基于WPKI的安全移動支付系統的設計與實現

石俊萍 ，李必云

(1.吉首大學 物理科學與信息工程學院，湖南 吉首416000；2.吉首大學 數學與計算機科學學院，湖南 吉首 416000)

移動電子商務是有線電子商務的延伸和發展。企業現有的環境、系統和模式都可以技術性地移植到電子商務中，避免重復投資和資源浪費。但是加入移動電子商務的系統，其復雜性也帶來一系列的安全問題。由于移動電子商務的特殊性，移動電子商務的安全問題尤其重要。安全性是影響移動電子商務發展的關鍵問題。

1 移動電子商務和移動支付

1.1 基于WPKI的移動電子商務

WPKI[1]以無線應用協議 WAP（Wireless Application Protocol)的安全機制為基礎[2]，從傳統的公鑰基礎設施PKI(Public Key Infrastructure)中發展而來。WPKI與 PKI都是通過管理密鑰和證書來執行移動電子商務策略。WPKI主要解決管理移動電子商務的策略問題，并為無線應用環境提供安全服務。WPKI的優化主要包括對證書格式的簡化，以減少存儲容量。另外WPKI采用了先進的ECC公鑰算法，而非傳統的RSA算法，這就可以大大提高運算效率，并在相同的安全強度下減少密鑰的長度。由于WPKI證書格式是PKIX(Public Key Infrastracture on X.509)證書的子集，所以可以在標準 PKI中保持互操作性[3]。

1.2 WPKI移動電子商務安全框架

鑒于目前大部分手機計算能力的低下，下面提供一種適合移動電子商務的WPKI移動交易安全框架，即引入驗證服務器 VA（Validation Authority）的 WPKI移動交易安全框架[4]，如圖1所示。

VA作為所有無線終端的代理，完成各種復雜的證書驗證和加密/解密操作(如多級證書鏈的驗證)。此時，手機只需要處理單級證書驗證，即只需對驗證服務器回送的結果進行驗證。

其驗證過程如下：

(1)手機用戶使用生成密鑰對和證書請求，向PKI Portal申請證書；

(2)PKI Portal在完成審核后向CA簽發系統申請簽發證書；

(3)簽發系統簽發證書并通過證書庫發布；

(4)簽發系統將用戶證書回送給PKI Portal；

(5)PKI Portal將證書回送給手機終端，存放在手機內的智能卡中。

1.3 移動支付

移動支付是指借助手機、掌上電腦、筆記本電腦等移動通信終端和設備，通過無線方式進行的銀行轉賬、繳費和購物等商業交易活動。與傳統支付方式相比較，移動支付的優點是真正實現了3A(任何時間、任何地點以及任何方式)，也就是將無線通信技術的3A優勢應用到金融業務之中[5]。它的優勢從與以往支付方式（傳統的支付方式與電子支付的方式）的比較中體現出來。但由于安全性和易用性問題尚未得到很好的解決，所以目前國內的移動支付主要是小額支付為主。

