２００９年８月第２１卷第４期石家庄职业技术学院学报Ｊｏｌｌｒｎａ］ｏｆＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌ’ＦｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅＡｕｇ．２００９ＶｎＩ．２ｌＮｏ．４文章编号：１００９．４８７３（２００９１０４—００３３—０３安全组播密钥管理方案研究鲁增秋１，田文英２，何利娟２（１．河北体育学院现代技术教育中心，河北石家庄０５００４ｌ；２．石家庄职业技术学院信息工程系，河北石家庄０５００８１）摘要：组播密钥管理通过为组播成员生成、发送和更新组密钥来满足加密认证等安全需求．组播密钥管理方案的设计，除满足基本的安全需求外，还要兼顾可扩展性，健壮性、可靠性等多方面目素．分析了组播密钥管理所面临的问题，通过对已有组播密钥树方案的介绍，探讨和总结了组播密钥管理的研究现状．关键词：ＩＰ组播；密钥；管理中图分类号：ＴＰ３０９．７文献标识码：Ａ组播技术是一种新的、高效的网络传输方案．它是面向组的介于单播和广播通信之间的数据传输方式，能够有效地节约网络带宽、降低网络负载．正是基于以上特点，组播技术有着广阔的应用前景，如：虚拟会议、网络辅助协同工作、多媒体实时点播、网络游戏和军事仿真等．随着组播应用的不断增加及参与者的增多，安全的组播通信逐渐成为当前的研究热点，研究成果也越来越丰富．实现安全组播的一个重要手段是使用加密技术对通信数据进行加密保护．组播密钥管理的功能一方面是密钥的分发，另一方面是对密钥进行管理以适应组成员关系的变化．１组播密钥管理的作用组播密钥管理为参与组播的成员生成、分发和更新组密钥（ＧｒｏｕｐＫｅｙ，ＧＫ），组密钥是所有组成员都知道的密钥，被用来对组播报文进行加密／解密、认证等操作，以满足保密、组成员认证、完整性等需求．与单播的密钥管理相比，向前加密（ｆｏｒｗａｒｄ同谋破解是组播密钥管理特有的问题．…向前加密：对主动离开或被强制退出的组成员，必须保证其无法继续参与组播，即无法利用它们所知的密钥解密后继的组播报文和生成有效的加密报文．ｃｏｎ—之前的组播报文．同谋破解：避免因几个恶意节点联合起来，掌握足够多的密钥信息，使得系统无论如何更新密钥它都能获得更新后的密钥，导致组播密钥管理向前和向后加密失效，或者使得恶意节点可以冒充其他节点进行欺骗．２几种典型的组播密钥管理方案目前，根据拓扑结构的不同，组播密钥管理方案可以分为３类：集中式管理、分布式管理和分组式管理．２．１集中式管理方案集中式管理方案的特点是通过一个中心组管理器（ＧｒｏｕｐＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＧＣ）来负责全组的安全管理事务，包括密钥的生成、分发和更新．最典型的是组密钥管理协议ＧＫＭＰ（ＧｒｏｕｐＫｅｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｒｏｔｏ．ｃ０１），其体系结构如图１所示．ｆｉｄｅｎｔｉａｌｉｔｙ）、向后加密（ｂａｃｋｗａｒｄｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌｉｔｙ）和图１ＧＫＭＰ体系结构【２】向后加密：对新加入的组成员无法破解它加入ＧＫＭＰ是一种简单的采用集中控制的组播密收稿日期：２００９—０３—３０作者简介：鲁增秋（１９７７一），男，河北泊头人，河北体育学院讲师，研究方向：计算机网络技术万方数据 ３４石家庄职业技术学院学报第２１卷钥管理方案．这个协议存在２种对称密钥：加密组中通信数据的密钥Ｇ１’ＥＫ（ＧｒｏｕｐＴｒａｆｆｉｃＥｎ．ｃｒｙｐｔｉｎｇＫｅｙ）和加密密钥时使用的密钥（：ＴＥＫ（ＧｒｏｕｐＫｅｙＥｎｃｒｙｐｔｉｎｇＫｅｙ）．整个组共享一个ＧＴＥＫ，并且每个节点都单独与ＧＣ预先共享一个ＧＫＥＫ，以确保和组控制器通信时的安全．ＧＣ在第一个节点的帮助下生成组播密钥报文（；ＫＩ，（ＧｒｏｕｐＫｅｙＰａｃｋｅｔ），ＧＫＰ中包含ＧＴＥＫ和ＧＫＥＫ．