基于門限代理簽名協(xié)同學習探究

1、基于門限代理簽名協(xié)同學習探究摘要隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種在互聯(lián) 網(wǎng)上面對全球開放的學習形式協(xié)同學習成為人們學習、 探索知識的有效方式之一。web2. 0時代的開放和透明，是一 把雙刃劍，既給協(xié)同學習帶來了可能和方便，也給協(xié)同學習 帶來了安全隱患和威脅。通過分析協(xié)同學習的特點、功能以 及面臨的安全威脅，文章提出了基于門限代理簽名的協(xié)同學 習安全保護方案，以期在為協(xié)同學習提供安全的網(wǎng)絡(luò)學習環(huán) 境方面做出理論上的新探索。關(guān)鍵詞協(xié)同學習；門限代理簽名；安全保護方案中圖分類號g434 文獻標志碼a作者簡介李鳳英(1971),女，山東軍卩城人。博士, 主要從事遠程教育、虛擬學習及終身教育研究。e-ma

2、訂： fylisjtu. o隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種互聯(lián)網(wǎng)上面對全球開放 的學習形式協(xié)同學習成為人們學習、探索知識的有效方 式之一。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，和我們協(xié)同學習的伙伴不再僅僅是 具有生命特征的自然人，而是既有可能是云端的智能助理， 也有可能是身邊的智能終端設(shè)備。軟件巨人比爾蓋茨在 未來之路(the road ahead)中曾用一幅漫畫“在互聯(lián) 網(wǎng)上沒人知道你是一條狗”來描述虛擬網(wǎng)絡(luò)中的開放性、交 互性和匿名性。網(wǎng)絡(luò)的這種特性給病毒、黑客等帶來了可乘 之機。因此，協(xié)同學習者的個人私密信息、學習資源等容易 遭受竊聽、竊取、篡改、假冒、抵賴等攻擊。在信息保障時 代，傳統(tǒng)的軟硬件被動防護措施已難以

3、有效抵抗各類攻擊， 社會網(wǎng)絡(luò)迫切希望有效的信息技術(shù)和手段來主動防御協(xié)同 學習所面臨的各種威脅和攻擊，從而提供一個安全可靠的網(wǎng) 上協(xié)同學習環(huán)境。一、協(xié)同學習的新詮釋網(wǎng)絡(luò)對人類社會的沖擊和影響是深遠的，它逐漸發(fā)展成 為每個人生活的一部分，影響著社會生活的方方面面。事實 上，網(wǎng)絡(luò)不再單純地服務(wù)于獨立的個體，而是作為一種重要 的技術(shù)媒介將不同的人、組織甚至社會聯(lián)系在一起，實現(xiàn)他 們的交流、溝通、協(xié)同與合作。協(xié)同學習是現(xiàn)代人獲取知識 的重要方式，伴隨著網(wǎng)絡(luò)學習資源的急劇增長，協(xié)同學習的 形式和內(nèi)容愈加廣泛。(一)內(nèi)涵延伸協(xié)同學習又稱協(xié)作學習(collaborative learning), 是一種通過小

4、組或團隊的形式組織學生進行學習的策略。1 傳統(tǒng)的協(xié)同學習是一種有組織、有計劃的學習活動。隨著網(wǎng) 絡(luò)學習主體和學習資源的快速增加，協(xié)同學習已從傳統(tǒng)的有 意識合作為主的學習方式逐漸演變?yōu)闊o意識合作和有意識 合作共存的學習方式。虛擬環(huán)境下的協(xié)同學習形式和內(nèi)容更 加廣泛，學習者有意識或無意識地尋求協(xié)同學習伙伴，利用 大家的智慧共同探索知識并完成難題和任務(wù)。協(xié)同學習中的 協(xié)作，既包含個人與個人間的協(xié)作，也包含個人與社群、社 群與社群間的協(xié)作；既包含學生間的協(xié)作，也包含學生與專 家、專家與專家間的協(xié)作；既包含專業(yè)內(nèi)的協(xié)作，也包含專 業(yè)間的協(xié)作；既包含人與人之間的協(xié)作，也包含人機間的協(xié) 作。我們歸納為以下幾

