DPKI的崛起之路——分布式数字身份(DID)

2022 年 4 月 26 日 CCF计算机安全专委会

引言

互联网的出现和普及使得传统身份有了另一种表现形式，即数字身份，除自然人以外，机构组织、智能设备、虚拟网络都可以作为实体并拥有数字身份，这些实体作为数字化社会的重要组成部分，共同构建了数字生态，数字社会身份体系如下图所示。

图1 数字社会身份体系

我们一般认为，数字身份的演进可分为三个阶段，第一阶段是由单一权威机构进行管理和控制的中心化身份，不同机构之间身份数据互不相通；第二阶段是由多机构或者联盟进行管理和控制的联盟身份，在该体系下，用户的身份数据具备了一定的可移植性，第三阶段以用户为中心，身份信息由用户自主掌控授权，身份管理走向去中心化。可以预见，在未来的数字化社会中，分布式数字身份体系带来的全新观念必将催生新的商业模式[1]，本篇文章将聚焦分布式数字身份(DID)，探索其广阔应用场景。

PKI&&DPKI

“身份”本身是基础并客观存在的，今天的互联网广泛通过“租借”第三方机构（ICANN、DNS注册机构、证书颁发机构）服务来构建信任体系，实现实体间的安全通信，若要实现去中心化生态体系，又该如何求解，这里我们就来聊一聊PKI与DPKI体系之间的关系。

2.1

PKI

PKI是Public Key Infrastructure的缩写，翻译过来也就是公钥基础设施，是生成、存储、分发和撤销用户数字身份证书所必须的软件、硬件、人、策略及处理过程的集合，也是国际公认普遍适用的一整套信息安全系统。PKI的建立依赖于权威的认证，离不开可信第三方（ICANN、DNS注册机构、证书颁发机构）的协同工作，通过运用多种技术，可为应用提供认证、加密和数字签名等安全支撑，为信息系统提供密钥管理和证书管理等安全服务，其主要载体为X.509格式的证书文件，PKI技术架构如下图所示。

图2 PKI技术架构

2.2

DPKI

分布式公钥基础设施(DPKI)作为PKI的演进，并非是对PKI的全盘抛弃和替代，更多是在原有认证体系基础之上的一种改进和补充，通过构建一种分布式的认证体系来解决中心化认证体系存在的问题，是未来网络信任生态的基础设施。DPKI与PKI在业务流程上并无明显区别，首先用户提供相关信息并发起申请，接下来发证方审核信息，颁发证书，最后用户出示证书完成验证。但不同于PKI体系，DPKI强调用户身份的自主可控、身份可移植和分布式认证，个人身份的验证不再依赖于发证方，DPKI认证体系的具体特性如下图所示。

图3 DPKI认证体系特性

分布式数字身份(DID)

伴随着区块链等可信技术的发展，各大公司、机构纷纷入局，对DPKI的实现展开了更深入的研究探索，分布式数字身份(DID)解决方案应运而生。通过结合区块链技术，分布式数字身份使用户真正拥有并控制自己的个人数据和资产，可实现跨部门、跨行业、跨地域的去中心化共享能力。

3.1

W3C DID

万维网联盟(W3C)作为Web技术领域最具权威和影响力的标准化组织，已制定了200多项影响深远的Web技术标准及实施指南，其下属DID工作组已于2019年底发布了首个DID标准规范[2]，该标准主要包括分布式身份标识和可验证声明(身份凭证)两大基础模块，定义了身份标识符格式，描述文档以及身份凭证的生成、出示、验证和销毁等流程，覆盖了身份和凭证管理的完整生命周期，使DID技术向着规范化、标准化的目标迈出了一大步，W3C DID标准结构如下图所示。

图4 W3C DID标准结构

3.2

基础层：DID规范

DID基础层主要定义规范了身份标识符及相应描述文档，该规范可用来标识人、组织、物品、抽象实体等任意主体。其中，DID标识符是一个特定格式的字符串且全局唯一，用来代表一个实体的数字身份，类似于我们的身份证号码一样，而每个DID标识都会对应一个DID文档(Document)，文档为JSON字符串格式，主要包含了与DID验证相关的密钥信息和验证方法，用以实现对实体身份标识的控制，DID文档内容格式如下图所示。

图5 DID文档内容格式

并且，一个实体可对应多个DID，实体在通过注册申请后可获得一个或多个由自己进行维护管理的DID标识，不同DID标识所代表的身份之间互不相关，有效降低了身份信息之间的耦合性。总的来说，我们可以将DID基础层看作是一个键值数据库，DID标识符当作键，而DID文档则是对应的值，二者之间的关系结构如下图所示。

