多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的身份認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案

王牧 亢保元 景東亞

摘 要：多數(shù)的身份認(rèn)證方案是依賴于單個(gè)的認(rèn)證服務(wù)器與用戶之間的相互認(rèn)證，如果一個(gè)用戶想要使用不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，就必須向每一個(gè)服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)。然而要使得用戶記住不同的身份和口令是非常困難的。最近，Li et al.分析了Sood et al.提出的多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的認(rèn)證方案，指出了其中存在的問(wèn)題并且提出了一個(gè)改進(jìn)的方案。Li et al.聲稱他們的方案可以保證用戶的匿名性，提供了相互認(rèn)證和共享密鑰，并且可以抵抗一些常見(jiàn)的攻擊。然而，通過(guò)仔細(xì)分析之后，我們發(fā)現(xiàn)Li et al.的方案容易受到假冒攻擊。因此，本文提出了一種高效安全的多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的相互認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案并給出了安全性分析。

關(guān)鍵詞：身份認(rèn)證；密鑰共識(shí)；多服務(wù)器；安全性

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

智能卡因?yàn)榫哂械湍芎?，易攜帶等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子商務(wù)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議中。用戶把智能卡插入讀卡器并提交他的身份和口令，智能卡就可以通過(guò)處理這些信息來(lái)驗(yàn)證用戶的合法性。

隨著網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)技術(shù)的發(fā)展，許多通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)，比如網(wǎng)上購(gòu)物，網(wǎng)上繳費(fèi)等等使得我們的生活越來(lái)越便捷。在公共環(huán)境中，如何在遠(yuǎn)程用戶連接到服務(wù)器之前確認(rèn)用戶的身份顯得至關(guān)重要。大多數(shù)的口令認(rèn)證協(xié)議都是基于一個(gè)服務(wù)器，這個(gè)服務(wù)器保存了用戶的口令認(rèn)證信息等?？诹钫J(rèn)證信息存儲(chǔ)在單一的服務(wù)器中就會(huì)很容易受到泄露或者篡改攻擊。多服務(wù)器模型的提出很好地解決了這些問(wèn)題。多服務(wù)器模型具有把用戶的口令和認(rèn)證功能分配給不同的服務(wù)器的靈活性，因此多服務(wù)器模型更具有實(shí)際意義。

口令認(rèn)證在認(rèn)證方案中是最簡(jiǎn)單最常見(jiàn)的認(rèn)證方法，近年來(lái)人們提出了很多基于靜態(tài)身份的口令認(rèn)證方案來(lái)加強(qiáng)安全性和高效性，然而用戶可以改變他的口令卻不能改變他的身份信息。因此，在通信中，基于靜態(tài)身份的口令認(rèn)證協(xié)議會(huì)泄露關(guān)于用戶的部分認(rèn)證信息給攻擊者。大多數(shù)的多服務(wù)器間的認(rèn)證信息也是基于靜態(tài)身份的，攻擊者可以利用這些信息追蹤判定不同的消息請(qǐng)求來(lái)自于同一批用戶。然而，基于動(dòng)態(tài)身份的口令認(rèn)證方案在身份和口令的基礎(chǔ)上提供了雙重認(rèn)證，所以更適合應(yīng)用于電子商務(wù)中。本文提出了多服務(wù)器間帶有智能卡的基于動(dòng)態(tài)身份的安全高效的認(rèn)證方案，在不安全的信道中保證了用戶的匿名性，因此可以直接應(yīng)用于電子商務(wù)中。

本文的結(jié)構(gòu)為：第二節(jié)介紹了多服務(wù)器間安全高效的基于動(dòng)態(tài)身份的身份認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，第三節(jié)和第四節(jié)回顧了Li et al.的方案并對(duì)其進(jìn)行攻擊，第五節(jié)我們提出了全新的多服務(wù)器間安全高效的基于動(dòng)態(tài)身份的身份認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案，第六節(jié)給出了新方案的安全性分析，第七節(jié)是本文的結(jié)束語(yǔ)。