5、類。21. 人人合作學習者通過有意識或無意識的協(xié)作，實現(xiàn)任務(wù)分配與數(shù) 據(jù)收集，從而完成大規(guī)模、復(fù)雜的、他們單獨很難或根本不 可能完成的任務(wù)。新一代驗證碼recaptcha的發(fā)明就是網(wǎng)友 們無意中的群體智慧協(xié)作的結(jié)果，它竟使紐約時報130 年的紙質(zhì)資料，本來需要龐大的人力、物力、財力及未知的 時間才能完成的數(shù)字化工程，被網(wǎng)友們幾個月內(nèi)無意中完成 to2. 人機合作人與機器的智能合作被稱為人機合作，這種人機協(xié)作體 現(xiàn)在諸如機器學習系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)、基于網(wǎng)絡(luò)社區(qū)的問 答服務(wù)系統(tǒng)（cqa）、虛擬學習中的專家解疑、虛擬實驗室系 統(tǒng)等。這都需要人與計算機的和諧協(xié)作，它為人們學習、獲 取知識提供了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同

6、學習環(huán)境，通過交互信息對學習資源 進行共享與整合。3. 機群合作機群合作是利用機群中的大量服務(wù)器共同協(xié)作來為協(xié)同學習用戶端提供高聚合性能的一種分布式服務(wù)形式。機群合作系統(tǒng)作為海量數(shù)據(jù)的主要載體，為網(wǎng)絡(luò)學習者提供全局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取服務(wù)。超級機群甚至由數(shù)萬個計算結(jié)點構(gòu)成，這些結(jié)點需要共同協(xié)作才能完成任務(wù)。因此，大規(guī)模的學習者、海量數(shù)據(jù)及其復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)亦是協(xié)同學習的顯著特點。（二）要素組成協(xié)同學習目前已經(jīng)成為人們獲取知識的重要學習模式。我們認為，協(xié)同學習由學習共同體、組織者、學習成員、學 習任務(wù)和資源環(huán)境等五個基本要素組成。1. 學習共同體協(xié)同學習的基本組成單位是協(xié)作學習共同體。作為組織 者和管理

7、者的教師根據(jù)學習目標與學習內(nèi)容，對學習任務(wù)進 行分解，由不同的學習共同體“單獨”完成；也可以沒有教 師參與，學習者為了某個學習目標或任務(wù)自愿組合完成。2. 組織者教師可以作為該學習項目的組織者或管理者，監(jiān)控或引 導(dǎo)學習者。協(xié)同學習的教育理念從傳統(tǒng)的以“教”為中心轉(zhuǎn) 到現(xiàn)代的以“學”為中心，因此，教師不是必需的，組織 者的身份可以是教師，也可以是協(xié)同學習小組的成員。3. 學習成員協(xié)同學習共同體中的學習成員或?qū)W習者，一般具有相似 的愛好、認知水平，能夠有效地交換、發(fā)布和創(chuàng)造問題、思 想和知識。協(xié)作學習成員不限于自然人，也可能是由計算機 扮演的學習伙伴。4. 學習任務(wù)教師根據(jù)教學計劃或者學習者根據(jù)自

8、己的需要而制定 的、在一定時間內(nèi)完成的、需要協(xié)同學習成員協(xié)作努力完成 的學習目標或?qū)W習內(nèi)容。5. 資源環(huán)境協(xié)同學習是在一定環(huán)境中進行的，它需要一種開放性 的、廣泛參與的建構(gòu)主義模式的學習支撐環(huán)境，主要包括協(xié) 作學習的組織資源、軟件資源、硬件資源和知識資源等。這 些學習資源環(huán)境必須是安全的，能夠保障協(xié)同學習的順利進 行。二、問題和挑戰(zhàn)隨著協(xié)同學習中的數(shù)據(jù)量日益劇增，學習用戶的規(guī)模日 益加大，學習者、數(shù)據(jù)資源分布的地域空間更加廣闊，數(shù)據(jù) 可靠性要求越來越高。協(xié)同學習不僅需要保護知識產(chǎn)權(quán)，還 需要實現(xiàn)對個人信息及其他私密學習資源的保護。以前的數(shù) 據(jù)訪問是c/s （客戶機/服務(wù)器）模式以及b/s （瀏

