ECC算法對(duì)Kerberos協(xié)議安全性能的改進(jìn)分析

周 瑩

(南通師范高等?？茖W(xué)校 信息技術(shù)系，江蘇 南通 226005)

隨著數(shù)字化校園網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多種校園網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、安全、便利的身份認(rèn)證過(guò)程，可以選用Kerberos網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證協(xié)議來(lái)為統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)服務(wù)。然而，在實(shí)際的身份認(rèn)證應(yīng)用中，基于安全性能的考慮，單純的Kerberos認(rèn)證協(xié)議還存在很多的弊端和漏洞，急需找到一種有效的方法對(duì)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以保證身份認(rèn)證系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。

Kerberos認(rèn)證協(xié)議，是眾多認(rèn)證協(xié)議中比較成熟的一種認(rèn)證協(xié)議，這項(xiàng)技術(shù)一直在麻省理工學(xué)院的帶領(lǐng)下不斷地推動(dòng)和發(fā)展。它的主要認(rèn)證原理是利用對(duì)稱密鑰的加密技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)密鑰系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)為客戶機(jī)和服務(wù)器中的應(yīng)用程序提供安全認(rèn)證服務(wù)，另外，它還可以實(shí)現(xiàn)跨域和遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證。目前，Kerberos協(xié)議中所使用的更多的是公鑰加密方式。

在校園網(wǎng)這種特殊的多應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境下，Kerberos認(rèn)證方式和單點(diǎn)登錄[1]技術(shù)的結(jié)合使用已成為當(dāng)前數(shù)字化校園網(wǎng)建設(shè)中主要采用的技術(shù)。

但是Kerberos認(rèn)證協(xié)議在安全應(yīng)用方面，也存在著一些缺陷，很多攻擊者可以利用這些漏洞進(jìn)行攻擊，給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了很多不安全的隱患。因此，需要研究Kerberos認(rèn)證中的缺點(diǎn)，補(bǔ)充一些新的加密算法，輔助補(bǔ)充一些新的認(rèn)證機(jī)制，使其在具體的應(yīng)用中更加安全。

一 ECC算法

1.ECC算法介紹。

Kerberos協(xié)議的弱點(diǎn)之處在于常用的AES/DES算法無(wú)法具有抗否認(rèn)性，密鑰更換困難，數(shù)字簽名和認(rèn)證難于實(shí)現(xiàn)。針對(duì)存在的這些安全隱患，可以試著采用ECC(橢圓曲線加密算法)改進(jìn)Kerberos協(xié)議。ECC算法具有處理速度快、計(jì)算量小、安全性能高、存儲(chǔ)空間小、單位安全強(qiáng)度高、帶寬要求低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。[2]

2.ECC加密原理。

ECC橢圓曲線加密算法是根據(jù)橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問(wèn)題ECDLP定義的，給定素?cái)?shù)p和橢圓曲線E，對(duì) Q=kP,在已知P,Q的情況下求出小于p的正整數(shù)k?？梢宰C明，已知k和P計(jì)算Q比較容易，而由Q和P計(jì)算k則比較困難，至今沒(méi)有有效的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這就是橢圓曲線加密算法原理之所在。

ECC加密的過(guò)程是：首先，私鑰擁有者隨機(jī)地選取一個(gè)整數(shù)k(k

ECC橢圓曲線加密算法的加密解密流程如下圖：

圖1 ECC加密解密流程圖

3.ECC算法性能分析。

對(duì)于Kerberos認(rèn)證協(xié)議中，采用的是公開(kāi)對(duì)稱密碼體制來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，這種對(duì)稱密碼體制在安全性上存在一定的缺陷。目前，比較主流的對(duì)稱密碼體制是AES算法，它用來(lái)替代原先的DES算法。改進(jìn)后，可以使用非對(duì)稱密碼體制來(lái)取代對(duì)稱密碼體制。而非對(duì)稱密碼體制的算法也比較多，RSA、DSA、ECC都屬于非對(duì)稱密碼體制算法。比較AES、RSA、ECC算法的特點(diǎn)，可以參照下表。

