用Java Socket實現(xiàn)高校信息化中用戶動態(tài)口令身份認(rèn)證

【摘要】身份認(rèn)證作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的第一道防線，是最重要的安全服務(wù)。在高校信息化過程中，如何保障高校信息資源的安全性，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。文章基于S/Key一次性口令身份認(rèn)證系統(tǒng)以及Java套接字，Applet等技術(shù)，詳細(xì)介紹了如何用Java套接字實現(xiàn)高校信息化系統(tǒng)中動態(tài)口令身份認(rèn)證的過程，并相應(yīng)的給出了一些關(guān)鍵代碼。

【關(guān)鍵詞】身份認(rèn)證，S/Key系統(tǒng)，一次性口令，高校信息化

【中圖分類號】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)01—0120—04

一 引言

1 應(yīng)用背景

在目前的高校信息化系統(tǒng)中，統(tǒng)一身份認(rèn)證是很重要的。而如何解決好身份認(rèn)證是高校信息化系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的問題。身份認(rèn)證主要用于阻止非授權(quán)用戶對系統(tǒng)的入侵或訪問，是信息安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)所采用手段的不同，可分為基于秘密信息的和基于物理安全性的身份認(rèn)證兩種。基于秘密信息的身份認(rèn)證用的是靜態(tài)口令。每個合法用戶擁有一個用戶名，口令對，用戶登錄系統(tǒng)或使用某項功能時，需輸入自己的用戶名與口令，系統(tǒng)即可確認(rèn)是否為合法。靜態(tài)口令身份認(rèn)證方便，簡潔，但存在諸多缺點(diǎn)。動態(tài)口令身份認(rèn)證是現(xiàn)在研究較多并且技術(shù)相對比較成熟的認(rèn)證方式，它克服了靜態(tài)口令技術(shù)所固有的許多缺點(diǎn)，特別是對于分布式身份認(rèn)證來說具有非常高的安全性。

2 靜態(tài)口令認(rèn)證的缺點(diǎn)

(1)每次訪問系統(tǒng)時都要輸入靜態(tài)口令，易被偷窺泄密。

(2)靜態(tài)口令只能進(jìn)行系統(tǒng)對用戶的單向認(rèn)證，攻擊者可偽裝成系統(tǒng)騙取用戶口令。

(3)其安全性基于用戶設(shè)置的口令，很多用戶為了方便，設(shè)定的口令中含個人信息，如姓名、生日等，極易破譯 。且長期使用同一口令.被破解的可能性極大。

(4)在訪問不同安全級別的系統(tǒng)時，都要求用戶提供口令。用戶為方便記憶.往往采用相同的口令，而低安全級別的口令很容易被攻擊者獲得并用來對高安全級別系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。

(5)系統(tǒng)中用戶的口令以文件形式存儲在認(rèn)證方，攻擊者可利用系統(tǒng)存在的漏洞獲取口令文件。一旦該文件被攻擊者得到，他們就可使用解密程序來破譯，從而獲取對系統(tǒng)的訪問權(quán)。

(6)口令在傳輸過程中可能被截獲。用戶連接其在遠(yuǎn)程主機(jī)上的帳戶時，由于網(wǎng)上傳輸?shù)目诹顩]有加密，攻擊者可通過各種手段獲取用戶口令。如被截獲的是管理員的口令，那么獲取特權(quán)級訪問就變得很容易，已有許多系統(tǒng)被這種方法侵入。

顯然，作為目前身份認(rèn)證最常用手段的靜態(tài)口令，不能很好的保證其安全性，需要一種經(jīng)常變化、不易推測、一次性使用的動態(tài)口令來實現(xiàn)安全可靠的身份認(rèn)證，阻止未經(jīng)授權(quán)的非法訪問等。

3 動態(tài)口令的提出

在80年代初，美國科學(xué)家Leslie Lamport首次提出了利用散列函數(shù)產(chǎn)生一次性口令的思想，即用戶每次同服務(wù)器進(jìn)行身份認(rèn)證時，在網(wǎng)上傳輸?shù)恼J(rèn)證口令都是加密后的密文形式，并且在每次認(rèn)證時這些密文形式的認(rèn)證口令都是不同的，也就是說密文口令是一次有效的。

這種一次有效的“動態(tài)口令”彼此之間無相關(guān)性，無法預(yù)測，跟蹤，截取，破譯。這樣，無論網(wǎng)上交易，轉(zhuǎn)賬，還是訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等都能對訪問者身份進(jìn)行準(zhǔn)確的認(rèn)證，保證其唯一，合法。

