基于智能合約的身份管理及認證模型

潘 維，黃曉芳

(西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

PKI[1,2]技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中進行安全信息交換和身份認證，其原理是利用證書管理用戶公鑰，通過一個第三方可信任機構(gòu)——CA中心將用戶公鑰和其它身份標識信息綁定生成證書，實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上驗證用戶身份的目的。但中心化管理方式容易導(dǎo)致核心CA受到攻擊，并且不透明的特點使得惡意證書不能被及時檢測，存在著安全性問題。除此以外，由于多個CA機構(gòu)間互相獨立，在實現(xiàn)交叉認證上具有一定的難度。自2008年“中本聰”發(fā)表《Bitcoin：A peer-to-peer electronic cash system》[3]以來，區(qū)塊鏈技術(shù)[4,5]作為比特幣的核心支撐技術(shù)得到了快速的發(fā)展。區(qū)塊鏈的早期特征是以比特幣為代表的可編程數(shù)字加密貨幣體系，隨著區(qū)塊鏈去中心化、公開透明以及防篡改等優(yōu)點日益凸顯，其用途已經(jīng)不僅僅局限于虛擬數(shù)字貨幣，越來越多的人開始在以太坊平臺通過智能合約開發(fā)不同類型的區(qū)塊鏈應(yīng)用[6]。智能合約最大的特點是通過設(shè)置執(zhí)行條件以及交易規(guī)則，在不依賴第三方的情況下進行可信交易。本研究主要將區(qū)塊鏈、智能合約技術(shù)運用到身份管理及認證上，提出了一個去中心化、分布式并且公開透明的身份管理及認證模型，解決上述PKI技術(shù)中存在的問題。

1 相關(guān)工作

區(qū)塊鏈的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)PKI中存在的安全性問題和對認證機制上的改進提供了新思路，國內(nèi)外研究者對其展開了較多的研究。Fromknecht等[7]提出了一種基于區(qū)塊鏈的去中心化PKI認證系“CertCoin”，替代證書頒發(fā)機構(gòu)(CA)提供密鑰查詢和身份綁定服務(wù)，解決了當前PKI中需要可信第三方機構(gòu)導(dǎo)致的安全性問題。CertCoin利用在線密鑰對和離校密鑰對實現(xiàn)身份的注冊、驗證及撤銷。但其缺點在于沒有進行身份驗證，意味著無論誰首先聲稱身份的所有權(quán)就可以擁有該域名。Axon L等[8]提出了一種基于隱私保護的區(qū)塊鏈PKI——PB PKI，創(chuàng)新之處在于無需將公鑰和用戶身份信息相關(guān)聯(lián)，避免了通過公鑰追蹤到用戶身份的風(fēng)險。Alexander等[9]提出了一個基于區(qū)塊鏈的PKI框架來管理X.509證書，通過給定證書與根證書之間的鏈接——信任鏈，實現(xiàn)對給定證書的驗證。但只在區(qū)塊鏈中存儲了信任鏈中的最終實體證書的Hash，一旦出現(xiàn)虛假證書將無法被監(jiān)控。Wentong Wang等[10]提出了一種基于區(qū)塊鏈的跨域認證模型——BlockCAM，以此解決用戶訪問不同域名獲取資源的安全性和效率問題，其主要思想是將所有CA機構(gòu)組成一個聯(lián)盟鏈，在區(qū)塊鏈上存儲用戶向CA申請的證書Hash值。Rong Wang等[11]提出了一個基于權(quán)限區(qū)塊鏈的隱私保護PKI系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用戶身份認證與授權(quán)分離，實現(xiàn)匿名發(fā)布證書，從而保護用戶身份隱私安全。Ze Wang等[12]提出了一個基于區(qū)塊鏈的證書發(fā)布和撤銷過程透明的方案，但證書的撤銷主要還是依賴于CA定期發(fā)布撤銷證書并且沒有提出一個很好的監(jiān)控架構(gòu)。

