無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證

魯遷遷，朱友文，蔣炎

無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證

魯遷遷，朱友文，蔣炎

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211100）

動(dòng)態(tài)口令是在系統(tǒng)中或設(shè)備上僅對(duì)一次會(huì)話有效的口令。目前存在的無(wú)須重注冊(cè)的動(dòng)態(tài)口令方案雖然不受認(rèn)證次數(shù)的限制，但僅支持在線認(rèn)證，不能離線認(rèn)證。針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案。該方案基于無(wú)須重注冊(cè)的方式結(jié)合基于時(shí)間動(dòng)態(tài)口令方案，在實(shí)現(xiàn)離線認(rèn)證的同時(shí)滿足認(rèn)證次數(shù)無(wú)限和口令有時(shí)效，最后證明該方案的安全性。

動(dòng)態(tài)口令；無(wú)須重注冊(cè)；口令有時(shí)效；支持離線認(rèn)證

1 引言

身份認(rèn)證是保障信息系統(tǒng)安全的第一道防線，口令是應(yīng)用最為廣泛的身份認(rèn)證方法。常見(jiàn)的口令認(rèn)證機(jī)制大多是基于靜態(tài)口令的，認(rèn)證服務(wù)器根據(jù)用戶輸入的口令和自身維護(hù)的口令表進(jìn)行匹配來(lái)判斷用戶身份的合法性，但容易受到重放、網(wǎng)絡(luò)竊聽以及猜測(cè)攻擊。針對(duì)靜態(tài)口令機(jī)制在安全方面的脆弱性，研究口令認(rèn)證的學(xué)者提出了動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證技術(shù)以保護(hù)重要的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源。動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證機(jī)制是在產(chǎn)生驗(yàn)證信息時(shí)加入不定因素（如用戶登錄的時(shí)間、用戶登錄的次數(shù)等），使每次登錄過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)包不同，從而提高登錄的安全性。

