基于混合密碼體制的Ｗｅｂ用戶驗證安全策略

摘要：針對多數(shù)Web系統(tǒng)在用戶驗證時以明文傳輸賬戶信息帶來的安全隱患，提出了一種綜合使用對稱密碼體制、非對稱密碼體制、單向散列算法和一次一密技術(shù)來保障用戶驗證安全的策略。該方法在略微增加計算復(fù)雜度的前提下，就能夠有效防止用戶驗證過程遭受竊聽、重放等惡意攻擊；而對現(xiàn)有Web系統(tǒng)的改進(jìn)僅涉及新用戶注冊、用戶登錄、密碼修改等操作，更新便捷。

關(guān)鍵詞：混合密碼體制；安全；Web；用戶驗證；加密

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和WWW技術(shù)的推廣應(yīng)用，Web瀏覽已經(jīng)成為廣大網(wǎng)民主要的網(wǎng)絡(luò)活動。CNCERT/CC網(wǎng)絡(luò)安全工作報告指出，2005年Web瀏覽所消耗的帶寬位居所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之首(37.82％)。隨著WWW應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，Web應(yīng)用所暴露的安全問題日益增多，這其中多數(shù)Web系統(tǒng)都必備的用戶驗證模塊就存在著重大的安全隱患。常見的Web服務(wù)，比如網(wǎng)絡(luò)論壇、網(wǎng)絡(luò)博客、Web郵箱，在為用戶提供服務(wù)前，服務(wù)器都需要根據(jù)用戶輸入的賬戶信息進(jìn)行身份驗證。然而，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)Web服務(wù)(如新浪郵箱、新華論壇、博客天下、搜狐郵件等。調(diào)查日期：2007-1-6)在對用戶身份驗證時并沒有采取有效的保護(hù)措施，用戶的賬戶信息被直接以明文形式在網(wǎng)絡(luò)中傳送。于是，惡意攻擊者利用網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)將很容易得到他人的賬戶信息，甚至出現(xiàn)了專門的工具軟件用于竊取局域網(wǎng)中的賬戶信息。

1 用戶驗證的安全策略

由于設(shè)計時未考慮安全因素，HTTP協(xié)議是以明文方式傳送數(shù)據(jù)的。因此，Web通信的安全需要通過其他路徑來解決。

為了保證基于WWW服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩琋etscape公司提出了稱為“Secure Sockets Layer”(安全套接字層，SSL)的Internet安全標(biāo)準(zhǔn)。SSL位于應(yīng)用層(如HTFP)和傳輸層(TCP)之間，為客戶機(jī)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸建立了加密通道。然而Web服務(wù)器在執(zhí)行SSL相關(guān)任務(wù)時，吞吐量顯著下降，運行速度比只執(zhí)行HTTP1.0連接時慢50多倍。而且，除了網(wǎng)絡(luò)銀行等少數(shù)站點，多數(shù)Web應(yīng)用并不需要運行SSL來為所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密。在這些Web系統(tǒng)中，可以采用綜合對稱密碼算法、非對稱密碼算法、單向散列算法和一次一密技術(shù)的混合密碼體制，在用戶驗證所涉及的新用戶注冊、用戶登錄、密碼修改等3個操作中為賬戶的傳輸提供保密措施。

新用戶注冊過程中，用戶輸入的賬戶信息(包括用戶名和密碼)將被安全地傳輸?shù)椒?wù)器端用戶數(shù)據(jù)庫中存儲。這可以通過非對稱密碼體制(比如RSA)來實現(xiàn)。服務(wù)器端在運行初始階段生成并維護(hù)一對密鑰：公鑰用于瀏覽器對賬戶信息的加密，私鑰用于服務(wù)器端的解密。兩端的加解密分別用服務(wù)器端腳本和客戶端腳本實現(xiàn)。

為了防止服務(wù)器端用戶數(shù)據(jù)庫中賬戶信息(主要是密碼)的泄露，可以存儲通過單向散列函數(shù)(比如MD5)求得的密碼的摘要信息，而非密碼本身。

用戶登錄過程中，只要能驗證用戶的合法性即可，不必傳輸密碼信息。服務(wù)器將當(dāng)前系統(tǒng)時間和一個隨機(jī)數(shù)傳輸給瀏覽器，瀏覽器以用戶輸入的賬戶信息為密鑰，用對稱加密算法(比如DES)對這兩個值加密后傳回服務(wù)器進(jìn)行驗證。由于傳輸?shù)氖窍到y(tǒng)時間和隨機(jī)數(shù)的組合，實現(xiàn)了一次一密技術(shù)，可以有效預(yù)防重放攻擊。