表1 AES、RSA、ECC算法特點(diǎn)比較

在公開(kāi)密鑰體制中，再比較分析RSA、DSA以及ECC算法，比較其性能特點(diǎn)，找出最優(yōu)算法。下面從三類密碼的安全性、計(jì)算負(fù)載能力、密鑰大小和帶寬幾個(gè)方面來(lái)分析比較。

(1)安全性。

RSA的優(yōu)點(diǎn)是原理較簡(jiǎn)單，易于使用。隨著整數(shù)因子分解方法的技術(shù)進(jìn)步，要保證RSA算法的安全性，只有通過(guò)增加密鑰的長(zhǎng)度，但密鑰長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致解密速度的降低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度也加大了。

ECC的密鑰長(zhǎng)度較短，160位的ECC和1024位的RSA、DSA的安全強(qiáng)度相同。具體的安全性分析可以參照下圖。(表中MIPS表示每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令的計(jì)算機(jī)運(yùn)行一年，目前一般認(rèn)為破譯時(shí)間為1012MIPS年可以看做比較安全)

圖2 RSA、DSA和ECC算法安全性比較

根據(jù)上圖分析得下表：

表2 RSA、DSA和ECC算法安全性比較

分析圖表可以看出，在保證相同的安全性的基礎(chǔ)上，ECC所需的密鑰模長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RSA和DSA。如果攻擊者攻擊有限域上離散對(duì)數(shù)問(wèn)題可以有指數(shù)積分法，而對(duì)橢圓曲線上的離散對(duì)數(shù)問(wèn)題是無(wú)法奏效的。對(duì)于RSA和DSA，都存在指數(shù)時(shí)間算法，而ECC至今沒(méi)有改算法?？梢?jiàn)，ECC算法的抗攻擊性最強(qiáng)，安全性能最高。

(2)計(jì)算負(fù)載。

所謂計(jì)算負(fù)載，是指公鑰密碼和私鑰密碼完成一次交換所需要的計(jì)算量。根據(jù)具體的操作，比較所需的時(shí)間。

表3 各密碼系統(tǒng)計(jì)算負(fù)載比較

根據(jù)上表可以看出，與ECC算法相比較，其他密鑰系統(tǒng)的計(jì)算較復(fù)雜，而ECC則能在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生符合要求的密鑰。在加密解密及數(shù)字簽名方面，160位的ECC的運(yùn)算速度比用1024的RSA密鑰體制快10倍多。

(3)密鑰大小。

密鑰大小是指在密鑰系統(tǒng)中，存儲(chǔ)密鑰對(duì)和系統(tǒng)參數(shù)時(shí)所占的比特?cái)?shù)。將RSA、DSA、ECC三種密鑰系統(tǒng)的密鑰大小和系統(tǒng)參數(shù)比較情況如下：

表4 系統(tǒng)參數(shù)和各密鑰大小的比較

根據(jù)上表可以看出，ECC在密鑰大小方面，優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。它在系統(tǒng)參數(shù)和密鑰大小方面比其他密鑰大小都要小很多。如果假使攻擊的算法復(fù)雜度已知，安全性能條件相同的情況下，ECC算法的密鑰量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他密鑰系統(tǒng)，這樣，ECC算法所占的存儲(chǔ)空間就比較小，降低了實(shí)現(xiàn)難度，無(wú)需通過(guò)增加密鑰長(zhǎng)度而提高系統(tǒng)安全性。

(4)帶寬。

帶寬是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包或數(shù)字簽名時(shí)所產(chǎn)生的通訊量。根據(jù)分析比較，當(dāng)對(duì)字長(zhǎng)超過(guò)64位的長(zhǎng)消息進(jìn)行加密解密時(shí)，ECC和RSA、DSA對(duì)帶寬的要求基本是相同的，但是，對(duì)于字長(zhǎng)小于64位的短消息而言，ECC算法對(duì)帶寬的要求要比RSA和DSA低得多，可以節(jié)省帶寬。