目前已有的（或者常用的）身份認(rèn)證方式（如令牌認(rèn)證、手機(jī)應(yīng)用程序等認(rèn)證方式）非常煩瑣，無(wú)法滿足人們的需求。令牌認(rèn)證雖然很安全，但用戶必須隨身攜帶令牌，丟失或忘記令牌會(huì)造成不必要的麻煩。而目前存在的手機(jī)App大多采用挑戰(zhàn)/應(yīng)答機(jī)制認(rèn)證，導(dǎo)致用戶和服務(wù)器之間需要雙向通信，即服務(wù)器隨機(jī)生成挑戰(zhàn)發(fā)送給用戶，用戶利用挑戰(zhàn)計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)答并上傳給服務(wù)器。然而，該挑戰(zhàn)需要用戶手機(jī)始終保持連接狀態(tài)，一旦欠費(fèi)或無(wú)信號(hào)，通信立即中斷。在這種情形下，身份認(rèn)證系統(tǒng)可采用基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)口令（TOTP，time-based one-time password）[1]，僅需要從用戶到服務(wù)器的單向通信。然而，TOTP需要服務(wù)器以明文形式存儲(chǔ)用戶的私鑰，一旦服務(wù)器被攻破，用戶的私鑰將立即泄露。一種可行的方法是將服務(wù)器上用戶私鑰替換為私鑰哈希值。該方法采用無(wú)限后退哈希鏈的方式，導(dǎo)致用戶需要每隔一定時(shí)間重新注冊(cè)。如何實(shí)現(xiàn)在用戶不需要重新注冊(cè)的基礎(chǔ)上使手機(jī)支持離線認(rèn)證，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1981年，Lamport首次提出基于哈希鏈的動(dòng)態(tài)口令（OTP，one-time password）認(rèn)證方案，后被改進(jìn)為S/KEY方案[2]，已被廣泛地應(yīng)用于各種認(rèn)證機(jī)制[3-4]。目前應(yīng)用較廣的有：基于時(shí)間的OTP[1]、基于哈希鏈的OTP（HOTP，HMAC-based one-time password）[5]以及基于計(jì)數(shù)器的OTP（COTP，count-based one-time password）[6]。Lamport基于后退式哈希鏈，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案，該方案哈希鏈鏈長(zhǎng)固定，受限于認(rèn)證次數(shù)（即用戶需要重注冊(cè)），并且不能抵抗小數(shù)目攻擊[7]。重注冊(cè)是指哈希鏈長(zhǎng)是固定的，每當(dāng)這個(gè)哈希鏈被用完以后，用戶必須重新生成條新的哈希鏈，并將哈希鏈最初的驗(yàn)證值提交給服務(wù)器。Das等[8]提出基于身份（ID，identity）和Hash算法的動(dòng)態(tài)口令鑒別方案，該方案可防止用戶ID被盜，同時(shí)抵抗重放攻擊、內(nèi)部攻擊以及猜測(cè)攻擊。但是，AwaSthi[7]指出如果智能卡被盜，Das等[8]提出的方案將不再安全，攻擊者可在智能卡中插入隨機(jī)口令替換用戶口令。Goyal[9]提出了N/R（N代表哈希鏈總長(zhǎng)，R代表選取的子鏈長(zhǎng)）動(dòng)態(tài)口令方案，減少了用戶端的計(jì)算量，但方案的安全性并沒(méi)有提高。Gong等[10]提出的基于更新子鏈的動(dòng)態(tài)口令雖然可以實(shí)現(xiàn)認(rèn)證次數(shù)不受限制，但仍然采用挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)離線認(rèn)證。Park提出的不需要重注冊(cè)的動(dòng)態(tài)口令方案[11]，雖然可以抵抗重放攻擊、小數(shù)目攻擊等多種攻擊方式，但依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)離線認(rèn)證。Kogan將Lamport提出的S/KEY方案改進(jìn)為T/KEY方案[12]，可以實(shí)現(xiàn)離線認(rèn)證，但該方案和S/KEY方案一樣需要重注冊(cè)。Hwang[13]提出了前向哈希鏈的動(dòng)態(tài)口令方案，雖無(wú)須重新注冊(cè)，但不能抵抗重放攻擊[7]。Chefranov[14]在文獻(xiàn)[13]方案的基礎(chǔ)上，提出了基于無(wú)限前進(jìn)哈希鏈的動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案，該方案雖然避免了重注冊(cè)的問(wèn)題，但受限于雙向通信，即僅支持在線認(rèn)證。由于在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往可能會(huì)遇到無(wú)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)差的情況（如偏遠(yuǎn)的地區(qū)、電梯或地下停車場(chǎng)等），因此，研究和設(shè)計(jì)一種無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于文獻(xiàn)[14]所使用的無(wú)限前進(jìn)哈希鏈結(jié)合TOTP算法，提出一種無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案。本文的主要貢獻(xiàn)有：①提出了一種基于無(wú)限前進(jìn)哈希鏈的動(dòng)態(tài)口令方案，該方案具有無(wú)須重注冊(cè)與離線認(rèn)證的特點(diǎn)；②運(yùn)用TOTP算法，限制動(dòng)態(tài)口令的時(shí)效性，即動(dòng)態(tài)口令僅在短暫時(shí)間內(nèi)有效（如30 s）；③使用手機(jī)二維碼產(chǎn)生動(dòng)態(tài)口令的方式代替令牌，提高了方案的可用性。

2 相關(guān)知識(shí)及方案

2.1 TOTP算法

圖1 TOTP算法

Figure 1 TOTP algorithm

TOTP算法可實(shí)現(xiàn)從用戶到服務(wù)器的單向認(rèn)證（即支持離線認(rèn)證），并限制口令的時(shí)效性。

2.2 OTP方案

圖2 OTP方案的用戶注冊(cè)過(guò)程

Figure 2 The user registration process of OTP scheme

圖3 OTP方案的用戶登錄過(guò)程

Figure 3 The user login process of OTP scheme

2.3 Chefranov方案

Chefranov[14]構(gòu)建無(wú)限向前的哈希鏈，避免了用戶需要重注冊(cè)的問(wèn)題。方案分為注冊(cè)和登錄兩個(gè)階段，注冊(cè)過(guò)程如圖4所示。