2 相關(guān)工作（Related work）

Lamport[1]在1981年首先提出了不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的遠(yuǎn)程口令認(rèn)證協(xié)議，然而在他提出的協(xié)議中，服務(wù)器必須存儲(chǔ)口令表，這就使得這個(gè)協(xié)議不能抵抗篡改攻擊。Hwang和Li[2]2000年提出了基于ElGamal算法的帶有智能卡的遠(yuǎn)程認(rèn)證方案，這個(gè)方案不要求服務(wù)器存儲(chǔ)口令表。此后，人們提出了大量帶有智能卡的單一服務(wù)器認(rèn)證方案來(lái)解決安全性問(wèn)題（Fan et al.[3]，2005；Hwang et al.[4]，2010； Lee

et al.[5]，2005；Li和Hwang[6]，2010；Li et al.[7]，2011）。

然而，當(dāng)用戶想使用單一的服務(wù)器認(rèn)證協(xié)議登錄不同的遠(yuǎn)程服務(wù)器時(shí)，記住許多不同的口令和身份是很困難的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Li et al.[8]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程認(rèn)證協(xié)議，這個(gè)協(xié)議可以適用于多服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)體系，但是這個(gè)協(xié)議需要巨大的運(yùn)算量。2004年，Juang[9]提出了一個(gè)高效的基于哈希函數(shù)的多服務(wù)器認(rèn)證協(xié)議。同年，Chang和Lee[10]指出Juang的方案不夠高效因?yàn)榉?wù)器和用戶仍需要進(jìn)行大量的運(yùn)算和記憶，而且一旦智能卡丟失，這個(gè)方案將受到線下猜測(cè)攻擊。因此Chang和Lee提出了新的遠(yuǎn)程認(rèn)證協(xié)議，然而他們提出的協(xié)議仍然可能受到內(nèi)部攻擊和欺騙攻擊。2008年，Tsai[11]提出了一個(gè)高效的沒(méi)有認(rèn)證表的遠(yuǎn)程認(rèn)證方案，這個(gè)方案只用到了單向哈希函數(shù)計(jì)算量小，所以非常適合運(yùn)用于分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

然而，以上所有的多服務(wù)器間口令認(rèn)證協(xié)議都是基于靜態(tài)身份的，這就使得攻擊者可以追蹤到用戶的信息。2009年，Liao和Wang[12]提出了多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的遠(yuǎn)程認(rèn)證協(xié)議，他們聲稱他們的方案可以抵抗各種攻擊并能共提供相互認(rèn)證。2009年，Hsing和Shih[13]對(duì)Liao和Wang提出的方案進(jìn)行了改進(jìn)。2011年，Sood et al.[14]指出Hsing和Shih的方案容易受到重放攻擊，假冒攻擊和智能卡丟失攻擊并提出了新方案來(lái)解決這些問(wèn)題。2012年，Li et al.[15]指出Sood et al.的方案容易受到智能卡丟失攻擊和信息泄露攻擊，也提出了新的方案，他們聲他們的方案可以抵抗各種各樣的攻擊，即使是智能卡丟失，攻擊者提取出智能卡中保存的信息，這個(gè)方案也是安全的，因?yàn)楣粽卟豢赡艿玫矫孛軈?shù) 的信息。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我們發(fā)現(xiàn)Li et al.的方案仍然容易受到假冒攻擊，因此，本文提出了一個(gè)新的多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的認(rèn)證方案。

3 Li et al.方案的回顧（Overview of Li et al.'s scheme）

本文用到的相關(guān)參數(shù)如表1所示。我們先回顧Li et al.提出的多服務(wù)器間基于動(dòng)態(tài)身份的認(rèn)證方案。在這個(gè)方案中有三個(gè)參與者：提供服務(wù)的服務(wù)器，控制服務(wù)器和用戶。假設(shè)控制服務(wù)器相當(dāng)于一個(gè)可信的第三方負(fù)責(zé)用戶的注冊(cè)和相互認(rèn)證?？刂品?wù)器擁有私鑰和一個(gè)秘密參數(shù)，當(dāng)提供服務(wù)的服務(wù)器用他的身份向控制服務(wù)器注冊(cè)的時(shí)候，控制服務(wù)器計(jì)算和，并把和通過(guò)安全信道提交給提供服務(wù)的服務(wù)器。方案分為四個(gè)階段：注冊(cè)階段、登錄階段、認(rèn)證和密鑰共識(shí)階段、口令改變階段。

4 Li et al.方案的安全性分析（The protocol analysis）

盡管Li et al.聲稱他們的方案可以抵抗各種各樣的攻擊，即使是智能卡丟失，攻擊者提取出智能卡中保存的信息，這個(gè)方案也是安全的，因?yàn)楣粽卟豢赡艿玫降男畔?。?jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況卻不是這樣。

