基于時間的挑戰(zhàn)／應(yīng)答模式網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證方案分析與設(shè)計(jì)

[摘 要] 一次性口令身份認(rèn)證方案在信息安全認(rèn)證過程有廣泛的應(yīng)用。本文分析了文獻(xiàn)中一次性口令身份認(rèn)證方案，發(fā)現(xiàn)方案中均存在計(jì)算過大，服務(wù)器負(fù)擔(dān)過重的問題；同時存在不安全的設(shè)計(jì)，針對以上問題提出新的基于時間的挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式一次性口令身份認(rèn)證方案，該方案具有較強(qiáng)的安全性、較小的計(jì)算量，最后對該方案的安全性和效率進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞] 一次性口令 挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式 身份認(rèn)證方案重放攻擊

傳統(tǒng)靜態(tài)口令的用戶身份認(rèn)證機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，容易受到竊聽、重放攻擊、字典攻擊、差分密碼分析和線性密碼分析等分析手段的攻擊，靜態(tài)口令有諸多安全問題。一次性口令OTP（One-tiMe Password）認(rèn)證，可以解決上述問題。常用的OTP有如下3種:Lamport方案:即哈希鏈算法;時間同步方案;挑戰(zhàn)/應(yīng)答方案。

本文在分析文獻(xiàn)中所給出的基于挑戰(zhàn)/應(yīng)答的一次性口令身份認(rèn)證方案基礎(chǔ)上，解決了兩個方案計(jì)算量過大的、且存在安全漏洞的問題，將兩個方案的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，改進(jìn)后不僅保留了原方案所有的安全特性，并且比原方案有更小的計(jì)算量，更高的安全性。

一、現(xiàn)有方案概述與分析

1.方案1概述

文獻(xiàn)給出了一種新型的一次性口令身份認(rèn)證方案1。方案1分兩個階段實(shí)現(xiàn):初始注冊階段和認(rèn)證階段。

（1）注冊階段:當(dāng)用戶向服務(wù)器提出注冊請求時，要求輸入身份標(biāo)識符uid和口令pwd，用戶生成一個隨機(jī)數(shù)R1，計(jì)算A=H(uid，pwdR1)(H單項(xiàng)的散列函數(shù))。用戶將uid、A、R1及與服務(wù)器共享密鑰K通過安全通道傳送到服務(wù)器。

（2）認(rèn)證過程:第i次身份認(rèn)證過程(E代表加密，D代表解密，K代表密鑰)。

步驟1：用戶輸入計(jì)算EK(uid)，并傳送給服務(wù)器提出認(rèn)證請求。步驟2：服務(wù)器解密DK(uid)得到uid，判斷uid是否合法。步驟3：用戶計(jì)算H(uid，K)，將它與傳過來的M相比較，如果是合法的，繼續(xù)執(zhí)行步驟4。步驟4:用戶根據(jù)收到的Ri，作如下處理：①計(jì)算A=H(uid，pwdRi);②生成隨機(jī)數(shù)Ri+1，并計(jì)算B=H(uid，pwdRi+1)，B就是下一次的身份驗(yàn)證的校驗(yàn)符；③分別計(jì)算出H(B)、X和Y，使得H(B)=H(uid，K，B)、X=A(B+uid)、Y=H（B）B;④將X、Y、Ri+1傳送到服務(wù)器。步驟5:服務(wù)器根據(jù)已存儲的校驗(yàn)符A和接收的X、Y、Ri+1對用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。①計(jì)算(XA）-uid的結(jié)果得到B；②根據(jù)B，計(jì)算H(B)=YB;③計(jì)算H(uid，K，B)，驗(yàn)證H(uid，K，B)是否與②中的H(B)相同，相同更新服務(wù)器端存儲的校驗(yàn)符A和隨機(jī)數(shù)R（使A←B，Ri←Ri+1），以便被下一次身份認(rèn)證過程使用。方案1協(xié)議的形式化描述如下:

C→S:{uid}K; C←S:{ Ri，M=H(uid，K)};

C→S:{X=A(B+uid)，Y=H（B）B ，Ri+1};其中，C為用戶，S為服務(wù)器。

2.方案2概述

文獻(xiàn)中分析了方案的安全性，指出其由于單向認(rèn)證不能抵御中間人攻擊，并對其改進(jìn)，改進(jìn)如下:

