面向遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)的認(rèn)證密鑰交換協(xié)議

王志強(qiáng) 黃玉潔 龐舒方 歐海文

1(北京電子科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全系 北京 102627)

2(國(guó)家信息中心博士后科研工作站 北京 100045)

(wangzq@besti.edu.cn)

遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)(telecare medical information systems,TMIS)依托現(xiàn)代通信技術(shù)旨在提供專業(yè)的醫(yī)療服務(wù),充分優(yōu)化配置現(xiàn)有醫(yī)療資源,促進(jìn)各級(jí)醫(yī)療資源共享和合理分配,實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化[1].與傳統(tǒng)的臨床服務(wù)相比,遠(yuǎn)程醫(yī)療是一種經(jīng)濟(jì)、高效的替代方案[2-3].然而,TMIS經(jīng)常通過(guò)不安全的互聯(lián)網(wǎng)提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù),實(shí)際上也面臨著互聯(lián)網(wǎng)中各種類型的安全風(fēng)險(xiǎn).醫(yī)療服務(wù)器維護(hù)注冊(cè)用戶的各項(xiàng)數(shù)據(jù),其中包括姓名、性別、年齡、家庭住址、電話號(hào)碼、電子病歷等,這些信息與患者的隱私直接相關(guān)[4].因此,安全和隱私是當(dāng)前TMIS場(chǎng)景研究中需要應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn).

認(rèn)證密鑰交換協(xié)議對(duì)于保護(hù)用戶隱私及TMIS的數(shù)據(jù)完整性、機(jī)密性和可用性至關(guān)重要.具體來(lái)講,用戶隱私是指協(xié)議執(zhí)行過(guò)程中用戶及其對(duì)應(yīng)智能卡身份的匿名性和不可追溯性.匿名性是隱藏用戶的身份,不可跟蹤性是指敵手無(wú)法獲得同一用戶的多個(gè)會(huì)話信息.身份認(rèn)證提供對(duì)醫(yī)療服務(wù)器的訪問(wèn)控制,并防止非法用戶使用該服務(wù)器的資源.通信雙方生成的共享會(huì)話密鑰建立安全的通道,并防止非法服務(wù)器獲得用戶與醫(yī)療服務(wù)器間傳輸?shù)男畔?

Lamport[5]于1981年首次提出基于口令和單向哈希函數(shù)的遠(yuǎn)程用戶認(rèn)證協(xié)議.該協(xié)議使用由服務(wù)器維護(hù)的口令表,容易受到離線口令猜測(cè)攻擊和口令表篡改攻擊,還會(huì)導(dǎo)致維護(hù)口令表的開(kāi)銷增加.為解決這些問(wèn)題,Chang等人[6]提出了利用智能卡構(gòu)建的口令認(rèn)證協(xié)議.此后一些具有更高安全性和效率的認(rèn)證密鑰交換協(xié)議被提出[7-9].但是這些協(xié)議的性能不夠好,不適用于TMIS.2012年,Wu等人[10]采用一個(gè)額外預(yù)計(jì)算階段來(lái)避免指數(shù)計(jì)算,并聲稱該協(xié)議是安全的,非常適用于計(jì)算能力有限的移動(dòng)設(shè)備如TMIS的移動(dòng)智能設(shè)備.He等人[11]研究發(fā)現(xiàn)Wu等人[10]的協(xié)議無(wú)法抵抗內(nèi)部攻擊和冒充攻擊,并且缺乏對(duì)丟失或被盜的智能卡的撤銷階段.Wei等人[12]指出,Wu等人[10]和He等人[11]的協(xié)議在用戶智能卡丟失時(shí)容易受到離線口令猜測(cè)攻擊,不能實(shí)現(xiàn)所謂的雙因素安全.Zhu等人[13]聲稱他們的協(xié)議克服了Wei等人[12]的協(xié)議中存在的缺陷.Khan等人[14]證明Zhu等人[13]的協(xié)議容易受到拒絕服務(wù)攻擊.然而,Giri等人[15]發(fā)現(xiàn)Khan等人[14]的協(xié)議仍無(wú)法抵抗離線口令猜測(cè)攻擊,并提出了用于TMIS的新協(xié)議.

