一種基于動(dòng)態(tài)口令的挑戰(zhàn)應(yīng)答智能卡鑒別機(jī)制

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：蔣立軍，周安民   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月07日

    對(duì)于特定的信息系統(tǒng)資源，應(yīng)該只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的合法用戶(hù)才能訪問(wèn)，而問(wèn)題的關(guān)鍵就在于如何正確地鑒別用戶(hù)的真實(shí)身份。身份鑒別是系統(tǒng)查核用戶(hù)的身份證明的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是查明用戶(hù)是否具有他所請(qǐng)求資源的存儲(chǔ)和使用權(quán)。信息技術(shù)領(lǐng)域的身份鑒別是通過(guò)將一個(gè)證據(jù)與實(shí)體身份綁定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)體可能是用戶(hù)、主機(jī)、應(yīng)用程序甚至進(jìn)程．證據(jù)與身份之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，雙方通信過(guò)程中，一方實(shí)體向另一方提供這個(gè)證據(jù)證明自己的身份，另一方通過(guò)相應(yīng)的機(jī)制來(lái)驗(yàn)證證據(jù)，以確定該實(shí)體是否與證據(jù)所宣稱(chēng)的身份一致。

    目前采用的身份鑒別技術(shù)，主要分為基于口令的身份鑒別、基于智能卡的鑒別、基于密碼的身份鑒別、基于生物特征的身份鑒別等幾類(lèi)．其中，口令鑒別是一種根據(jù)已知事物驗(yàn)證身份的方法，因價(jià)格低廉、容易實(shí)現(xiàn)、方便使用等特點(diǎn)而被廣泛采用。但是，這種鑒別方式同時(shí)也是用戶(hù)鑒別機(jī)制中最容易攻破的形式。如果網(wǎng)絡(luò)上的竊聽(tīng)者得到秘密口令，他就能假冒用戶(hù)。一旦竊聽(tīng)者能假冒用戶(hù)，服務(wù)器就無(wú)法阻止竊聽(tīng)者做合法用戶(hù)授權(quán)所做的任何事情。

    口令鑒別又分靜態(tài)口令鑒別和動(dòng)態(tài)口令鑒別．已有的研究表明傳統(tǒng)的靜態(tài)口令身份鑒別技術(shù)存在固有的安全性缺陷。因此有必要對(duì)口令身份鑒別技術(shù)在安全性方面進(jìn)行加固．采用動(dòng)態(tài)口令身份鑒別技術(shù)可以顯著提高口令身份鑒別方案的安全性。動(dòng)態(tài)口令身份鑒別是根據(jù)每次用戶(hù)登錄系統(tǒng)時(shí)動(dòng)態(tài)口令鑒別信息互不相同，使得通過(guò)直接的網(wǎng)絡(luò)竊聽(tīng)來(lái)進(jìn)行口令猜測(cè)和重放攻擊變得根更加困難。但是，如果這些動(dòng)態(tài)口令鑒別信息是從一個(gè)用戶(hù)記憶的口令推導(dǎo)而來(lái)，那么這個(gè)由用戶(hù)記憶的口令仍然容易受到口令猜測(cè)的攻擊。另外，如果這些動(dòng)態(tài)口令是全部寫(xiě)在紙片上讓用戶(hù)保存的話，雖然可以防止上述攻擊，且口令驗(yàn)證碼也不會(huì)被重用，但對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，需要攜帶大量的口令驗(yàn)證碼和保證這些口令驗(yàn)證碼的安全，并且每次都要輸入相對(duì)復(fù)雜的字符串，這是很不方便的。另外，這種方法也容易造成口令泄漏或中間人攻擊。

    為了有效地改進(jìn)口令鑒別的安全性，眾多文獻(xiàn)進(jìn)行了探討，如通過(guò)增加口令的強(qiáng)度，提高抗窮舉攻擊和字典攻擊的能力；將口令加密防止在傳輸中被竊聽(tīng)；采用動(dòng)態(tài)的一次性口令系統(tǒng)防止口令的重放等。為了解決上述問(wèn)題，本文中提出基于智能卡的動(dòng)態(tài)口令鑒別機(jī)制，有效提高了口令的安全性。 

