基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)

劉瑩+龍毅宏

摘要：作為用戶身份驗(yàn)證技術(shù)，動(dòng)態(tài)口令技術(shù)比傳統(tǒng)的靜態(tài)口令技術(shù)具有更高的安全性。針對(duì)目前動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)存在的用戶令牌種子密鑰管理麻煩、種子密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)安全要求高，與應(yīng)用系統(tǒng)集成存在帳戶方面的限制，缺少用戶種子密鑰自動(dòng)更新的功能等問(wèn)題，提出了一種基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)方案，并從基于時(shí)間與基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)兩種方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有用戶種子密鑰自動(dòng)更新的功能，并且具有易于密鑰管理、易于與應(yīng)用系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：身份認(rèn)證；動(dòng)態(tài)口令；身份標(biāo)識(shí)。

引言

口令是目前用的最廣泛的身份認(rèn)證技術(shù)?？诹罘譃殪o態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種，傳統(tǒng)的靜態(tài)口令身份認(rèn)證技術(shù)采用簡(jiǎn)單的用戶名和固定不變的口令進(jìn)行登錄驗(yàn)證，存在易于被網(wǎng)絡(luò)竊聽(tīng)、易受字典攻擊等問(wèn)題。1981年，Lamport提出了一次性口令的概念，引入了不確定因素，保證用戶每次使用不同的口令進(jìn)行登錄，因此具有更高的安全性。Haller在Lamport基礎(chǔ)上提出S/KEY方案，該方案基于MD4和MD5算法，采用c/s模式的操作，能夠?qū)τ脩襞c服務(wù)器進(jìn)行綜合驗(yàn)證。但是該方案生成的動(dòng)態(tài)口令有限，用完之后得重新注冊(cè)才能使用。

常用的動(dòng)態(tài)口令的實(shí)現(xiàn)方式有基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)口令生成方式和基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的動(dòng)態(tài)口令生成方式。其中基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)口令生成方式屬于同步認(rèn)證技術(shù)，引人時(shí)間作為不確定因素參與動(dòng)態(tài)口令的生成，基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的動(dòng)態(tài)口令生成方式屬于非同步認(rèn)證技術(shù)，引人一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的挑戰(zhàn)數(shù)作為不確定因素參與動(dòng)態(tài)口令的生成。這兩種動(dòng)態(tài)口令生成方式都采用單向散列函數(shù)生成口令，它們的安全性由單向散列函數(shù)的不可逆性保證，常用的單向散列函數(shù)包括：SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、MD5等。

目前的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）用戶動(dòng)態(tài)口令種子密鑰管理麻煩、密鑰集中存儲(chǔ)安全要求高。

動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)服務(wù)端需要分別為每位用戶創(chuàng)建一個(gè)賬戶以維護(hù)和管理種子密鑰，種子密鑰集中存儲(chǔ)需要極高的安全性。

2）與應(yīng)用系統(tǒng)集成存在帳戶方面限制。

當(dāng)采用動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)用戶提交的動(dòng)態(tài)口令進(jìn)驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)需要知道用戶在動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)的帳戶名，一般采取讓用戶在應(yīng)用系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)中使用相同的帳戶名，或是將用戶在應(yīng)用系統(tǒng)中的帳戶同用戶在動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)中的帳戶綁定的方法，但前者對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)造成限制，不適用于已存在的應(yīng)用系統(tǒng)，后者實(shí)現(xiàn)賬戶綁定比較麻煩。

3）缺少用戶種子密鑰自動(dòng)更新的功能。

1基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文中使用到的符號(hào)及含義如表1所示：

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：

1）Cotv：安裝在用戶手機(jī)端或是用戶主機(jī)中的一個(gè)獨(dú)立程序，維護(hù)一個(gè)本地存儲(chǔ)的終端種子密鑰keye，由用戶控制完成由不確定因素（時(shí)間或挑戰(zhàn)數(shù)）計(jì)算動(dòng)態(tài)口令的過(guò)程，自主定時(shí)與Soto通信，更新keyc。

2）Sotp：維護(hù)有一張保存UID、serial以及key。的標(biāo)識(shí)信息表。Soto主要完成對(duì)otp的驗(yàn)證及響應(yīng)Coto更新key。的請(qǐng)求的功能。

