移動無線網(wǎng)絡的移動終端安全認證方案

劉 英，莎仁高娃，張利文

(1.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術學院 信息與管理工程系， 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古大學 教務處， 呼和浩特 010010;3.內(nèi)蒙古科技大學 分析測試中心， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

移動云計算是移動終端設備通過移動云應用將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲外包給云中資源豐富的計算平臺的一種綜合性技術。移動云計算可以有效降低移動設備計算資源、存儲資源和電量的開銷，提升復雜應用在移動終端的可用性[1]。隨著移動云計算的廣泛應用，安全性成為移動云計算的重點關注問題[2]，直接影響用戶與數(shù)據(jù)中心的安全。移動云計算的安全機制主要包括身份認證、訪問控制、底層虛擬機之間的通信協(xié)議等部分[3]。其中身份認證是云計算的第1道防線[4]。隨著移動云計算規(guī)模的不斷擴大，用戶規(guī)模與日俱增，為移動云計算的身份認證帶來了極大的挑戰(zhàn)[5]。

基于單一因子的認證方案現(xiàn)已無法滿足當前移動云計算的安全要求，而雙向多因子認證方案具有較高的安全性，獲得了廣泛的應用[6]。雖然通過眾多的多因子安全認證方案可獲得極高的安全性級別，但鮮有方案能夠滿足全面的安全性與計算效率的要求[7]。例如：文獻[8]設計了雙向的認證方案，但該方案無法抵御服務器假冒攻擊，且會話秘鑰的安全性與用戶隱私保護的性能較差。文獻[9]實現(xiàn)了較好的匿名性，但其計算成本較高。文獻[10]抵御偽裝攻擊的效果較好，但其對用戶的隱私保護與反追蹤的效果較差。

現(xiàn)有的安全認證方案無法完全地滿足移動云計算所需的幾點要求：會話秘鑰的安全性、用戶的隱私性、雙向認證性、不可追蹤性、抵御常見攻擊的能力，其中任意一項缺陷均可能造成巨大的危險與嚴重的后果，因此認證方案應當具備完全的安全性能力[11]。本文為分布式移動云計算設計了隱私保護的雙向認證方案，移動用戶與服務提供者之間的會話秘鑰具有安全性，且可抵御常見的各種攻擊。此外，本方案具有隱私保護能力與較低的計算、通信成本。

1 安全認證方案設計

本文采用文獻[8]的系統(tǒng)模型，表1所示是系統(tǒng)模型的相關術語與意義。

表1 文獻[8]模型的參數(shù)定義

1.1 智能卡生成模塊(SCG)的建立

建立智能卡模塊參數(shù)的步驟如下：

步驟1SCG選擇2個雙線性映射分組G1與G2，選擇條件為：素數(shù)階為p，SCG生成模塊P∈G1，g=e(P,P)→G2，其中G1×G1→G2是一個雙線性映射。

步驟4最終SCG申明公共的參數(shù)：{G1,G2,p,e,P,Ppub,g,H1(),H2(),H3(),H4(),H5(),H6()}。

1.2 用戶與服務提供者的注冊階段

每個移動用戶Ui與服務提供者Sj注冊SCG來發(fā)布秘密權證。該權證被用來雙向認證并建立Ui與Sj之間的會話秘鑰。

1.2.1用戶注冊階段

用戶Ui注冊SCG的步驟如下：

步驟1Ui通過安全信道將身份IDi發(fā)送到SCG。

步驟3Ui使用模糊器生成函數(shù)Gen(·)[9]計算(σi,θi)=Gen(fi)，然后計算用戶的生物學特征fi(指紋、人臉特征等)與Ei,Lt=Ki,Lt⊕H5(pwi‖σi)，其中θi是公共復制參數(shù)[9]，σi是生物特征的秘鑰，pwi是Ui的選擇密碼。此外，Ui計算ei=H5(IDi||pwi||σi)。

步驟4Ui將信息{θi,Ei,Lt,ei,Gen(·),Rep(),H1(),H2(),H3(),H4(),H5(),H6(),t}保存于用戶的移動設備中，其中t是模糊器Rep(·)程序的誤差容忍閾值。