2 系統分析和設計

2.1 安全移動支付系統功能模塊設計

安全移動支付系統組成如圖2所示。該移動支付系統以WPKI為基礎，依據移動支付業務需求設計[6]，各模塊功能如下：

(1)RA服務器提供HTTP/HTTPS服務，為用戶提供申請證書的檢查和審核，并提交給CA服務器進行證書簽發；

(2)CA服務器提供證書目錄和證書簽發、注銷、更新等；

(3)商家服務器提供HTTP服務，為用戶提供商品瀏覽和定購，并提供支付平臺分布式接口；

(4)移動支付平臺提供與銀行的接口，提供用戶手機號碼與銀行賬號綁定的功能，提供與智能終端支付接口，提供與商家信息交互接口。

圖2 安全移動支付系統組成圖

客戶在申請移動支付服務業務時，首先到銀行(或銀行網站上)開戶或使用己有的賬戶來綁定手持設備ID(如手機號)，這里手機ID用客戶的數字證書來表示。

2.2 系統安全解決方案

整個系統的實現由4部分組成，它們包括：商家安全支付軟件 MSS、客戶安全支付軟件 CSS、商業銀行安全支付軟件BSS和交易中心安全支付軟件TSS。

2.2.1 安全功能設計

根據系統實體、交易流程及安全要求，4個軟件模塊的主要安全功能設計如下：

(1)MSS：該軟件構成了賣方交易平臺。首先應提供商品訂購過程中所需的安全功能：與客戶之間的雙向身份認證，驗證客戶對定單的數字簽名，生成商家對賬單和承諾的數字簽名，加解密與客戶之間傳遞的信息。其次提供支付過程所需的安全功能：與交易中心之間的雙向身份認證，驗證銀行返回的支付結果的數字簽名。另外還記錄客戶簽名后的定單信息，記錄支付信息以及保存自己簽名后的送貨信息等。

由上述功能可知，該軟件模塊應提供身份認證、數字簽名、客戶定購及支付信息的處理、密鑰及證書管理等服務。

(2)CSS：該軟件構成了買方交易平臺。它首先提供產品訂購過程中所需的安全功能：與商家之間的雙向身份認證，產生客戶對定單的數字簽名，驗證商家對賬單和承諾的數字簽名，加解密與商家之間傳遞的信息。其次提供支付過程所需的安全功能：與交易中心之間的雙向身份認證，采用銀行的公鑰加密提交的轉賬信息，生成交易中心需保存的交易證據，產生對交易證據的數字簽名。

該軟件模塊應提供身份認證、數字簽名、交易與支付歷史數據存儲管理、支付交易查詢、密鑰與證書管理等服務。

(3)TSS：該軟件構成了安全交易平臺。它記錄了交易過程中傳輸的各種重要信息、可供爭議解決的證據。其安全功能是：與商家之間的雙向身份認證、與客戶之間的雙向身份認證、與銀行之間的雙向身份認證、驗證客戶提交的交易證據的數字簽名、驗證銀行響應的支付結果的數字簽名，并在出現爭議時驗證爭議各方提交證據的真偽。

該模塊應提供身份認證、數字簽名、與商業銀行業務系統聯系的公共接口、交易與支付歷史數據存儲管理、支付交易仲裁、密鑰與證書管理等服務。

(4)BSS：該軟件提供支付網關功能，其主要作用是完成銀行網絡與Internet及移動網絡之間的通信、協議轉換以及數據的加解密，以保護銀行內部網絡的安全。實現與TTP之間的雙向身份識別，驗證客戶的數字簽名，產生支付結果的數字簽名，解密客戶傳來的轉帳通知，用商家的公鑰加密支付結果。

該模塊應提供：身份認證、數字簽名、與交易中心業務系統聯系的公共接口、支付歷史數據存儲管理、密鑰與證書管理等服務。

2.2.2 數字證書的配置

模塊 MSS、CSS、TSS、BSS 均為基于 WPKI的安全應用軟件，因此需配置相應的數字證書。具體配置情況如下：

(1)MSS：配置商家服務器證書，用于與客戶 CSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名；用于與交易中心TSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名；

(2)CSS：配置客戶服務器證書，用于與 MSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名；用于與TSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名；

(3)TSS：配置交易中心的服務器證書，用于與 MSS、CSS、BSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名；

(4)BSS：配置商業銀行的服務器證書，用于與 TSS之間的身份識別、消息加密和生成數字簽名。

3 系統的實現

3.1 系統原理和交易步驟

該系統包括5個實體：商家、客戶、銀行系統、認證中心 CFCA（China Finance Certificate Authority，中國金融認證中心)和交易中心TTP(Trusted Third Party，第三方信任實體)。其中，商家和用戶完成定單及賬單的提交和生成；銀行系統負責處理支付信息；CFCA和PKI Protal(RA)用作保證系統的安全性；TTP記錄了交易過程中傳輸的各種重要信息、可供解決爭議的證據。系統原理如圖3所示。