另外，ECC算法中的橢圓曲線，隨著參數(shù)的變化，可以得到不同的曲線，可見(jiàn)，ECC的算法具有較強(qiáng)的靈活性，橢圓曲線可以形成多種結(jié)構(gòu)和選擇性。

綜上所述，ECC算法與其他密鑰體制相比，各方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，提供了一種安全強(qiáng)度高、速度快、密鑰長(zhǎng)度小、要求帶寬低的靈活算法。ECC必將成為未來(lái)公鑰加密算法中的主流算法。

二 ECC算法改進(jìn)后的認(rèn)證過(guò)程

改進(jìn)后的Kerberos基本模型與原來(lái)的Kerberos協(xié)議模型是類似的，改進(jìn)后的協(xié)議流程具體說(shuō)明如下。

1.客戶機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生會(huì)話密鑰，將加密后的密鑰發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器，申請(qǐng)?jiān)S可證頒發(fā)服務(wù)器的票據(jù)。

2.認(rèn)證服務(wù)器用私鑰將密鑰解密，在其數(shù)據(jù)庫(kù)中查找客戶機(jī)并驗(yàn)證客戶機(jī)的簽名，為客戶機(jī)生成許可證頒發(fā)服務(wù)器的公鑰加密的票據(jù)，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)加上認(rèn)證服務(wù)器的簽名，并產(chǎn)生會(huì)話密鑰，用第一步中產(chǎn)生的會(huì)話密鑰加密發(fā)送給客戶機(jī)。

3.客戶機(jī)解密得到會(huì)話密鑰，將第二步得到的票據(jù)和用會(huì)話密鑰加密的本機(jī)名字、地址以及隨機(jī)數(shù)，發(fā)送許可證頒發(fā)服務(wù)器申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)特權(quán)服務(wù)器的憑據(jù)。

4.許可證頒發(fā)服務(wù)器用私鑰解密并驗(yàn)證服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)，然后為客戶機(jī)生成去特權(quán)服務(wù)器的票據(jù)，票據(jù)用特權(quán)服務(wù)器的公鑰加密并加上許可證頒發(fā)服務(wù)器的簽名，并隨機(jī)產(chǎn)生會(huì)話密鑰，并將會(huì)話密鑰和隨機(jī)數(shù)用第二步產(chǎn)生的會(huì)話密鑰加密回傳給客戶機(jī)。

5.客戶機(jī)解密得到會(huì)話密鑰和隨機(jī)數(shù)，與自己發(fā)送給許可證頒發(fā)服務(wù)器的隨機(jī)數(shù)相比，若相等則確定是新消息，將許可證頒發(fā)服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)、用會(huì)話密鑰加密的本機(jī)名字、地址和新的隨機(jī)數(shù)，發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器。

6.應(yīng)用服務(wù)器用私鑰解密許可證頒發(fā)服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證并確認(rèn)許可證頒發(fā)服務(wù)器的簽名，得到以后加密通信用的會(huì)話密鑰，還可將第五步客戶機(jī)發(fā)送的隨機(jī)數(shù)加密發(fā)給客戶機(jī)，供客戶機(jī)驗(yàn)證新消息，防止重放攻擊。

[1]IBM.IBM/Lotus Domino與WebSphere Portal:單點(diǎn)登錄[R]. http://www.ibm.com/developerworks/cn/lotus/l-ssowhitepaper/index.html 2006.2.26.

[2]Darrel Hankerson，Alfred Menezes,Scott Vanstone,et al.橢圓曲線密碼學(xué)導(dǎo)論[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[3]肖新鳳.一種提高Kerberos協(xié)議安全性能的策略[J].電腦編程技術(shù)與維護(hù)，2009(19).

[4]石潤(rùn)華，鐘誠(chéng).基于整數(shù)拆分的橢圓曲線密碼體制上的快速點(diǎn)乘算法[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2005,27(5).