当有新的成员加入时，ＧＣ用与该节点共享的密钥发送ＧＫＰ，如需更新密钥，ＧＣ生成新的ＧＫＰ，并用当前的ＧＫＥＫ加密后进行组播．ＧＫＭＰ中的密钥管理结构如图２所示，ＧＫＥＫｌ、ＧＫＥＫ２、ＧＫＥＫ３、ＧＫＥＫ４为组成员Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４与ＧＣ之间的共享密钥．①①④①图２ＧＫＭＰ中的密钥管理结构ＧＫＭＰ方案的优点是：（１）使用集中平面型管理方式，有利于组播的管理，可以方便地施加身份认证等措施；（２）组成员只需存储两个密钥，存储开销较小．ＧＫＭＰ方案的缺点是：（１）由于对ＧＣ节点的依赖性，易单点失效而引起整组瘫痪；（２）存在密钥更新开销较大、周期性更新密钥过程复杂、计算开销高的缺陷，对ＧＣ节点要求较高，易形成性能瓶颈，可扩展性差．２．２分布式管理方案在分布式的组播密钥管理中，参与通信的节点是对等的，通过某种密钥协商算法生成组密钥，在组成员之间交换和更新密钥．最典型的是Ｃｌｉｑｕｅ分布树如图３所示．【３ＪＣｌｉｑｕｅ组播密钥管理算法利用Ｄｉｆｆｉｅ—Ｈｅｌｌｍａｎ（ＤＨ）密钥协商算法的一种变体来实现组密钥的生分布式组播密钥管理方案的优点是：万 方数据（１）不存在集中控制中单一失效点的问题；（２）适合ＰｅｅｒｔｏＰｅｅｒ的应用模式．分布式组播密钥管理方案的缺点是：（１）缺少集中控制，给管理带来困难；（２）通过组成员协商的方式产生和更新密钥，密钥计算量大，传输时间长，易形成瓶颈．图３分布式组播密钥管理的逻辑密钥树２．３分组式管理方案在分组式组播密钥管理方案中，组成员都是一种树状层次结构的一部分．树的中间节点帮助进行密钥分配．层次型组播密钥管理协议可分为２种类型：一种是基于层次节点的层次型组播密钥管理协议，主要包括ＳＭＫＩ）协议和Ｉｏｌｕｓ协议；另一种是基于层次密钥的层次型组播密钥管理协议，主要包括基于ＫｅｙＧｒａｐｈｓ的组播密钥管理协议．本文以Ｉｏｌｕｓ协议为例进行介绍，如图４所示．图４Ｉｏｌｕｓ系统组成示意图Ｉｏｌｕｓ是斯坦福大学的ＳｕｖｏＭｉｔｔｒａ提出的一个基于层次分布树的安全组播框架．Ｉｏｌｕｓ对组成员进行分组，每个子组有一个组安全代理（ＧｒｏｕｐＳｅｃｕｒｉ．ｔｙＡｇｅｎｔ，简称ＧＳＡ）负责管理该子组，所有ＧＳＡ组成～个更高一级的组，由组安全控制器（ＧｒｏｕｐＳｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）管理．１０ｌｕｓ的特点是各个子组采用的组密钥，组播报文在从子组Ａ传播到子组Ｂ时要被ＧＳＡ翻译，即用Ａ的组密钥解密，再用Ｂ的Ｊ式密钥管理算法，分布式组播密钥管理的逻辑密钥成和发布，Ｉ）Ｈ算法通常被用来在通信双方之间协商密钥．ｃｕｒｉｔｙ组密钥加密．【４第４期鲁增秋等：安全组播密钥管理方案研究Ｉｏｌｕｓ方案的优点是：（１）使密钥更新的开销减小；（２）实现了一定层次上的分布安全性，当某个子组受到攻击时，不会影响其他组成员：（３）具有可扩展性．１０ｌｕｓ方案的缺点是：（１）多个分组的管理增加了系统的存储和处理开销；（１）不能确定哪些组成员是消息发送者或接收者，只能确定消息发送者或接收者是组成员，组通信参与者不具体．（２）全体组成员利用组密钥实现安全通信，共用一个秘密通道，不能根据成员的需求构建多个秘密通道，未实现灵活的子组通信．４结束语组播环境下密钥管理问题复杂，迄今为止还没（２）必须充分信任中间节点ＧＳＩ，具有安全风险．有一个非常好的适用于所有应用场合的密钥管理方法．本文对３种主要的方案及相关研究成果进行了分析，并在此基础上探讨了目前组播密钥管理方案的共同缺陷和面临的问题．由于组播技术仍在迅速发展，因此，还需进一步对这一领域进行研究．３当前组播密钥管理研究面临的问题目前，组播密钥管理的研究较关注可伸缩性问题，以降低组播密钥更新代价，提高组播密钥更新效率，但还存在以下问题：参考文献：［１】徐明伟．董晓虎，徐恪．组播街钥管理的研究进展［Ｊ］．软件学报．２００４，１５（ｉ）：１４１．１５０．［２］张颖．卢世海．张锋．组播密钥管理协议分析与改进［Ｊ］．