一種基于非對稱加密算法的安全高效身份認(rèn)證協(xié)議

摘? ?要： 為提高非對稱加密算法下網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證協(xié)議的安全和效率，將哈希函數(shù)、挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制和異或運(yùn)算融合到傳統(tǒng)的非對稱密鑰認(rèn)證過程中，提出一種新的雙向認(rèn)證協(xié)議，協(xié)議中同時協(xié)商產(chǎn)生了成功認(rèn)證后的一次性對稱會話密鑰。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和針對已知攻擊的形式化推演，證明了協(xié)議能抵御重放攻擊、拒絕服務(wù)攻擊在內(nèi)的各種已知攻擊，具有較高的安全性能。本協(xié)議認(rèn)證雙方僅需兩次信息交互即可實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，本協(xié)議的認(rèn)證運(yùn)算量與傳統(tǒng)的非對稱密鑰身份認(rèn)證協(xié)議相當(dāng)。

關(guān)鍵詞： 身份認(rèn)證;非對稱加密算法;哈希函數(shù);挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制;異或運(yùn)算

中圖分類號：TN918.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-103-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.018

引言

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日趨普及的今天，身份認(rèn)證是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，貫穿于所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的全過程。在網(wǎng)絡(luò)安全中，身份認(rèn)證技術(shù)作為第一道也是最重要的一道防線，有著極其重要的地位。身份認(rèn)證的技術(shù)基礎(chǔ)主要是密碼學(xué)方法，非對稱加密算法具備較好的安全保密性能，被廣泛應(yīng)用于各種身份認(rèn)證協(xié)議中。引入挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制的、基于非對稱加密算法的傳統(tǒng)雙向認(rèn)證協(xié)議通過四次信息傳遞來實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證，一直被認(rèn)為是高效的認(rèn)證方案[1-2]。結(jié)合挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制的非對稱加密認(rèn)證方案不斷推陳出新，但認(rèn)證雙方于認(rèn)證階段所需的的信息交互次數(shù)都穩(wěn)定在四次，并且各改進(jìn)協(xié)議陸續(xù)被指存在重放攻擊、中間人攻擊、網(wǎng)絡(luò)竊聽等重大安全缺陷[3-8]。

哈希函數(shù)特有的單向性和高效性，能有效保障信息的完整性[9]。本文將哈希運(yùn)算結(jié)合到非對稱加密算法下的雙向認(rèn)證協(xié)議中，巧妙地改進(jìn)雙向認(rèn)證的流程和信息交互格式，使新雙向認(rèn)證協(xié)議可以有效抵御重放攻擊、冒充攻擊、拒絕服務(wù)攻擊等常見攻擊，從而有效地提升了認(rèn)證安全性能，同時將認(rèn)證雙方在雙向認(rèn)證階段的信息交互次數(shù)減少到兩次，極大地降低了認(rèn)證雙方的通信代價(jià)，并協(xié)商產(chǎn)生用于后續(xù)會話的一次性對稱密鑰。

1 基于非對稱加密算法的身份認(rèn)證協(xié)議

本協(xié)議的安全性建立在數(shù)字證書非對稱加密算法和哈希函數(shù)的單向性基礎(chǔ)之上。協(xié)議在不顯著提高認(rèn)證計(jì)算量的基礎(chǔ)上，把認(rèn)證雙方通信交互的次數(shù)減少一半，并有效提升雙向認(rèn)證的安全性。認(rèn)證雙方相互認(rèn)證后，將各自生成用于后續(xù)會話的對稱密鑰，會話密鑰在構(gòu)成上包含有雙方的身份信息和多個隨機(jī)數(shù)信息，且沒有將會話密鑰在公共信道上明文傳輸或在認(rèn)證服務(wù)器S上存儲會話密鑰明文信息。本文的雙向認(rèn)證協(xié)議由用戶注冊階段、雙向認(rèn)證和密鑰協(xié)商階段、口令值更新階段三個部分組成。后續(xù)符號標(biāo)記描述如表1所示。

1.1? 用戶注冊

Step 1： 用戶生成注冊申請信息并通過公共信道發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器。

用戶隨機(jī)產(chǎn)生，并計(jì)算出密保信息的哈希值和密碼的哈希值，以用戶的私鑰加密上述三項(xiàng)信息生成。用戶將帳號信息、數(shù)字證書、和拼接后，使用認(rèn)證服務(wù)器的公鑰加密獲得注冊申請信息。