4.1 用戶假冒攻擊

我們假設(shè)有一個(gè)惡意的用戶擁有一個(gè)智能卡并提取出智能卡里的信息，這個(gè)惡意用戶根據(jù)自己的可計(jì)算出，，

從而得出。如果一個(gè)合法用戶的智能卡被盜取，就可以提取出其中的，當(dāng)這個(gè)惡意用戶攔截到用戶發(fā)送的，就可以計(jì)算，，利用這些數(shù)據(jù)，這個(gè)惡意用戶就可以偽造用戶的登錄信息。首先，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，，，。智能卡把登錄請(qǐng)求通過(guò)公共信道發(fā)送給提供服務(wù)的服務(wù)器。收到發(fā)來(lái)的登錄請(qǐng)求之后，選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，，并把信息發(fā)送給控制服務(wù)器。當(dāng)控制服務(wù)器收到登錄請(qǐng)求之后，計(jì)算，并驗(yàn)證等于收到的。于是控制服

務(wù)器計(jì)算，，

，，并驗(yàn)證等于，控制服務(wù)器可以確認(rèn)用戶的合法性。綜上，惡意用戶可以進(jìn)行用戶假冒攻擊。

4.2 服務(wù)器假冒攻擊

按照上述做法，這個(gè)惡意用戶可以計(jì)算出，當(dāng)他攔截到提供服務(wù)的服務(wù)器發(fā)給用戶的消息之后，計(jì)算，，用戶收到信息之后計(jì)算，

，并驗(yàn)證等于，智能卡就可以確認(rèn)控制服務(wù)器和提供服務(wù)服務(wù)器的合法性。所以惡意用戶可以進(jìn)行服務(wù)器假冒攻擊。

5 改進(jìn)的新方案（The proposed scheme）

在這一節(jié)，我們提出了一個(gè)安全高效的方案，來(lái)解決Li et al.方案中的問(wèn)題。我們的方案同樣包括三個(gè)參與者，用戶、提供服務(wù)的服務(wù)器、控制服務(wù)器?？刂品?wù)器選取一個(gè)大素?cái)?shù)，是的生成元，選取私鑰，公鑰。我們的方案同樣分為四個(gè)步驟：注冊(cè)階段、登錄階段、認(rèn)證和密鑰共識(shí)階段、口令改變階段。相關(guān)步驟如圖1所示。

5.1 注冊(cè)階段

用戶首先要向控制服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)階段都是在安全信道中進(jìn)行。

Step1：用戶選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，然后把通過(guò)安全信道提交給。

Step2：控制服務(wù)器收到之后計(jì)算，，，把存儲(chǔ)在智能卡中并把智能卡通過(guò)安全信道頒發(fā)給用戶。

Step3：當(dāng)用戶收到智能卡之后計(jì)算，并把保存在智能卡中。最終智能卡存儲(chǔ)了。

提供服務(wù)的服務(wù)器也要在控制服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)。當(dāng)用它的身份向控制服務(wù)器注冊(cè)的時(shí)候，計(jì)算，然后把通過(guò)安全信道提交給保存。

5.2 登錄階段

Step1：用戶把智能卡插入讀卡器中并輸入和口令以及提供服務(wù)的服務(wù)器的身份，智能卡計(jì)算，，，并驗(yàn)證，如果上式成立，就說(shuō)明是一個(gè)合法用戶。

Step2：驗(yàn)證成功之后，智能卡生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并且計(jì)算，，，，

，，于是智能卡把登錄請(qǐng)求通過(guò)公共信道發(fā)送給。

5.3 認(rèn)證和密鑰共識(shí)階段

Step1：收到登錄請(qǐng)求之后，選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，，之后把登錄請(qǐng)求發(fā)送給控制服務(wù)器。

Step2：當(dāng)收到登錄請(qǐng)求后，開(kāi)始計(jì)算，，并且驗(yàn)證是否等于，如果驗(yàn)證相等，可以確認(rèn)的合法性。否則終止這次請(qǐng)求。

Step3：控制服務(wù)器計(jì)算，，，，，驗(yàn)證是否等于，如果驗(yàn)證等式成立，認(rèn)為用戶的身份合法，否則拒絕這次請(qǐng)求。

Step4：控制服務(wù)器生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)計(jì)算，，，，控制服務(wù)器把作為相互認(rèn)證的信息發(fā)給。