上述大多數(shù)協(xié)議的共同點(diǎn)是會(huì)話中用戶身份是靜態(tài)的,會(huì)導(dǎo)致用戶隱私信息的泄露以及身份的冒充,缺乏用戶匿名性和不可追溯性.為了增強(qiáng)安全性,Radhakrishnan等人[16]改進(jìn)了Lee等人[17]的協(xié)議,為TMIS提出了新的認(rèn)證和隱私保護(hù)協(xié)議.此外,Li等人[18]為遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)提出了基于云的身份驗(yàn)證和隱私保護(hù)協(xié)議,聲稱該協(xié)議可以抵抗已知的各種攻擊.隨后,Kumar等人[19]分析Li等人[18]的協(xié)議發(fā)現(xiàn)它容易受到用戶冒充攻擊并提出了改進(jìn)協(xié)議.

綜上,本文提出了一個(gè)安全高效的基于橢圓曲線密碼體制的認(rèn)證密鑰交換協(xié)議,具有用戶匿名性和不可追溯性.協(xié)議考慮了TMIS的實(shí)際場(chǎng)景,選取輕量級(jí)的運(yùn)算降低計(jì)算和通信成本,通過(guò)用戶的動(dòng)態(tài)身份實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)證及隱私保護(hù).

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 橢圓曲線及其數(shù)學(xué)難題

有限域GF(p)(p是一個(gè)大的素?cái)?shù))上的橢圓曲線Ep(a,b)為滿足方程y2≡x3+ax+b(modp)的所有整數(shù)點(diǎn)及無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的集合,其中a,b∈GF(p),4a3+27b2≠0(modp).

利用公鑰密碼體制設(shè)計(jì)的認(rèn)證密鑰交換協(xié)議具備安全性強(qiáng)、密鑰短等優(yōu)點(diǎn).本文所提出的協(xié)議正是基于橢圓曲線密碼體制.

1.2 哈希函數(shù)

哈希函數(shù)(Hash)又稱為雜湊函數(shù)、散列函數(shù).它是一個(gè)確定性算法,對(duì)于輸入的任意長(zhǎng)度二進(jìn)制串,能夠映射生成較短的、固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制串,即h：{0,1}*→{0,1}.單向哈希函數(shù)通常用于消息認(rèn)證、數(shù)字簽名、完整性校驗(yàn)、入侵檢測(cè)、構(gòu)建隨機(jī)函數(shù)等.安全的單向哈希函數(shù)具備以下性質(zhì)：

1) 有效性.給定一個(gè)輸入值m,很容易計(jì)算出哈希值H(m).

2) 單向性.給定哈希值H(m)=m′,無(wú)法通過(guò)計(jì)算H-1(m′)得到m.

3) 抗弱碰撞性.給定m以及其哈希值H(m),找到一個(gè)m*(m≠m*),使得H(m*)=H(m)在計(jì)算上是不可行的.

4) 抗強(qiáng)碰撞性.找到2個(gè)任意數(shù)m和m*(m≠m*),使得H(m)=H(m*)計(jì)算上是不可行的.

1.3 安全模型

Corrupt(U,a)：此查詢模擬了雙因素即用戶口令和智能卡的泄露.敵手A允許獲取用戶的口令或存儲(chǔ)在智能卡的相關(guān)信息.若a=1,敵手能得到用戶的口令信息.若a=2,敵手能得到存儲(chǔ)在智能卡的相關(guān)信息.該查詢可對(duì)抵抗智能卡丟失攻擊的安全性進(jìn)行建模.

語(yǔ)義安全：語(yǔ)義安全即敵手A無(wú)法得到會(huì)話密鑰以及用戶身份的任何相關(guān)信息.當(dāng)敵手A通過(guò)TestID或TestAKE查詢得到比特b′,如果b=b′,那么敵手獲勝.用Succ表示敵手正確猜出返回值b的事件,A取得勝利的優(yōu)勢(shì)為Adv=2Pr[Succ]-1.

