一种基于PKI模型在信号系统中进行身份认证的方法

李春梅，柴 涌，汪小勇

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

1 概述

信号系统应用国产加密技术通常有以下几种：在既有信号系统设备的基础上，增加国密安全芯片等相关设备；使用国产商用密码分组标准对称（SM1）算法对通信数据提供机密性保护；使用国产商用密码椭圆曲线公钥（SM2）算法对通信数据提供可鉴别性保护和不可否认性保护；使用国产商用密码杂凑（SM3）算法对通信数据提供完整性保护。

公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）也称为公开密钥基础设施，按照国际电联制定的X.509标准，PKI是一个包括硬件、软件、人员、策略和规程的集合，用来实现基于公钥密码体制的密钥和证书的产生、管理、存储、分发和撤销等功能。PKI是一种遵循标准、利用公钥加密技术提供安全基础平台的技术和规范，能够为网络应用提供密码服务的基本解决方案。PKI解决了大规模网络中的公钥分发和信任建立问题。

提供一种在应用国产加密技术的信号系统中，基于传统PKI模型进行适应性改造并使用SM2算法完成身份验证的方法，由此信号系统的通信数据得到可鉴别性保护和不可否认性保护，同时也为使用SM1、SM3算法对通信数据提供机密性保护和完整性保护打下了前提基础。

2 信号系统身份认证方案

2.1 系统结构

PKI一般由认证权威机构（Certification Authority，CA）、注册权威机构（Registration Authority，RA）、 证 书 /证 书 吊 销 列 表（Certi fi cate Revocation List，CRL）库和终端实体等部分组成，如图1所示，主要元素说明如下。

图1 PKI模型标准结构Fig.1 PKI model standard structure

1) CA

数字证书是各实体的身份证明，具有唯一性和权威性。为满足这一要求，需要建立一个可信的机构，专门负责数字证书的产生、发放和管理，以保证数字证书真实可靠，这个机构就是认证权威机构CA，也称数字证书管理中心，它作为PKI管理实体和服务的提供者，管理用户数字证书的生成、发放、更新和撤销等。CA是PKI的核心组成部分，PKI体系也往往被称为PKI/CA体系。

2) RA

RA又称证书注册中心，是受CA委派，负责和终端实体交互的、接受数字证书申请并进行审核的机构，同时也是CA认证机构的延伸，有时也称为用户注册系统。在逻辑上RA和CA是一个整体，主要负责证书注册、审核以及发证。

3) 证书/CRL库

证书/CRL库主要用来发布、存储数字证书和证书撤销列表，供用户查询、获取其他用户的数字证书，为系统中的CRL所用。在信号系统中，鉴于证书/CRL库的使用频率不高，所需存储空间也不大，故将证书/CRL库和CA设置安装在一个硬件服务器中，共同使用硬件设备。

4) 终端实体

终端实体(end entity)是只拥有公/私钥对和相应公钥证书的最终用户，可以是人、设备、进程等。在信号系统中，终端实体指代分布于信号系统各子系统上的国密安全芯片设备。

国密安全设备与信号系统集成后的结构如图2所示，应用层设备由车载子系统（CC），轨旁子系统（ZC/LC），联锁子系统（CI），列车监控子系统（ATS），维护子系统（MSS）几个子系统组成，见图2中黄色部分，在应用层设备上增加国密安全芯片。通信层设备为通信子系统（DCS）设备，见图2中绿色部分。本方案结合信号系统架构和PKI模型，增加CA服务器（含证书/CRL数据库）和RA服务器，见图2中红色部分。

图2 信号系统与国密安全设备集成结构Fig.2 Signal system and state security equipment integration structure

2.2 身份认证工作流程

信号系统的身份认证包含以下几个阶段，其中1～4阶段为线下人工操作，如图3所示；5～6为线上软件行为，如图4、5所示。

图3 线下证书操作Fig.3 Off-line certificate operation

图4 会话密钥协商阶段的身份验证Fig.4 Authentication during the session key negotiation phase

图5 CRL查询下载Fig.5 CRL query and download

1) 证书申请

信号系统通过固定的终端，使用特定的支持PKI的应用程序，向CA申请数字证书给指定的国密安全芯片。该终端与CA通过网络连接，同时指定的国密安全芯片必须安装在该终端上。

