第一章 緒論
第一節 Public Key Infrastructure
公開金鑰基礎建設(Public Key Infrastructure，PKI)，是一種由密碼學原理、擁 有者、管理者三方組成的基礎架構，其旨在於數位憑證(Digital Certificate)的相關
應用，如建立及發放憑證、管理使用、復原撤銷等，而數位憑證可以用來驗證使 用者身分，是網路上目前所使用的身分驗證方法，常見的PKI 應用如企業(網站、
IoT)、個人(報稅、網銀、e-mail)。
任何人都可向憑證認證機構(
Certificate Authority，CA
)註冊自己的公開金鑰與個人相關資訊，以取得一張經過憑證認證機構簽名的數位憑證，之後在網路通訊 時可以藉由展示此數位憑證，檢驗者會根據憑證的有效性，來決定是否信任憑證 的擁有者。
圖 1 PKI 基礎架構
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憑證有效性除了透過驗證CA 簽名外，還需要向 CA 確定該憑證是否被撤銷，憑 證撤銷方式有兩種，第一種「CRL[1]」是 CA 會定期發布撤銷名單，而檢驗者需
要先下載完整的撤銷名單，再逐一比對要檢驗的憑證是否再名單內。第二種
「OCSP[2]」則是 CA 會建立憑證狀態資料庫，檢驗者只需要向 CA 提供憑證資訊，
CA 就會根據資料庫回傳該憑證的最新狀態給檢驗者，目前憑證狀態有「good」、
「revoked」、「unknown」三種。
第二節 Digital Certificate
數位憑證是用於 PKI 架構的電子資料，可以用來證明公開金鑰(Public Key) 的擁有者身份，其標準格式為 X.509[3]。數位憑證會儲存擁有者身分資訊、公鑰 以及CA 對該憑證所簽屬的數位簽章(Digital Signature)，該簽章可以確保數位憑證 的儲存內容正確無誤。擁有者憑著此憑證，可向其他網路上的服務商或使用者證 明身份，來獲得對方的信任，以致使用某些需要身份證明的網路服務，而收到憑
證的網路服務商或使用者，會向CA 詢問該憑證是否過期、數位簽章是否有效等
資訊，來核實憑證的正確性。其中最主要的功用是在檢查擁有者身分時，擁有者 不需傳送個人相關敏感資訊（如電話、身分證、住址等）給驗證者。透過這種資 料交換方式，擁有者既可證明身分，也不必公開私人資料，對個人隱私有極大的 保障。
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第三節 Public Key Infrastructure 的問題
PKI 雖然在網際網路上使用已久，但其本身有不少問題陸陸續續被人提出[4]。
在架構方面，因運作全仰賴 CA 負責，故惡意攻擊者常會透過癱瘓或是駭入 CA 等方式，來攻擊憑證的使用者，例如:2011 年 Diginotar 事件[5]，攻擊者駭入 CA
後頒發一系列假憑證。
在流程方面又分為頒發跟撤銷兩部分，首先頒發憑證的部分，很多 CA 發證
門檻低，只要你付錢就可以取得，這代表惡意使用者會在前期偽裝成正常網站或 服務，潛伏一段時間後才轉變為釣魚、病毒網站等進行惡意攻擊[6]。接著在撤銷 部分，CA 具有單點故障問題，這個「單點」並不是指某一設備，而是指 CA 本
身，因為使用者欲檢查憑證有無撤銷需向CA 進行連線確認，但使用者有可能因
為各種問題(例如：CA 被 DoS 攻擊、DNS 被串改)，導致無法順利向 CA 整體取 得資訊；除此之外，CA 為中心化架構，頒發及撤銷憑證通常是不透明的，雖然 CA 擁有撤銷憑證的權利，但使用者若被惡意/意外撤銷憑證，會「很難」或「需
要很長的一段時間」才能進行申訴，因為使用者無法取得實質的證據證明自己的
清白，再者，網路服務無遠弗屆，使用者與CA 不一定會在相同的地域上，聯繫
客服往往需要大量時間進行轉接、翻譯。
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第四節 Decentralized Public Key Infrastructure
為了解決中心化帶來的種種問題，開始有人研究「去中心化公開金鑰基礎建 設(Decentralized Public Key Infrastructure，DPKI)」，從發現PKI 問題開始到現在，
已有不少成功的案例或實作，目前可分成兩大類別，其一為採用信任網路(Web of trust)為基礎，如 PGP[7]，它移除 CA 的部分，憑證改由使用者自己頒發，透過取 得其他使用者簽名(信任)來增加自己憑證的可信度，雖然解決了 CA 單點故障的
問題，但可信度極度仰賴受他人簽名數量，導致新加入的成員難已受到大家信任，
也無法快速融入網路內；另一種則是使用近幾年蓬勃發展的區塊鏈技術[8]來完成，