1.2.2服務提供者的注冊階段

服務提供者Sj加入云系統(tǒng)的步驟如下：

步驟1Sj通過安全信道將其身份SIDj發(fā)送到SCG；

步驟3Sj將收到的Kj保存于安全的位置。

1.3 認證過程與建立秘鑰

移動用戶Ui與服務提供者Sj的認證與秘鑰建立過程如下所示：

對于比特長度不等的兩個數(shù)進行比特XOR運算(A⊕B)的情況，本文采用文獻[12]的策略：首先將兩個數(shù)中的小數(shù)補齊前導零(與大數(shù)的比特長度相同)；然后，再將兩個數(shù)進行比特級的XOR運算。如果兩個數(shù)A與B分別是64、8 bit，那么首先將B的前導比特位補充56個零，然后A與修改的B進行比特級的XOR操作，獲得64 bit的結(jié)果。

步驟5Sj接收M3之后，計算(ID||Lti||SIDj)=C1⊕H2(sk‖SIDj)，然后驗證Ui的權證，驗證的條件為：e(S1,H1(IDi||Lti)P+Ppub)=g1×gsk，如果滿足條件，則Sj認為Ui是合法注冊的移動用戶，并認為秘鑰sk是Ui與Sj之間共享的會話秘鑰；否則，Sj中止當前的會話。

圖1總結(jié)了本方案的認證過程與秘鑰協(xié)商過程。

圖1 認證方案的認證過程

雙向認證方案的正確性證明：在雙向認證成功之后，用戶Ui與服務提供者Sj之間建立了相同的會話秘鑰：

2) 服務提供者Sj計算：

1.4 秘鑰與生物特征的更新過程

為提高安全性，應當周期地更新用戶Ui的密碼與生物學特征，更新過程如下：

2 仿真實驗與結(jié)果分析

文獻[13]與文獻[8]是近期來自著名期刊的兩種移動云計算用戶認證方案。文獻[13]是一種支持隱私保護的分布式移動云計算安全認證方案，且支持交互認證。文獻[8]則是一種基于橢圓曲線乘法與動態(tài)隨機置亂的分布式移動云計算安全認證方案。文獻[8]和[13]也考慮了生物特征作為秘鑰，本文方案將與其進行比較。

2.1 計算成本性能

移動終端的處理能力有限，所以計算成本是認證算法的重要指標。在此使用文獻[14-15]的計算成本統(tǒng)計方案。表2所示是本方案在不同終端的計算成本比較。本方案的移動終端(Ui)采用iPhone4S與iPhone6，服務提供者(Sj)的CPU為Intel Core i5 6500。假設Tmul與Tpar分別表示橢圓曲線乘法(G1)與非對稱雙線性成對運算(G2)所需的計算時間，指數(shù)運算的成本等于一個橢圓曲線的乘法運算。此外，忽略函數(shù)運算與比特級XOR運算的計算成本。表2中顯示，非對稱雙線性成對運算所需的時間遠高于橢圓曲線乘法，但是非對稱雙線性成對運算對數(shù)據(jù)的置亂效果較好。

表3所示是3種加密方案的計算成本比較。本方案Ui與Sj所需的計算成本分別為5Tmul≈52 ms，4Tmul+2Tpar≈9.8 ms。文獻[13]方案的Ui計算成本為Tpar+3Tmul≈105.3 ms，Sj計算成本為Tpar+2Tmul≈4.9 ms；文獻[8]方案的Ui計算成本為5Tmul≈52 ms，Sj計算成本為4Tmul+2Tpar≈9.8 ms。綜合實驗結(jié)果可看出，本認證方案明顯優(yōu)于文獻[13]。由于本方案與文獻[8]的橢圓曲線乘法和非對稱雙線性成對運算數(shù)量相等，所以兩者的計算成本接近。

表2 加密操作的計算時間 ms

表3 不同認證方案的計算成本比較(Ui為iPhone4S) ms

2.2 通信成本性能

假設本方案的Req、身份ID、Lti與hash輸出的bit長度分別是32、32、32、160 bit，橢圓曲線1個點P=(Px,Py)的bit長度是(160+160)=320 bit。表4所示是本認證方案與文獻[13，8]兩個方案的通信成本比較，本方案的通信消息M1、M2與M3所需的數(shù)據(jù)量分別為(32+320)=352、(512+160)=672與(320+160)=480 bit，故本方案的總通信成本為1 504 bit，文獻[13,8]的總通信成本分別為992 bit與1 696 bit。本認證方案的通信成本明顯低于文獻[8]，說明可提高移動通信的認證效率。

