王振輝,王振鐸
1(西安翻譯學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院,西安 710105)
2(西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,西安 710038)
隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和“互聯(lián)網(wǎng)+”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施,基于智能手機(jī)的電子商務(wù)、電子政務(wù)蓬勃發(fā)展,手機(jī)應(yīng)用軟件逐漸普及.這些手機(jī)客戶端軟件在給人們工作、生活帶來極大便利的同時(shí),也帶來了新的信息安全問題.由于手機(jī)軟件設(shè)計(jì)上存在的缺陷和漏洞及手機(jī)上駐留的木馬后門程序造成的用戶賬戶等隱私數(shù)據(jù)外泄,財(cái)產(chǎn)損失等案例逐年增加[1,2].
登錄系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的第一道屏障,其缺陷嚴(yán)重程度和安全級(jí)別高低,直接影響到系統(tǒng)安全評(píng)級(jí).信息系統(tǒng)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失和電子欺詐行為都是由于非法用戶繞過了登錄校驗(yàn)和利用了系統(tǒng)登錄的缺陷[3].
針對(duì)上述問題,國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了深入研究,并取得了不少研究成果.主要采用的手段有針對(duì)用戶賬號(hào)、密碼等數(shù)據(jù)的加密技術(shù),其次是為防止窮舉攻擊在賬號(hào)和密碼基礎(chǔ)上增加驗(yàn)證碼和登錄驗(yàn)證次數(shù)限制[4-6].也有采用軟硬件結(jié)合方法將用戶登錄信息存儲(chǔ)到SmartWatch2設(shè)備上,將用戶登錄數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件有效隔離,同時(shí),允許用戶在SmartWatch2上瀏覽、發(fā)送和刪除用戶登錄信息,從而達(dá)到保護(hù)手機(jī)應(yīng)用登錄信息的目的[7,8].此類解決方案采用硬件方式安全性高,但由于攜帶不便,有使用期限,易丟失,所有不適合移動(dòng)環(huán)境使用[9].Twitter早期使用基于手機(jī)短信的驗(yàn)證,但由于成本相對(duì)高,易被攻擊者劫持,安全隱患大,進(jìn)而采用簽入認(rèn)證和批準(zhǔn)請(qǐng)求雙重認(rèn)證系統(tǒng),但還是需要向用戶推送消息,用戶體驗(yàn)不好[10,11].更多的研究,將研究重點(diǎn)放在生物認(rèn)證方面,從指紋識(shí)別到人臉識(shí)別,意圖是解決人腦記憶密碼的桎梏,但由于3D打印技術(shù)的發(fā)展,使得偽造指紋信息十分容易,用戶隱私更加難以保證.人類臉部存在相似性和易變性,識(shí)別算法的適應(yīng)性有待提高,采用人臉識(shí)別又會(huì)影響到登錄性能,所有實(shí)際應(yīng)用較少[12-14].近期,普利茅斯大學(xué)研究采用圖像和數(shù)字編碼代替依賴于硬件或軟件的多因子驗(yàn)證方式或者密碼,此方式便于記憶,開發(fā)成本低,但操作界面多,用戶體驗(yàn)不好,且仍存在猜測(cè)登錄情況.
以上登錄方式存在的缺點(diǎn)是不能很好獲取操作者個(gè)性信息,來解決操作抵賴性問題,不便于網(wǎng)絡(luò)取證.只有將登錄者生物特征信息和操作手機(jī)特性信息有效收集,才能真正避免能發(fā)現(xiàn)冒名登錄而又無法查證的尷尬局面.