9、覽器/服 務(wù)器）模式，發(fā)展到目前的云模式，大規(guī)模存儲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) 化和分布式共享結(jié)構(gòu)使協(xié)同學習面臨更多安全挑戰(zhàn)。（一）協(xié)同學習安全威脅1. 協(xié)同學習數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)安全管理變得 更為困難（1）協(xié)同學習資源的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，面臨著更大的風 險和威脅。在協(xié)同學習中，不僅數(shù)據(jù)量越來越大，而且數(shù)據(jù) 種類繁多，既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，比如 文本、圖片、音頻和視頻等，特別是這種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的比 重在迅速提高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護方法難以滿足這一要求，需 要更多、更合理的規(guī)定和新技術(shù)的支持。（2）為無數(shù)的協(xié)同學習者提供并發(fā)存取服務(wù)，導(dǎo)致學 習資源數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)暴露在客戶網(wǎng)中。一方面，數(shù)據(jù)存儲設(shè) 備

10、處于開放的網(wǎng)絡(luò)中，存儲系統(tǒng)與客戶網(wǎng)直接相連，失去了 傳統(tǒng)文件服務(wù)器的保護，更容易遭受網(wǎng)絡(luò)竊聽、數(shù)據(jù)篡改、 消息重放等威脅；另一方面，敏感數(shù)據(jù)需要維護，但是協(xié)同 學習者可能來自不同的地域、組織以及具有不同的身份標 識，這給安全認證帶來了困難，也給黑客、病毒等提供了可 乘之機。2. 威脅手段具有較高的技術(shù)含量在信息時代，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化使犯罪分子更容易獲得關(guān)于 協(xié)同學習用戶的個人信息，也有了更多不易被追蹤和防范的 犯罪手段，可能會導(dǎo)致高技術(shù)含量的騙局。從以前的撥號上 網(wǎng)到目前的隨時隨地在線，每個人都意識到網(wǎng)絡(luò)病毒和不斷 快速增加的安全風險。由于協(xié)同學習的規(guī)模性和網(wǎng)絡(luò)的開放 性，運行在其上的所有軟件都可

11、能成為被攻擊的目標。越來 越大的攻擊面以及越來越快產(chǎn)生的惡意軟件意味著反病毒 軟件檢測能力的日益滯后。3. 應(yīng)用主動防御技術(shù)來應(yīng)對威脅從上世紀九十年代初期到現(xiàn)在，病毒傳播的速度或者網(wǎng) 絡(luò)攻擊的速度越來越快直至"zero day”的出現(xiàn)，病毒和黑 客的攻擊愈演愈烈，手法日趨多樣化、高級化和快捷化，傳 統(tǒng)的安全防御技術(shù)難以有效抵擋各種威脅，比如應(yīng)用層威脅 能夠穿透防火墻。特別是在大數(shù)據(jù)時代，不管是人工即時響 應(yīng)，還是自動響應(yīng)都難以抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊和威脅，因此，傳統(tǒng) 的安全防御技術(shù)不可能滿足協(xié)同學習所有的安全需求，只有 主動阻擋才有可能保障協(xié)同學習的安全。（二）協(xié)同學習安全需求協(xié)同學習不但要確

12、保敏感數(shù)據(jù)和私密數(shù)據(jù)的機密性，還 要確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。為了構(gòu)建安全的協(xié)同學習系 統(tǒng)，首先要厘清其安全需求。1. 私密性協(xié)同學習中的敏感學習數(shù)據(jù)或個人私密信息，不能被個 人或其他組織竊取。一方面，由于學習數(shù)據(jù)存儲在協(xié)同學習 共享服務(wù)器中，協(xié)同學習者喪失了對敏感或私密信息的物理 保護能力；另一方面，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的學習資源，面臨數(shù)據(jù) 泄露的風險。2. 完整性協(xié)同學習中的數(shù)據(jù)應(yīng)當是完備的、可信的，不能丟失或 未經(jīng)授權(quán)修改。同時，合法協(xié)同學習者對數(shù)據(jù)的修改、刪除 等操作應(yīng)當能夠被正確執(zhí)行。如何保障協(xié)同學習的數(shù)據(jù)不被 損毀、不受未授權(quán)修改以及所有合法用戶操作被忠實地執(zhí)行 是協(xié)同學習系統(tǒng)應(yīng)該重視的問