圖4 Chefranov方案的用戶注冊(cè)過(guò)程

Figure 4 The user registration process of Chefranov scheme

Chefranov方案采用前向哈希鏈取代后退式哈希鏈，避免了重注冊(cè)的過(guò)程，同時(shí)可以抵抗重放攻擊以及小數(shù)目攻擊等多種方式的攻擊。但是，Chefranov方案仍采用用戶和服務(wù)器雙向認(rèn)證的模式，一旦用戶由于某些原因處于沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)時(shí)，認(rèn)證將無(wú)法繼續(xù)；另外，目前提出的大多數(shù)動(dòng)態(tài)口令方案和Chefranov方案存在同樣的弊端：動(dòng)態(tài)口令時(shí)效性的問(wèn)題，動(dòng)態(tài)口令在一個(gè)不確定的時(shí)間內(nèi)有效，有效時(shí)間由用戶兩次登錄間隙決定，如果用戶登錄的并不是很頻繁，足夠的登錄間歇時(shí)間給了攻擊者可乘之機(jī)。

3 無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案

3.1 無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證過(guò)程

無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案基于Chefranov方案無(wú)須重注冊(cè)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合TOTP算法，實(shí)現(xiàn)用戶到服務(wù)器的單向通信，并用手機(jī)App產(chǎn)生動(dòng)態(tài)口令，確保用戶在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的情況下認(rèn)證仍然可以完成。該方案利用TOTP算法限制口令實(shí)效的優(yōu)點(diǎn)，使動(dòng)態(tài)口令每隔很短的時(shí)間便會(huì)更換，但使用TOTP算法需要在用戶和服務(wù)器兩端同時(shí)設(shè)置時(shí)鐘。方案分為用戶注冊(cè)和登錄認(rèn)證兩個(gè)階段，如圖6所示。

3.1.1 注冊(cè)階段

Figure 5 The user login authentication process of Chefranov scheme

圖6 用戶注冊(cè)和登錄認(rèn)證

Figure 6 The user registration and login authentication

圖7 用戶注冊(cè)流程

Figure 7 The flow chart of user registration

1) 用戶提交相關(guān)信息，如用戶ID、靜態(tài)口等。

3.1.2 登錄認(rèn)證階段

圖8 用戶登錄過(guò)程

Figure 8 The login process of user

圖9 動(dòng)態(tài)口令的驗(yàn)證過(guò)程和服務(wù)器驗(yàn)證值的更新

Figure 9 Verification process of one-time password and update of server authentication value

3) 用戶將1發(fā)送給服務(wù)器。

3.2 安全性分析

3.2.1 重放攻擊

OTP方案的實(shí)施需要滿足兩個(gè)安全要求。首先，傳送消息的雙方之間需要建立一個(gè)安全可靠的通道，因此OTP方案通常使用SSL/TLS通道。SSL/TLS（secure socket layer /transport layer security）的使用意味著用戶和服務(wù)器之間交換消息的完整性得到了保證，在服務(wù)器接收到發(fā)送過(guò)來(lái)的消息時(shí)，服務(wù)器可以確定這個(gè)消息來(lái)自用戶，即在消息傳遞的過(guò)程中攻擊者不能篡改消息，反之亦然。如果不滿足這個(gè)安全要求，攻擊者可以對(duì)Lamport的OTP發(fā)起中間人攻擊。其次，服務(wù)器在驗(yàn)證動(dòng)態(tài)口令時(shí)，需要保證OTP的完整性。因此，可以假設(shè)服務(wù)器從用戶接收到的OTP在服務(wù)器的防篡改模塊（TRM）中處理。在該模塊中，它保證了在服務(wù)器認(rèn)證用戶過(guò)程中OTP的值不會(huì)被篡改。

重放攻擊是指攻擊者為了欺騙用戶讓其接受自己的請(qǐng)求，發(fā)送給目的主機(jī)一個(gè)已經(jīng)被目的主機(jī)接受過(guò)的包。OTP的兩個(gè)安全要求中的第一個(gè)要求，僅保證消息在用戶和服務(wù)器之間不會(huì)被篡改，但可以偷窺到用戶發(fā)送給服務(wù)器的動(dòng)態(tài)口令，在滿足上述兩個(gè)安全要求的基礎(chǔ)之上，本文提出的OTP攻擊模型是這樣的：攻擊者可以偷窺到用戶和服務(wù)器所交換的消息，但不能通過(guò)正常認(rèn)證的信道傳遞來(lái)修改它們的值。

