基于USBKEY的OA系統(tǒng)身份認(rèn)證方案

駱 靜，馬瀟瀟

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

隨著辦公自動(dòng)化(Office Antomation，OA)系統(tǒng)使用量的增大，識(shí)別使用者的身份就被提升到更加重要的位置，它是確保OA系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，許多網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)都會(huì)要求使用者在使用系統(tǒng)之前，提供一些相關(guān)信息用以實(shí)現(xiàn)對使用者的身份認(rèn)證。用戶身份認(rèn)證最常見的是靜態(tài)口令，方便、簡潔，但存在很多缺點(diǎn)，不能有效抵抗口令竊取、偽造主機(jī)攻擊［1］、重放攻擊［2］和字典攻擊。

本文提出了在OA系統(tǒng)中使用一種基于USBKEY的身份認(rèn)證技術(shù)［3］，著重介紹這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。

1 USBKEY簡介

USBKey是一種USB接口的硬件設(shè)備，內(nèi)置USB控制器、微處理器CPU、存儲(chǔ)器和時(shí)鐘［4］。

USB控制器負(fù)責(zé)識(shí)別PIN碼(個(gè)人識(shí)別碼)，以及整個(gè)USBKey的驅(qū)動(dòng)，其中PIN碼用于保證用戶的使用權(quán)，用戶只有同時(shí)取得了USBKey和用戶PIN碼，才可以登錄系統(tǒng)，因此，基于USBKey的身份認(rèn)證實(shí)際構(gòu)成了“PIN碼+USBKey”的雙因素認(rèn)證。

存儲(chǔ)器中存放著用戶的認(rèn)證信息，例如用戶的私鑰以及數(shù)字證書。USBKey硬件內(nèi)部生成公私鑰對，實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名，私鑰永不導(dǎo)出，利用USBKey內(nèi)置的公鑰算法實(shí)現(xiàn)對用戶身份的認(rèn)證。由于用戶私鑰保存在密碼鎖中，理論上使用任何方式都無法讀取，因此保證了用戶認(rèn)證的安全性［5］。

時(shí)鐘用于對連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

微處理器CPU負(fù)責(zé)處理HASH函數(shù)等的計(jì)算和控制，可以實(shí)現(xiàn)加解密和簽名的各種算法，加解密運(yùn)算在USBKey內(nèi)進(jìn)行，保證了密鑰不會(huì)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從而杜絕了用戶密鑰被黑客截取的可能性。

在使用時(shí)，USBKey是通過USB接口和計(jì)算機(jī)連接，然后將認(rèn)證信息發(fā)給認(rèn)證方。

2 USBKEY的身份認(rèn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的OA系統(tǒng)的身份認(rèn)證使用USBKey，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一身份認(rèn)證管理。圖1為身份認(rèn)證方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)體系共分為三個(gè)層次。

第一層為服務(wù)層，通過存儲(chǔ)在USBKey中的用戶信息實(shí)現(xiàn)，為需要高安全等級(jí)的用戶提供更為可靠的認(rèn)證手段以及對存儲(chǔ)本機(jī)的重要信息進(jìn)行加密處理。用戶將私鑰的重要信息存儲(chǔ)在USBKey中，使用該USBKey來表征其合法身份。

第二層為中間層，任意一個(gè)USBKey都是唯一的，它與用戶的身份綁定，代表唯一的用戶。用戶使用USBKey中所包含的數(shù)字證書，通過認(rèn)證網(wǎng)關(guān)與證書(CA)服務(wù)器進(jìn)行通信。以實(shí)現(xiàn)用戶身份的鑒別。這樣，可以使非法用戶無權(quán)訪問網(wǎng)絡(luò)，而合法用戶只能查看相應(yīng)權(quán)限的信息。