2 TMIS-AKE協(xié)議

患者暴露在公共網(wǎng)絡(luò)中的醫(yī)療信息很容易受到安全威脅與攻擊,為了給TMIS中敏感的醫(yī)療數(shù)據(jù)提供保護(hù),本文提出了用于TMIS的安全、高效的雙因素匿名認(rèn)證密鑰交換協(xié)議TMIS-AKE,保證參與協(xié)議的實(shí)體即患者和醫(yī)療服務(wù)器之間完成身份認(rèn)證及密鑰交換,最終達(dá)到共享密鑰的目標(biāo).TMIS系統(tǒng)包括用戶、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)器、醫(yī)生以及智能卡4部分,如圖1所示：

圖1 TMIS系統(tǒng)架構(gòu)

TMIS-AKE協(xié)議包括4個(gè)階段,分別是注冊(cè)階段、認(rèn)證和密鑰交換階段、口令更新階段、智能卡撤銷和重新注冊(cè)階段.文中使用的符號(hào)及其含義如表1所示：

表1 符號(hào)及其描述

2.1 注冊(cè)階段

患者Ui如果想要和遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)器S進(jìn)行通信,首先要注冊(cè)以獲得合法的身份信息.注冊(cè)階段的過(guò)程如圖2所示：

圖2 注冊(cè)階段

步驟1.患者Ui隨機(jī)選取自己的身份IDi,然后通過(guò)安全通道將其發(fā)送給遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)器S.

步驟2.服務(wù)器S收到消息后,選取自己的身份IDS、智能卡的身份IDSC以及隨機(jī)數(shù)x,接著計(jì)算ID=IDi‖IDS‖IDSC,EID=Ev(ID‖x),L1=H1(IDi‖v),將消息{EID,L1}存儲(chǔ)在智能卡SC中.最后,把存儲(chǔ)有患者隱私數(shù)據(jù)的智能卡SC交給患者Ui.S還將{ID,IDSC,Ns}存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中,其中Ns是智能卡連續(xù)認(rèn)證失敗的次數(shù),用于防范在線字典攻擊,初始值設(shè)置為0.n是檢測(cè)在線字典攻擊的閾值.

步驟3.患者Ui收到智能卡SC以后,隨機(jī)選取選擇口令PWi,計(jì)算L=L1?H1(PWi),并將L1替換為L(zhǎng).然后將Ni的初始值0寫入智能卡,Ni是Ui連續(xù)登錄失敗的次數(shù).最終,智能卡SC中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為{EID,L,Ni,n}.

2.2 認(rèn)證和密鑰交換階段

為了實(shí)現(xiàn)患者Ui和遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)器S的相互認(rèn)證以及會(huì)話密鑰交換,在患者Ui獲得合法身份后執(zhí)行以下步驟,如圖3所示.

圖3 認(rèn)證和密鑰交換階段

步驟1.患者Ui把智能卡SC插入讀卡器中,輸入相應(yīng)的身份IDi、口令PWi,檢查Ni

步驟2.服務(wù)器S收到消息后,首先檢查T2-T1≤ΔT是否成立,T2為S收到消息時(shí)的時(shí)間戳,ΔT為最大傳輸時(shí)延.若成立,則服務(wù)器S用自己的秘密值v解密動(dòng)態(tài)身份EID以恢復(fù)患者Ui、服務(wù)器S、智能卡SC的原始身份IDi、IDS、IDSC,驗(yàn)證得到的身份與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的身份是否一致.若一致,成功驗(yàn)證Ui的身份.服務(wù)器S進(jìn)一步驗(yàn)證Ns

步驟3.患者Ui收到來(lái)自服務(wù)器S的消息后,首先檢查時(shí)間戳T4的新鮮性,通過(guò)后計(jì)算d=sb,RID=L3?H2(d).利用d和RID得到H2(RID‖d‖T3)的值,驗(yàn)證與L4是否相等.若等式成立,計(jì)算L5=H2(L2‖d)以及會(huì)話密鑰sk=H2(d‖b‖c).接著用新的動(dòng)態(tài)身份RID替換EID,并將Ni重置為0.否則,終止協(xié)議,Ni=Ni+1.最后,將消息M3={L5}發(fā)送給服務(wù)器S.

步驟4.服務(wù)器S收到消息M3后對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,即檢查等式L5=H2(L2‖d)是否成立.驗(yàn)證通過(guò),則計(jì)算得到相同的會(huì)話密鑰sk=H2(d‖b‖c),并將Ns重置為0.否則,終止協(xié)議,Ns=Ns+1.