表4 不同認證方案的通信成本比較

2.3 安全性能

表5所示是本方案與文獻[13，8]中方案的安全性能比較。文獻[13]不具備SK-安全性，且無法保證用戶的權證隱私；而文獻[8]不具備SK-安全性，且對用戶的權證隱私保護效果較弱，無法抵御偽裝攻擊。雖然文獻[13]方案中服務器端的通信成本與計算成本均較低，但其安全性也較低，容易受到惡意用戶的攻擊。本認證方案的服務器端計算成本與通信成本較高，但客戶端的計算成本與通信成本較低，滿足移動云計算服務器端計算、通信能力強而移動終端計算、通信能力弱的特點。與其他兩種認證方案相比，本方案可抵御主流的惡意攻擊，并實現(xiàn)了全面的安全與隱私保護性能。

表5 不同認證方案的安全性能比較

2.4 仿真實驗與結(jié)果分析

基于NS2.35仿真器[16]對本文雙向認證方案進行仿真實驗。NS2仿真器是目前使用較為廣泛的一種網(wǎng)絡仿真器。

2.4.1仿真參數(shù)設置

表6所示是NS2仿真器的仿真參數(shù)，采用SHA-1 hash算法，hash輸出、隨機數(shù)與時間戳的bit長度分別設為160、128、32 bit。共設置3個仿真場景，所有場景的認證消息M1、M2、M3長度分別為352、672、480 bit。

表6 NS2仿真器的仿真參數(shù)設置

2.4.2吞吐量結(jié)果

吞吐量定義為每個單位時間傳輸?shù)谋忍財?shù)量。吞吐量的計算方法為：吞吐量=(nr×npkt)/Td，其中Td表示仿真總時間，npkt是一個數(shù)據(jù)包的比特量，nr是接收數(shù)據(jù)包的總數(shù)量。

仿真吞吐量的結(jié)果如表7所示。隨著用戶Ui數(shù)量的線性增加，網(wǎng)絡吞吐量也近似地呈線性遞增，仿真結(jié)果是較為理想的情況。

表7 NS2仿真器的吞吐量結(jié)果

2.4.3負載量結(jié)果

仿真統(tǒng)計了每個服務提供者Sj的負載量，負載量計算為：負載量=((ns+nr)×npkt)/Td，Td表示仿真總時間，ns是發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)量，nr是接收的數(shù)據(jù)包總數(shù)量，npkt是一個數(shù)據(jù)包的比特量。3個仿真場景下全部服務提供者的總負載如表8所示。隨著用戶數(shù)量的增加，用戶與服務提供者的交互增加，導致了服務提供者的負載量增加。

表8 NS2仿真器的負載量結(jié)果

2.4.4數(shù)據(jù)包傳遞率結(jié)果

數(shù)據(jù)包傳遞率定義為發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)量與接收數(shù)據(jù)包總數(shù)量的比值。3個仿真場景的數(shù)據(jù)包傳遞率結(jié)果如表9所示。用戶數(shù)量越高，用戶與服務提供者的消息量越多，導致網(wǎng)絡的擁塞情況加劇，所以隨著用戶數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)包傳遞率降低。本文的雙向認證方案是一種輕量級方案，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量均較小，所以數(shù)據(jù)包傳遞率的結(jié)果受用戶數(shù)量的影響較小。

表9 NS2仿真器的數(shù)據(jù)包傳遞率結(jié)果

2.4.5能耗結(jié)果

服務提供者的能耗Econ計算為：Econ=(ei-er)/Td，其中Td是仿真總時間，ei是Sj的初始化能量，er是Sj的剩余能量。統(tǒng)計3個仿真場景下所有服務提供者的平均能耗，如表10所示。隨著用戶數(shù)量的增加，用戶與服務提供者的交互增加，導致服務提供者的能耗增加。

表10 NS2仿真器的能耗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文為分布式移動云計算設計了隱私保護的雙向認證方案，移動用戶與服務提供者之間的會話秘鑰具有安全性，且可抵御常見的各種攻擊。此外，本方案具有隱私保護能力與較低的計算、通信成本。為了提高安全性，本方案周期地更新用戶的密碼與生物學特征，進一步保證安全性能。未來將關注zero-day的惡意攻擊行為，為移動云計算的智能終端提供第二層的防護方案，將惡意行為與其用戶阻擋在云計算內(nèi)部系統(tǒng)之外。