎｔ
ｔｏ
ｍｏｓｔ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｇｒｏｕｐ ｋｅｙ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ｂａｓｅｄ ０１３．ｃｌｉｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅ ｅａｃｈ ｇｒｏｕｐ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ
ｄｉｒｅｃｔｌｙ
ｏｎ
ｓｅｃｕｒｅ
ｍｅｍｂｅｒ
ｔＯ
ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅ ｉｎ ｇｒｏｕｐ
ｓｅＩ－Ｉｚｅｌ：Ｓ
２５卷第９期 ２００８年９月
微电子学与计算机 ＭＩＣＲｏＥＬＥ（汀ＲＯＮＩＣＳ＆ＣＯＭＰＵＴＥＲ
Ｖｄ．２５
Ｎｏ．９
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００８
基于服务器组的群组密钥协商机制
张志军，郭渊博，刘
伟，金永岗
（解放军信息工程大学电子技术学院，河南郑州４５０００４） 摘要：为了解决现有的组密钥协商机制需要组成员在本地全部参与协商，从而严重制约安全群组通信系统可扩 展性与高效性的问题，提出一种基于服务器端的密钥协商策略．该机制中，仅需要与每个组成员连接的服务器组间 密钥协商，降低了群组的存储开销和通信开销．同时在客户端函数库内通过设计一个单向映射机制实现从服务器 组密钥到群组密钥变换．与基于客户端函数库的密钥协商机制相比，其可扩展性及密钥协商效率更高． 关键词：体系结构；安全群组通信；密钥协商；单向函数 中图分类号：ＴＰ３９３．０８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—７１８０（２００８）０９—００６５—０４
ｗｈｉｃｈ ｍａｐｌ）ｅｄ ｆｒｏｍ Ｓ廿＂ｖｅ．ｒ ｋｅｙｓ ａｎｉｓｍ ｂａｓｅｄ
Ｋｅｙ
ｏｎ
ｇｒｏｕｐ
ｋｅｙｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｃｌｉｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｌｉｂｒａｒｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｋｅｙ
ａｇｒ叫ｎｅｎｔ
ｍｅｃｈ—
ｃｌｉｅｎｔ，ｉｔ
ｍａｋｅｓ
ｇｒｅａｔ ｐＩｐ咀镁蚂ｉｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ
（２）求出数组ａｒｒａｙ［ｉ］的长度ｌｅｎｇｔｈ（ａｒｒａｙ
［ｉ］）； （３）求出字符数组口［歹］的长度ｌｅｎｇｔｈ（ａ［歹］）； （４）求ｌｅｎｇｔｈ（ａ［』］）与ｋ的和ｎｕｍ＝ｌｅｎｇｔｈ（ａ ［Ｊ］）＋惫； （５）ｉｆ（ｎｕｍ＝＝ｌｅｎｇｔｈ（ａｒｒａｙ［ｉ］）ｔｈｅｎ
＝１；
ｎｕｒｎ＋
（６）ｉｆ（１ｅｎｇｔｈ（ａｒｒａｙ［ｉ］％２＝＝０）循环左移 ｎｕｍ次； （７）ｅｌｓｅ循环右移ｎｕｒｎ次； （８）ｒｅｔｕｍ ａｒｒａｙ［ｉ］．
ｋｅｙ
ｇｒｏｕｐ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ｓｃｈｅｍｅ．ｋｅｙ
ａｇｒｅｅｍｅｎｔ
ｗａｓ
ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｏｎｌｙ
ｗｈｉｃｈ
ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｏ
ｇｒｏｕｐ
ｍｅｍｂｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ｔＯ ａ
ｃＯＳｔＳ
ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｐ．Ｏｎｅ—ｗａｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ
是合法用户．当客户端应用程序加入群组后，对群组
第９期
张志军，等：基于服务器组的群组密钥协商机制
６７
加密算 法集合
（３）客户端请求加入群组ｉ通信； （４）群组ｉ成员对其进行认证与访问控制，如 果通过，允许加入，否则拒绝； （５）服务器组检测群组成员关系变化或密钥更 新请求时，服务器组调用密钥协商协议计算服务器 组密钥；
ｋ；
ｋ）计算出群组ｉ的群组密钥；
（７）检查客户端是否请求加入其他群组．如果 是，则转到（３），否则下一步； （８）服务器检测是否更新服务器组密钥，如果 是，则转到（５），否则下一步； （９）服务器检测是否客户端离开，如果是，则转 到（５），否则下一步； （１０）服务器检测是否客户端加入，如果是，则 转到（２），否则停止． 下面具体给出群组各种运行模式下协商密钥过 程： （１）一个客户端加入一个群组运行模式 客户端口加入群组Ａ时情况流程：