以上提到研究都是為了解決傳統(tǒng)PKI帶來的安全性問題，盡管側(cè)重點不盡相同，但基于證書的方式難以滿足用戶多種類型身份數(shù)據(jù)的管理和認證需求[13]。因此提出了一種基于智能合約的去中心化身份管理及認證模型，實現(xiàn)用戶多類型身份數(shù)據(jù)的發(fā)布、認證以及撤銷，旨在解決傳統(tǒng)PKI中心化的特點帶來的不足以及多CA之間互信難導(dǎo)致認證機制不靈活的問題。其中“數(shù)據(jù)”是指用戶通過智能合約發(fā)布的身份數(shù)據(jù)，存儲在區(qū)塊鏈中用于身份證明的憑證，具有不同的身份屬性和類型，例如學(xué)歷信息、銀行卡信息等。本研究支持用戶擁有多條身份數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在不同場景中根據(jù)不同的認證需求，使用所需數(shù)據(jù)憑證證明身份而不必提供用戶其它的身份信息，降低身份信息泄露的風(fēng)險。

2 模型設(shè)計

本研究采用區(qū)塊鏈類型之一的聯(lián)盟鏈，節(jié)點經(jīng)過授權(quán)后才能加入其中，其中CA節(jié)點作為聯(lián)盟鏈中的驗證節(jié)點，主要作用是驗證用戶身份數(shù)據(jù)的真實性并簽發(fā)用戶身份認證憑證。整個區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫不需要一個可信中心存在，由多個節(jié)點共同維護，共識機制使得寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)過大多數(shù)節(jié)點同意，并且這些數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中是公開可查的，這些優(yōu)點可以有效解決傳統(tǒng)PKI中心化的特點帶來的安全性問題以及多CA之間互信難導(dǎo)致認證機制不靈活的缺點。在現(xiàn)實中，姓名、家庭住址等多種身份屬性信息組合成了一個人的實體。同樣的在本研究中，“一個人”由多條身份數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)作為用戶進行身份認證的憑證。由于用戶具有多類型身份數(shù)據(jù)，因此在某個服務(wù)商進行身份認證時，只需要根據(jù)認證要求提供所需身份數(shù)據(jù)憑證即可，不必提供其它的身份信息，有效降低身份信息泄露的風(fēng)險。

模型主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括區(qū)塊鏈和可供外部調(diào)用的區(qū)塊鏈接口。用戶、服務(wù)商以及驗證節(jié)點通過調(diào)用接口實現(xiàn)用戶多類型身份數(shù)據(jù)的發(fā)布、認證以及撤銷。在模型中，以主要的發(fā)布和認證過程為例，對其過程進行了圖示說明。其中用戶數(shù)據(jù)發(fā)布過程主要包含用戶身份數(shù)據(jù)注冊以及驗證節(jié)點對數(shù)據(jù)的驗證過程，分別對應(yīng)圖1中步驟(2)、步驟(3)和步驟(4)、步驟(5)。認證過程主要是用戶利用已發(fā)布的數(shù)據(jù)在其它服務(wù)商處進行身份認證，主要過程如圖1中步驟(6)、步驟(7)所示。

3 智能合約及關(guān)鍵流程設(shè)計方案

模型的關(guān)鍵在于智能合約的設(shè)計，通過智能合約編寫用戶身份數(shù)據(jù)發(fā)布、認證以及撤銷相關(guān)規(guī)則，主要是利用Solidity語言加以實現(xiàn)。此外，在客戶端實現(xiàn)主要是引用了第三方庫Web3.js，這是一個以太坊基于JavaScript的API，用于連接以太坊，客戶端的主要作用是實現(xiàn)用戶管理和發(fā)布身份數(shù)據(jù)。智能合約主要分為用戶身份數(shù)據(jù)(User-Identify)和可供外部調(diào)用的接口函數(shù)兩部分。在智能合約中，一個用戶對應(yīng)多個以ID為標識的身份數(shù)據(jù)，一條身份數(shù)據(jù)主要包括身份明文信息的哈希值InfoHash、身份數(shù)據(jù)唯一標識ID、擁有者以太坊公鑰地址ownerAddr、認證狀態(tài)status(pendding/pass/revoke)。 除此以外，智能合約還包括實現(xiàn)用戶身份數(shù)據(jù)的發(fā)布、認證以及撤銷有關(guān)的可供外部調(diào)用的接口函數(shù)。下面將詳細闡述如何通過智能合約實現(xiàn)模型中的發(fā)布、認證和撤銷過程。

3.1 用戶登錄

新用戶在客戶端注冊一個以太坊賬號，返回賬戶公鑰地址、私鑰等，用戶在區(qū)塊鏈中的身份與該地址關(guān)聯(lián)，代表著現(xiàn)實世界中的實體。已有賬號用戶登錄客戶端后，可進行身份數(shù)據(jù)的注冊和管理已發(fā)布身份數(shù)據(jù)等。

