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      一種基于智能卡的視頻終端保護(hù)方法

      2015-04-10 03:23:17楊小寶肖躍雷
      電視技術(shù) 2015年7期
      關(guān)鍵詞:智能卡信令視頻會(huì)議

      楊小寶,謝 璇,肖躍雷

      (西安郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)與兩化融合研究院,陜西 西安 710061)

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      一種基于智能卡的視頻終端保護(hù)方法

      楊小寶,謝 璇,肖躍雷

      (西安郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)與兩化融合研究院,陜西 西安 710061)

      針對(duì)政府部門(mén)、軍方機(jī)構(gòu)在使用遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)時(shí),可能存在非法設(shè)備或者非法用戶對(duì)數(shù)據(jù)的捕獲、竊聽(tīng)以及對(duì)正常會(huì)議的攻擊干擾等安全問(wèn)題。通過(guò)分析當(dāng)前視頻會(huì)議流程,結(jié)合智能卡對(duì)數(shù)據(jù)保護(hù)性高、更新維護(hù)方便、成本低廉的優(yōu)勢(shì),提出一種軟硬件結(jié)合的數(shù)據(jù)保護(hù)方案,對(duì)終端設(shè)備植入智能卡芯片,從設(shè)備角度提供會(huì)議系統(tǒng)的終端身份識(shí)別、信令鑒別、媒體流加密等多重保護(hù)。與當(dāng)前軟安全方案相比,整個(gè)方案操作性強(qiáng)、效率高,可有效提升視頻會(huì)議系統(tǒng)的安全性。

      視頻會(huì)議;智能卡;橢圓曲線算法

      視頻會(huì)議系統(tǒng)是一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離交流的技術(shù),系統(tǒng)通過(guò)對(duì)視頻、音頻壓縮以及多媒體通信實(shí)現(xiàn)參會(huì)者在各自的會(huì)議室中可實(shí)時(shí)發(fā)送和接收視頻和音頻信息[1]。近年來(lái)視頻會(huì)議市場(chǎng)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),高清晰視頻會(huì)議系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于企業(yè)與個(gè)人[2]。然而隨著網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議的普及,針對(duì)視頻會(huì)議安全漏洞的攻擊也在不斷發(fā)展,尤其是針對(duì)軍隊(duì)和政府等重要機(jī)構(gòu)部門(mén)的第三方竊聽(tīng)、假冒和竄改等,使得視頻會(huì)議面臨極大的不安全性[3]。

      1 傳統(tǒng)視頻會(huì)議會(huì)話分析

      1.1 結(jié)構(gòu)模型分析

      傳統(tǒng)的視頻會(huì)議系統(tǒng)一般有集中式多點(diǎn)和分散式多點(diǎn)會(huì)議模型[4]。集中式多點(diǎn)會(huì)議是由一個(gè)多點(diǎn)控制單元(或稱多點(diǎn)控制服務(wù)器)來(lái)組織會(huì)議,所有終端以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向多點(diǎn)控制服務(wù)器發(fā)送視頻流、音頻流和控制流。分散式多點(diǎn)模型是利用組播技術(shù),參加會(huì)議的終端向其他會(huì)議終端以多點(diǎn)廣播傳送視頻和音頻信息。典型代表為H.323協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的視頻會(huì)議系統(tǒng)和以SIP會(huì)話模式實(shí)現(xiàn)的視頻會(huì)議系統(tǒng)[5],本文討論的是基于H.323協(xié)議棧的集中式多點(diǎn)會(huì)議模塊,即每一個(gè)用戶終端都連接到服務(wù)器,服務(wù)器提供包括媒體混合等會(huì)議功能。

      1.2 視頻會(huì)話過(guò)程分析

      H.323視頻會(huì)議系統(tǒng)主要有終端、網(wǎng)守、網(wǎng)關(guān)和多點(diǎn)控制單元(MCU)組成(見(jiàn)圖1)。其中,集中式視頻會(huì)議由服務(wù)器、客戶端的以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。服務(wù)器是由MCU和網(wǎng)守集成到一起構(gòu)建的,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制和呼叫注冊(cè)的功能。客戶端實(shí)現(xiàn)音視頻的采集、編解碼和回放功能。系統(tǒng)分為純軟件和軟硬件結(jié)合兩種方式,一般會(huì)議使用的是純軟件方式實(shí)現(xiàn)。