13、題。3. 一致性協(xié)同學習系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)當是一致的，不同的授權(quán)學習 者對同一數(shù)據(jù)的訪問結(jié)果應(yīng)當相同。在協(xié)同學習中，用戶的 學習或研究工作依賴于相同的數(shù)據(jù)，以確保學習或研究結(jié)果 匹配或者檢測一個方法的正確性；多個學習用戶訪問到的、 保存在云端的同一份數(shù)據(jù)應(yīng)當是完全相同的。4. 可靠性協(xié)同學習的可靠性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)訪問控制的機制研 究上，協(xié)同學習系統(tǒng)中的用戶身份驗證是訪問控制的基礎(chǔ)。 協(xié)同學習系統(tǒng)應(yīng)具備良好的身份驗證機制，從而授權(quán)過期或 未被授權(quán)的個人或組織將不能對數(shù)據(jù)進行訪問。三、門限代理簽名及其應(yīng)用保障學習數(shù)據(jù)傳輸中的私密性、完整性、可靠性和真實 性，成為協(xié)同學習環(huán)境所面臨的、迫切需要解決的最重

14、要的 安全問題。數(shù)字簽名是目前為止解決上述問題的成熟技術(shù)，我國在 2005年頒布了電子簽名法。數(shù)字簽名能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?性、發(fā)送者的身份認證以及交易中的不可抵賴。數(shù)字簽名技 術(shù)在網(wǎng)絡(luò)學習中的研究和應(yīng)用，已受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān) 注并已得到廣泛應(yīng)用。但是，它不能解決網(wǎng)上學習數(shù)字資源 的安全授權(quán)問題。為了解決這個問題，研究者提出了代理簽 名技術(shù)。3代理簽名是數(shù)字簽名的最新形式，是解決數(shù)字 資源網(wǎng)絡(luò)授權(quán)傳遞問題的核心技術(shù)之一。依據(jù)原始簽名者和代理簽名者的人數(shù)情況，代理簽名可 分為普通代理簽名、多重代理簽名、代理多重簽名、多重代 理多重簽名和門限代理簽名等類型。4（一）門限代理簽名在門限代理簽名中

15、，一個原始簽名者授權(quán)一群代理者簽 名權(quán)力，當進行簽名時，只有指定數(shù)目或超過指定數(shù)目的代 理者聯(lián)合才能產(chǎn)生有效的代表原始簽名者的簽名；也就是 說，允許n個代理簽名者中的至少t個代理者合作代表原始 簽名者對消息進行簽名。5門限代理簽名擁有諸多優(yōu)點，例如：（1）對于攻擊者來 說，必須得到至少t個子代理簽名密鑰，這一般較困難；（2） 即使某些代理簽名者不愿意或不合作出示子代理簽名密鑰、 泄露或篡改子代理簽名密鑰或丟失子代理簽名密鑰，代理簽 名密鑰的恢復(fù)也不會受到影響；（3）權(quán)力分配容易實現(xiàn)，職 權(quán)濫用易于避免。比如，某些重要決定需要董事會的多名董 事聯(lián)合簽名才能生效。門限代理簽名因為具有門限和代理兩

16、種特性而受到學者和專家們的極大關(guān)注。（二）門限代理簽名在協(xié)同學習/工作中的應(yīng)用如上所述，門限代理簽名擁有簽名權(quán)力分配和簽名密鑰 分散的優(yōu)點，這使它在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同學習（工作）中的在線答辯 系統(tǒng)、協(xié)作實驗系統(tǒng)、協(xié)作項目系統(tǒng)、電子審稿系統(tǒng)、電子 選舉系統(tǒng)以及電子支付系統(tǒng)等的研究和應(yīng)用中，備受關(guān)注。 6例如，在網(wǎng)絡(luò)評選優(yōu)秀教師系統(tǒng)中，教務(wù)部門作為原始 簽名者，將其密鑰分割成n份密鑰碎片，然后分發(fā)給指定的 n個學生，即代理簽名者；當學生網(wǎng)絡(luò)投票時，只有投票人 數(shù)達到規(guī)定的t時，才能生成有效的簽名，即評選出的教師 才有效。這樣的電子選舉既能實現(xiàn)選舉制度的民主化，即選 舉由多人參與完成，又能實現(xiàn)電子選舉管理的最