图6 DID标识规范结构

3.3

应用层：可验证证明

通过上一小节对DID规范的介绍可以看出，DID文档中不包含任何与个人真实信息相关的内容，如姓名、手机号、地址等。因此，仅仅依靠DID标识是无法完成身份验证的，DID应用层可验证声明[3]的助力不可或缺。

可验证声明(VC)用于在网络上（区块链）流转可验证信息，是建立DID整个体系的价值所在。对于DID应用层，我们可将参与实体划分为发行人(Issuer)、持有人(Holder)、验证人(Verifier)、DID注册系统（区块链）、凭证存储平台。其中，发行人拥有用户数据并且能出具相应VC，如政府部门、公安机关、教育机构等；持有人则是VC的持有者，任何人都可以充当该实体角色；验证人负责接受VC并进行核验，由此为VC持有人提供相应类型的服务；DID注册系统及凭证存储平台分别负责链上链下数据信息的验证维护，可验证声明应用服务如下图所示。

图7 可验证声明应用服务

应用场景

4.1

身份认证

身份认证可以说是DID最基本的应用了，对于有身份识别(KYC)需求的场景，通过提前将多个机构颁发的VC与用户绑定，且锚定到区块链上，凭借密码算法，可进行分布式验证，用户只需获取一次VC，便可随时出示使用。例如员工入职背景调查，材料在流转过程中极易遭受篡改，且验证手段较为匮乏，若使用DID解决方案，学生可以在链上使用自己的DID标识向学校申请学历（学位）凭证，向前公司申请工作（离职）凭证，而在求职时，现公司只需通过验证接口对上述凭证真实性进行核验，即可快速完成员工的入职背调。

4.2

无密码安全登录

无口令安全登录的应用场景类似于微信扫码登录，当我们需要注册或登录网站时，无需输入用户名、电子邮箱、密码之类的口令，只需使用手机中存储的用户DID信息完成与网站DID的双向验证。虽然登录形式看起来没有发生任何变化，但与传统扫码认证方式不同的是，DID中的身份信息由用户自己掌控，用户首先通过二维码获得网站DID并进行验证获得公钥，再使用公钥加密请求数据，发送自己的身份信息交由服务器验证，若验证通过，则登陆成功。通过整个流程我们可以看出，服务器并不知道用户的口令，而且也无法获得除用户DID文档以外的任何信息，从而有效防止数据泄露，保护用户身份隐私。

4.3

个人隐私保护

隐私保护是任何身份管理解决方案中不可或缺的一部分，DID也不例外，通过对用户属性的选择性披露可以有效降低用户隐私泄露的风险。在实际生活中，用户身份通常具有多个属性，如身份证上的姓名、出生年月、家庭住址、身份证号等，我们并不总是希望直接将整个证件亮给验证者查看，过多关联信息的泄露会带来一系列麻烦，不法分子就曾利用通行大数据（健康宝）窃取明星隐私并进行传播售卖[4]。DID凭证结合零知识证明技术，可以做到信息最小化提供的同时不影响凭证的合法性验证，有效保护用户隐私。例如，一个有社会责任心的商店老板拒绝向未成年人出售香烟，对于买烟的顾客需要查验其年龄信息，此时若使用身份证则会泄露关联敏感信息，但在DID技术中，可以只出示部分信息，证明自己已超过一定年龄（18岁）而无需透露其他信息，包括出生年月，从而实现对个人隐私信息的选择性披露。

4.4

数字版权保护

线上数字内容往往会面临一系列的版权纠纷，利用区块链不可篡改及数字身份自主可控的特性，可有效解决数字内容版权保护问题，实现多方信息的实时共享、版权认证、交易维权，促使数字资产合法合规流动。链上参与者通过使用DID技术，使得作品具备唯一标识，著作权经过认证后，成为不可篡改的链上凭证，可以作为举证、流转的声明，应用于资产确权、数据定价、流转监测分析以及侵权取证等场景。

4.5

物联网及边缘计算

物联网设备通常分布在不同的地域，采用多种方式接入网络，这也使得其编码标准存在多样性，具有较高管理成本和安全风险。若使用DID技术为物联网设备分配全局唯一标识，并结合厂家生产信息、物联网运营商以及设备的所有权信息，为设备颁发多种凭证，赋予设备可声明、可验证的自主身份，即可在区块链上实现设备身份和数据的高效分布式认证，有效保障数据来源的真实性，同时也有利于对设备产生的数据进行确权、计价。