一種基于數(shù)字證書的USBKey身份認(rèn)證方案

左志斌

（鄭州市惠濟(jì)區(qū)委辦公室，河南 鄭州 450044）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的人開始嘗試在線交易。然而病毒、黑客、網(wǎng)絡(luò)釣魚以及網(wǎng)頁(yè)仿冒詐騙等惡意威脅，給在線交易的安全性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。調(diào)查顯示，去年美國(guó)由于網(wǎng)絡(luò)詐騙事件，使得銀行和消費(fèi)者遭受的直接損失總計(jì)達(dá)24億美元，平均每位受害者損失約1200美元。層出不窮的網(wǎng)絡(luò)犯罪，引起了人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)注，如何構(gòu)建一種安全的通信系統(tǒng)成為目前迫切需要解決的問題。本文將介紹一種使用USBKey實(shí)現(xiàn)的基于數(shù)字證書的身份認(rèn)證方案。該方案使用USBKey實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字證書的客戶端與服務(wù)器端的身份相互認(rèn)證，利用該身份認(rèn)證方案，可以同時(shí)完成客戶端與服務(wù)器端雙方會(huì)話密鑰的分配。最后，文章對(duì)該身份認(rèn)證方案的安全性和有效性進(jìn)行了分析。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 數(shù)字證書

數(shù)字證書又稱為數(shù)字標(biāo)識(shí)（DigitalID），是標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)用戶身份信息的一系列數(shù)據(jù)。它提供了一種在Internet上身份驗(yàn)證的方式，是用來(lái)標(biāo)志和證明網(wǎng)絡(luò)通信雙方身份的數(shù)字信息文件。通俗地講，數(shù)字證書就是個(gè)人或單位在Internet上的身份證明。

數(shù)字證書是由CA中心簽發(fā)的，它本身就是用戶的身份和與之所持有的公鑰的結(jié)合。在結(jié)合之前，由一個(gè)可信任的認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA）來(lái)證實(shí)用戶的身份，然后由可信任的認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA）對(duì)該用戶身份及對(duì)應(yīng)的公鑰相結(jié)合的證書進(jìn)行數(shù)字簽名，用來(lái)證明證書的有效性。

一個(gè)數(shù)字證書的內(nèi)容主要包括以下幾部分：①所有者的公鑰；②所有者的名字；③公鑰的失效期；④發(fā)放機(jī)構(gòu)的名稱（發(fā)放數(shù)字證書的CA）；⑤數(shù)字證書的序列號(hào)；⑥發(fā)放機(jī)構(gòu)的數(shù)字簽名。

數(shù)字證書采用公鑰密碼體制中的RSA體制，每個(gè)數(shù)字證書都擁有一對(duì)互相匹配的密鑰，即私有密鑰（私鑰）和公共密鑰（公鑰）。其中，私鑰僅為用戶本人所掌握，主要用于解密和數(shù)字簽名；而公鑰可以對(duì)外公開，主要用于加密和驗(yàn)證簽名。數(shù)字證書的加密過程是一個(gè)不可逆的過程，即利用公鑰加密后的數(shù)據(jù)只能通過相應(yīng)的私鑰才能進(jìn)行解密。因此，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只要發(fā)送方利用接收方的公鑰對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，就可以確保數(shù)據(jù)的保密性，因?yàn)榧词辜用軘?shù)據(jù)被第三方截獲，由于沒有相應(yīng)的私鑰，第三方也無(wú)法進(jìn)行解密。而第三方要破解出私鑰也是不現(xiàn)實(shí)的，即使在已知公鑰、明文、密文的條件下，要推導(dǎo)出目前使用的1024位RSA密鑰，也需要上千年的時(shí)間［1-2］。

1.2 USBKey

USBKey是一種USB接口的硬件設(shè)備。它內(nèi)置單片機(jī)或智能卡芯片，有一定的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)用戶的私鑰以及數(shù)字證書。由于用戶私鑰保存在USBKey的密碼鎖中，理論上使用任何方式都無(wú)法讀取，因此保證了身份認(rèn)證中用戶私鑰的安全性。

每一個(gè)USBKey都具有硬件PIN碼保護(hù)，PIN碼和硬件構(gòu)成了用戶使用USBKey的兩個(gè)必要因素，即所謂“雙因子認(rèn)證”。用戶只有同時(shí)取得了USBKey和用戶PIN碼，才可以登錄系統(tǒng)。即使用戶的PIN碼被泄漏，只要用戶持有的USBKey不被盜取，合法用戶的身份就不會(huì)被仿冒；而如果用戶的USBKey遺失，拾到者由于不知道用戶PIN碼，也無(wú)法仿冒合法用戶的身份［3］。

USBKey具有安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)數(shù)字證書、密鑰等秘密數(shù)據(jù)，對(duì)該存儲(chǔ)空間的讀寫操作必須通過程序?qū)崿F(xiàn)，用戶無(wú)法直接讀取，其中用戶密鑰是不可導(dǎo)出的，杜絕了復(fù)制用戶數(shù)字證書或身份信息的可能性。

USBKey內(nèi)置CPU，可以實(shí)現(xiàn)加解密和簽名的各種算法，加解密運(yùn)算在USBKey內(nèi)進(jìn)行，保證了密鑰不會(huì)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從而杜絕了用戶密鑰被黑客截取的可能性［4］。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