本文首先介紹了一種經(jīng)典的動態(tài)口令身份認(rèn)證系統(tǒng)——S/Key系統(tǒng)，然后介紹了Java Socket的一些基本知識，最后重點(diǎn)介紹了如何用Java Socket實現(xiàn)動態(tài)口令身份認(rèn)證，并給出了相應(yīng)的代碼。

為方便描述，約定符號如下:IDc為用戶C的身份標(biāo)識，A表示認(rèn)證服務(wù)器，W為用戶秘密通行短語，N為初始序列號，S表示種子值，Pi表示用戶第i次登錄的一次性口令，H(x)表示單向哈希函數(shù)，Hi(x)表示對x連續(xù)進(jìn)行i次哈希運(yùn)算， Ek(m)表示用密鑰k對信息m進(jìn)行加密運(yùn)算，Dk(m)表示用密鑰k對信息Ek(m)進(jìn)行解密運(yùn)算，即m=Dk(Ek(m))。

二 S/Key系統(tǒng)[1，2，3]

S/Key系統(tǒng)是一種一次一密認(rèn)證系統(tǒng)，客戶端和服務(wù)器端沒有保留口令及生成口令的全部信息，整個通信過程都是安全的，用戶每一次登錄系統(tǒng)所用的口令都是不同的，攻擊者通過竊聽得到的口令無法用于下一次認(rèn)證，而且用戶秘密通行短語從不在網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，保證了在網(wǎng)絡(luò)上傳送的密碼只使用一次，可以有效防止通過竊聽進(jìn)行重放攻擊，具有較高的安全性。

1注冊階段

用戶選擇自己的秘密通行短語W，服務(wù)器為每個用戶生成一個種子值S，用戶設(shè)置一次性口令序列的最大元素個數(shù)N，用戶輸入的S和N通過安全通道提交給認(rèn)證服務(wù)器，認(rèn)證服務(wù)器計算出一次性口令為P0=Hn(W+S)

第i次登錄的一次性口令:Pi=Hn-i(W+S)

數(shù)據(jù)庫中用戶C的注冊數(shù)據(jù)內(nèi)容為:用戶IDc，種子值S，初始序列號N，一次性口令P0

2 認(rèn)證階段

第i次認(rèn)證過程如下:

Step1 C→A:IDc;認(rèn)證請求;

Step2 A→C:N-i，S;發(fā)送挑戰(zhàn);

Step3 C→A:Pi=Hn-i(W+S);計算一次性口令Pi并作為應(yīng)答;

Step4:服務(wù)器對收到的Pi再做一次哈希運(yùn)算H(Pi)，并將結(jié)果H(Pi)與保存在認(rèn)證服務(wù)器端的該用戶上次成功登錄的一次性口令Pi-1比較，相同則通過認(rèn)證，將N-i-1和Pi 寫入數(shù)據(jù)庫作為新的序列號和動態(tài)口令。

三 Java Socket，Applet[4]

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的核心由一對程序組成------一個客戶程序和一個服務(wù)器程序，當(dāng)這兩個程序執(zhí)行的時候，創(chuàng)建一個客戶端進(jìn)程和一個服務(wù)器進(jìn)程，并且這兩個進(jìn)程通過對套接字(socket)的讀寫來互相通信。Socket可以看成在兩個程序進(jìn)行通訊連接中的一個端點(diǎn)，一個程序?qū)⒁欢涡畔懭隨ocket中，該Socket將這段信息發(fā)送給另外一個Socket中，使這段信息能傳送到其他程序中。

Java提供了一個豐富的、支持網(wǎng)絡(luò)的類庫，這些類使得應(yīng)用程序能方便地訪問網(wǎng)絡(luò)資源。Java提供了兩種通訊工具。它們是:使用用戶報文協(xié)議(UDP)的報文和使用傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)的Sockets(套接字)。

Sockets套接字用TCP來進(jìn)行通訊。套接字模型同其他模型相比，優(yōu)越性在于其不受客戶請求來自何處的影響。只要客戶機(jī)遵循TCP/IP協(xié)議，服務(wù)器就會對它的請求提供服務(wù)。這意味著客戶機(jī)可以是任何類型的計算機(jī)。客戶機(jī)不再局限為UNIX、Windows、DOS或Macintosh平臺，因此，網(wǎng)上所有遵循TCP/IP協(xié)議的計算機(jī)可以通過套接字互相通訊。