3.2 發(fā)布過程

主要分為用戶身份數(shù)據(jù)注冊過程和驗證節(jié)點對數(shù)據(jù)的驗證過程，如圖2所示。

3.2.1 身份注冊過程

主要是用戶在客戶端通過調(diào)用智能合約中的REGISTER函數(shù)(如算法1所示)將其身份數(shù)據(jù)與其在區(qū)塊鏈中的身份進行綁定的過程。首先，存儲InfoHash和指定驗證節(jié)點signer，設(shè)置公鑰地址ownerAddr為調(diào)用方(msg.sender)的以太坊公鑰地址，設(shè)置認證狀態(tài)status為pendding。最后，生成并返回此條用戶身份數(shù)據(jù)唯一標識ID，用戶在本地客戶端存儲ID。

圖1 基于智能合約的身份管理及認證模型設(shè)計

圖2 用戶身份數(shù)據(jù)發(fā)布過程

算法1： 注冊身份數(shù)據(jù)

Input： infoHash,signer

Output： 身份數(shù)據(jù)標識符ID

(1) function REGISTER (infoHash,signer)

(2) ID = generateID (msg.sender,infoHash,now)

(3) userIdentity = UserIdentity[ID]

(4) userIdentity.infoHash = infoHash

(5) userIdentity.ownerAddr = msg.sender

(6) userIdentity.signer = signer

(7) userIdentity.status = pedding

(8) return ID

(9) end function

3.2.2 驗證過程

驗證過程主要指的是驗證節(jié)點對用戶已注冊身份數(shù)據(jù)進行驗證的過程。主要如下：

(1) 用戶向驗證節(jié)點發(fā)起驗證請求

User→node∶req(ID,Info,sign(sk,Info))

(1)

用戶客戶端將3.2.1中返回的身份數(shù)據(jù)標識符ID、身份明文數(shù)據(jù)Info以及用戶私鑰sk對Info的簽名值sign(sk,Info)提交給驗證節(jié)點，節(jié)點檢查用戶Info的格式以及真實性，有誤則返回失敗響應(yīng)。

驗證節(jié)點收到請求后，對數(shù)據(jù)的驗證過程如下：

(2) 驗證節(jié)點根據(jù)ID通過智能合約獲取對應(yīng)InfoHash等身份數(shù)據(jù)。

(3)驗證節(jié)點計算Hash(Info)是否與InfoHash相等，保證用戶提供的Info與已存儲的身份數(shù)據(jù)一致且完整，保證用戶發(fā)布數(shù)據(jù)的真實性。

(4)驗證節(jié)點驗證簽名。在以太坊中，用戶創(chuàng)建一個賬戶時，通過私鑰可生成對應(yīng)公鑰，由公鑰產(chǎn)生唯一以太坊公鑰地址，該地址代表著用戶在區(qū)塊鏈中的實體，因此在對用戶身份數(shù)據(jù)驗證時，如果能證明用戶擁有該公鑰地址對應(yīng)私鑰即可證明對注冊身份數(shù)據(jù)的所有權(quán)。驗證節(jié)點通過驗證用戶對身份信息Info的簽名值sign(sk,Info)確保用戶擁有對應(yīng)私鑰，保證用戶對該身份數(shù)據(jù)的所有權(quán)。

(5)驗證節(jié)點修改認證狀態(tài)、發(fā)布數(shù)據(jù)。在通過上述幾個步驟證明了用戶對指定ID身份數(shù)據(jù)的所有權(quán)之后，驗證節(jié)點通過調(diào)用智能合約中的CONFIRM函數(shù)(如算法2所示)修改該條身份數(shù)據(jù)認證狀態(tài)status為pass，表明該條數(shù)據(jù)已經(jīng)通過了自己的驗證，并設(shè)置過期時間expiryDate，然后發(fā)布該條身份數(shù)據(jù)。經(jīng)過聯(lián)盟鏈中各個節(jié)點共識后用戶身份憑證InfoHash存儲在區(qū)塊鏈中，最后觸發(fā)emitConfirmEvent事件(監(jiān)聽此事件的用戶客戶端及時得到響應(yīng))，返回成功響應(yīng)。

