基于智能卡的X.509身份認證

文章出處：http://www.luckydriving.com 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2012年02月19日

    摘 要：身份認證中的關(guān)鍵技術(shù)是身份信息的安全存儲、處理和傳遞，本文提出了一種基于智能卡的 X.509身份認證方案，設(shè)計了一套基于 X.509的身份認證協(xié)議，將智能卡作為存儲身份信息的載體，密碼運算都在智能卡內(nèi)部進行，認證過程安全性好。在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，此方案可較好地防止中間人攻擊，驗證用戶身份。 
    主題詞：身份認證；智能卡；X.509協(xié)議

    1引言

    計算機網(wǎng)絡(luò)是一把“雙刃劍”，既可大大方便人們的工作、生活，又使不法分子非法竊取、篡改網(wǎng)絡(luò)信息成為可能。如何確保特定的資源被合法用戶訪問，成為保證網(wǎng)絡(luò)和信息安全的首要條件。網(wǎng)絡(luò)身份認證成為解決此問題的關(guān)鍵技術(shù)，它通過雙方交換一些可信物，證實身份的正確性。許多專家和學者都提出了一些有效的身份認證方法。

    口令機制通過核對用戶名和口令驗證用戶身份，但口令易被猜測和截取?；谏锾卣鞯恼J證機制利用用戶獨有生物特征鑒別身份，但基于此方案的設(shè)備造價高。基于智能卡的認證機制是一種雙因子身份認證方式，內(nèi)部提供硬件保護措施和加密算法，可安全存貯用戶身份信息，進行密碼運算，整體安全性好，且易攜帶，實現(xiàn)一卡多用，應(yīng)用較普遍。基于密碼技術(shù)的身份認證方法，主要是在認證過程中提供安全的認證協(xié)議，保證信息傳遞的安全性?；赬.509認證協(xié)議使用較廣泛。

    2基于X.509協(xié)議的認證機制分析

    X.509協(xié)議是一種強身份認證協(xié)議，它利用公鑰密碼技術(shù)，借助可信第三方權(quán)威機構(gòu)――證書中心CA頒發(fā)的證書，辨別雙方的身份，實現(xiàn)身份認證。

    2.1X.509身份認證原理

    X.509認證協(xié)議中，密碼由互不相同的公鑰和私鑰構(gòu)成，私鑰由用戶秘密保存，公鑰與用戶身份通過證書綁定，是公開的。證書是符合X.509規(guī)范，包括用戶的身份、公鑰、頒發(fā)證書的CA的身份和CA對證書的簽名等。若通信雙方都擁有自己的證書和私鑰，當一方要讓對方確認自己的身份時，可用自己的私鑰簽名認證消息，發(fā)送給對方。對方收到消息后，只需用發(fā)方的公鑰驗證簽名，如果能正確解開消息，則可認為發(fā)方具有合法身份。CA對證書的簽名可確保證書的可信性，當一方收到證書后，可通過驗證證書上的簽名，區(qū)別真?zhèn)?，防止網(wǎng)絡(luò)上身份假冒。在實際應(yīng)用中，還要采用一些防重放、防中間人攻擊等手段。

    2.2X.509身份認證方式

    X.509規(guī)定了單向、雙向和三向三種認證方式，提供不同層次的安全認證［1］。系統(tǒng)中用到的符號及認證過程的具體描述如下：

    （1） A、B：主體A、B的身份信息。 
    （2） PA（）、PB（）：主體A和主體B公鑰加密的信息。 
    （3） SA（）、SB（）：主體A和主體B私鑰簽名的信息。 
    （4） tA、tB：主體A、B產(chǎn)生的時間戳，為雙方檢查消息延遲的參數(shù)。
    （5） rA、rB：主體A、B發(fā)送的一次性隨機數(shù)，作為雙方檢查消息重放攻擊的參數(shù)。

    X.509認證交換協(xié)議框圖如圖1。

    假定認證雙方都知道對方的公鑰。單向認證僅為①步。在雙向認證中包括①和②兩步。三向認證將雙向認證的兩次的時間戳置為零或不送，而接收檢查時不檢查時間戳。第三步傳遞的數(shù)據(jù)為③。