用戶在公共信道上發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器注冊申請信息：

Step 2： 認(rèn)證服務(wù)器審核注冊申請并返回注冊結(jié)果給用戶。

認(rèn)證服務(wù)器用自己的私鑰解密注冊申請信息后得到及，根據(jù)，通過進(jìn)一步查詢獲得，并用它解密，以獲得。通過比對和的是否一致來驗(yàn)證用戶注冊信息的新鮮性，如和比對失敗則拒絕注冊請求并終止會話。將解密所得的注冊內(nèi)容：、、、、寫入到本地?cái)?shù)據(jù)庫。允許注冊后將返回結(jié)果給用戶。

協(xié)議的用戶注冊時序圖（含信息交換格式）如圖1所示。

1.2? 雙向認(rèn)證及一次性會話密鑰協(xié)商

Step 1： 用戶生成并發(fā)送登錄請求信息給認(rèn)證服務(wù)器。

用戶隨機(jī)產(chǎn)生，生成登錄請求信息并經(jīng)由公共信道傳送給認(rèn)證服務(wù)器：

Step 2： 認(rèn)證服務(wù)器驗(yàn)證信息來源、認(rèn)證用戶，計(jì)算得出會話密鑰。

認(rèn)證服務(wù)器使用解密登錄請求信息獲得、、、。

根據(jù)用戶的帳號在本地?cái)?shù)據(jù)庫中查詢獲取相關(guān)信息：、和，繼而獲取用戶的公鑰。首先通過比對和來驗(yàn)證登錄請求信息來源的合法性，如果比對失敗則終止登錄認(rèn)證過程。然后，計(jì)算，并通過比對計(jì)算所得的與收到的二者是否一致來認(rèn)證用戶身份的合法性。

生成作為第一次成功登錄后的雙方會話對稱密鑰，并將和存儲于本地?cái)?shù)據(jù)庫。

構(gòu)造雙向認(rèn)證信息并通過公共信道發(fā)給用戶：

Step 3： 用戶核驗(yàn)認(rèn)證服務(wù)器，計(jì)算得出會話密鑰。

用戶使用解密來自認(rèn)證服務(wù)器的信息，獲得認(rèn)證結(jié)果信息、和。通過與本地存儲的比對來認(rèn)證的合法性，如果比對失敗則終止登錄認(rèn)證過程。

用戶計(jì)算出用以向通信的會話稱密鑰 。

協(xié)議的雙向認(rèn)證及一次性會話密鑰協(xié)商時序圖（含信息交換格式）如圖2所示。

1.3? 口令值更新

用戶在口令值更新操作時，首先需要能成功執(zhí)行上小節(jié)的雙向認(rèn)證，詳細(xì)過程略。

Step 1： 用戶向認(rèn)證服務(wù)器發(fā)送登錄請求信息：

Step 2： 認(rèn)證的合法性，并返回給雙向認(rèn)證信息：

Step 3： 用戶通過比對以認(rèn)證的合法性，構(gòu)造并發(fā)送的口令值更新信息。

用戶選定新的用戶密碼，同時生成新的隨機(jī)數(shù)。構(gòu)造以下口令值更新信息并通過公共信道發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器：

為保障數(shù)據(jù)安全，新的用戶密碼和新的隨機(jī)數(shù)均不以原形的方式存儲和傳輸，而是以它們和原存儲值異或后的形式出現(xiàn)：、。本協(xié)議的異或值設(shè)計(jì)使得攻擊者在公共信道上截獲或者從認(rèn)證服務(wù)器數(shù)據(jù)庫非法取得的的信息無法直接使用。

Step 4： 認(rèn)證服務(wù)器驗(yàn)證注冊信息更新的權(quán)限，存儲新的口令值和隨機(jī)數(shù)，并返回處理結(jié)果給用戶。

認(rèn)證服務(wù)器以自己的私鑰解密收到信息后獲取，比對與本地存儲的密保信息值是否一致，若二者一致則允許修改注冊信息，否則拒絕修改并中止后續(xù)口令值更新過程。認(rèn)證服務(wù)器計(jì)算、，用這兩個新值、替換本地?cái)?shù)據(jù)庫中的對應(yīng)數(shù)據(jù)，最后返回口令值更新的結(jié)果給用戶?？诹钪敌薷耐瓿?。