又稱為Blockchain-based PKI，因為區塊鏈具有資料公開及不可串改的特性，拿來 存放、管理憑證擁有很高的透明性及安全性，並且其底層為分散式系統，可以避 免單點故障問題，詳細區塊鏈細節會在後面章節說明。
目前Blockchain-based PKI 有全去中心化及半去中心化兩種，前者如 Mustafa Al-Bassam 所做[9]，其結合信任網路(Web of trust)與區塊鏈技術，讓使用者將憑證
本身以及它人簽名儲存到區塊鏈上，與PGP 相似只是儲存憑證位置不同而已；後
者有Karen Lewison and Francisco Corella 所做[10]，其保留了 CA 的部分，並讓 CA 將憑證資訊、撤銷資訊均放入區塊鏈，使用者只需要到區塊鏈查看憑證資訊，
不必與CA 通訊，也不用像[9]一樣需要累積一段時間才能正常使用。
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第五節 Blockchain-based PKI 的問題
儘管半去中心化架構看起來很完美，但解決舊問題的同時，新問題也隨之產 生，導致Blockchain-based PKI 始終無法取代目前的 PKI 成為主流，主要問題主 要有三點，詳情如下：
問題一 區塊鏈頻寬限制
塊鏈交易速度非常慢，以區塊鏈技術中的以太坊(ethereum)[11]為例，其 TPS(每秒交易量)只有 10，一天最多 86 萬多筆交易，但光是一家免費的憑證機構 let's encrypt，一天所要頒發的憑證數量就大約 100 萬張[12]，區塊鏈完全無法負
荷如此龐大的憑證發放。
問題二 缺乏監督機制
將憑證儲存在分散式系統的區塊鏈中，雖然解決檢驗憑證時的單點故障問題，
但是在發放與撤銷的動作流程上，其實還是不透明的中心化情形，坦白來說CA
只是換了一個儲存憑證資訊的位置而已，使用者還是無法取得有用的證據，來證 明CA 放入區塊鏈的憑證資訊是否有問題。
圖 2 Blockchain-based PKI 的中心化部分示意圖
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問題三 牴觸 GDPR
歐盟於2018 年實施一般資料保護規範(
General Data Protection Regulation，
GDPR
)[13]，其目的為加強歐盟境內人民電子資料保護(personal data)的保護，法 規內容不僅重新定義個人資料(personal data)的範疇，對資料的使用與儲存也有更多嚴格的限制，且不論企業或服務提供者是否在歐盟境內，只要使用資料或服務 對象與歐盟人民有關，均需符合GDPR 之規範，若違反 GDPR 將被處以高額罰鍰，
然而GDPR 內有兩項新法規，與區塊鏈技術的特性互相牴觸，導致區塊鏈必定無 法符合GDPR：
其一，個人資料儲存時必須假名化(pseudonmisation)，意即若不使用額外資訊，
旁人是無法從儲存的資料逆推當事人，且額外資料必須另外存放，然而[9][10]兩
篇論文，直接將憑證放入區塊鏈的做法，等於直接將憑證擁有者的個人資訊以明 文方式公開到網路上。
其二，資料的當事人可以行使「被遺忘權」，資料擁有者可要求控制資料的
一方，刪除所有個人資料的任何連結、副本或複製品，但很不巧的，區塊鏈具有 不可刪除的特性，資料一旦放上去，除非所有儲存節點損毀(幾乎不可能)，因此
憑證的擁有者永遠無法行駛被遺忘權。
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第六節 目標&解決方法
PKI 與 DPKI 雖然都是致力於解決身分驗證，但或多或少都有一些缺陷，因
此我們目標是融合兩方之長，建立一個更為安全、方便的身分驗證架構，由於PKI 最大的問題在於單點故障以及流程不透明，而區塊鏈技術正好是PKI 問題的最佳 解法，因此本篇論文將著重於解決Blockchain-based PKI 的問題。
為了解決區塊鏈本身頻寬限制以及抵觸GDPR 部分，我們研究了新的資料結 構「TP-Merkle Tree[14]」來進行憑證的儲存及驗證，透過此結構可以將一百萬張
的憑證壓縮成一筆資料再儲存到區塊鏈上，完美的解決了假名化以及交易數量限 制，至於運作不透明的部分，我們建立了一套包含釐清責任、快速申訴、自動賠 償的完整監督機制，透過PoV 技術取得有效證據的情況下，可以大幅度降低 CA 出錯或作詭的機率，即使發生問題，使用者只需要使用證據，即可輕易從區塊鏈 上得到相應的加密貨幣[15]當做賠償，而不必考慮跨國客服時貨幣、時差及語言
不同等問題。
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