定理1 在上述攻擊模型的條件下，攻擊者不可能發(fā)送一個(gè)已發(fā)送的動(dòng)態(tài)口令來(lái)欺騙服務(wù)器。

3.2.2 偽造攻擊

OTP方案實(shí)施的兩個(gè)安全要求中的第一個(gè)要求：雙方之間需要具備一個(gè)安全可靠的通道，該通道滿足即使攻擊者有機(jī)會(huì)偷窺到用戶發(fā)送給服務(wù)器的動(dòng)態(tài)口令，也無(wú)法修改動(dòng)態(tài)口令的值。通常使用SSL/TLS通道來(lái)滿足這個(gè)要求。但在現(xiàn)實(shí)生活中，SSL/TLS已經(jīng)不再是非常安全的，2013年，Meyer[17]提出了針對(duì)SSL/TLS的攻擊模型，可以成功地?cái)r截用戶發(fā)送的動(dòng)態(tài)口令并且修改攔截的動(dòng)態(tài)口令，然后模仿用戶發(fā)送給服務(wù)器以達(dá)到偽造一個(gè)可以被服務(wù)器接受的動(dòng)態(tài)口令的目的。此時(shí)，本文提出的OTP攻擊模型是這樣的：攻擊者可以訪問(wèn)用戶和服務(wù)器所交換的消息，并且能通過(guò)正常認(rèn)證的信道傳遞來(lái)攔截并修改它們。假設(shè)在攻擊者偷窺到許多個(gè)動(dòng)態(tài)口令后，發(fā)現(xiàn)了一些動(dòng)態(tài)口令的規(guī)律，在這些規(guī)律的前提下，攻擊者是否可以偽造出被用戶接受的下一個(gè)OTP？

定理2 在上述攻擊模型的條件下，攻擊者不可能偽造出被服務(wù)器接受的OTP的值。

3.2.3 小數(shù)目攻擊

小數(shù)目攻擊通常發(fā)生在后退式哈希鏈中。攻擊者假扮服務(wù)器向用戶發(fā)送一個(gè)小數(shù)字，如10，用戶向攻擊者發(fā)送10()。這樣，攻擊者就可以輕松地計(jì)算出沒(méi)有使用過(guò)的一系列動(dòng)態(tài)口令，從而偽裝成用戶。本文使用前向哈希鏈，不需要服務(wù)器向用戶發(fā)送挑戰(zhàn)，所以不存在小數(shù)目攻擊。

4 方案的實(shí)施

本文使用用戶到服務(wù)器的單向通信取代用戶到服務(wù)器的雙向通信方式，使用戶即使處于不在線狀態(tài)，認(rèn)證依然可以完成。根據(jù)本文提出的方案，使用手機(jī)App以二維碼的方式產(chǎn)生動(dòng)態(tài)口令，手機(jī)App每隔1 min就會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)口令二維碼。本文使用Windows10系統(tǒng)作為軟件的開發(fā)環(huán)境，使用Android Studio作為軟件的開發(fā)工具，使用具有攝像功能的臺(tái)式機(jī)作為服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)所提方案。服務(wù)器通過(guò)攝像頭掃描手機(jī)App產(chǎn)生的二維碼，獲得用戶的動(dòng)態(tài)口令；同時(shí)，服務(wù)器使用遞歸算法計(jì)算動(dòng)態(tài)口令，如果服務(wù)器使用遞歸算法計(jì)算出來(lái)的動(dòng)態(tài)口令和用戶發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)態(tài)口令一致，則認(rèn)證成功，否則認(rèn)證失敗。

本文僅需要用戶到服務(wù)器的單向交流，不要用戶返回任何消息，手機(jī)App僅需提供動(dòng)態(tài)口令的二維碼。由于二維碼不需要在網(wǎng)絡(luò)上傳播，因此，用戶的手機(jī)是可以沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的。手機(jī)二維碼每隔1 min更新一次，這意味著每個(gè)動(dòng)態(tài)口令的使用壽命僅有1 min，1 min之后動(dòng)態(tài)口令便會(huì)失效。生活中已經(jīng)使用了和此類功能相似的軟件，如微信支付的二維碼是可以實(shí)現(xiàn)離線付款的，并且付款的二維碼只在比較短的時(shí)間內(nèi)有效。所以，本文方案在技術(shù)實(shí)施上具有可行性。