      圖1 集中式會(huì)議模型

      整個(gè)視頻會(huì)話中終端與服務(wù)器通信分為5個(gè)階段:初始化通信、音視頻信道建立、媒體能力交換、會(huì)議媒體流會(huì)話、會(huì)話通信終止。初始化通信階段,終端與網(wǎng)守之間的通信通過(guò)RSA信道進(jìn)行,該過(guò)程要達(dá)到兩個(gè)目的,即終端請(qǐng)求登錄網(wǎng)守(身份鑒別),網(wǎng)守對(duì)提供給終端的服務(wù)進(jìn)行授權(quán)。音視頻通信是以信令交互建立媒體控制流的傳輸。音視頻信道建立是指確定所有與會(huì)者的音視頻端接收地址包括與會(huì)者音視頻、白板數(shù)據(jù)、會(huì)議廣播等IP地址和端口。媒體能力交換指服務(wù)器與會(huì)者終端設(shè)備協(xié)商媒體會(huì)話的音視頻編碼格式、帶寬、白板通道及安全算法等會(huì)議參數(shù)。上述3個(gè)階段在視頻會(huì)議建立過(guò)程中起到了決定性作用,亦是會(huì)議安全研究的重點(diǎn)。

      1.3 安全狀態(tài)分析

      視頻會(huì)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)媒體的實(shí)時(shí)傳輸,如何確保視頻會(huì)議只被合法授權(quán)的用戶訪問(wèn)。在通信建立階段進(jìn)行身份認(rèn)證是確保視頻會(huì)議數(shù)據(jù)不被第三方非法取得的首要條件。身份認(rèn)證一般分為口令認(rèn)證、信物認(rèn)證以及生物特征認(rèn)證3種[6]。視頻會(huì)議普遍應(yīng)用硬件設(shè)備身份認(rèn)證和口令認(rèn)證兩種方式。使用設(shè)備進(jìn)行硬件身份認(rèn)證相對(duì)安全,不易破解,但成本高、不易更換。使用口令作為身份認(rèn)證進(jìn)行登錄視頻軟件,則容易被非法用戶通過(guò)黑客網(wǎng)絡(luò)抓包工具,截獲信令流,分析出合法用戶信息的賬號(hào)和密碼,進(jìn)而抓取或者破壞會(huì)議視頻數(shù)據(jù),這正是影響視頻會(huì)議安全的關(guān)鍵問(wèn)題[7]。

      信令交互以及媒體控制流的傳輸過(guò)程是通過(guò)選取加密算法進(jìn)行的,信令是否安全決定于算法是否安全,H.245等控制信令包括媒體信道的私有參數(shù)及其他編碼參數(shù),媒體信道的加密算法和密鑰,打開(kāi)、關(guān)閉媒體信道等消息一旦遭到偽造、更改或泄密,攻擊者就可以控制或獲取媒體信道的相關(guān)參數(shù),進(jìn)而獲取媒體信道的通話內(nèi)容。算法的安全性對(duì)整個(gè)信令交互和媒體控制流傳輸安全至關(guān)重要。

      針對(duì)上述安全隱患,本文通過(guò)改進(jìn)視頻會(huì)議前端設(shè)備,在攝像頭硬件設(shè)備中置入智能卡接口,將智能卡與視頻會(huì)議結(jié)合起來(lái),使用智能卡作為視頻終端認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密設(shè)施,并選取適合智能卡的高安全性的橢圓算法ECC[8]對(duì)小數(shù)據(jù)流(信令流、密鑰和部分媒體流)進(jìn)行加密,提高視頻會(huì)議的安全性。

      2 基于智能卡的視頻會(huì)議系統(tǒng)

      2.1 智能卡的安全服務(wù)

      基于智能卡的身份認(rèn)證方式結(jié)合了硬件技術(shù)和身份認(rèn)證的優(yōu)點(diǎn),可提供安全可靠的認(rèn)證手段。智能卡中包含了E2PROM、ROM以及RAM,可以對(duì)一定量的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全存儲(chǔ)和加密。其中ROM中存放的智能卡操作系統(tǒng)(COS),E2PROM中存放加密數(shù)據(jù)和應(yīng)用文件等,RAM用于緩存計(jì)算中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