該身份認(rèn)證方案的設(shè)計(jì)思想如下：在雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前，通信雙方相互認(rèn)證對(duì)方的身份。首先，客戶端使用自己的證書私鑰對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行簽名發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端驗(yàn)證簽名來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端的身份認(rèn)證。之后，服務(wù)器端使用自己的證書私鑰對(duì)自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)、客戶端發(fā)送過來(lái)的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行簽名后發(fā)送給客戶端，客戶端通過驗(yàn)證簽名來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器端的身份認(rèn)證。最后，客戶端將接收到的服務(wù)器端隨機(jī)數(shù)進(jìn)行簽名后發(fā)送回服務(wù)器端，服務(wù)器端通過比較該隨機(jī)數(shù)是否是自己發(fā)送的隨機(jī)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證過程中的抗重放攻擊［5］。

2.2 身份認(rèn)證過程

過程1：實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)客戶端的身份認(rèn)證；

①客戶端調(diào)用自己的USBKey產(chǎn)生非重復(fù)的隨機(jī)數(shù)r1；

②客戶端使用存儲(chǔ)在USBKey中的證書私鑰（Ka私）對(duì){隨機(jī)數(shù)r1+服務(wù)器端身份}進(jìn)行簽名獲得簽名信息Ma；

③客戶端將獲得的簽名信息Ma發(fā)送到服務(wù)器端；

④服務(wù)器端提取存儲(chǔ)的客戶端的證書公鑰（Ka公），使用該公鑰對(duì)簽名信息Ma進(jìn)行驗(yàn)證簽名同時(shí)檢驗(yàn)服務(wù)器身份，驗(yàn)證通過則證明該信息是由客戶端A發(fā)送的，該信息是完整的，未經(jīng)篡改的；否則，拒絕該用戶；

過程2：實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)服務(wù)器端的身份認(rèn)證；

⑤服務(wù)器端產(chǎn)生非重復(fù)的隨機(jī)數(shù)r2；

⑥服務(wù)器端使用自己的證書私鑰（Kb私）對(duì){隨機(jī)數(shù)r1+隨機(jī)數(shù)r2+客戶端身份}進(jìn)行簽名獲得簽名信息Mb；

⑦服務(wù)器將簽名信息Mb發(fā)送到客戶端；

⑧客戶端使用服務(wù)器端的證書公鑰（Kb公）驗(yàn)證簽名信息Mb并驗(yàn)證客戶端身份；驗(yàn)證通過則證明了服務(wù)器端的身份，該信息是服務(wù)器端發(fā)送的，該信息是完整的，未經(jīng)篡改的；

⑨客戶端比較自己產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)r1與接收的隨機(jī)數(shù)r1以證明該次會(huì)話是自己請(qǐng)求的應(yīng)答；

過程3：實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證過程中的抗重放攻擊。

⑩客戶端使用自己的證書私鑰（Ka私）對(duì){隨機(jī)數(shù)r2}進(jìn)行簽名獲得簽名信息Mc；

該次認(rèn)證的目的是通過服務(wù)器端檢查發(fā)送的隨機(jī)數(shù)與接收的隨機(jī)數(shù)是否相同來(lái)證明是否有重放攻擊，在通信雙方無(wú)法建立時(shí)鐘同步的情況下，該方法可以很好地解決重放攻擊的發(fā)生。

身份認(rèn)證過程流程圖如圖1所示。

3 方案的有效性和可行性分析

3.1 在身份認(rèn)證過程的開始，需要驗(yàn)證客戶端用戶的PIN碼，該步驟保證了登錄用戶必須是USBKey的合法持有者，否則即使持有USBKey，由于不知道用戶PIN碼，也無(wú)法進(jìn)行下一步操作；

3.2 基于該方案的身份認(rèn)證過程，是利用公鑰密碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，它的安全性從根本上取決于所使用私鑰的安全性。服務(wù)器端私鑰可以在服務(wù)器端由專業(yè)的人員通過相關(guān)的安全策略和手段來(lái)管理，而客戶端私鑰由于由用戶掌握，安全性成為薄弱環(huán)節(jié)。在該身份認(rèn)證方案中，客戶端用戶私鑰是通過USBKey產(chǎn)生的，產(chǎn)生后即存放在USBKey中，用戶無(wú)法進(jìn)行讀取。同時(shí)，客戶端用戶私鑰的使用，包括對(duì)傳輸信息的簽名和驗(yàn)證簽名都是在USBKey中進(jìn)行的，保證了用戶私鑰不會(huì)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從而杜絕了用戶密鑰被黑客截取的可能性，保證了認(rèn)證的安全性；

圖1 身份認(rèn)證流程圖

3.3 為了使用USBKey實(shí)現(xiàn)證書私鑰的數(shù)據(jù)簽名、驗(yàn)證簽名以及其他各種加解密操作，可以使用CryptoAPI的開發(fā)模式。CryptoAPI是微軟提供的一套Win32環(huán)境下加解密和簽名認(rèn)證的編程接口，以供應(yīng)用程序開發(fā)人員調(diào)用。通過調(diào)用這套函數(shù)接口，應(yīng)用程序可以方便地操作USBKey來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的加解密和簽名驗(yàn)證的功能；

3.4 在該方案中可以在身份認(rèn)證的過程中，添加會(huì)話密鑰的傳輸，以實(shí)現(xiàn)通信中的密鑰分配功能。

［1］楊波.現(xiàn)代密碼學(xué)（第3版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［2］王育民，劉建偉.通信網(wǎng)的安全理論與技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］關(guān)振勝.公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI及其應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］李濤.網(wǎng)絡(luò)安全概論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［5］范紅，馮登國(guó).安全協(xié)議理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.