2.3 口令更改階段

當(dāng)已完成注冊(cè)的患者Ui需要更新口令時(shí),首先完成在線的認(rèn)證過(guò)程,然后再按照?qǐng)D4所示步驟完成口令的更新：

圖4 口令更改階段

步驟1.輸入新密碼PW*,計(jì)算：

步驟2.用L*替換智能卡SC中的L.

2.4 智能卡撤銷和重新注冊(cè)階段

3 安全性分析

3.1 安全性證明

定理1.設(shè)P是本文提出的協(xié)議;D是一個(gè)均勻分布的密碼字典;|D|是字典的大小;Ep是有限域Fp上的一個(gè)橢圓曲線群.對(duì)于任何在概率多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的敵手A,如果A至多進(jìn)行qsend次Send查詢、qexe次Execute查詢、qh次哈希查詢,則A破解P的會(huì)話密鑰安全性的概率為

證明.假設(shè)有游戲G0～G5.Succi是A能夠區(qū)分游戲Gi中執(zhí)行Test查詢返回的數(shù)是隨機(jī)數(shù)還是會(huì)話密鑰最終贏得游戲的事件(i=0,1,…,5).Pr[Succi]是A贏得游戲的概率.Δi是任意2個(gè)連續(xù)游戲間的成功概率的差值,即Δi=|Pr[Succi+1]-Pr[Succi]|.

AdvP,D(A)=2Pr[Succ0]-1=

2Pr[Succ0]-1+2Pr[Succ4]-2Pr[Succ4]=

2Pr[Succ4]-1+2(Pr[Succ0]-

上式表明當(dāng)Δi能夠忽略不計(jì)時(shí),A贏得游戲G0的概率與贏得游戲G5的概率幾乎相同.如果能夠證明Pr[Succ5]可以忽略不計(jì),那么Pr[Succ0]和AdvP,D(A)也是可以忽略不計(jì)的.

游戲G0：該游戲是真實(shí)的.由語(yǔ)義安全的定義：AdvP,D(A)=2Pr[Succ0]-1.

結(jié)合以上不等式可以推出：

定理1得證.

證畢.

3.2 其他安全性分析

3.2.1 抗離線字典攻擊

TMIS-AKE協(xié)議使用H1(L1‖IDi‖)對(duì)臨時(shí)公鑰加密,由臨時(shí)公鑰組成會(huì)話密鑰[20].假設(shè)敵手能夠獲得患者與服務(wù)器傳輸?shù)乃邢?并通過(guò)側(cè)信道攻擊獲得智能卡中存儲(chǔ)的信息.敵手驗(yàn)證猜測(cè)密碼的正確性需要通過(guò)計(jì)算RID和L4,最終判斷H2(RID‖d‖T3)與L4是否相等.由于橢圓曲線上Diffie-Hellman問(wèn)題的難解性,敵手無(wú)法計(jì)算出d的值,無(wú)法完成驗(yàn)證.因此,TMIS-AKE協(xié)議能夠抵抗離線字典攻擊.

3.2.2 抗重放攻擊

TMIS-AKE協(xié)議使用時(shí)間戳技術(shù)并規(guī)定驗(yàn)證時(shí)間戳的閾值ΔT.如果敵手重放消息{L2,EID,T1},那么它將由于時(shí)間戳T1的無(wú)效而無(wú)法通過(guò)身份驗(yàn)證.除此之外,患者與服務(wù)器間傳輸?shù)男畔⒕S機(jī)數(shù),即使敵手在時(shí)間戳T1的有效期內(nèi)發(fā)起重放攻擊,消息接收方均可在身份驗(yàn)證中排除重放的會(huì)話,有效地抵御此類攻擊.

3.2.3 抗冒充攻擊

3.2.4 抗內(nèi)部特權(quán)攻擊

由于患者僅在注冊(cè)階段通過(guò)安全通道將自己的身份發(fā)送給服務(wù)器,服務(wù)器不知道有關(guān)患者的口令PWi的任何信息.因此,TMIS-AKE協(xié)議能夠抵抗特權(quán)內(nèi)部攻擊.

3.2.5 匿名性和不可追溯性

首先,敵手無(wú)法通過(guò)患者丟失的智能卡獲取患者的身份.一方面,智能卡中并未存儲(chǔ)患者的身份IDi;另一方面,假設(shè)敵手通過(guò)側(cè)信道攻擊獲取智能卡中存儲(chǔ)的信息,由于IDi受到秘密值v的保護(hù)隱藏在EID和L1中,敵手也無(wú)法通過(guò)離線口令猜測(cè)攻擊等得到IDi.因此,TMIS-AKE協(xié)議能夠提供用戶匿名性.

