基于智能卡的雙向身份認證方案設(shè)計

文章出處：http://www.luckydriving.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月10日

　　引言

　　隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及和電子商務(wù)的發(fā)展，越來越多的資源和應(yīng)用都是利用網(wǎng)絡(luò)遠程獲得的。如何確保特定資源只被合法、授權(quán)的用戶訪問，即如何正確地鑒別出用戶的身份是確保通信網(wǎng)和數(shù)據(jù)安全的首要條件。目前，主要的身份認證方法有3 種：基于口令的身份認證；基于生物特征的身份認證和基于智能卡的身份認證。結(jié)合密碼學(xué)技術(shù)，很多專家和學(xué)者提出了基于智能卡的身份認證的有效方案。

　　2000 年，Sun提出了一種基于哈希函數(shù)的智能卡有效遠程認證方案，但該方案容易遭受密碼猜測攻擊和內(nèi)部攻擊。2002 年，文獻[5]作者也在單向哈希函數(shù)基礎(chǔ)上提出了一種方案。隨后，很多專家和學(xué)者提出了各自的方案，這些方案通過引入隨機數(shù)、計數(shù)器、時戳等參數(shù)來實現(xiàn)有效地、安全地雙向認證。但遺憾的是，這些方案均會出現(xiàn)一些不可避免的漏洞。

　　在分析以上方案的基礎(chǔ)上，這里提出了一種新的遠程用戶認證方案。該方案是隨著電子技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的設(shè)想。文獻[6-8]證明了公鑰密碼算法在智能卡中的應(yīng)用。該方案在保留了以上文獻所采用的部分參數(shù)的基礎(chǔ)上，在智能卡中引入了公鑰密碼算法，可靠地實現(xiàn)了通信雙方的身份認證，能夠抵御多數(shù)類型攻擊，具有很強的安全性。

　　1.術(shù)語定義 下面定義在文中所用到的符號

　　U 表示認證協(xié)議中的用戶；S 表示認證協(xié)議中的認證服務(wù)器；ID 為用戶的身份標(biāo)識；PW 為用戶登陸口令；Ti 為時戳；h﹙·﹚為單向哈希函數(shù)；⊕為異或運算；為安全的通信信道；→為不安全的、普通的通信信道；E 為加密算法；D 為解密算法；Ku 為用戶的公鑰；ku 為用戶的私鑰；Ks 為服務(wù)器的公鑰；ks 為服務(wù)器的私鑰。

　　2.所提出的認證方案

　　方案由注冊階段、登陸階段、雙向驗證階段、密碼修改階段組成。

　　2.1 注冊階段

　　R1：用戶選擇自己的標(biāo)識ID、公鑰Ku、私鑰ku、口令PW 并計算h﹙PW﹚，通過安全信道提交給認證服務(wù)器S，即US：ID，h﹙PW﹚，Ku，ku。

　　R2：服務(wù)器產(chǎn)生自己的私鑰ks 和公鑰Ks，并將自己的公鑰Ks 發(fā)布出去，將ks 保存好，把用戶的公鑰Ku 存入數(shù)據(jù)庫。同時服務(wù)器計算Vi=h﹙ID⊕ks﹚，Ri=h﹙ID⊕ks﹚⊕h﹙PW﹚，然后將信息{Ri，h﹙·﹚，Ks，ku，公鑰算法}寫入智能卡。

　　R3: S 把智能卡通過安全信道交給用戶，即S U：Card{Ri，h﹙·﹚，Ks，ku，公鑰算法}。

　　2.2 登陸階段

　　L1：用戶U 把智能卡插入相關(guān)終端設(shè)備，輸入ID、PW，智能卡與終端設(shè)備驗證ID、PW 的合法性，否則放棄。

　　L2：記錄系統(tǒng)時戳T1，智能卡計算Vi=Ri⊕h﹙PW﹚，C1= h﹙T1⊕Vi﹚，并使用服務(wù)器的公鑰Ks 進行加密運算，ET1=E﹙T1，Ks﹚，EC1=E﹙C1，Ks﹚。

　　L3：用戶U 通過一般信道將登陸信息m1{T1，C1，ET1，EC1}發(fā)給服務(wù)器S，即：U→S: m1{ T1，C1，ET1，EC1}。

　　2.3 雙向驗證階段

　　V1：服務(wù)器S 收到m1{ T1，C1，ET1，EC1}后，首先用自己的私鑰ks 進行解密運算：T1*=D﹙T1，ks﹚，C1*=D（C1，ks﹚，然后進行比較判斷：T1*與T1 是否相等，C1*與C1 是否相等。若不能滿足兩者同時相等，則放棄；若兩者同時相等，則進行下面的計算。