    智能卡身份鑒別是一種結(jié)合“用戶(hù)已知和已擁有”的身份鑒別方式。智能卡具有嵌入卡片內(nèi)部的CPU和存儲(chǔ)器，同時(shí)還有一系列的安全機(jī)制來(lái)保證內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全．利用智能卡具有數(shù)據(jù)處理能力，可以在卡上進(jìn)行密鑰對(duì)的產(chǎn)生和進(jìn)行卡上的簽名和驗(yàn)證計(jì)算等較復(fù)雜的操作。用戶(hù)訪問(wèn)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)首先判斷智能卡的合法性，然后由智能卡通過(guò)輸入的PIN來(lái)對(duì)持卡人的合法性進(jìn)行鑒別，然后系統(tǒng)對(duì)智能卡的合法性作進(jìn)一步的鑒別。因此，這種方法比基于口令的身份鑒別方法具有更好的安全性，在一定程度上解決了口令身份鑒別方式中的問(wèn)題1(攻擊者可能對(duì)通信信道實(shí)施竊聽(tīng)或截取通信內(nèi)容．)和問(wèn)題2(攻擊者可能利用系統(tǒng)中存在的漏洞獲取系統(tǒng)的口令文件進(jìn)行有關(guān)攻擊。目前智能卡正在不斷地取代磁卡作為一種更為有效的用來(lái)鑒別身份的個(gè)人持有物。雖然基于智能卡的身份鑒別方式，更好的安全性。但普通的智能卡的使用，需要智能卡讀卡器，這嚴(yán)重影響了其使用的方便性。隨著計(jì)算機(jī)通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)USB接口的普及與發(fā)展，基于USB接口和智能卡技術(shù)的USB KEY得到了快速的發(fā)展?；赨SBKEY的身份鑒別方式將是一種方便、安全、經(jīng)濟(jì)的身份鑒別技術(shù)。

    1 動(dòng)態(tài)口令和智能卡

     動(dòng)態(tài)口令也稱(chēng)一次性口令．動(dòng)態(tài)口令隨產(chǎn)生口令的運(yùn)算因子的變化而變化．動(dòng)態(tài)口令的產(chǎn)生因子一般都采用雙運(yùn)算因子：其一，為用戶(hù)的私有密鑰．它是代表用戶(hù)身份的識(shí)別碼，是固定不變的。其二，為變動(dòng)因子。正是變動(dòng)因子的不斷變化，才產(chǎn)生了不斷變動(dòng)的動(dòng)態(tài)口令。采用不同的變動(dòng)因子，形成了不同的動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證：基于時(shí)間同步認(rèn)證、基于事件同步認(rèn)證和挑戰(zhàn)／應(yīng)答方式的認(rèn)證技術(shù)。

    1)基于時(shí)間同步認(rèn)證是把時(shí)間作為變動(dòng)因子，所謂“同步”是指用戶(hù)口令卡和認(rèn)證服務(wù)器所產(chǎn)生的口令在時(shí)間上必須同步。

    2)基于事件同步認(rèn)證技術(shù)是把變動(dòng)的數(shù)字序列(事件序列)作為口令產(chǎn)生器的一個(gè)運(yùn)算因子，與用戶(hù)的私有密鑰共同產(chǎn)生動(dòng)態(tài)口令。其同步是指每次認(rèn)證時(shí)，認(rèn)證服務(wù)器與口令卡保持相同的事件序列。

    3)挑戰(zhàn)／應(yīng)答方式的變動(dòng)因子是由認(rèn)證服務(wù)器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)字序列，它也是口令卡的口令生成的變動(dòng)因子，動(dòng)態(tài)口令技術(shù)采用一次一密的方法，有效地保證了用戶(hù)身份的安全性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。

    智能卡身份認(rèn)證是一種雙因子認(rèn)證方式(PIN碼+智能卡)，兩個(gè)因子缺一不可．即使攻擊者竊取了合法用戶(hù)的智能卡，沒(méi)有正確的用戶(hù)PIN碼，仍然無(wú)法通過(guò)認(rèn)證系統(tǒng)；同理，攻擊者只獲得了用戶(hù)PIN碼，沒(méi)有合法的智能卡也無(wú)法通過(guò)認(rèn)證系統(tǒng)，在基于智能卡的身份認(rèn)證方式中，由于智能卡特有的硬件制造工藝，可以抵御物理篡改攻擊，偽造的難度和成本很高，其操作系統(tǒng)的安全機(jī)制可以防止攻擊者利用軟件方式竊取卡內(nèi)的機(jī)密信息，極大地提高了安全性。

    2 智能卡的動(dòng)態(tài)口令鑒別機(jī)制設(shè)計(jì) 

     提出了一種利用挑戰(zhàn)／應(yīng)答方式的雙向鑒別機(jī)制，客戶(hù)端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中擁有一個(gè)相同的計(jì)數(shù)器，初態(tài)保持同步．新的機(jī)制包括注冊(cè)階段，登錄階段和鑒別階段．為方便敘述，對(duì)本文中用到的符號(hào)和標(biāo)識(shí)作如下說(shuō)明：
    ·U：表示用戶(hù)
    ·S：遠(yuǎn)程服務(wù)器
    ·ID：用戶(hù)身份標(biāo)識(shí)符
    ·PW：用戶(hù)登錄口令
    ·K_s：服務(wù)器密鑰，用于構(gòu)建注冊(cè)用戶(hù)的秘密信息
    ·h_k(·)：HMAC．SHA一1算法，密鑰為k 
    ⊕：異或運(yùn)算

    2．1 注冊(cè)階段

   1)用戶(hù)自由選擇登錄口令PW，計(jì)算M₁=h(ID⊕PW)，通過(guò)安全信道向服務(wù)器發(fā)送C ₁和ID 進(jìn)行注冊(cè)。
    2)s收到注冊(cè)請(qǐng)求后，生成隨機(jī)數(shù)r，取出密鑰K_S ，計(jì)算 K=h(ID⊕K_S)， K₁=h（ID⊕r)，V= k⊕hK₁(C₁)，S將包含信息（r，V，h(·)，h_k (·)|的智能卡通過(guò)安全信道簽發(fā)給用戶(hù)，此時(shí)，s保存r。 

