基于智能卡的雙向身份認證方案設計

計算機網(wǎng)絡(luò )的普及使更多的資源和應用可以利用網(wǎng)絡(luò )遠程獲得，所以身份認證問(wèn)題成為網(wǎng)絡(luò )安全研究中的重要課題。當前主要的身份認證方法有以下幾種：基于口令的身份認證；基于生物特征的身份認證；基于智能卡的身份認證以及幾種方式的混合認證。結合密碼學(xué)和智能卡技術(shù)的身份認證方案也被多次提出，許多專(zhuān)家和學(xué)者還提出了多種改進(jìn)的方案。
但是，這些方案均會(huì )出現一些不可避免的漏洞。針對多種方案的漏洞，該文提出了一種在智能卡中引入公鑰密碼算法的認證方案，并對其安全性進(jìn)行了分析，該方案的安全性和優(yōu)越性也在文中得到體現。

　　0 引言 

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的普及和電子商務(wù)的發(fā)展，越來(lái)越多的資源和應用都是利用網(wǎng)絡(luò )遠程獲得的。如何確保特定資源只被合法、授權的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，即如何正確地鑒別出用戶(hù)的身份是確保通信網(wǎng)和數據安全的首要條件。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。結合密碼學(xué)技術(shù)，很多專(zhuān)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部攻擊。2002 年，文獻[5]作者也在單向哈希函數基礎上提出了一種方案。隨后，很多專(zhuān)家和學(xué)者提出了各自的方案，這些方案通過(guò)引入隨機數、計數器、時(shí)戳等參數來(lái)實(shí)現有效地、安全地雙向認證。但遺憾的是，這些方案均會(huì )出現一些不可避免的漏洞。
在分析以上方案的基礎上，這里提出了一種新的遠程用戶(hù)認證方案。該方案是隨著(zhù)電子技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的設想。文獻[6-8]證明了公鑰密碼算法在智能卡中的應用。該方案在保留了以上文獻所采用的部分參數的基礎上，在智能卡中引入了公鑰密碼算法，可靠地實(shí)現了通信雙方的身份認證，能夠抵御多數類(lèi)型攻擊，具有很強的安全性。

　　1 術(shù)語(yǔ)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(hù)；S 表示認證協(xié)議中的認證服務(wù)器；ID 為用戶(hù)的身份標識；PW 為用戶(hù)登陸口令；Ti 為時(shí)戳；h﹙·﹚為單向哈希函數；⊕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(hù)的公鑰；ku 為用戶(hù)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 

　　該方案由注冊階段、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(hù)選擇自己的標識ID、公鑰Ku、私鑰ku、口令PW 并計算h﹙PW﹚，通過(guò)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(hù)的公鑰Ku 存入數據庫。同時(shí)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(xiě)入智能卡。
　　R3: S 把智能卡通過(guò)安全信道交給用戶(hù)，即S U：Card{Ri，h﹙·﹚，Ks，ku，公鑰算法}。 

　　2.2 登陸階段
　　L1：用戶(hù)U 把智能卡插入相關(guān)終端設備，輸入ID、PW，智能卡與終端設備驗證ID、PW 的合法性，否則放棄。
　　L2：記錄系統時(shí)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(jìn)行加密運算，ET1=E﹙T1，Ks﹚，EC1=E﹙C1，Ks﹚。
　　L3：用戶(hù)U 通過(guò)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(jìn)行解密運算：T1*=D﹙T1，ks﹚，C1*=D（C1，ks﹚，然后進(jìn)行比較判斷：T1*與T1 是否相等，C1*與C1 是否相等。若不能滿(mǎn)足兩者同時(shí)相等，則放棄；若兩者同時(shí)相等，則進(jìn)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(hù)；若相等，則為合法用戶(hù)。
　　V4：記錄系統時(shí)戳T2，計算C2= h﹙T2⊕Vi﹚，并使用存儲在數據庫中的用戶(hù)的公鑰Ku 進(jìn)行加密運算：ET2=E（T2，Ku﹚，EC2=E﹙C2，Ku﹚。
　　V5：服務(wù)器S 通過(guò)一般信道將反饋信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}發(fā)給用戶(hù)U。即：S→U: m2{ T2，C2，ET2，EC2}。
　　V6：用戶(hù)U 收到信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}后，使用自己的私鑰ku 進(jìn)行解密運算：T2*=D﹙T2，ku﹚，C2*=D﹙C2，k u﹚，然后進(jìn)行比較判斷：T2*與T2 是否相等，C2*與C2 是否相等。若不能滿(mǎn)足兩者同時(shí)相等，則放棄；若兩者同時(shí)相等，則進(jìn)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 

　　該方案引入了公鑰密碼體制，在非安全信道傳遞信息時(shí)，均經(jīng)過(guò)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(shí)戳T1 為T(mén)1’。但是，在登錄信息中仍然包含了加密后的時(shí)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(lái)作為驗證條件，因此當網(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(shí)間后再重新向S 傳遞時(shí)，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(lái)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(méi)有改變，T1= T1*，故不會(huì )引起拒絕服務(wù)攻擊。并且系統不需要很?chē)栏竦耐揭蟆?nbsp;

　　3.3 ReflectiON Attack 攻擊
　　假設攻擊者截獲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(guò)驗證階段的V1~V4階段，直接又向用戶(hù)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(lái)解密，而用戶(hù)U 沒(méi)有ks ,因此無(wú)法計算出T1*和C1*，故此攻擊不可行。 

　　3.4 Parallel Attack 攻擊
　　假設攻擊者截獲V5 階段的信息m2{ T2，C2，ET2，EC2}，并假冒用戶(hù)U 向S 重新發(fā)送m2。但在S 端要進(jìn)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(jìn)行解密運算。 

　　3.5 智能卡丟失\復制攻擊
　　由于攻擊者不知道密碼PW，故無(wú)法得出Ri=h（ID⊕ks）⊕h（PW）。同樣，即使得知了ID、PW，如果沒(méi)有智能卡，也無(wú)法假冒用戶(hù)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(wú)論攻擊者要假冒哪方都是不可行的，從而實(shí)現了真正地雙向認證。

　　4 結語(yǔ) 

　　從以上分析可以看出，通過(guò)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\復制攻擊，并且實(shí)現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的安全性，并且隨著(zhù)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(huì )越來(lái)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(xiàn)等，不在本文討論范圍。

基于智能卡的雙向身份認證方案設計