17、優(yōu)化，即投 票數(shù)的生效保障。 四、基于門限代理簽名的協(xié)同學 習方案由于協(xié)同學習共同體中的學習者、學習資源呈現(xiàn)分布式 分布，這種管理機制需要學習共同體中的部分學習者通過分 布式算法達成協(xié)調(diào)一致，而門限代理簽名以其自身獨特的優(yōu) 勢，給協(xié)同學習環(huán)境安全帶來了契機。基于自驗證門限代理 簽名，我們構(gòu)建了一個以開發(fā)軟件項目為目的的課程教學協(xié) 同學習方案。在課程教學協(xié)同學習中，課程教師作為原始簽名者授權(quán) 一個學生學習小組來完成一項軟件開發(fā)的學習任務(wù)。在這項 協(xié)作學習任務(wù)中，只要學生學習小組中指定數(shù)目的學生完成 了其學習任務(wù)(不需要所有的學生完成，例如，為了提高工 作效率與軟件的質(zhì)量，有些軟件模塊由多人同時來

18、完成)， 該協(xié)作學習任務(wù)也就結(jié)束。在這個案例中，學生學習小組作 為代理簽名者，簽名驗證者可以是授課教師的教學助教。方 案如下。(一) 系統(tǒng)注冊階段(密鑰產(chǎn)生階段)第一步：每個學習小組成員選擇一個隨機整數(shù) lwtiwnt,并計算 vi=h (ti, idi) g,然后發(fā)送(vi, idi) 給認證中心cao第二步：認證中心ca從用戶ui處接收到(vi, idi) 后，選擇 1 wziwnt,且計算 yi=vi+zig 與 ei=zi+h (yi) x, idi) xca mod n并且把結(jié)果(yi, ei)返回給學習小組 成員ui o第三步：學習小組成員ui計算xi=ei+h (ti, idi)

19、 mod n,并且通過檢查ycah (yi) x, idi) +yi=xig來驗證它的 有效性。如果驗證成立，則學習小組成員ui接受(xi, yi) 作為它自己的私鑰、公鑰對。(二) 課程教師授權(quán)學習小組成員任務(wù)實施階段(代理授權(quán)階段）（三）學習小組成員完成任務(wù)上報階段（門限代理簽名 階段）（四）教學助教驗證學習小組成員簽名階段（代理簽名 驗證階段）第一步：通過授權(quán)證書mw和實際參與簽名的學習小組 成員身份集合as id,教學助教能夠獲得門限值t和n的值， 以及來自ca的課程教師和學習小組成員的公鑰，并且能知 道實際參加代理簽名的學習小組成員的數(shù)目t'。然后教學 助教檢查t'

20、nt是否成立，如果成立，他或她繼續(xù)下面的 步驟；否則他或她將視門限代理簽名（mw, ko, m, k, s, asid）無效。第二步：教學助教通過檢查等式（2）是否成立來驗證 消息m的代理簽名的有效性。如果等式（2）成立，教學助教完成了協(xié)作學習任務(wù)的 驗證工作。此方案使用了基于自驗證的公鑰體制，具有以下優(yōu)點:（1）系統(tǒng)中各用戶的公、私鑰對由用戶和ca共同生成，用 戶或ca都不能單獨生成用戶的公、私鑰對，ca僅知道用戶 的公鑰，用戶保存自己的私鑰，提高了系統(tǒng)的安全性；（2） 方案不需要證書以及與證書相關(guān)的查詢操作，提高了系統(tǒng)的 工作效率；（3）方案具有較強的認證性。因此，該方案能夠 有效地抵御在

21、協(xié)同學習過程中所遭受的偽造、抵賴、篡改等 各類攻擊和安全威脅，較好地實現(xiàn)了協(xié)同學習資源的公平開 放與共享，使學習資源及其授權(quán)得到了強有力的保護。五、結(jié)語桑新民教授在學習科學與技術(shù)中如是說，肖伯納曾 作過一個著名的比喻："倘若你有一個蘋果，我也有一個蘋 果，而我們彼此交換這些蘋果，那么，你和我仍然是各有一 個蘋果。但是，倘若你有一種思想，我也有一種思想，而我 們彼此交流這些思想，那么，我們每個人將各有兩種思想?！?7這個比喻生動地揭示了協(xié)同學習的特點和價值。協(xié)同學 習能夠共享、共生學習資源，協(xié)同學習者有意識或無意識 的合作尤其是無意識的合作，其釋放的能量是不可估量的。 因此，協(xié)同學習正逐漸成為深受人們歡迎的網(wǎng)上學習方式。 與協(xié)同學習相關(guān)的概念還有眾包、社群感知、群智感知、參 與性感知和群體計算等，它們都是以協(xié)同合作為基