Mes1.C→S:{uid，Ri+1}K;

Mes2. C←S:{Ri，M=H(uid，K) }K;

Mes3. C→S:{X=A(B+uid)，Y=H（B）};

3.原方案分析

(1)計(jì)算量分析：①確定登錄者：假設(shè)用戶共有M個，有N個用戶同時登錄，服務(wù)器要則要搜索(M/2)*N次密鑰列表，近似搜索個數(shù)為N*(M/2)2個，解密運(yùn)算N*(M/2)次，搜索用戶列表(M/2)*N次，計(jì)算量非常大。②在一次身份認(rèn)證過程中：方案1服務(wù)器需執(zhí)行3次Hash運(yùn)算，客戶端需執(zhí)行4次Hash運(yùn)算；方案2服務(wù)器需執(zhí)行3次Hash運(yùn)算，客戶端需執(zhí)行3次Hash運(yùn)算。

(2)安全性分析：方案2中對方案1的安全性進(jìn)行了分析指出方案1不能抵御中間人攻擊，并對此進(jìn)行了改進(jìn)，但兩個方案都不能抵御重放攻擊，攻擊過程如下:（C’為攻擊者）

方案1:C→S:{uid}K; 方案2: C→S:{uid，Ri+1}K

C’→S:{uid}K; C’→S:{uid，Ri+1}K

C’→S:{uid}K; …… C’→S:{uid，Ri+1}K ……

二、基于時間的挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式認(rèn)證方案分析

1.基于時間挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式認(rèn)證方案

鑒于原方案計(jì)算量過大且存在的安全問題，提出基于時間的挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式認(rèn)證方案，形式化描述如下：

Mes1. C→S:{uid，(Ri+1，T1)K}; Mes2. C←S:{Ri，T1}K;

Mes3. C→S:{X=A(B+uid)，Y=H（B），T2}K;

方案描述：Step1：用戶隨機(jī)生成一個隨機(jī)數(shù)Ri+1與時間T1，用與服務(wù)器共享的密鑰K加密后，與用戶標(biāo)識符一起發(fā)送給服務(wù)器；Step2：服務(wù)器收到Mes1后，通過uid，在密鑰庫中取出共享密鑰K，解密信息解密時間，比較上一次通信所記錄時間，如不同（非重放攻擊），替換上一次通信所記錄時間T1，并保存本隨機(jī)數(shù)，并取出上一次的認(rèn)證中所保存的Ri，并將信息{Ri，T1}用共享密鑰K加密后發(fā)送給用戶；Step3：用戶收到Mes2后，解密信息，得到Ri、T1，比較發(fā)出時間，一致則用戶通過對服務(wù)器的驗(yàn)證，并計(jì)算X=A(B+uid)、B=H(uid，pwdRi+1)，B就是下一次的身份驗(yàn)證的校驗(yàn)符；接著分別計(jì)算出H(B)、X和Y，使得H(B)=H(uid，K，B)、X=A(B+uid)、Y=H（B）B;最后將X、Y、Ri+1，T2傳送到服務(wù)器。

2.基于時間挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式認(rèn)證方案分析

(1)安全性:通過形式化分析對改進(jìn)后的協(xié)議進(jìn)行分析，可以證明該協(xié)議是一個安全的協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)了以下安全性：

①本方案中口令不在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，符合一次性口令的初衷。

②在協(xié)議的每一步均有一個歷史時間，保證了協(xié)議可以有效的抵抗重放攻擊；

③方案是雙向認(rèn)證，通過共享密鑰加密，保證信息的機(jī)密性；

④具有更高的可靠性，較小的計(jì)算量，同時可以防止來自服務(wù)器的欺騙。

(2)計(jì)算量分析:在一次身份認(rèn)證過程中，各方案計(jì)算量對比分析如表1所示:

三、結(jié)束語

本文提出了基于時間的挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式一次性口令認(rèn)證方案，相對于文獻(xiàn)中一次性口令的身份認(rèn)證方案，新方案使認(rèn)證過程的計(jì)算量達(dá)到最小，并對認(rèn)證過程進(jìn)行了改進(jìn)，使得改進(jìn)后的方案克服了原方案的安全漏洞，并且具有更高的安全性。

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