    單向認證通過A到B的單向通信，確認數(shù)據(jù)是A發(fā)送的。雙向認證增加了來自B的應(yīng)答，A可識別B已收到自己發(fā)送的消息。這兩種認證方式加入了時間標記，可防止攻擊者重放攻擊，但要求雙方系統(tǒng)時間同步，技術(shù)上難以達到。三向認證協(xié)議中，雙方可以通過驗證返回的隨機數(shù)防止重放攻擊，技術(shù)上容易實現(xiàn)。三向認證協(xié)議安全性最好?；赬.509協(xié)議的認證技術(shù)，利用公鑰加密算法和數(shù)字證書對認證過程中傳遞的信息進行驗證和保護，私鑰不會在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，不必在網(wǎng)上傳遞口令或指紋等敏感信息。攻擊者雙方交換的信息，可有效地保證通信雙方身份的真實性和不可抵賴性。

    3基于智能卡的X.509身份認證方案

    3.1智能卡的特點及功能

    智能卡包括卡內(nèi)操作系統(tǒng) COS和算法庫兩個模塊。COS負責對所傳送的信息進行安全性檢查和處理，防止卡與終端之間通信數(shù)據(jù)被非法竊取或篡改，保證數(shù)據(jù)正確傳輸；管理芯片內(nèi)存儲的各種數(shù)據(jù)；檢查接收到的命令的各項參數(shù)是否正確，執(zhí)行相應(yīng)操作。 [2][3]

    智能卡可根據(jù)不同需要擴展密碼算法庫，實現(xiàn)下列密碼算法：

    1) 對稱加密算法——DES算法、3DES算法、RC４、RC５算法； 
    2) 摘要(散列值)算法——SHA－1算法、MD5算法；
    3) 非對稱加密算法——RSA算法、DSA算法、ECC算法。 

    本方案中COS可根據(jù)需要運行上面密碼算法，進行卡上的密鑰生成和信息加密、簽名、驗證運算。 

    3.2 智能卡安全機制分析

    智能卡芯片內(nèi)的文件分為MF、DF和EF三種。MF(主文件)是所有文件的根文件；DF文件是目錄文件；EF是基本文件，用來存儲具體的數(shù)據(jù)和記錄，也是COS命令所要操作的具體對象。

    每個DF或MF下有且只有一個KEY文件，在任何情況下密鑰均無法讀出。在KEY文件中可存放多個密鑰，在滿足KEY文件的增加、使用、修改權(quán)限時，才可增加、使用和修改密鑰。每種密鑰具有其獨立性，用于一種特定功能的密鑰不可作為它用。因此可通過KEY文件，控制智能卡中存儲數(shù)據(jù)的安全性。

    本設(shè)計中，EF分為密鑰、證書及識別用戶身份的 PIN碼；支持以下幾種密鑰：個人密碼(PIN)、外部認證密鑰、內(nèi)部認證密鑰、Crypt密鑰、PIN解鎖密鑰、PIN重裝密鑰、應(yīng)用維護密鑰等。整個系統(tǒng)，密碼運算、口令校驗均在智能卡內(nèi)部完成，并且進出智能卡的信息進行安全性的檢查和處理。 [5]

    3.3 基于智能卡的X.509身份認證系統(tǒng)

    3.3.1基于智能卡的X.509身份認證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    基于智能卡的X.509身份認證系統(tǒng)由認證客戶端、認證服務(wù)器、目錄服務(wù)器、密碼提供器、證書機構(gòu)組成，如圖2所示。 [4] [5]

圖2 基于智能卡的X.509身份認證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    證書機構(gòu)（CA）管理用戶公鑰證書。從智能卡中導出公鑰，結(jié)合用戶提供的身份信息，生成公鑰證書，然后將公鑰證書寫入智能卡，發(fā)布至目錄服務(wù)器。管理證書撤銷列表。