3）web頁(yè)面：完成用戶與Sweb之間交互。接收用戶輸入信息，反饋提示信息。

4）Sweb：維護(hù)有一個(gè)保存username和對(duì)應(yīng)用戶UID的數(shù)據(jù)表。主要完成用戶web界面的通訊、用戶存在性驗(yàn)證（對(duì)于挑戰(zhàn)數(shù)生成動(dòng)態(tài)口令的方案而言還包括產(chǎn)生隨機(jī)碼功能模塊）以及傳遞待驗(yàn)證動(dòng)態(tài)口令信息等工作。

1.2驗(yàn)證過(guò)程

整個(gè)用戶身份驗(yàn)證基本過(guò)程如下：

1）用戶將username通過(guò)web頁(yè)面?zhèn)魉徒oSweb。

2）sweh驗(yàn)證username存在性，若存在則提示用戶輸入otp，對(duì)于基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)方案，Sweb同時(shí)返回一串隨機(jī)數(shù)。

3）對(duì)于基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的方案，用戶通過(guò)操作Coto，利用返回的隨機(jī)數(shù)生成該用戶當(dāng)前的otp；對(duì)于基于時(shí)間的方案，Coto利用當(dāng)前時(shí)間生成用戶當(dāng)前的otp。

4）用戶將otp輸入web頁(yè)面后，Sweb根據(jù)username查詢(xún)對(duì)應(yīng)的用戶UID并打包相關(guān)數(shù)據(jù)打包發(fā)送給Soto。對(duì)于基于時(shí)間的方案，打包數(shù)據(jù)包括UID和待驗(yàn)證otp；對(duì)于基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的方案，打包數(shù)據(jù)包括UID、待驗(yàn)證otp以及參與計(jì)算的隨機(jī)數(shù)。

5）Sotp通過(guò)計(jì)算，驗(yàn)證接收到otp的正確性，并經(jīng)由sweb曲向用戶返回驗(yàn)證結(jié)果。

6）Coto每隔一段時(shí)間（如14天）自發(fā)地與Sotp進(jìn)行通信，更新用戶的keyc。

2系統(tǒng)主要功能的實(shí)施

2.1基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令的生成

Sotp為每一位用戶保存一個(gè)初始值為0的serial。記此處符號(hào)“+”表示字符串連接，Hk（）表示KeyedHash計(jì)算。

UID+serial UIDEX

（1）

Hk（UIDEX，keys）=key。

（2）

Hk（不確定因子，keyc）=otp

（3）

如式（1）所示，將某一用戶UID和其對(duì)應(yīng)的serial值進(jìn)行字符串連接即產(chǎn)生該用戶的UIDEX。Sow利用用戶UIDEX和key通過(guò)如（2）式KeyedHash運(yùn)算得出該用戶的keye key。由各用戶的Cow保存管理。keyc和不確定因素（時(shí)間/挑戰(zhàn)數(shù)）通過(guò)（3）式獲得該用戶當(dāng)前狀態(tài)下的otp。

2.2動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證過(guò)程

Sow接收到動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證請(qǐng)求后，遵循如圖2所示過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證：

1）利用傳入的數(shù)據(jù)，查詢(xún)標(biāo)識(shí)信息表以確認(rèn)對(duì)應(yīng)UID存在性，若存在則繼續(xù)后續(xù)操作，否則驗(yàn)證未通過(guò)。

2）由用戶UID查詢(xún)標(biāo)識(shí)信息表以獲取對(duì)應(yīng)的serial值，并利用keys，根據(jù)（1）（2）式生成該用戶的key。

3）對(duì)于基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的方案，Sow利用驗(yàn)證請(qǐng)求數(shù)據(jù)中的隨機(jī)數(shù)和上一步獲取的keyc根據(jù)（3）式得到動(dòng)態(tài)口令標(biāo)準(zhǔn)值otpl；對(duì)于基于時(shí)間的方案，Sow獲取精確到秒的本地時(shí)間T，由T截取到分鐘后的數(shù)據(jù)t與keyc根據(jù)（3）式得到動(dòng)態(tài)口令標(biāo)準(zhǔn)值otp]。

4）比較otpl和待驗(yàn)證otp，若相同則驗(yàn)證通過(guò)，若不同，對(duì)于基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)的方案而言則驗(yàn)證未通過(guò)；對(duì)于基于時(shí)間的方案，還需進(jìn)行后續(xù)調(diào)整操作。