所以,本文針對(duì)目前手機(jī)端應(yīng)用軟件登錄系統(tǒng)存在的問題和漏洞,為提高身份認(rèn)證的安全性,提出一種基于Android手機(jī)的安全登錄子系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架.目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)用戶身份驗(yàn)證及用戶登錄行為追溯,防止非法用戶冒名登錄、篡改數(shù)據(jù)和電子欺詐等行為的發(fā)生.在新的登錄設(shè)計(jì)框架中采用多因子認(rèn)證技術(shù),增加登錄者信息和手機(jī)個(gè)性化信息的記錄,為登錄審計(jì)和偽客戶端程序檢測(cè)提供依據(jù),在保證登錄性能基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高手機(jī)登錄系統(tǒng)的安全性.
多因子認(rèn)證是在金融等安全性要求高的應(yīng)用中經(jīng)常使用的一種提升安全的方法,它是在用戶名/口令之外額外增加的一種認(rèn)證措施.
多因子除包含了原有的用戶名、密碼、驗(yàn)證碼外,還可以增加登錄次數(shù)、登錄時(shí)間、手機(jī)驗(yàn)證碼等信息.本文為進(jìn)一步提高安全級(jí)別,又增加了SIM卡信息、手機(jī)IMEI、登錄位置、人臉特征等限制信息.通過多因子認(rèn)證MFA和服務(wù)器審計(jì)分析技術(shù)可以大幅度提升用戶賬戶的安全性和管理靈活性.
首先,通過采集賬號(hào)、密碼、驗(yàn)證碼、登錄次數(shù)等常規(guī)信息來匹配數(shù)據(jù)庫中信息.然后,使用百度地圖API和手機(jī)GPS定位技術(shù)來獲取手機(jī)登錄位置,最后,實(shí)施拍照,采集登錄人臉部信息,常規(guī)信息登錄成功后告知用戶(如:登錄名,登錄時(shí)間,本日登錄次數(shù),本月登錄次數(shù),最后一次登錄時(shí)間等).地理位置和人臉信息隱式后臺(tái)獲取,對(duì)用戶透明,用于用戶登錄審計(jì).由于人臉數(shù)據(jù)和地圖定位在后臺(tái)實(shí)現(xiàn),對(duì)操作用戶而言是透明的,具其具有強(qiáng)隱蔽性,且不能刪除,故能避免非法用戶有針對(duì)性的偽造和破壞.
登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是對(duì)用戶登錄信息進(jìn)行校驗(yàn)和記錄,以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶操作行為的控制,達(dá)到“事前檢測(cè)、事中控制和事后審計(jì)”的安全目標(biāo).應(yīng)用5W1H分析法分析該系統(tǒng)重點(diǎn)要解決的問題包括:Who:誰登錄了系統(tǒng),需要采集個(gè)性化信息(手機(jī)號(hào),人臉數(shù)據(jù)等).Where:在哪里登錄,需要采集地理位置數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、省市、標(biāo)志性建筑等).When:什么時(shí)間進(jìn)行了登錄.What:登錄后做了什么,采集操作對(duì)象數(shù)據(jù)(客體信息和操作).Why:為什么登錄,登錄意圖分析,要進(jìn)行事后分析.How:登錄方法,是正常登錄還是冒名登錄、窮舉攻擊等.
上面是總體分析,再結(jié)合目前登錄系統(tǒng)存在的問題和缺陷,進(jìn)行問題合并、簡(jiǎn)化和求優(yōu),設(shè)計(jì)了登錄系統(tǒng)的核心驗(yàn)證功能,以達(dá)到既能記錄用戶登錄信息、手段、還可以明確系統(tǒng)的損失,分析歸納用戶登錄意圖,從而有針對(duì)性的對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行保護(hù).圖1為安全登錄系統(tǒng)用戶身份驗(yàn)證模型.

圖1 安全登錄系統(tǒng)用戶身份驗(yàn)證模型
用戶注冊(cè)功能是用戶登錄校驗(yàn)的前提.用戶下載企業(yè)級(jí)APP軟件,安裝后運(yùn)行的第一步就是注冊(cè),通過注冊(cè)確定用戶的信息和權(quán)限.用戶注冊(cè)時(shí),首先通過用戶名(可以是郵箱或手機(jī)號(hào)),來保證唯一性.其次,通過字母、數(shù)字、大小寫、特殊符號(hào)等控制密碼強(qiáng)度.最后,采用效率較高的非對(duì)稱加密算法MD5,實(shí)現(xiàn)密碼的密文存放.用戶注冊(cè)信息保存在用戶表中,如表1所示.