    2．2 登錄階段

    1)用戶(hù)U要登錄到服務(wù)器S，把智能卡插入終端，提交身份ID和口令PW。

    2)智能卡判斷用戶(hù)身份ID的合法性，若ID不合法，拒絕發(fā)送登錄請(qǐng)求；否則取出R和V，計(jì)算M_l  ¹=h(PW)，k₁ ^* =h(ID⊕r)，k *= V⊕h_kl  ^* ,(M1^* )，并生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)b，計(jì)算c₁= h( k *⊕TU_I)⊕( k₁ *⊕TU_I)，其中TU_I是用戶(hù)當(dāng)前的時(shí)間戳。

    3)發(fā)送信息{ ID，C₁，TU₁ }給遠(yuǎn)程服務(wù)器，請(qǐng)求登錄。

    2．3 鑒別階段

    服務(wù)器．S收到登錄請(qǐng)求后，服務(wù)器s和智能卡會(huì)執(zhí)行下列操作：

   1)S驗(yàn)證ID的有效性．若ID不合法，S拒絕登錄請(qǐng)求；否則，S證TU₁和TS₁之間的有效性．如果TS ₁- TU₁≥△ ，服務(wù)器拒絕登錄請(qǐng)求；否則，s計(jì)算C₁ ^*=h( k ⊕TU_I)⊕h( k1 ⊕TU_I)，比較C₁^* 與C₁，若C₁* ≠C₁，S中止本次會(huì)話；否則，S通過(guò)對(duì)用戶(hù)U的認(rèn)證。其中，TS₁是服務(wù)器當(dāng)前的時(shí)間戳，△ 為期望的有效時(shí)間間隔。

    2)為實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證，S計(jì)算C₂=h( K⊕TS₂）⊕r）發(fā)送{C₂，TS₂}給智能卡，其中TS₂是服務(wù)器當(dāng)前的時(shí)間戳。

    3)智能卡收到驗(yàn)證信息后，驗(yàn)證TU₂和 TS₂之間的有效性。如果TU₂-TS₂≥△ ，用戶(hù)拒絕服務(wù)器登錄；否則，智能卡取出r，計(jì)算C₂ *=h((K^* ⊕r)，比較C₂ ^*與C₂，若C₂ ^*≠C₂，中止本次會(huì)話；否則，通過(guò)對(duì) S 的身份認(rèn)證。其中TU₂是用戶(hù)當(dāng)前的時(shí)間戳，△ 為期望的有效時(shí)間間隔。

    3 安全性和有效性分析

    1)能夠有效抵抗重放攻擊和小數(shù)攻擊，在鑒別過(guò)程中引人了隨機(jī)數(shù)，保證了每次認(rèn)證信息的新鮮性，不易實(shí)現(xiàn)猜測(cè)和偽造，能夠有效抵抗重放攻擊。而由于實(shí)現(xiàn)原理與S／Key不同，所以，不存在小數(shù)攻擊。

    2)實(shí)現(xiàn)了雙向身份鑒別，用戶(hù)的身份以及服務(wù)器的合法性得到了保護(hù)。同時(shí)本機(jī)制采用了雙因子認(rèn)證方式(動(dòng)態(tài)口令+智能卡)，攻擊者要想進(jìn)行口令猜測(cè)攻擊，兩者缺一不可。另外，由于用戶(hù)自由選擇口令進(jìn)行注冊(cè)，并且服務(wù)器總動(dòng)生成隨機(jī)數(shù)結(jié)合口令進(jìn)行哈希運(yùn)算，口令信息的隨機(jī)性更增加了口令猜測(cè)的難度。

    4)采用了挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制，引入了時(shí)間戳保持了客戶(hù)端與服務(wù)器的同步性，同時(shí)保證了鑒別信息的隨機(jī)性，能夠有效抵抗假冒攻擊和重放攻擊。

    5)本機(jī)制采用智能卡自帶的哈希運(yùn)算，計(jì)算代價(jià)低，同時(shí)，服務(wù)器不需要保存認(rèn)證成功的口令，減小了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，一定程度上大大提高了執(zhí)行性能。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文中提出的動(dòng)態(tài)口令機(jī)制采用了智能卡的雙因子身份認(rèn)證，在挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制中引入時(shí)間戳，保持通信雙方的同步性，同時(shí)加入了動(dòng)態(tài)口令使鑒別信息不斷變動(dòng)，此外，由于單向函數(shù)的安全性及復(fù)雜性，大大增加應(yīng)用系統(tǒng)的安全性和有效性，實(shí)現(xiàn)了雙向身份鑒別，能夠有效抵抗一些典型的攻擊。但是，客戶(hù)端和服務(wù)器端運(yùn)算還是比較多，需要進(jìn)一步的完善。

    (文 /四川大學(xué)信息安全所，蔣立軍，周安民)