密碼修改操作首先需要驗證用戶現(xiàn)用密碼的正確性，然后以新密碼更新用戶數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器將兩個參數(shù)(系統(tǒng)時間和一個隨機(jī)數(shù))傳輸給瀏覽器，瀏覽器端以現(xiàn)用密碼為密鑰，用對稱加密算法加密新密碼和服務(wù)器端傳來的兩個參數(shù)。于是服務(wù)器端可根據(jù)傳回的兩個參數(shù)值驗證用戶后更新數(shù)據(jù)庫。

2 用戶驗證的實現(xiàn)細(xì)節(jié)

Web系統(tǒng)中涉及密碼傳輸?shù)闹饕腥齻€操作：新用戶注冊、用戶登錄和密碼修改。

2．1 新用戶注冊

服務(wù)器端在第一個用戶注冊前生成一對密鑰：公鑰PK和私鑰SK——這對密鑰可供所有新注冊用戶使用，為安全起見，也可定期更新。瀏覽器以PK為密鑰對賬戶信息進(jìn)行加密。待密文傳輸?shù)椒?wù)器端后，服務(wù)器端即可以SK為密鑰解密并獲得賬戶信息。用戶注冊過程有以下幾個步驟：

(1)用戶瀏覽新用戶注冊頁面(Reg)，如圖1的①；

(2)服務(wù)器端生成一個隨機(jī)數(shù)R，將R和系統(tǒng)時間T保存到當(dāng)前連接的會話Session中，并將Reg頁面(內(nèi)含T、R和PK)發(fā)送到瀏覽器，如圖1的②；

(3)用戶輸入用戶名UN、密碼PWD，并單擊“提交”按鈕；

(4)Reg頁的客戶端腳本以PK為密鑰采用非對稱加密算法AE將T、R、UN和PWD加密為密文：AE_PK[T+R+UN+PWD]；

(5)瀏覽器將密文傳輸?shù)椒?wù)器端，如圖1的③；

(6)服務(wù)器端將當(dāng)前時間和保存在Session中的T進(jìn)行比較，若超時，則提示用戶并轉(zhuǎn)到“(2)”； (7)服務(wù)器端腳本利用SK對AE_PK[T+R+UN+PWD]進(jìn)行解密，得到T’、R’、UN和PWD；

(8)服務(wù)器端將T’和R’與Session中的T和R進(jìn)行比較。若不同，則提示失敗并轉(zhuǎn)到“(2)”；

(9)服務(wù)器端判斷UN是否已被他人注冊使用，若已用，則提示用戶并轉(zhuǎn)到“(2)”；

(10)服務(wù)器端將賬戶信息保存到用戶數(shù)據(jù)庫，并提示用戶注冊成功。為防止用戶數(shù)據(jù)庫泄密，服務(wù)器端可將UN和PWD用單向散列算法H進(jìn)行散列，將得到的H[UN+PWD]存儲到密碼字段——此處包含UN是為了防止不同用戶碰巧采用同一密碼而導(dǎo)致密碼泄露。

2．2 用戶登錄

每當(dāng)用戶需要登錄系統(tǒng)時，服務(wù)器將當(dāng)前的系統(tǒng)時間T和一個隨機(jī)數(shù)R發(fā)送給瀏覽器。瀏覽器以用戶輸入的賬戶信息為密鑰采用對稱加密算法SE對T和R進(jìn)行加密，然后將密文傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器端用數(shù)據(jù)庫中的賬戶信息將密文解密后，比對前后的T和R以驗證用戶的合法性。詳細(xì)過程如下：

(1)用戶瀏覽用戶登錄頁面(Login)，如圖2的①；

(2)服務(wù)器端生成一個隨機(jī)數(shù)R，將R和系統(tǒng)時間T保存到當(dāng)前連接的會話Session中，并將Login頁面(內(nèi)含T和R)發(fā)送到瀏覽器，如圖2的②；

(3)用戶輸入賬戶信息UN和PWD；

(4)Login頁的客戶端腳本用單向散列算法H對UN和PWD進(jìn)行散列，求得H[UN+PWD]；

(5)Login頁的客戶端腳本以H[UN+PWD]為密鑰采用對稱加密算法SE對T和R進(jìn)行加密，得到S_{EH[UN+PWD][T+R]}；

(6)瀏覽器將密文和UN一起發(fā)送到服務(wù)器端，如圖2的③；

(7)服務(wù)器端將當(dāng)前時間和保存在Session中的T進(jìn)行比較，若超時，則提示用戶并轉(zhuǎn)到“(2)”；

(8)服務(wù)器端根據(jù)UN在用戶數(shù)據(jù)庫中找到H[UN+PWD]，以其為密鑰解密收到的密文，獲得瀏覽器傳回的數(shù)據(jù)T’和R’；