      智能卡擁有安全性能高、難以破譯和偽造的特點(diǎn)[9],可以在CPU上運(yùn)行復(fù)雜的程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全訪問(wèn),并能方便地建立多種應(yīng)用。本文將智能卡應(yīng)用于身份認(rèn)證以及小數(shù)據(jù)加密傳輸,利用智能卡加密技術(shù)提高用戶與服務(wù)器對(duì)話的安全性。具體步驟如下:在視頻會(huì)議攝像頭中嵌入智能卡認(rèn)證SIM卡,上電后插入智能卡,智能卡與SIM卡進(jìn)行認(rèn)證并對(duì)智能卡信息進(jìn)行讀取。終端軟件對(duì)智能卡信息進(jìn)行認(rèn)證后可打開(kāi)視頻會(huì)議界面。

      基于智能卡的視頻會(huì)議系統(tǒng)安全模塊分為身份識(shí)別與認(rèn)證、信令流傳輸以及媒體流傳輸3個(gè)部分,具體流程如圖2所示。

      圖2 基于智能卡的視頻會(huì)議流程圖

      2.2 視頻設(shè)備的密鑰生成、分發(fā)及更新

      視頻會(huì)議系統(tǒng)的終端設(shè)備,由存儲(chǔ)該設(shè)備編號(hào)和授權(quán)密鑰的智能卡提供安全接入和密文會(huì)話,智能卡中設(shè)備終端密鑰由會(huì)議管理系統(tǒng)基于橢圓密鑰算法生成、分發(fā)及更新。

      選取ECC加密算法作為安全算法,在二次擴(kuò)展域F2m仿射坐標(biāo)系下的橢圓曲線方程可以簡(jiǎn)化為

      y2+xy=x3+ax2+b

      (1)

      式中:a,b∈F2m,b≠0。

      取橢圓曲線上的點(diǎn)集為

      E(F2m)={(x,y)|x,y∈F2m,且滿足曲線方程

      y2+xy=x3+ax2+b}∪{O}

      (2)

      其中:O是橢圓曲線的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn),又稱為零點(diǎn)。

      智能卡中存放自身的標(biāo)識(shí)碼Si、服務(wù)器公鑰PB以及智能卡私鑰d。其中,智能卡標(biāo)識(shí)碼是唯一的且未公開(kāi)的,智能卡私鑰也不公開(kāi)。

      智能卡私鑰d是應(yīng)用最少兩組因子使用雜湊算法[10]進(jìn)行加密產(chǎn)生的卡內(nèi)私鑰。智能卡造價(jià)不高,便于更換,考慮到視頻會(huì)議的安全性,需要不定期更換智能卡,更換后的智能卡將產(chǎn)生一系列新的密鑰對(duì)。

      公鑰Q=dG,其中私鑰d∈[n-1],n表示橢圓曲線域參數(shù)中的階,公鑰Q是橢圓曲線上的一點(diǎn),G表示橢圓曲線域參數(shù)的基點(diǎn)。

      在服務(wù)器中放入智能卡公鑰Q、服務(wù)器私鑰nB、以及智能卡標(biāo)識(shí)碼表,可以根據(jù)智能卡標(biāo)識(shí)碼表找出對(duì)已授權(quán)智能卡的公鑰。

      視頻會(huì)議通信過(guò)程中,為防止攻擊者破壞密鑰,非法取得會(huì)議信息,需要?jiǎng)討B(tài)更新密鑰,以保證會(huì)議安全??紤]以下3種主要情況:

      1)終端加入。在有新的成員加入會(huì)議時(shí),只需要在攝像頭中添加新的智能卡,在智能卡中寫(xiě)入卡標(biāo)識(shí)碼、它的私鑰以及后臺(tái)公鑰,將智能卡標(biāo)識(shí)碼以及它的公鑰備份錄入后臺(tái)服務(wù)器的智能卡標(biāo)識(shí)碼表中。

      2)終端離開(kāi)。在會(huì)議成員主動(dòng)離開(kāi)會(huì)議或攝像頭中的智能卡發(fā)生故障和丟失時(shí),將服務(wù)器中智能卡標(biāo)識(shí)碼表中該張智能卡標(biāo)識(shí)碼作廢,并做備注。

      3)周期性定時(shí)更換。在會(huì)議召開(kāi)的前期準(zhǔn)備過(guò)程中,按照需要定期地更換智能卡,以防止會(huì)議攻擊者使用高性能設(shè)備長(zhǎng)時(shí)抓取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,竊取會(huì)話密鑰后解密會(huì)議信息。更換時(shí)需要全部或者部分更換與會(huì)者視頻設(shè)備的智能卡,更甚者需要重新生成服務(wù)器公私密鑰對(duì),建立新的智能卡標(biāo)識(shí)碼表,由于智能卡成本低,這個(gè)過(guò)程相對(duì)經(jīng)濟(jì),但會(huì)增加會(huì)議準(zhǔn)備期。