表1 用戶信息表
密碼忘記時(shí),用戶通過提供個(gè)性化數(shù)據(jù)(手機(jī)號(hào),身份證號(hào),郵箱等)獲取原密碼或重置密碼,但需經(jīng)管理員審計(jì).本文中注冊(cè)郵箱的作用是用戶注冊(cè)后,激活賬號(hào).找回密碼采用更為安全的手機(jī)驗(yàn)證碼,通過手機(jī)短信發(fā)送給最終用戶.為了保證密碼安全,找回的密碼在登錄系統(tǒng)后,必須修改為新密碼.
登錄驗(yàn)證是登錄過程的核心,校驗(yàn)步驟如下:
(1)用戶輸入賬號(hào)、密碼、驗(yàn)證碼,點(diǎn)擊登錄按鈕.
(2)檢查驗(yàn)證碼和登錄次數(shù)是否正確,如不正確提示或退出應(yīng)用,正確執(zhí)行(3).
(3)從用戶信息表中比對(duì)賬號(hào),正確后獲取用戶密碼、權(quán)限和狀態(tài),如狀態(tài)為已登錄、停用、未激活狀態(tài),則提示用戶.否則,執(zhí)行(4).
(4)將用戶輸入的密碼用AES-RSA混合算法加密和獲取的密碼進(jìn)行比較,如正確根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng),同時(shí)把該用戶的狀態(tài)更新為已登錄.
(5)獲取用戶登錄時(shí)地理信息和頭像,存入登錄審計(jì)表.
登錄日志審計(jì)功能的主要作用是通過記錄登錄者使用的賬號(hào)、登錄時(shí)間、地理位置、人臉數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)嫌疑人跟蹤.用戶登錄行為數(shù)據(jù)保存在操作審計(jì)表中,如表2所示.
通過該日志表,可以瀏覽和統(tǒng)計(jì)某個(gè)用戶時(shí)間段內(nèi)登錄次數(shù)、登錄位置和登錄成功與否等信息,從而幫助用戶自查和管理員審核系統(tǒng)受攻擊程度.拍照和寫日志采用異步進(jìn)程提交,以保證登錄系統(tǒng)的用戶體驗(yàn).本文操作類型只針對(duì)登錄行為審計(jì),用戶如有更高安全要求,也可以擴(kuò)展操作類型的取值,如:登出、付款、轉(zhuǎn)賬等操作.該表數(shù)據(jù)是非法用戶跟蹤的有效憑證,所有一次寫入后,不能做修改和刪除操作.

表2 操作審計(jì)表
微信基本上成為我國(guó)手機(jī)用戶人手一份的“碎片化”社交軟件,由于受眾面廣,不需要運(yùn)營(yíng)商支撐,已逐步取代了短信的作用,所以可以使用企業(yè)短信提醒功能,提示用戶,告知其登錄行為,已減少業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn).
針對(duì)惡意應(yīng)用以偽造目標(biāo)應(yīng)用登錄界面的方式進(jìn)行釣魚攻擊的行為[15],本文使用軟件校驗(yàn)碼技術(shù)來進(jìn)行預(yù)防.在手機(jī)登錄Activity的OnCreate事件中,除了加載指定的布局文件外,還連接到后臺(tái)服務(wù)器讀取該軟件版本所對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)碼.后臺(tái)數(shù)據(jù)庫MySQL的軟件校驗(yàn)碼表中存取了各版本所對(duì)應(yīng)的軟件校驗(yàn)碼.表3是軟件驗(yàn)證碼表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

表3 軟件校驗(yàn)表
軟件驗(yàn)證碼由軟件發(fā)行時(shí)間戳和APK文件字節(jié)數(shù)組合而成,并用非對(duì)稱加密算法MD5加密,一份存在數(shù)據(jù)庫表記錄中,另一份存放在APP應(yīng)用配置文件中.為防止APK被反編譯,可以對(duì)APK進(jìn)行加殼和數(shù)字簽名操作.