協(xié)議的口令值更新時序圖（含信息交換格式）如圖3所示。

2 安全性證明

2.1? 認(rèn)證雙方生成的會話密鑰一致性證明

證明如下：

由上式可以看出，用戶與認(rèn)證服務(wù)器彼此成功認(rèn)證后，、分別生成的會話密鑰與可以用于后續(xù)會話的相互加解密操作。

2.2? 本文協(xié)議的安全性證明

問題1? 本文協(xié)議如何抵御拒絕服務(wù)攻擊？

證明：認(rèn)證服務(wù)器的拒絕服務(wù)攻擊分為如下幾種情況。

① 如果攻擊者非法用戶能假冒合法用戶注冊信息而進(jìn)行搶先注冊，將會造成合法用戶無法正常注冊的情況。本協(xié)議所設(shè)計(jì)的注冊信息，由于其中的，需由加密而成。非法用戶在假冒合法用戶注冊時，雖然能獲得的外層加密，但因?yàn)闆]有而無法偽造內(nèi)層的密文，在后續(xù)執(zhí)行 和 比對時必然出現(xiàn)失敗的結(jié)果，從而無法成功假冒合法用戶搶先進(jìn)行注冊。如果非法用戶反復(fù)惡意搶注，可以斷開其IP進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抵御拒絕服務(wù)攻擊的目的。

②由于攻擊者通過發(fā)送高頻錯誤的登錄請求給認(rèn)證服務(wù)器，而造成服務(wù)器性能下降造成最終無法提供正常服務(wù)的拒絕服務(wù)攻擊是傳統(tǒng)數(shù)字證書認(rèn)證的一種情況。對于本文所述協(xié)議，合法用戶注冊成功后在服務(wù)器本地?cái)?shù)據(jù)庫上存有注冊要素，當(dāng)S收到登錄請求信息后，首先將比對與登錄請求信息中所包含的一致性，以驗(yàn)證登錄請求信息來源的合法性。由于攻擊者無法提供正確的以供驗(yàn)證，注定其所發(fā)送的登錄請求無法通過。認(rèn)證服務(wù)器會記錄來自同一IP連接的登錄請求連續(xù)錯誤次數(shù)，當(dāng)連續(xù)錯誤的次數(shù)超過設(shè)定的限額后，認(rèn)證服務(wù)器將禁止該IP在一段時間內(nèi)再次執(zhí)行登錄請求。后續(xù)此IP連接如果再次發(fā)起拒絕服務(wù)攻擊，這一IP連接的禁止時長將被指數(shù)級逐步延長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抵御拒絕服務(wù)攻擊的要求。

問題2? 本文協(xié)議如何抵御冒充攻擊？

證明：注冊階段的隨機(jī)數(shù)是經(jīng)過認(rèn)證服務(wù)器S的公鑰加密后傳輸?shù)?。因?yàn)楣粽邿o法獲取，所以無法生成合法的登錄請求信息，所有本文協(xié)議能抵御冒充攻擊。

問題3? 本文協(xié)議如何確定后續(xù)會話的一次性對稱密鑰？

證明：合法用戶首次登錄并認(rèn)證服務(wù)器S雙向認(rèn)證后，雙方各自計(jì)算出、值作為后續(xù)會話的對稱密鑰。會話密鑰的構(gòu)成要件中包含的帳號信息、的密碼、服務(wù)器的帳號等多種信息，同時還包擴(kuò)若干一次性隨機(jī)數(shù)信息。即便是同一與同一之間發(fā)生了的兩次不同時間的登錄認(rèn)證后，所生成的會話密鑰也會因不同的隨機(jī)數(shù)或用戶修改了而不相同。而且會話密鑰的所有構(gòu)成要件均不以原始信息的形式在公共信道上傳輸，可以真正實(shí)現(xiàn)每一次會話都能夠生成不同的會話安全密鑰。

問題4? 本文協(xié)議如何抵御重放攻擊？

證明：本文的協(xié)議在雙向認(rèn)證過程中引入挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制，重放登錄請求信息雖可暫時獲得認(rèn)證服務(wù)器的應(yīng)答，但是由于應(yīng)答信息是經(jīng)過用戶公鑰加密的，非法用戶無法取得合法用戶的私鑰從而無法獲取信息。重放攻擊由于無法完成后續(xù)認(rèn)證，所以本文協(xié)議能夠抵御重放攻擊。