2) 证书生成

一旦信号系统申请了数字证书，CA就将根据其建立的认证策略验证国密安全芯片设备信息。如果确定信息有效，则CA创建该证书。

3) 证书存储

CA在生成证书后，通过网络把证书发回给国密安全芯片设备。数字证书将被保存在国密安全芯片设备里。

4) 证书发布

CA除了将生成的数字证书发回给国密安全芯片设备外，还会将自身设备的数字证书发送到所有申请的国密安全芯片设备中。CA确保数字证书中信息的真实性，可以作为终端实体的身份证明。

5) 证书校验

信号系统使用国密安全芯片设备时，不同的国密安全芯片设备在会话阶段使用存储在自身芯片中的CA根证书验证对方身份证书，只有验证通过后才会继续进行会话，验证未通过则经过尝试（尝试次数可以配置）后中断会话密钥协商。即会话密钥协商必须以身份验证为前提。

6) 证书废止

国密安全芯片设备的数字证书不配置特定的到期时间，避免分布安装在信号系统内的国密安全芯片设备需要频繁拆解、集中更新、重新安装的问题。如果需要撤销某一特定证书，可以由CA将这一撤销事实发布到CRL中，使所有国密安全芯片设备都可以查询。CRL是由CA签名的一组电子文档，包括被撤销证书的唯一标识（证书序列号）。出于减少信号系统网络吞吐量和系统负荷考虑，信号系统内的国密安全芯片设备需要定期连接CA查询CRL，在查询同时下载CRL并保存到芯片内部，在下一个查询周期前国密安全芯片将一直将此CRL视为最新并使用。

3 应用实例

本文描述的信号系统与国密安全设备集成后，在设备启动时首先进行一次CRL更新，如果更新成功，则以更新后的CRL为准；如果多次尝试（尝试次数可以配置）后仍然无法更新成功，则跳过本次CRL更新，以上一次更新成功的CRL为准，对于没有任何成功更新经验的设备来说，CRL为空。设备启动后，每隔固定间隔（间隔时间可以配置）进行一次CRL更新，以保证CRL保持最新，其更新判断与第一次更新相同，对于未更新成功的情况，信号系统设备会发出告警至维护子系统，提醒运维人员注意查验。详细流程如图6所示。

图6 CRL更新流程图Fig.6 CRL update flowchart

在会话阶段，客户端首先发起会话请求，请求消息中包含了客户端的证书；服务端收到请求后，验证客户端证书（CRL、有效期、签发者关系、以及签名数据）后，再通过客户端的证书，服务端证书及服务端本地生成的随机数，根据SM2算法生成会话密钥，然后对客户端请求进行响应，并向客户端发送服务端证书与随机数；同样，客户端收到回复后，验证服务端证书（CRL、有效期、签发者关系、以及签名数据）后，再根据客户端的证书，服务端证书及服务端本地生成的随机数，通过SM2算法生成会话密钥，并对服务端响应进行确认，向服务器端发送会话密钥。详细流程如图7所示。

图7 会话阶段身份认证流程图Fig.7 Authentication flow chart during session phase

4 总结

本文提出一种在城市轨道交通信号系统中，基于传统PKI模型进行改造并使用国产密码算法进行身份验证的方法。实际应用结果表明，与现有技术相比本方法具有以下优点。

1) 针对采用国产加密技术的信号系统，使用SM2算法进行身份验证，使信号系统的通信数据得到可鉴别性保护和不可否认性保护；

2) 基于KPI模型改进，使身份验证机制各阶段的工作流程更好的适配于信号系统；

3) 提供旁路功能，即使身份验证机制出现问题，仍然能够保证信号系统的运行不受影响，并提供告警功能，可以在最大程度上保证身份验证功能的可维护性；

4) 保证信号系统既有功能和安全等级不受影响。