用戶登錄前,首先從應(yīng)用的配置文件中讀取加密的軟件驗(yàn)證碼數(shù)據(jù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的軟件驗(yàn)證碼進(jìn)行比較,如正確進(jìn)行用戶校驗(yàn),否則,提示用戶軟件存在異常.
系統(tǒng)中地理位置信息的獲取,需要對(duì)地址進(jìn)行定位和反地址編碼.開發(fā)時(shí)獲取當(dāng)前地理位置可以采用三大地圖API:百度地圖API、高德地圖API、騰訊地圖API.鑒于百度地圖控件更適應(yīng)國(guó)內(nèi)城市地理信息,且資料更新最快,登錄系統(tǒng)中采用百度地圖API實(shí)現(xiàn)LBS定位和反編碼等功能,實(shí)現(xiàn)步驟如下:
(1)注冊(cè)百度開發(fā)者.
(2)獲取 API key.
(3)下載百度地圖SDK開發(fā)包.
(4)在Android項(xiàng)目中引用百度SDK.
(5)在清單文件中添加開發(fā)者密鑰和所需權(quán)限.
(6)布局文件中隱式添加地圖控件.
(7)程序文件中添加地圖事件處理邏輯,獲取用戶所處的經(jīng)緯度信息和標(biāo)志性建筑.
人臉信息獲取主要用于登錄行為審計(jì).通過使用手機(jī)前置攝像頭抓拍用戶臉部信息和操作環(huán)境來幫助系統(tǒng)和用戶能夠隨時(shí)查詢自己的賬號(hào)被冒名登錄的情況.由于系統(tǒng)只是異步采集人臉數(shù)據(jù)而未對(duì)人臉數(shù)據(jù)信息訓(xùn)練和對(duì)比,所有不會(huì)對(duì)用戶登錄性能有所影響.
在Android手機(jī)中使用Camera API實(shí)現(xiàn)人臉信息采集,步驟如下:
(1)在AndroidManifest.xml文件中,增加SD卡外部存儲(chǔ)功能和用戶手機(jī)拍照權(quán)限,并定義自動(dòng)對(duì)焦和攝像特性.
(2)布局文件中添加一個(gè)不可見的surfaceView.
(3)根據(jù)SurfaceView獲得固定器Holder.
(4)設(shè)置固定器的SurfaceHolder.Callback.
(5)打開前置攝像頭開始拍照,Callback里面有拍照數(shù)據(jù),這些byte[]數(shù)據(jù)通過流讀取技術(shù)寫入數(shù)據(jù)庫圖片字段,也可以根據(jù)BitmapFactory變成Bitmap圖片.
每臺(tái)手機(jī)和電腦一樣都有標(biāo)識(shí)自己身份的唯一識(shí)別信息.電腦有CPU號(hào)、硬盤號(hào)、網(wǎng)卡MAC、IP地址等.手機(jī)有硬件標(biāo)識(shí)IME和用戶標(biāo)識(shí)SIM卡.所以,可以采集這些唯一標(biāo)識(shí)來進(jìn)行行為追溯.
IMEI (International Mobile Equipment Identity)國(guó)際移動(dòng)設(shè)備身份碼和每部手機(jī)一一對(duì)應(yīng).由于每部手機(jī)的IMEI號(hào)是唯一的,所有可以作為手機(jī)用戶身份認(rèn)證的個(gè)性化數(shù)據(jù).在Android語言包中,Telephony-Manager類提供了手機(jī)硬件信息的操作方法.操作步驟如下:
(1)在項(xiàng)目清單文件AndroidManifest.xml中增加訪問設(shè)備狀態(tài)的權(quán)限READ_PHONE_STATE.