　　V2：計算Vi= h﹙ID⊕ks﹚。

　　V3：驗證h﹙T1⊕Vi﹚是否與C1 相等，若不相等，則為非法用戶；若相等，則為合法用戶。

　　V4：記錄系統(tǒng)時戳T2，計算C2= h﹙T2⊕Vi﹚，并使用存儲在數(shù)據(jù)庫中的用戶的公鑰Ku 進行加密運算：ET2=E（T2，Ku﹚，EC2=E﹙C2，Ku﹚。

　　V5：服務(wù)器S 通過一般信道將反饋信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}發(fā)給用戶U。即：S→U: m2{ T2，C2，ET2，EC2}。

　　V6：用戶U 收到信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}后，使用自己的私鑰ku 進行解密運算：T2*=D﹙T2，ku﹚，C2*=D﹙C2，k u﹚，然后進行比較判斷：T2*與T2 是否相等，C2*與C2 是否相等。若不能滿足兩者同時相等，則放棄；若兩者同時相等，則進行下面的計算。

　　V7：驗證h﹙T2⊕Vi﹚是否與C2 相等，若不相等，則為非法服務(wù)器；若相等，則為合法服務(wù)器。

　　2.4 密碼修改階段

　　P1：計算Ri*=Ri⊕h（PW）⊕h（PW*）=h（ID⊕ks）⊕h﹙PW*﹚。

　　P2：用Ri*取代Ri，并存放在智能卡中。

　　3.安全性分析

　　方案引入了公鑰密碼體制，在非安全信道傳遞信息時，均經(jīng)過加密處理，因此具有很強的安全性，能抵御多種攻擊。

　　3.1 重放攻擊

　　假設(shè)攻擊者截獲了L3 階段的登錄信息m1{ T1，C1，ET1，EC1}，并且更改了明文形式的時戳T1 為T1’。但是，在登錄信息中仍然包含了加密后的時戳ET1，在V1 階段，由于解密出的T1*≠T1’，攻擊者遭到拒絕。

　　3.2 拒絕服務(wù)攻擊

　　在很多文獻中都是利用T2-T1=ΔT 來作為驗證條件，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞或攻擊者故意攔截登錄信息并延遲一段時間后再重新向S 傳遞時，S 檢測出ΔT 不符合條件，容易發(fā)生拒絕服務(wù)攻擊。文中所提出的方案，不需要用ΔT 來作為驗證條件，即使網(wǎng)絡(luò)阻塞或攻擊者故意延遲，由于T1 的值沒有改變，T1= T1*，故不會引起拒絕服務(wù)攻擊。并且系統(tǒng)不需要很嚴格的同步要求。

　　3.3 ReflectiON Attack 攻擊

　　假設(shè)攻擊者截獲L3 階段的信息m1{ T1，C1，ET1，EC1}并阻塞該信息的傳輸，而且假冒S，跳過驗證階段的V1~V4階段，直接又向用戶U 發(fā)送m1{ T1，C1，ET1，EC1}，企圖冒充V5 階段的信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}。但該方案中，ET1、EC1 是用S 的公鑰Ks 加密的，只能用S 的私鑰ks 來解密，而用戶U 沒有ks ,因此無法計算出T1*和C1*，故此攻擊不可行。

　　3.4 Parallel Attack 攻擊

　　假設(shè)攻擊者截獲V5 階段的信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}，并假冒用戶U 向S 重新發(fā)送m2。但在S 端要進行解密計算卻是不可行的，因為ET2、EC2 是用U 的公鑰Ku 加密的，而其私鑰k u 在U 端才用，S 端不能進行解密運算。

　　3.5 智能卡丟失\復(fù)制攻擊

　　由于攻擊者不知道密碼PW，故無法得出Ri=h（ID⊕ks）⊕h（PW）。同樣，即使得知了ID、PW，如果沒有智能卡，也無法假冒用戶U。

　　3.6 真正地雙向認證

　　方案使用了公鑰密碼算法，U、S 分別使用對方的公鑰加密，然后發(fā)送信息，使用自己的私鑰解密，在計算上是平等的，所以無論攻擊者要假冒哪方都是不可行的，從而實現(xiàn)了真正地雙向認證。

　　4.結(jié)語

　　從以上分析可以看出，通過引入公鑰加密體制，文中提出的方案可抵御重放攻擊、拒絕服務(wù)攻擊、Reflection Attack攻擊、Parallel Attack 攻擊、智能卡丟失\復(fù)制攻擊，并且實現(xiàn)了通信雙方的雙向身份認證。雖然該方案由于公鑰密碼算法的引入占用了部分的計算資源，但卻大大提高了系統(tǒng)的安全性，并且隨著電子技術(shù)和芯片技術(shù)的快速發(fā)展，智能卡計算能力和存儲能力的不斷提高，該方案優(yōu)越性會越來越突出其。該方案具體采用公鑰密碼算法中的哪種算法如RSA、El-Gamal、橢圓曲線等，不在本文討論范圍。