其次,敵手無(wú)法通過(guò)患者的通信過(guò)程獲得用戶身份.由于IDi和IDSC受到L1和RID的保護(hù),敵手在不知道PWi,H1(L1‖IDi‖T1)和Diffie-Helelman值d的情況下,無(wú)法從傳輸?shù)南⒅械玫疥P(guān)于患者及其智能卡的身份IDi和IDSC的信息.并且每個(gè)會(huì)話中傳輸?shù)乃邢⒍际切迈r和不同的,敵手無(wú)法區(qū)分是否為同一用戶在進(jìn)行會(huì)話.因此,TMIS-AKE協(xié)議能夠提供用戶不可追溯性.

3.2.6 已知密鑰安全性

協(xié)議的會(huì)話密鑰依賴于產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù).這些隨機(jī)數(shù)不在消息流中傳輸,不能從協(xié)議記錄中恢復(fù),并且在所有會(huì)話中都是獨(dú)立的.因此,敵手無(wú)法通過(guò)已泄露的密鑰計(jì)算出未知的會(huì)話密鑰.

4 性能分析

本節(jié)從計(jì)算成本和通信成本2方面將本文提出的協(xié)議與其他相關(guān)的TMIS認(rèn)證密鑰交換協(xié)議進(jìn)行對(duì)比.一般來(lái)說(shuō),認(rèn)證和密鑰交換階段的執(zhí)行比注冊(cè)階段、口令更新階段等的執(zhí)行要頻繁得多,因此只考慮前者的計(jì)算成本.

4.1 計(jì)算成本

TH,TE,TS,TM分別表示哈希函數(shù)、模冪運(yùn)算、對(duì)稱加解密、橢圓曲線點(diǎn)乘所需的計(jì)算時(shí)間.異或運(yùn)算和字符串連接運(yùn)算的計(jì)算時(shí)間很小,可以忽略不計(jì).文獻(xiàn)[21]給出了測(cè)試上述操作所需的時(shí)間.測(cè)試結(jié)果如表2所示：

表2 不同操作所需的近似時(shí)間

表3列出了本文協(xié)議以及相關(guān)協(xié)議在認(rèn)證和密鑰交換階段的計(jì)算成本.首先,本文協(xié)議的計(jì)算量明顯低于文獻(xiàn)[22-23]中的協(xié)議,略高于文獻(xiàn)[24-25]中協(xié)議的計(jì)算量.文獻(xiàn)[24-25]中的協(xié)議容易受到特權(quán)內(nèi)部攻擊、智能卡丟失攻擊以及冒充攻擊,文獻(xiàn)[25]中的協(xié)議容易受到口令猜測(cè)攻擊以及冒充攻擊,均存在嚴(yán)重的安全缺陷,無(wú)法滿足實(shí)際需求.因此,本文協(xié)議在保證安全性的同時(shí)還具備較高的效率,適合在實(shí)際應(yīng)用中部署.

表3 計(jì)算成本比較

4.2 通信成本

表4 通信成本比較

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)TMIS中患者的隱私保護(hù)以及安全問(wèn)題,利用橢圓曲線密碼體制,提出了一種基于智能卡的口令認(rèn)證密鑰交換協(xié)議.該協(xié)議通過(guò)加密用戶及其對(duì)應(yīng)智能卡的身份,以及隨機(jī)化傳輸消息和限制連續(xù)失敗登錄認(rèn)證次數(shù)等方式,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶和服務(wù)器之間的互相認(rèn)證,并生成后續(xù)通信的會(huì)話密鑰,達(dá)到遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷中隱私保護(hù)的目的.此外,該協(xié)議在保證安全性的同時(shí),保持了較高的效率,更加適用于遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng).

未來(lái)的研究方向主要是在保證安全性的前提下,進(jìn)一步提高協(xié)議的效率.此外,考慮將本文協(xié)議擴(kuò)展到更加復(fù)雜的多服務(wù)器的應(yīng)用場(chǎng)景,以適應(yīng)不斷變化的醫(yī)療需求.