(9)服務(wù)器端將T’和R’與Session中的T和R進(jìn)行比較，若相同則登陸驗證通過，完成隨后的一系列工作(如在Session中保存UN)，并清除Session中的T和R——以免遭受重放攻擊，若不同，則提示失敗并轉(zhuǎn)到“(2)”。

2．3 密碼修改

成功登錄后的用戶需要修改密碼時，服務(wù)器端給瀏覽器發(fā)送當(dāng)前系統(tǒng)時間T、隨機(jī)數(shù)R和Session中的UN。瀏覽器以用戶輸入的現(xiàn)用密碼OPWD和UN為密鑰，對T、R和用戶輸入的新密碼NPWD采用對稱加密算法SE進(jìn)行加密，然后將密文傳輸給服務(wù)器。服務(wù)器通過比較前后的T和R驗證用戶的合法性，更新用戶密碼。以下是修改密碼的過程：

(1)用戶瀏覽修改密碼頁面(chgPwd)，如圖3的①；

(2)服務(wù)器端生成一個隨機(jī)數(shù)R，將R和系統(tǒng)時間T保存到當(dāng)前連接的會話Session中，并將ChgPwd頁面(內(nèi)含T、R和Session里的UN)發(fā)送到瀏覽器，如圖3的②；

(3)用戶輸入現(xiàn)用密碼OPWD和新密碼NPWD；

(4)ChgPwd頁面里的客戶端腳本用單向散列算法H對UN和OPWD進(jìn)行散列，求得H[UN+OPWD]；

(5)ChgPwd頁面里的客戶端腳本以H[UN+OPWD]為密鑰采用對稱加密算法SE對T、R和NPWD進(jìn)行加密，得到SE_{H[UN+OPWD][T+R+NPWD]}；

(6)瀏覽器將密文發(fā)送到服務(wù)器端，如圖3的③；

(7)服務(wù)器端將當(dāng)前時間和保存在Session中的T進(jìn)行比較，若超時，則提示用戶并轉(zhuǎn)到“(2)”；

(8)服務(wù)器端根據(jù)Session里的UN在數(shù)據(jù)庫中找到H[UN+PWD]，以其為密鑰解密密文，獲得瀏覽器傳回的數(shù)據(jù)T’、R’和NPWD；

(9)服務(wù)器端將T’和R’與Session中的T和R進(jìn)行比較，若相同則用戶合法，計算H[UN+NPWD]并更新用戶數(shù)據(jù)庫，提示成功，同時清除Session中的T和R，若不同，則提示失敗并轉(zhuǎn)到“(2)”。

3 性能分析

3．1 安全性能分析

用戶驗證的安全策略至少可以應(yīng)對以下幾種攻擊：

密碼竊聽 用戶驗證過程中沒有明文傳輸密碼，而且在用戶登錄操作中就根本無需傳輸密碼，從而避免了密碼被竊聽的威脅。

數(shù)據(jù)篡改 瀏覽器端傳回的密文中包含了隨機(jī)值，若數(shù)據(jù)被篡改則服務(wù)器端能在驗證時及時發(fā)現(xiàn)。

已知明文攻擊 用戶驗證過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都包含了隨機(jī)值，可以避免明文數(shù)據(jù)模式的泄露。

重放攻擊 用戶驗證中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都包含了系統(tǒng)時間值，時間錯誤和超時都不能完成操作，從而杜絕了重放攻擊的發(fā)生。

3．2 計算性能分析

密碼算法的引入必然會增加系統(tǒng)的計算復(fù)雜度，其中以非對稱密碼算法的復(fù)雜度最大。不過，只有新用戶注冊時需要執(zhí)行非對稱密碼算法。由于新用戶注冊操作相比用戶登錄操作要少很多，用戶驗證的3個操作在Web系統(tǒng)整個運行期間也只占很小的比重；而且，完成用戶驗證后，系統(tǒng)就可按常規(guī)(明文)方式通信。因此用戶驗證的改進(jìn)策略對Web服務(wù)的計算性能影響不大。

4 結(jié)束語

綜合了多種密碼學(xué)技術(shù)的Web用戶驗證策略可以有效解決存在于現(xiàn)今多數(shù)Web服務(wù)中的賬戶信息安全隱患。不僅如此，還可以借鑒這一策略來實現(xiàn)Web服務(wù)中其他一些敏感數(shù)據(jù)的安全傳輸。當(dāng)然，該方法只是解決了賬戶信息明文傳輸可能造成的威脅，并沒有涉及驗證通過后的訪問安全性。而且Web服務(wù)還存在其他一些安全問題，比如用戶登錄成功后，系統(tǒng)一般利用Session中的數(shù)據(jù)來識別用戶的合法性，因此，存在會話被第三方劫持等威脅。這些卻需要通過其他技術(shù)解決。