問題5? 本文協(xié)議如何抵御來自內(nèi)部的攻擊？

證明：當(dāng)有內(nèi)部授權(quán)人員盜取了合法用戶認(rèn)證服務(wù)器中的相關(guān)信息后，只能查詢獲取相應(yīng)的認(rèn)證服務(wù)器用于發(fā)送給合法用戶的用于加密的公鑰信息，在沒有信息的情況下，無法完成后續(xù)的雙向認(rèn)證。內(nèi)部授權(quán)人員無法獲得用戶的密碼原形，原因是由于合法用戶的密碼是以其哈希值的形式出現(xiàn)，而哈希函數(shù)具有單向安全性[10]，所以本文協(xié)議能夠完美抵御來自內(nèi)部的攻擊。

問題6? 本文協(xié)議如何抵御中間人的攻擊？

證明：本文協(xié)議的合法的用戶與認(rèn)證服務(wù)器雙方通過非對稱密鑰加解密運(yùn)算來檢驗(yàn)彼此信息的正確性，不僅實(shí)現(xiàn)了雙向認(rèn)證，而且只有才可能生成正確的登錄請求信息，真正擁有的私鑰者才可能解密對方用生成的非對稱加密信息，因而本文協(xié)議能夠有效抵御中間人的攻擊。

3 性能分析

3.1 通信交互次數(shù)分析

根據(jù)圖2所示，本文所述協(xié)議的通信交互次數(shù)，是用戶和在登錄認(rèn)證階段僅需通過公共信道進(jìn)行總共兩次信息傳遞，通信代價(jià)明顯低于文獻(xiàn)[1]和[3]的信息交換次數(shù)。

3.2? 運(yùn)算量分析

首先定義如下符號：

： 一次非對稱加密操作所需的時間;

： 一次非對稱解密操作所需的時間;

： 一次對稱加密操作所需的時間;

： 一次哈希函數(shù)運(yùn)算所需的時間;

： 一次異或操作所需的時間。

本文協(xié)議的設(shè)計(jì)未引入運(yùn)算量較大的雙線性對運(yùn)算[11]。對協(xié)議運(yùn)算量的比較而言，最關(guān)鍵的是登錄和雙向認(rèn)證階段信息構(gòu)造的運(yùn)算，特別是認(rèn)證服務(wù)器的運(yùn)算量[12]。在本協(xié)議的登錄和雙向認(rèn)證階段，用戶端和認(rèn)證服務(wù)器的運(yùn)算量都是，運(yùn)算量相對是較低的，主要的運(yùn)算量是在非對稱加解密操作。在傳統(tǒng)的非對稱密鑰雙向認(rèn)證協(xié)議中，雙方的運(yùn)算量至少均需要。兩種協(xié)議在運(yùn)算量上沒有明顯區(qū)別。本文協(xié)議所需運(yùn)算量如表2所示。

綜上分析可知：本文所述的身份認(rèn)證協(xié)議與傳統(tǒng)的非對稱密鑰雙向認(rèn)證協(xié)議相比，通信交互次數(shù)減少了一半，而運(yùn)算復(fù)雜度并無明顯差別。因而本文協(xié)議的性能優(yōu)于傳統(tǒng)身份認(rèn)證協(xié)議。

4 結(jié)語

本文提出的身份認(rèn)證協(xié)議的安全性建立在公私鑰密碼難題和哈希函數(shù)單向安全性的基礎(chǔ)上，在各種已知方式的攻擊中具有較高的安全性能。本協(xié)議的運(yùn)算量及復(fù)雜度與傳統(tǒng)的基于公鑰密碼體制認(rèn)證協(xié)議處于同一數(shù)量級，在僅使用少量必要的非對稱加解密運(yùn)算和簡單哈希運(yùn)算、異或運(yùn)算的情況下，將哈希函數(shù)、挑戰(zhàn)應(yīng)答機(jī)制、異或運(yùn)算等靈活運(yùn)用到了基于公鑰密碼的雙向身份認(rèn)證協(xié)議中，在實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證的同時完成了一次性會話密鑰協(xié)商，認(rèn)證過程僅需通過兩次的信息交互，提高了通信效率，因而具有較高的安全性和應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：

趙玉超（1974—），通信作者，男，河北唐山人，本科，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：電子通信。

E-mail： powerjsj@126.com

（收稿日期：2020-09-02）