Applet可以翻譯為小應(yīng)用程序，可通過因特網(wǎng)下載并在接收計算機(jī)上運(yùn)行的一小段程序，Java Applet就是用Java語言編寫的這樣的一些小應(yīng)用程序，它們可以直接嵌入到網(wǎng)頁中，并能夠產(chǎn)生特殊的效果，可以在B/S架構(gòu)中實現(xiàn)簡單的客戶端運(yùn)算功能。

用Java編寫的應(yīng)用程序簡潔，代碼少，對于新手來說它的可讀性強(qiáng)。Java與平臺無關(guān)，為了對出現(xiàn)在I/O和網(wǎng)絡(luò)操作中的一般問題進(jìn)行健全的解決，它提供了例外機(jī)制，并且它的線程工具提供了一種能夠簡單的實現(xiàn)強(qiáng)大服務(wù)器的方法。由于Java有著豐富的支持網(wǎng)絡(luò)的類庫，用Java進(jìn)行客戶服務(wù)器編程變得越來越流行，并且甚至可能變成未來幾年中的規(guī)范。

基于以上原因，本人選擇Java Socket實現(xiàn)動態(tài)口令身份認(rèn)證的雙方數(shù)據(jù)通信，采用流行的B/S架構(gòu)，客戶端采用Java Applet實現(xiàn)當(dāng)前動態(tài)口令的計算，服務(wù)器端采用多線程技術(shù)以便支持大量用戶的訪問。

四 具體實現(xiàn)[5][6][7]

由于S/Key系統(tǒng)不能抵抗小數(shù)攻擊，且在step2存在挑戰(zhàn)信息N-i，S 傳輸過程中可能有被非法竊聽而泄漏的危險性，故本人參考眾多動態(tài)口令算法對S/Key系統(tǒng)作了初步的改進(jìn)，加入了對服務(wù)器端的雙向認(rèn)證和對挑戰(zhàn)信息的加密。

改進(jìn)后的第i次認(rèn)證過程如下:

Step1 C→A:IDc;認(rèn)證請求;

Step2 A→C:E K (N-i，S，Pi-1);發(fā)送挑戰(zhàn)，K=H(W);

Step3 C→A:DK (N-i，S，Pi-1)，Pi=Hn-i-1(W+S);客戶端生成K=H(W)，解密獲得N-i，S，Pi-1 并計算一次性口令Pi先判斷如果H(Pi)= Pi-1 則對服務(wù)器認(rèn)證通過，將Pi 發(fā)送給服務(wù)器作為應(yīng)答;

Step4:服務(wù)器對收到的Pi再做一次哈希運(yùn)算H(Pi)，并將結(jié)果H(Pi )與保存在認(rèn)證服務(wù)器端的該用戶上次成功登錄的一次性口令Pi-1比較，相同則通過認(rèn)證，并更新數(shù)據(jù)庫，將N-i-1和Pi 寫入數(shù)據(jù)庫作為新的序列號和動態(tài)口令。

1數(shù)據(jù)庫設(shè)計

說明:在我們的數(shù)據(jù)庫中，S 是認(rèn)證服務(wù)器隨機(jī)產(chǎn)生的大于1000的種子值，N-i為用戶第i次接受認(rèn)證時的序列號，初始值為用戶注冊時輸入的序列號N，Pi =Hn-i(W+S)為用戶第i次接受認(rèn)證時的認(rèn)證口令，初始值為P0=Hn(W+S)

為了保證step2發(fā)送挑戰(zhàn)N-i，S 傳輸過程中的數(shù)據(jù)安全性，我們在數(shù)據(jù)庫中加入一項秘密通行短語的散列值H(W)作為密碼加密挑戰(zhàn)信息，由于散列函數(shù)的不可逆性，不會引起秘密通行短語的泄漏。加密算法我們選用DES。

2 注冊階段

該階段通過兩個文件來實現(xiàn)

registerform.html:實現(xiàn)注冊信息的表單輸入

關(guān)鍵代碼:

long seed=(long)(Math.random()*1000)+1000;//隨機(jī)函數(shù)生成種子值

String initpasswd =MD5bean.getMD5ofStr(W+S);

for(inti=1;i

initpasswd=MD5bean.getMD5ofStr(initpasswd);

//計算P0= (W+S)表示對單向函數(shù)H(W+S)進(jìn)行n次運(yùn)算

3 認(rèn)證階段[8]

該階段主要由一個applet，一個servlet，兩個java bean 文件組成

(1)客戶端程序

newloginApplet.java是唯一的需要在客戶端執(zhí)行的文件，用于在客戶端向用戶顯示登陸界面，接受客戶的信息輸入，產(chǎn)生動態(tài)口令，發(fā)送給服務(wù)器，接受服務(wù)器對客戶的身份驗證。