第三層為OA系統(tǒng)應(yīng)用層，主要包括CA服務(wù)器和證書管理終端兩個(gè)部分，這是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。CA服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)用戶證書信息的生成、存儲(chǔ)、備份等。證書管理終端實(shí)現(xiàn)用戶信息的注冊以及將用戶證書信息寫入U(xiǎn)SBKey中，提供給用戶使用，并實(shí)現(xiàn)用戶證書的更新、注銷、恢復(fù)以及相關(guān)信息的維護(hù)等。

圖1 身份認(rèn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 USBKey的身份認(rèn)證

USBKey運(yùn)用協(xié)同的“非對稱挑戰(zhàn)響應(yīng)”機(jī)制，于服務(wù)器端和客戶端嵌入U(xiǎn)SBKey的接口規(guī)范功能，動(dòng)態(tài)生成隨機(jī)數(shù)及施行簽名驗(yàn)證，再利用USBKey的軟件和硬件配合操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的“非對稱挑戰(zhàn)響應(yīng)”的認(rèn)證方案，從而形成安全認(rèn)證機(jī)制，挫敗一系列的攻擊行為。

3.1 USBKey系統(tǒng)層次

USBKey在PC上工作時(shí)，其應(yīng)用模式如表1所示可以分為五層，其中:

1.USBKey終端程序。

既是一個(gè)信息安防應(yīng)用的操作程序，也是USBKey硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和功能驅(qū)動(dòng)程序。

2.編程接口(API)庫。

以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式，為應(yīng)用程序提供應(yīng)用編程接口。同一種編碼版本的庫文件既適用于ANSI(多字節(jié))編碼，也適用于UNICODE(寬字符)編碼。

3.功能測試程序。

對USBKey的API接口函數(shù)，直觀地進(jìn)行測試驗(yàn)證。

表1 USBKey在PC機(jī)上的應(yīng)用模式

3.2 USBKEY基于沖擊響應(yīng)模式的身份認(rèn)證方案

該身份認(rèn)證方案的設(shè)計(jì)思想如下:

一方面，于目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)器端，嵌入U(xiǎn)SBKEY的接口規(guī)范功能。預(yù)先在USBKey和服務(wù)器中存儲(chǔ)一個(gè)證明用戶身份的密鑰，當(dāng)需要在網(wǎng)絡(luò)上驗(yàn)證用戶身份時(shí)，先由客戶端向服務(wù)器發(fā)出一個(gè)驗(yàn)證請求。服務(wù)器接到此請求后生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)回傳給客戶端的USBKey，以供加密簽名，此為“挑戰(zhàn)”;USBKey使用該隨機(jī)數(shù)與存儲(chǔ)在USBKey中的密鑰進(jìn)行單向散列(HASH)運(yùn)算得到一個(gè)字符串長256的運(yùn)算結(jié)果作為認(rèn)證證據(jù)傳送給服務(wù)器，此為“響應(yīng)”。另一方面，目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)器端，則調(diào)用所嵌入的USBKEY接口規(guī)范功能。服務(wù)器使用該隨機(jī)數(shù)與存儲(chǔ)在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的該客戶密鑰進(jìn)行單向散列運(yùn)算，由于單向散列運(yùn)算具有不可逆性，如果服務(wù)器的運(yùn)算結(jié)果與客戶端傳回的響應(yīng)結(jié)果相同，則認(rèn)為客戶端是一個(gè)合法用戶。具體的認(rèn)證方案流程如圖2所示。

圖2 “非對稱挑戰(zhàn)響應(yīng)”認(rèn)證執(zhí)行圖

4.3 基于USBKey身份認(rèn)證模塊的函數(shù)實(shí)現(xiàn)