(6)用戶本地客戶端接收到成功響應(yīng)后，存儲此條身份數(shù)據(jù)的ID、驗證節(jié)點地址、過期時間，以便用于后續(xù)的身份認證中。

算法2： 驗證數(shù)據(jù)

Input： ID,expiryDate

Output： 響應(yīng)信息success/error

(1) function CONFIRM(ID,expiryDate)

(2)userIdentity = UserIdentity[ID]

(3)if msg.sender = userIdentity.signer then

(4)userIdentity.status = pass

(5)userIdentity.expiryDate = expiryDate

(6)emitConfirmEvent(ID,msg.sender,expiryDate)

(7) return success

(8)else

(9) return error

(10) end if

(11) end function

3.3 認證過程

認證過程主要指的是用戶在網(wǎng)絡(luò)中獲取資源服務(wù)時，服務(wù)商對用戶進行身份認證的過程。根據(jù)不同的認證需求，用戶選擇所需的已發(fā)布身份數(shù)據(jù)進行認證。對于普通服務(wù)商來說，無需本地存儲用戶身份數(shù)據(jù)進行認證，只需要從區(qū)塊鏈直接獲取身份數(shù)據(jù)憑證后驗證即可，減少了成本的同時也降低了用戶身份信息泄露的風(fēng)險。主要如下：

(1)用戶向服務(wù)商發(fā)起認證請求

User→server∶req(ID,Info,sign(sk,Info))/
req(ID，sign(sk,ID))

(2)

根據(jù)服務(wù)商對身份認證的需求不同，有的需要在對用戶進行身份認證的同時獲取明文信息，有的則只需要一個認證結(jié)果，不需要明文信息。因此用戶可以在認證時選擇是否提供身份明文信息Info。下面以前者為例，對認證過程進行說明。與3.2.2節(jié)中驗證過程類似，首先用戶提供給服務(wù)商已發(fā)布的用戶身份數(shù)據(jù)標識符ID、對應(yīng)的身份明文信息Info和用戶私鑰sk對Info的簽名值sign(sk,Info)。

服務(wù)商接收到認證請求后，利用用戶提交的身份數(shù)據(jù)以及通過發(fā)布過程在區(qū)塊鏈中存有的身份數(shù)據(jù)憑證對用戶身份進行驗證，步驟如下:

(2)檢查數(shù)據(jù)Info格式，有誤返回認證失敗的響應(yīng)信息。

(3)根據(jù)ID通過智能合約獲取對應(yīng)InfoHash、ow-nerAddr、signer等身份數(shù)據(jù)。

(4)計算Hash(Info)是否與InfoHash相等，保證用戶提供的Info與已發(fā)布身份數(shù)據(jù)一致且完整，防止數(shù)據(jù)造假。

(5)驗證用戶對身份信息Info的簽名值sign(sk,Info)確保用戶擁有對應(yīng)私鑰，保證用戶具有該身份數(shù)據(jù)所有權(quán)。

(6)檢查signer是否是所信任節(jié)點地址，確保該條數(shù)據(jù)是由自己所信任節(jié)點驗證(簽發(fā))。

(7)檢查認證狀態(tài)status是否為pass，以及當前時間是否超出過期時間expiryDate。

若以上過程均滿足，該用戶身份認證通過，返回認證成功的響應(yīng)信息，服務(wù)商可以提供后續(xù)資源服務(wù)。

3.4 撤銷過程

撤銷過程主要指的是驗證節(jié)點修改指定已發(fā)布身份數(shù)據(jù)認證狀態(tài)的過程。通過調(diào)用智能合約中的REVOKE函數(shù)(如算法3所示)將認證狀態(tài)由pass修改為revoke:①檢查調(diào)用方是否為signer，若不是則不能進行撤銷操作；②將指定身份數(shù)據(jù)標識符ID對應(yīng)的認證狀態(tài)status修改為revoke；③觸發(fā)撤銷事件(emitRevokeEvent)，使得應(yīng)用方(如服務(wù)商)及時更新最新數(shù)據(jù)，不需要CA機構(gòu)定期發(fā)布撤銷證書列表就能被及時檢測到。

算法3： 撤銷數(shù)據(jù)

Input： ID

Output： 響應(yīng)信息success/error

(1) function REVOKE(ID)

(2)userIdentity = UserIdentity[ID]