該文件有一個繼承Applet類的 newloginApplet類。

NewloginApplet類圖如下:

函數(shù)邏輯處理調(diào)用關(guān)系圖如圖3:

函數(shù)功能說明:

Init()初始化applet顯示登陸界面

handleEvent()處理登陸信息并建立連接

validateName()驗證該用戶是否已經(jīng)注冊

validateDPswd()驗證用戶口令是否正確，該口令為不斷變化的動態(tài)口令DynamicPassword。

(2) 服務(wù)器端程序

服務(wù)器端程序包含三個文件:

loginServlet.java是一個繼承HttpServlet類的servlet文件，用于向客戶端送出applet，并啟動認(rèn)證服務(wù)器監(jiān)聽連接。

MyServer.java被loginServlet啟動后建立一個服務(wù)器端socket監(jiān)聽連接，獲得一個連接后交由serverLogic處理，MyServer重新進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。

ServerLogic.java處理獲得的連接請求，即處理客戶端的認(rèn)證請求，如果認(rèn)證成功，則返回登陸成功頁面，否則返回錯誤提示。

采用面向?qū)ο蟮姆治鲈O(shè)計方法對認(rèn)證邏輯進(jìn)行分析設(shè)計，獲得描述業(yè)務(wù)邏輯的類圖如下:

說明:Login函數(shù)用于判斷如果用戶未登陸，則向客戶端送出用于登陸的applet

五 身份認(rèn)證程序?qū)崿F(xiàn)綜述[9]

1服務(wù)器端程序基本功能:

(1)創(chuàng)建一個serverSocket對象，在指定端口監(jiān)聽客戶端發(fā)來的請求

(2)在接收到請求時，accept()方法將返回一個Socket對象

(3)用上述Socket對象創(chuàng)建輸入輸出流對象

(4)通過輸入輸出流與客戶交互

(5)交互完畢，關(guān)閉輸入輸出流與 Socket

(6)服務(wù)器程序運(yùn)行結(jié)束，關(guān)閉ServerSocket

服務(wù)器端類功能說明:

(1)啟動服務(wù)器程序的Serverlet-- LoginServlet.class

Servlet程序---LoginServlet負(fù)責(zé)啟動服務(wù)器程序。在它的init()方法中啟動了一個類型為MyServer的對象實類，該實類作為一個后臺線程在TCP端口4000監(jiān)聽客戶的請求.

(2)服務(wù)器類MySserver.class

MyServer類是一個線程，它首先根據(jù)指定的端口創(chuàng)建一個ServerSocket對象，調(diào)用ServerSocket對象的accept()方法監(jiān)聽是否有客戶發(fā)出連接請求，如果有就創(chuàng)建一個類型為ServerLogic的對象，并將accept()方法返回的Socket對象傳給創(chuàng)建的ServerLogic對象以便將該連接的控制權(quán)交給此ServerLogic對象，然后此MyServer實類重新調(diào)用ServerSocket對象的accept()方法監(jiān)聽是否有客戶發(fā)出新的連接請求

(3)認(rèn)證邏輯類ServerLogic.class

ServerLogic對象以線程的方式進(jìn)行工作，負(fù)責(zé)處理一個Socket連接。他負(fù)責(zé)接受客戶端的請求，進(jìn)行處理，其處理過程為判斷客戶是否已經(jīng)注冊。首先，它從Socket中讀取Applet傳來的用戶名，并進(jìn)行驗證，如果是正確的，則向Socket的輸出流中寫入“true”，然后在輸出流中寫入客戶的種子值，初始序列號，初始口令的加密值，等待客戶端發(fā)送動態(tài)口令進(jìn)行下一步驗證。如果驗證沒有通過，就向輸出流中寫入“1”。

2 使用Socket的客戶端程序

(1)客戶端使用面向連接的通信方式與服務(wù)器通信

(2)創(chuàng)建Socket對象建立與服務(wù)器的連接

(3)用該Socket對象創(chuàng)建輸入輸出流

(4)與服務(wù)器交互:

Applet程序——newLoginApplet首先接收用戶輸入的用戶名，然后調(diào)用validateuser()方法將用戶名數(shù)據(jù)送到服務(wù)器側(cè)進(jìn)行驗證，如果通過，就接收服務(wù)器發(fā)來的種子值，初始序列號，初始口令，對其解密，并計算動態(tài)口令，發(fā)給服務(wù)器接受下一步認(rèn)證。

(5)交互完畢，關(guān)閉輸入，輸出流與Socket

參考文獻(xiàn)

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