基于USBKey身份認(rèn)證模塊的函數(shù)實(shí)現(xiàn)分三部分。首先是初始化函數(shù)，如Initialize、CheckStatus、SetEnvironment、GetLastErrorDescription、Driver-Window、RegWindowMessage和 UnregWindowMessage等函數(shù)，分別完成對USBKey的設(shè)備初始化、狀態(tài)查詢和環(huán)境設(shè)置等操作;第二部分為密碼和加密密鑰的操作類函數(shù)，如 EncryptKey、SetPIN、CheckPIN和SetSysPassword等;第三部分是數(shù)據(jù)的輸入輸出操作函數(shù)，如 EncryptData、EncryptText、DecryptData、DecryptText、EncryptStreamFile 和 DecryptStreamFile等。

由于文章篇幅所限，此處對關(guān)鍵函數(shù)Check-PIN的調(diào)用進(jìn)行函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與分析，函數(shù)代碼如下所示:

此函數(shù)功能對客戶端發(fā)送給服務(wù)器端的個(gè)人識(shí)別號(hào)(PIN)進(jìn)行檢驗(yàn)，參數(shù)dwPIN為外部輸入的PIN值，取值范圍0到0xFFFFFFFF(4字節(jié)位全1)，返回值1表示正確，小于0表示失敗，－1表示USBKey未接入，－2表示USBKey無效，－3表示USBKey驅(qū)動(dòng)程序未啟動(dòng)，－5表示存取出錯(cuò)，－6表示PIN錯(cuò)誤。

在OA系統(tǒng)的檢驗(yàn)界面，用戶可以輸入PIN值提交服務(wù)器系統(tǒng)檢驗(yàn)，調(diào)用此函數(shù)接口以決定是否授予使用權(quán)。從函數(shù)注釋中可以看出個(gè)人識(shí)別號(hào)的檢驗(yàn)過程是調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)MK_CheckPIN傳入的，有硬件進(jìn)行直接檢驗(yàn)，已完成關(guān)鍵的身份驗(yàn)證功能。

4 安全性分析

基于USBKey身份認(rèn)證技術(shù)為辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的安全登錄提供了良好的解決方法。其優(yōu)點(diǎn)是:

一方面，從研發(fā)角度，提供了一整套USBKey接口API，為OA系統(tǒng)以及其他應(yīng)用系統(tǒng)提供了應(yīng)用編程接口，并可以直觀地進(jìn)行功能測試驗(yàn)證;

另一方面，從安全角度，USBKey具有物理安全性，首先由于加密簽名過程是在USBKEY硬件內(nèi)部封閉進(jìn)行，USBKEY硬件的固有私密鑰足夠長，又不可讀取、不會(huì)泄露，而只輸出加密簽名后的結(jié)果數(shù)據(jù)，因此，木馬程序既無從盜取私密鑰，又無法從加密簽名數(shù)據(jù)反向推演出私密鑰;其次，沒有該USBKey，則不能訪問系統(tǒng)資源，從而使得OA系統(tǒng)在訪問控制方面有了雙重的安全保障。

5 結(jié)束語

OA系統(tǒng)的安全性問題是目前信息技術(shù)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門問題，這個(gè)問題解決的成功與否，直接關(guān)系到各種應(yīng)用服務(wù)能否順利開展，關(guān)系到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能否安全、可靠的運(yùn)行。本文在對目前OA系統(tǒng)進(jìn)行身份認(rèn)證常見技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析后，提出了一種基于USBKey的身份認(rèn)證技術(shù)，并對該技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的描述。

［1］ 王崇霞，朱艷琴.一種動(dòng)態(tài)口令身份認(rèn)證協(xié)議的設(shè)計(jì)與研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(18):71-73.

［2］ 曹喆.基于USBKEY的身份認(rèn)證機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2010.

［3］ 徐遠(yuǎn)航.USB Key身份認(rèn)證產(chǎn)品的產(chǎn)生與發(fā)展［J］.計(jì)算機(jī)安全，2004(8):44-45.

［4］ 徐寧，趙彬.基于 USBKEY的 BIOS系統(tǒng)安全解決方案［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，36(8):28-31.

［5］ MAX密碼金凱用戶使用手冊［J］.深圳金瀾漢源科技有限公司，2006.