      2.3 視頻設(shè)備的身份識(shí)別

      視頻終端設(shè)備的身份認(rèn)證是視頻會(huì)議中最基本的安全服務(wù),用于保證通信雙方的真實(shí)性,它是會(huì)議安全服務(wù)的前提。一旦身份認(rèn)證系統(tǒng)被攻破,其他所有的安全措施都失效。在加入智能卡的視頻會(huì)議系統(tǒng)中,利用智能卡硬件和軟件雙重身份認(rèn)證提高會(huì)議的安全性。公開(kāi)發(fā)布視頻會(huì)議軟件,與會(huì)者可在會(huì)議發(fā)布網(wǎng)址進(jìn)行下載,通過(guò)插有授權(quán)智能卡的攝像頭進(jìn)行硬件認(rèn)證,通過(guò)智能卡加密算法ECC對(duì)認(rèn)證信息加密進(jìn)行軟件認(rèn)證,以保證智能卡與服務(wù)器身份認(rèn)證的安全。

      圖3是在智能卡與軟件進(jìn)行身份認(rèn)證成功后,智能卡與服務(wù)器建立連接并進(jìn)行軟件身份認(rèn)證、信令傳輸以及媒體流對(duì)稱密鑰傳輸過(guò)程。軟件身份認(rèn)證分為以下4個(gè)步驟:

      1)用戶智能卡向服務(wù)器發(fā)送身份認(rèn)證信息

      2)服務(wù)器對(duì)身份認(rèn)證信息進(jìn)行確認(rèn)

      3)服務(wù)器向智能卡發(fā)送身份認(rèn)證信息

      服務(wù)器使用該智能卡的公鑰Pi將信息Ci(Ci=智能卡標(biāo)識(shí)碼+本次會(huì)議接入碼Z)加密后發(fā)送給智能卡。

      4)智能卡對(duì)服務(wù)器身份認(rèn)證信息進(jìn)行確認(rèn)

      智能卡使用自己的私鑰對(duì)服務(wù)器發(fā)送的信息進(jìn)行解密,解密后得到信息Ci,對(duì)比確認(rèn)智能卡標(biāo)識(shí)碼,并提取會(huì)議接入碼Z。

      圖3 智能卡與服務(wù)器的安全認(rèn)證

      2.4 視頻會(huì)議中信令流的密文傳輸與識(shí)別

      視頻會(huì)議通信建立的過(guò)程中包含多種信令交互過(guò)程,如會(huì)議控制信令交互、呼叫信令交互等,這些交互對(duì)整個(gè)通信的成功具有重要意義??墒窃谶@個(gè)交互階段,如果攻擊者篡改了信令(比如篡改包含本地媒體傳輸通道地址的信令),將會(huì)造成嚴(yán)重后果。對(duì)智能卡與服務(wù)器交互的信令進(jìn)行ECC加密算法加密,智能卡確認(rèn)了服務(wù)器身份合法之后,與會(huì)者向服務(wù)器請(qǐng)求發(fā)送本次會(huì)議通信信令,服務(wù)器確認(rèn)信息后將信令打包加密發(fā)送給會(huì)議終端,過(guò)程如圖3所示。

      2.5 基于ECC算法的媒體流密文傳輸

      當(dāng)今,高清視頻會(huì)議加大了媒體數(shù)據(jù)的流量,同時(shí)視頻會(huì)議系統(tǒng)要求通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性,因此,本文對(duì)媒體流采用對(duì)稱加密算法進(jìn)行加密,其加解密過(guò)程如圖4。對(duì)稱密鑰算法具有加解密速度高、時(shí)延小的特點(diǎn),但由于加密和解密密鑰是同一個(gè)密鑰,因此必須保證對(duì)稱密鑰的安全,通常在會(huì)議進(jìn)行過(guò)程中利用上文所述的ECC算法協(xié)商方式臨時(shí)產(chǎn)生該對(duì)稱密鑰。

      圖4 多媒體安全處理

      3 基于智能卡的視頻會(huì)議系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

      與傳統(tǒng)H.323網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議相比,使用智能卡作為硬件認(rèn)證具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn):首先,用戶終端會(huì)議軟件在未檢測(cè)到智能卡時(shí)不能被使用(軟件可以公開(kāi)發(fā)布),這對(duì)整個(gè)視頻會(huì)議提供了第一層保證;其次,智能卡可以看作是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī),它比普通的硬件設(shè)施更加智能,密鑰的產(chǎn)生、更新更加靈活;第三,智能卡造價(jià)便宜,更換方便,可回收利用,對(duì)視頻會(huì)議系統(tǒng)的成本影響不大。