圖中虛線代表CA分別向商家、客戶、TTP和商業銀行頒發身份證書，實線代表系統的交易流程。根據網上交易過程的步驟分析，并參考了各種支付協議的數據流程，確定了該系統的信息流、數據流、資金流按下列步驟進行：

(1)客戶向商家下定單

客戶通過手機瀏覽器在商家的Web服務器定購商品。客戶根據商家的要求向商家提交定單Order，商家根據定單形成相應的賬單Invoice，并將Invoice及商家的說明及承諾Statement發到客戶手機瀏覽器。

(2)客戶通過手機支付貨款

客戶通過TTP的安全移動支付服務平臺到銀行支付貨款。首先，客戶將支付消息PM(Pay Message)提交到TTP的安全移動支付服務平臺；之后，TTP安全移動支付服務平臺將PM轉發到銀行；銀行驗證客戶對PM的數字簽名，取出支付指令 PI(Pay Instruction)，根據 PI進行轉賬；并將支付結果PR(Pay Result)（包括支付金額、是否成功等信息）告知TTP安全支付平臺；最后TTP安全移動支付平臺將支付結果PR實時告知商家。

3.2 安全移動支付系統工作流程及實現

以客戶提交訂單的過程為例說明安全移動支付系統的工作流程及系統實現。

(1)客戶在商家的Web服務器上選擇要訂購的產品，并填寫完其他必要信息(如送貨時間、地點等)后，點擊頁面上的提交按鈕，此時激活CSS軟件。CSS軟件發送一個初始請求(InitPM-Requ)給商家的MSS軟件，InitCMRequ的數據結構如表1所示。

表1 InitCM-Requ的數據結構

(2)MSS收到InitPM-Requ后，向CSS發送初始回答(InitPM-Resp)；InitCM-Resp的數據結構如表2所示。

表2 InitPM-Resp的數據結構

(3)CSS收到 MSS的初始回答(InitCM-Resp)后，做以下幾步：

①Verify(CertM)，若核實，則往下進行，否則終止；

②判斷 DE-PKM(SIGN-SK(H(Resp-Msg)))是否等于 H(Resp-Msg)，若相等，則往下進行，否則終止(DEPKM為CSS用商家簽名公鑰驗證其簽名)；

③從Resp-Msg中獲得交易標識Random-T，并根據頁面上訂購的產品，生成 OI（Order-Instruction，訂貨指令），OI的數據結構如表3所示。

表3 OI的數據結構

④CSS發送購買請求(Purchase-Requ)給 MSS，Purchase-Requ的數據結構如表4所示。

表4 Purchase-Requ的數據結構

該安全移動支付系統提供了通過WAP/WTLS無線環境與第三方支付機構建立聯系的安全支付方式。各參與實體所使用的公鑰由CFCA簽發的證書來分配，可以充分保障移動電子商務支付的機密性、認證性、公平性和完整性。同時，完整性中的數字簽名技術也提供了安全移動電子支付的不可否認性。實現了從傳統網上購物及網上銀行卡支付向手機WAP無線購物及在手機終端直接使用銀行卡進行網上支付的延伸，擴充了網上購物和支付的渠道，為人們的日常生活提供更多的便利性。

[1]劉英群，王克宏.VMSDT——一個設備無關的移動電子商務開發平臺[J].微型機與應用，2004，23(02)：58-60.

[2]Wireless application protocol.Public Key Infrastructure definition.http：//www.forum.com.2001.

[3]趙文，戴宗坤.WPKI應用體系架構研究[J].四川大學學報(自然科學版)，2005，8(4)：725-730.

[4]SANDRA K M.Facing the challenge of wireless security.IEEE Computer Magazine，2001：16-18.

[5]ZHANG Wei Dong.Research on security in mobile commerce[J].Xidian University，2005(1)：42-43.

[6]SANG K K.Modeling of policy-based mobile payment[J].Advanced Communication Technology.The 6th International Conference.2004(2)：1009-1011.