[论文解读] Public Key Infrastructure based on Authentication of Media Attestments

Stuart B. Heinrich|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2013

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种公钥基础设施（PKI），通过媒体认证（media attestations）实现完全自动化、无需信任的公钥查找，允许端到端加密通信，无需用户手动管理密钥。通过使客户端能够独立验证经社区审核的媒体认证，该系统在不依赖可信第三方或在服务器上存储私钥的情况下，防止中间人攻击。

ABSTRACT

Many users would prefer the privacy of end-to-end encryption in their online communications if it can be done without significant inconvenience. However, because existing key distribution methods cannot be fully trusted enough for automatic use, key management has remained a user problem. We propose a fundamentally new approach to the key distribution problem by empowering end-users with the capacity to independently verify the authenticity of public keys using an additional media attestment. This permits client software to automatically lookup public keys from a keyserver without trusting the keyserver, because any attempted MITM attacks can be detected by end-users. Thus, our protocol is designed to enable a new breed of messaging clients with true end-to-end encryption built in, without the hassle of requiring users to manually manage the public keys, that is verifiably secure against MITM attacks, and does not require trusting any third parties.

研究动机与目标

• 解决端到端加密系统中不安全且不便的公钥分发这一关键障碍。
• 消除用户在安全消息通信中手动管理或验证公钥的需求。
• 通过可验证的媒体认证，实现在不信任密钥服务器的情况下，自动从公钥服务器查找公钥。
• 提供一种密码学安全、可扩展且对用户透明的解决方案，同时保持端到端加密的安全保证。
• 克服现有模型（如PGP的Web of Trust和由服务商管理的密钥系统）在隐私方面存在的局限性。

提出的方法

• 引入媒体认证——经密码学签名的数字证明（如照片、视频或文档），将公钥与用户身份及联系方式绑定。
• 赋予终端用户通过独立检查和验证媒体认证，来确认公钥真实性的能力。
• 采用基于社区的声誉阈值机制，由多名用户对认证的真实性进行评分，实现自动信任决策。
• 在客户端使用密钥派生函数（如PBKDF2）从口令派生密钥，登录时生成RSA密钥对，避免在服务器上存储密钥。
• 允许客户端缓存并签署经验证的身份卡（包含公钥、媒体认证和联系方式），防止篡改并减少重复查询。
• 通过维护加密的搜索索引，支持对加密消息的内容搜索，该索引通过用户私钥在云端同步至各设备。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖中心化密钥服务器或第三方权威机构的情况下，实现公钥分发的自动化？
• RQ2 终端用户是否能够通过可验证的媒体认证独立验证公钥的真实性，而无需依赖复杂的密钥管理？
• RQ3 基于社区的媒体认证评分系统是否能提供足够的信任以实现自动公钥查找，同时抵御操纵攻击？
• RQ4 是否可能在保持端到端加密安全性的同时，实现在多台设备间无缝的基于口令的密钥派生？
• RQ5 如何将公钥交换安全地嵌入加密消息中，以支持共享企业邮箱地址等使用场景？

主要发现

• 所提出的系统能够从不受信任的密钥服务器实现完全自动化的公钥查找，因为任何中间人攻击均可通过用户验证媒体认证而被检测到。
• 通过使用经社区审核的媒体认证并设定声誉阈值，系统实现了可扩展且自动化的信任决策，无需依赖中心化权威机构。
• 私钥从不存储在服务器上，也未与服务提供商共享，从而保护了端到端加密的根本隐私保证。
• 基于口令的密钥派生机制支持在多台设备上按需安全生成密钥，消除了本地存储或手动密钥传输的需求。
• 客户端可维护在设备间同步的加密搜索索引，实现内容搜索而不损害机密性。
• 该系统支持通过在加密消息中嵌入公钥实现安全的密钥交换，即使在共享或通用邮箱地址场景下也能实现端到端加密。