中原工学院学报．２００５，１６（２）．［３］席宝国．纽播密钥管理方案的研究【Ｄ】．杭州：浙江大学．２００７［４］邹艳．安全组播解决方案的研究［Ｊ］．掘建电脑，２００７，（６）．责任编辑：金欣ＯｎｓｅｃｕｒｉｔｙｍｕｌｔｉｃａｓｔｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔＬＵＺｅｎｇ．ｑｉｕｌ，ＴＩＡＮＷｅｎ．ｙｉｎ９２。ＨｅＬｉ—ｊｕａｎ２０５００８１，Ｃｈｉｎａ）ａ＜１．ＭｏｄｅｒｎＥｄｕｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ。ＨｅｂｅｉＰｈｙｓｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０５００４１．Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ．ＨｅｂｅｉＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｍｕｈｉｃａｓｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ，ｉｔｓｓｅｃｕｒｉｔｙｍｕｈｉｃａｓｔｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｂｅｃｏｍｅｓｐｒｏｂｌｅｍ．Ｉｔｉｓｕｓｅｄｆｏｒｇｒｏｕｐｍｅｍｂｅｒｓｉｎｃｒｙｐｔｉｏｎｏｎｅｍｕｈｉｃａｓｔｓｅｓｓｉｏｎｔｏｇｅｎｅｒａｔｅ，ｒｅｆｒｅｓｈａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｋｅｙｓｆｏｒｅｎ－ａｎｄａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ．Ｓｏｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｋｅｙｓｓｈｏｕｌｄｂｅｃａｒｅｆｕｌｌｙｐａｐｅｒｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅｓ．ｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｆｏｒｍｕｌｔｉｅａｓｔ，ａｎｄｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｉｃａｌＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＰｍｕｈｉｃａｓｔ；ｋｅｙ；ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ万方数据 安全组播密钥管理方案研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
鲁增秋， 田文英， 何利娟， LU Zeng-qiu， TIAN Wen-ying， He Li-juan
鲁增秋,LU Zeng-qiu(河北体育学院现代技术教育中心,河北石家庄,050041)， 田文英,何利娟,TIAN Wen-ying,He Li-juan(石家庄职业技术学院信息工程系,河北石家庄,050081)石家庄职业技术学院学报
JOURNAL OF SHIJIAZHUANG VOCATIONAL TECHNOLOGY INSTITUTE2009,21(4)
参考文献(4条)
1.徐明伟;董晓虎;徐恪 组播密钥管理的研究进展[期刊论文]-软件学报 2004(01)2.张颖;卢世海;张锋 组播密钥管理协议分析与改进[期刊论文]-中原工学院学报 2005(02)3.席宝国 组播密钥管理方案的研究 2007
4.邹艳 安全组播解决方案的研究[期刊论文]-福建电脑 2007(06)
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