本文提出的動(dòng)態(tài)口令方案在用戶和服務(wù)器雙方都設(shè)置了時(shí)鐘，關(guān)于時(shí)鐘同步性的問(wèn)題，本文允許一個(gè)合理的滑動(dòng)窗口的存在，只要在窗口值范圍內(nèi)，就認(rèn)為動(dòng)態(tài)口令是合法的。目前正在流行的支付寶離線支付，同步用戶和服務(wù)器雙方的方法就是通過(guò)設(shè)置一個(gè)合理的滑動(dòng)窗口值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，支付寶離線支付功能的使用驗(yàn)證了同步雙方不再是難題。因此，關(guān)于具體的同步用戶和服務(wù)器雙方的問(wèn)題，具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不加以細(xì)述。

5 相關(guān)方案比較

本節(jié)對(duì)Lamport提議的OTP、Chefranov提議的OTP以及本文提議的OTP在通信方式、是否需要用戶重新注冊(cè)等方面進(jìn)行了比較，相關(guān)方案的比較結(jié)果如表1所示。其中，關(guān)于通信方式，Lamport方案和Chefranov方案都采用用戶到服務(wù)器的雙向通信模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)離線認(rèn)證；本文采用用戶到服務(wù)器的單向通信模式，不需要服務(wù)器給予用戶應(yīng)答，同時(shí)，采用手機(jī)二維碼方式產(chǎn)生動(dòng)態(tài)口令，僅需要使用帶有掃碼功能的服務(wù)器掃描手機(jī)二維碼即可完成登錄功能，無(wú)須用戶時(shí)刻保持在線狀態(tài)，即使用戶因?yàn)楦鞣N原因造成手機(jī)無(wú)法聯(lián)網(wǎng)，如地處偏僻、手機(jī)停機(jī)等，認(rèn)證仍然可以完成。關(guān)于無(wú)須重注冊(cè)，Lamport方案采用后退式哈希鏈，哈希鏈長(zhǎng)度固定，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)口令個(gè)數(shù)有限，一旦動(dòng)態(tài)口令使用完畢，則需要用戶重新注冊(cè)；Chefranov方案和本文方案采用前向哈希鏈取代后退式哈希鏈，認(rèn)證次數(shù)不受限制，因此無(wú)須用戶重新注冊(cè)。關(guān)于口令具有時(shí)效性，Lamport方案和Chefranov方案的動(dòng)態(tài)口令的有效時(shí)長(zhǎng)取決于用戶兩次登錄的時(shí)間間隔，本文方案無(wú)論用戶是否登錄，動(dòng)態(tài)口令的有效時(shí)長(zhǎng)都僅有1 min。

表1 相關(guān)方案比較

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于前向哈希鏈結(jié)合TOTP算法設(shè)計(jì)了一種無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證方案，利用手機(jī)App以二維碼的方式生成動(dòng)態(tài)口令，提高了可用性，給出了安全性分析。但是，如何盡可能地減少由于用戶兩次登錄的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的用戶和服務(wù)器哈希值的計(jì)算量有待進(jìn)一步地研究。

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One-time password authentication for one-way communication without re-registration

LU Qianqian, ZHU Youwen, JIANG Yan

School of Computer Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211100, China

One-time password is a password that is valid for only one session on a system or device. The existing one-time password scheme without re-registration which is not limited by the number of authentication only supports online authentication, but can not support offline authentication. To solve the above problems, a one-time password authentication scheme for one-way communication without re-registration was proposed. The scheme combined the time-based one-time password scheme with the way of no re-registration. It can realize the offline authentication while satisfying the infinite authentication times and the password time-effective. Finally, the security of the scheme is proved.

one-time password, no re-registration, timeliness password, offline authentication

TP301.6

A

10.11959/j.issn.2096?109x.2020038

2020?01?15；

2020?05?11

魯遷遷，2293520373@qq.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0802300）

The National Key R & D Program (2017YFB0802300)

魯遷遷, 朱友文, 蔣炎. 無(wú)須重注冊(cè)的單向通信動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào), 2020, 6(3): 99-107.

LU Q Q, ZHU Y W, JIANG Y. One-time password authentication for one-way communication without re-registration [J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2020, 6(3): 99-107.

魯遷遷（1993? ），女，江蘇徐州人，南京航空航天大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

朱友文（1986? ），男，安徽阜南人，南京航空航天大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

蔣炎（1992? ），男，湖北仙桃人，南京航空航天大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>