Step5：提供服務(wù)的服務(wù)器收到控制服務(wù)器發(fā)送來(lái)的信息，計(jì)算，，，并驗(yàn)證是否等于。如果驗(yàn)證上述式子不成立，就拒絕這次訪問(wèn)。如果驗(yàn)證上述等式成立，就可以確認(rèn)控制服務(wù)器的合法性，并且把傳送給用戶。

Step6：用戶收到之后計(jì)算，，并驗(yàn)證是否等于，如果驗(yàn)證不相等，智能卡就拒絕這次訪問(wèn)。如果驗(yàn)證相等，智能卡就可以確認(rèn)提供服務(wù)的服務(wù)器和控制服務(wù)器的合法性。

最終，用戶，提供服務(wù)服務(wù)器，控制服務(wù)器達(dá)成了一個(gè)共享密鑰。相關(guān)步驟如圖1所示。

5.4 口令改變階段

當(dāng)用戶想要改變口令的時(shí)候觸發(fā)這個(gè)階段，這個(gè)階段不需要控制服務(wù)器的參與。用戶把智能卡插入讀卡器并輸入身份和口令，智能卡計(jì)算，，，并驗(yàn)證，如果等式成立，用戶就可以提交一個(gè)新的口令，智能卡計(jì)算，，，并把存儲(chǔ)在智能卡中替換。

6 改進(jìn)方案安全性分析（The proposed protocol

analysis）

在我們提出的方案中，即使智能卡中的信息被攻擊者提取出來(lái)，攻擊者也不能利用這些信息成功攻擊這個(gè)方案，下面是安全性分析的具體細(xì)節(jié)。

6.1 假冒攻擊

在這種攻擊中，攻擊者需要偽造一個(gè)登錄請(qǐng)求來(lái)假冒合法用戶，然而攻擊者并不能計(jì)算

，，

，，

因?yàn)楣粽卟](méi)有。

我們假設(shè)用戶的智能卡丟失，攻擊者可以提取出智能卡中的信息，但是攻擊者得不到，也不能得到用戶的，所以攻擊者計(jì)算不出，，，也就不能利用得到的智能卡進(jìn)行假冒攻擊。

6.2 重放攻擊

假設(shè)攻擊者截獲到用戶和服務(wù)器之間的信息，想要把截獲到的信息再次發(fā)送給服務(wù)器來(lái)假冒合法用戶。然而，用戶計(jì)算，，，控制服務(wù)器計(jì)算，，，

，，

，提供服務(wù)的服務(wù)器計(jì)算，的時(shí)候，每次通信都選取不同的以保證每次發(fā)送的消息都是不同的，所以重放攻擊是無(wú)效的。

6.3 用戶的匿名性

在注冊(cè)階段，用戶和控制服務(wù)器之間是在安全信道中進(jìn)行通信，可以保護(hù)用戶的身份。在登錄階段，用戶用代替真正的身份來(lái)登錄，所以攻擊者不能得到真正的。在認(rèn)證和密鑰共識(shí)階段，所有的計(jì)算都是在的基礎(chǔ)上進(jìn)行的而不是真正的身份。此外用戶每次登錄的動(dòng)態(tài)身份包含隨機(jī)數(shù)，所以用戶每次登錄的身份是不同的，因此攻擊者不能根據(jù)登錄請(qǐng)求來(lái)判斷具體是哪一個(gè)用戶。

7 結(jié)論（Conclusion）

在這篇文章中，我們指出了Li et al.的方案容易在用戶智能卡丟失的情況下受到用戶的假冒攻擊。于是，我們提出了一種新的多服務(wù)器間安全高效的基于動(dòng)態(tài)身份的身份認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案，新方案可以滿足多服務(wù)器間相互認(rèn)證和密鑰共識(shí)方案的安全需求。與Li et al.的方案和其他的相關(guān)方案相比，我們的方案中控制服務(wù)器沒(méi)有存用戶的儲(chǔ)任何信息，即使智能卡丟失，攻擊者也無(wú)法進(jìn)行假冒攻擊。此外，我們的方案保證了用戶在通信過(guò)程中的匿名性，并提供了安全的共享密鑰，計(jì)算量也相對(duì)較小，所以我們的方案更安全，更高效。

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作者簡(jiǎn)介：

王 牧（1990-），男，研究生.研究領(lǐng)域：信息安全.

亢保元（1965-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：信息安全.

景東亞（1990-），男，研究生.研究領(lǐng)域：信息安全.