(3)if msg.sender=userIdentity.signer then

(4)userIdentity.status = revoke

(5)emitRevokeEvent(ID,msg.sender)

(6) return success

(7)else

(8) return error

(9)end if

(10) end function

4 模型安全性分析

4.1 數(shù)據(jù)真實性分析

確保用戶發(fā)布身份數(shù)據(jù)的真實性，是進行身份認證的前提。主要通過以下步驟保證用戶發(fā)布的身份數(shù)據(jù)的真實性。首先，驗證節(jié)點需要驗證用戶提交的數(shù)據(jù)Info的真實性和完整性；其次，驗證節(jié)點計算Hash(Info)并與用戶事先注冊的身份數(shù)據(jù)哈希值InfoHash進行比較，根據(jù)兩個Hash值是否相同來保證身份數(shù)據(jù)屬于同一用戶。最后，驗證節(jié)點驗證用戶對數(shù)據(jù)的簽名值，確保用戶擁有發(fā)布數(shù)據(jù)賬戶對應(yīng)私鑰。以上步驟均通過，由驗證節(jié)點寫入?yún)^(qū)塊鏈中。對于驗證節(jié)點來說，一旦簽發(fā)了虛假數(shù)據(jù)，經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)后，該節(jié)點簽發(fā)的身份將不再可信。除此以外，若是惡意分子想要冒充用戶身份通過認證獲取資源服務(wù)，首先，需要獲取相關(guān)身份數(shù)據(jù)唯一標識ID。其次，需要獲取ID對應(yīng)的完整身份數(shù)據(jù)Info。最后，需要獲取用戶對應(yīng)私鑰。因此冒充身份具有一定的難度。

4.2 隱私安全性分析

首先是匿名性，用戶數(shù)據(jù)不以明文形式存儲而是身份數(shù)據(jù)哈希值，保證了用戶在區(qū)塊鏈中身份的匿名性。由于哈希函數(shù)單向性的特點，保證了即使惡意節(jié)點獲取了已發(fā)布數(shù)據(jù)的InfoHash，也無法得到用戶真實明文信息，確保用戶身份信息不被泄露。驗證節(jié)點在驗證和撤銷過程中，不能修改用戶身份信息，只能對認證狀態(tài)進行修改，保證了用戶身份數(shù)據(jù)的有效性。其次，用戶自主可控。在身份數(shù)據(jù)發(fā)布過程中，用戶可以選擇發(fā)布何種類型的身份數(shù)據(jù)，并且在認證階段，用戶提供服務(wù)商需要的身份數(shù)據(jù)進行認證，不需要其它數(shù)據(jù)。全過程用戶自主可控，避免了身份信息泄露的風(fēng)險。

4.3 其 它

傳統(tǒng)基于CAs的PKI容易受到攻擊，一旦被攻擊者控制，其頒發(fā)的證書將不再可信。由于區(qū)塊鏈去中心化、分布式網(wǎng)絡(luò)的特點，即使一個節(jié)點發(fā)生故障，其它節(jié)點也不會受到影響，不會影響整個系統(tǒng)的工作，并且用戶身份數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)布、共識之后，由各節(jié)點共同維護，確保數(shù)據(jù)的有效性和不被篡改，從而避免傳統(tǒng)CA的單點失效的問題。此外，對于服務(wù)商來說，只需要從區(qū)塊鏈中獲取認證憑證即可，不需要本地數(shù)據(jù)庫存儲用戶身份數(shù)據(jù)用于身份認證，避免了用戶身份信息泄露的危險。

5 結(jié)束語

本研究針對傳統(tǒng)PKI中心化的特點帶來的安全性問題以及多CA之間互信難導(dǎo)致認證機制不靈活的問題，提出了一種基于智能合約的去中心化身份管理及認證模型，利用智能合約實現(xiàn)用戶身份數(shù)據(jù)的發(fā)布、認證和撤銷過程。用戶身份數(shù)據(jù)經(jīng)過共識、發(fā)布后之后，能夠在其它服務(wù)商用于身份認證，實現(xiàn)交叉認證的目的。除此以外，支持用戶發(fā)布多條身份數(shù)據(jù)，在不同場景根據(jù)不同的認證需求，利用所需數(shù)據(jù)憑證證明身份而不必提供其它身份信息。最后對模型的安全性進行了分析。