5）對(duì)于基于時(shí)間的方案，考慮可能存在的時(shí)間不同步問(wèn)題，以一分鐘作為一個(gè)動(dòng)態(tài)口令生成與驗(yàn)證時(shí)間段，Sotp計(jì)算T。距離該時(shí)刻所在的動(dòng)態(tài)口令生成與驗(yàn)證時(shí)間段的起始與結(jié)束兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)度，判斷最小的時(shí)間長(zhǎng)度是否在臨界偏差范圍（如1s）內(nèi)。若在，則以距離更近的相鄰的生成與驗(yàn)證時(shí)間段截取到分鐘后的時(shí)間數(shù)據(jù)作為備選時(shí)間數(shù)據(jù)ts計(jì)算動(dòng)態(tài)口令備選標(biāo)準(zhǔn)值otp2，若超出臨界偏差范圍則驗(yàn)證未通過(guò)。

6）比較otp2和otp，若相同則驗(yàn)證通過(guò)，若不同則驗(yàn)證未通過(guò)。

2.3定時(shí)更新

Cotp內(nèi)設(shè)置定時(shí)器，設(shè)定每隔一段時(shí)間（如14天）觸發(fā)一次的更新。

Cotp通過(guò)動(dòng)態(tài)口令向Soto證明當(dāng)前擁有有效的key～。Sow驗(yàn)證、確認(rèn)有效后，Sow對(duì)用戶serial值進(jìn)行加1操作，并用更新后的serial值生成新的終端種子密鑰。

若keyc自動(dòng)更新失敗，用戶可通過(guò)手工方式更新。

2.4時(shí)間同步

對(duì)于基于時(shí)間的方案，可使用NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Cow與Sow的時(shí)鐘同步，基本過(guò)程如下：

Cotp獲取本地時(shí)間t1后向Sotp發(fā)送一條時(shí)間調(diào)整命令，Sow接收后獲取本地時(shí)間t2。

2）Sow獲取本地時(shí)間t3后向Cow返回一條時(shí)間調(diào)整響應(yīng)，Cow接收后獲取本地時(shí)間t4。

3）Coto根據(jù)（4）（5）式分別計(jì)算單程網(wǎng)絡(luò)延遲6和時(shí)間偏差d：

6=（（t4-t1）-（t3-t2））/2

（4）

d=（（t2-t1）+（13-t4））/2

（5）

Coro獲取本地時(shí)間t，由（6）式計(jì)算調(diào)整后的時(shí)間T：

T-t+d+6

（6）

Cotp首次安裝時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步，此后若出現(xiàn)時(shí)間同步異常，用戶可通過(guò)手工方式同步。

2結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前動(dòng)態(tài)口令技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了一種基于標(biāo)識(shí)的動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)方案，并從基于時(shí)間與基于挑戰(zhàn)/響應(yīng)兩種方式對(duì)該方案進(jìn)行了描述。提出的方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）無(wú)對(duì)集中保存的用戶種子密鑰進(jìn)行安全保護(hù)的要求。

動(dòng)態(tài)口令系統(tǒng)服務(wù)端不需要單獨(dú)為每一個(gè)用戶保存、維護(hù)終端種子密鑰，而是在需要終端種子密鑰的時(shí)候利用用戶身份標(biāo)識(shí)和系統(tǒng)種子密鑰通過(guò)散列計(jì)算得到，從而省去了集中保存和管理用戶終端種子密鑰的需要和安全保護(hù)要求。

2）易于與應(yīng)用系統(tǒng)集成

在與應(yīng)用系統(tǒng)集成時(shí)，將應(yīng)用系統(tǒng)原有的帳戶口令改為存放用戶的身份標(biāo)識(shí)即可，應(yīng)用系統(tǒng)既可以使用原有的帳戶管理系統(tǒng)，也可使用統(tǒng)一的帳戶管理系統(tǒng)，沒(méi)有特別的要求限制。

3）具有自動(dòng)更新用戶種子密鑰的功能

本方案中動(dòng)態(tài)口令生成器定時(shí)觸發(fā)終端種子密鑰更新，主動(dòng)與動(dòng)態(tài)口令服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)用戶種子密鑰的自動(dòng)更新。