      在信令交互以及媒體控制流傳輸中,智能卡采用ECC密碼體制,相比當(dāng)前智能卡采用的RSA密碼算法,具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)[11]:

      1)安全性高。在計(jì)算復(fù)雜度上來(lái)看,橢圓曲線的離散對(duì)數(shù)計(jì)算困難性(ECDLP)是完全指數(shù)級(jí),而RSA是亞指數(shù)級(jí)。160 bit ECC與1 024 bit RSA具有相同安全強(qiáng)度,210 bit ECC與2 048 bit RSA具有相同安全響度。

      2)計(jì)算量小,處理速度快。ECC在私鑰的處理上遠(yuǎn)比RSA快得多。

      3)存儲(chǔ)空間小。這在智能卡中占有特別的意義。

      4)帶寬要求小。對(duì)于長(zhǎng)消息加解密,ECC與RSA的帶寬需求相同,但對(duì)于短消息來(lái)說(shuō),ECC的帶寬需求要比RSA低的多,尤其是在身份認(rèn)證、密鑰傳遞等,它在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

      ECC的這些優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了智能卡的局限性,所以將ECC應(yīng)用于智能卡與服務(wù)器的認(rèn)證和短消息傳輸方面,增加了整個(gè)視頻會(huì)議安全管理模塊的安全性。

      當(dāng)然,使用智能卡對(duì)視頻終端進(jìn)行保護(hù)的方法也存在兩點(diǎn)不足:一是不能進(jìn)行全數(shù)據(jù)加密,它只針對(duì)其中的信令、密鑰、部分媒體流進(jìn)行保護(hù)。二是該保護(hù)方法會(huì)增加視頻終端設(shè)備與會(huì)的時(shí)間,影響媒體流傳輸效率,復(fù)雜化會(huì)議交互流程,增加會(huì)議準(zhǔn)備時(shí)間。

      4 小結(jié)

      本文通過(guò)分析當(dāng)前視頻會(huì)議安全問(wèn)題的缺陷,結(jié)合智能卡設(shè)計(jì)了一套完整的視頻會(huì)議系統(tǒng)的保護(hù)方法,包括視頻會(huì)議系統(tǒng)的身份認(rèn)證、信令流和媒體流的安全傳輸。相比其他視頻會(huì)議系統(tǒng)中的其他安全方式,具有明顯的優(yōu)勢(shì),將智能卡與視頻會(huì)議結(jié)合具有易操作、成本低和安全性高的特點(diǎn),相信對(duì)視頻會(huì)議的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生很大的促進(jìn)作用。筆者下一步將對(duì)此方法進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

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      楊小寶(1978— ),碩士,工程師,主研多媒體通信技術(shù)與智能卡技術(shù)研究;

      謝 璇(1989— ),女,研究生,主研智能卡及其數(shù)據(jù)安全;

      肖躍雷(1979— ),博士,講師,主要從事安全協(xié)議分析與設(shè)計(jì)、可信計(jì)算、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全等方面研究。

      責(zé)任編輯:許 盈

      New Protection Method of Video Terminal Based on Smart Card

      YANG Xiaobao, XIE Xuan, XIAO Yuelei

      (InstituteofIOT&IT-basedIndustrialization,Xi′anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi′an710061,China)

      There may be something illegal to capture and eavesdrop data even attack the normal meeting while the remote video conferencing system is used in the government departments or military organizations.After the flow of video conferencing to be analyzed, taking the smart card advantage of high security, update and maintain conveniently, low cost, a new data protection proposal based on hardware and software is proposed firstly in this paper.By implanting a smart card into the video terminal, multiple protections of authenticating ID of device, identification of signaling and encrypting media stream are provided in the video conference system.Compared with the current soft security scheme, the whole proposal of strong operability, high efficiency, can effectively improve the security of video conference system.

      video conference; smart card; ECC

      國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402367);國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2009ZX03004-003);陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013K06-14)

      TN919.8

      A

      10.16280/j.videoe.2015.07.014

      2014-09-10

      【本文獻(xiàn)信息】楊小寶,謝璇,肖躍雷.一種基于智能卡的視頻終端保護(hù)方法[J].電視技術(shù),2015,39(7).

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