(2)通過獲取TelephonyManager對(duì)象實(shí)例,調(diào)用getDeviceId方法獲取IMEI.
在模擬器中運(yùn)行時(shí),getDeviceId方法返回總是000000000000000,所以應(yīng)在實(shí)際手機(jī)中測(cè)試.
另外,TelephonyManager類還提供了獲取手機(jī)號(hào)碼,SIM卡號(hào)等方法,這些都可以成為用戶登錄行為追溯的個(gè)性化數(shù)據(jù).
登錄系統(tǒng)中,用戶密碼的可控能力將直接影響到系統(tǒng)可靠性,也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作效率和信任度.為保障用戶賬戶安全性,解決信息竊取問題.采用AES、RSA兩種加密算法的混合算法對(duì)用戶密碼進(jìn)行加密.AES加密算法是對(duì)稱分組加密算法,用于取代DES,其處理效率高,適于明文加密.RSA算法是秘鑰管理算法的代表,是不對(duì)稱加密算法,用公鑰加密,私鑰解密,秘鑰管理性能優(yōu)異.本文綜合發(fā)揮AES和RSA的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)AES-RSA混合加密算法.使用AES對(duì)稱密碼體制對(duì)密文加密,同時(shí)使用RSA不對(duì)稱密碼體制來傳送AES的密鑰,就可以加解密實(shí)現(xiàn).流程如圖2,圖3所示.

圖2 AES-RSA算法加密流程圖

圖3 AES-RSA算法解密流程圖
為驗(yàn)證該改進(jìn)的登錄子系統(tǒng)的可靠性和安全性,筆者結(jié)合西譯通手機(jī)軟件進(jìn)行了部署與測(cè)試.西譯通是畢業(yè)學(xué)生為母校開發(fā)的一款集校園新聞、信息查詢、招生宣傳為一體的手機(jī)APP軟件.該APP主要面向?qū)W生和教師使用.為保證后臺(tái)數(shù)據(jù)安全,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶登錄驗(yàn)證,并記錄了登錄時(shí)間、登錄地點(diǎn)、登錄者頭像等信息,便于操作審計(jì).圖4為該系統(tǒng)部署圖.

圖4 西譯通系統(tǒng)部署圖
由于增加了登錄行為審計(jì),故用戶可以查看時(shí)間段內(nèi)登錄行為的審計(jì)信息,這些數(shù)據(jù)對(duì)所有用戶來說是只讀的,從而可以真實(shí)追溯歷史信息.圖5為用戶某次登錄信息界面截圖(前置攝像頭無時(shí)顯示無照片圖片).
目前,手機(jī)拍照、地理位置獲取等個(gè)性化信息收集功能一般新款手機(jī)自帶安全軟件和360手機(jī)衛(wèi)士中都有體現(xiàn).但一般企業(yè)工具類APP中應(yīng)用較少,只在支付寶中人臉支付功能中體現(xiàn),且客戶無法方便的查詢到詳細(xì)的個(gè)人登錄隱私數(shù)據(jù).隨著手機(jī)應(yīng)用的日益普及和移動(dòng)商務(wù)的飛速發(fā)展,企業(yè)級(jí)APP涉及支付和個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的場(chǎng)景會(huì)越來越多,在此類APP登錄系統(tǒng)中集成這些功能與進(jìn)行二次開發(fā)顯得日益緊迫.本文在西譯通軟件中集成了這些元素,相當(dāng)于在客戶APP中集成了小型個(gè)人安全中心.除用戶自身可以查看自己登錄行為外,后臺(tái)管理員也可以使用后臺(tái)審計(jì)報(bào)警功能,根據(jù)登錄頻度對(duì)比統(tǒng)計(jì)出時(shí)間段內(nèi)登錄異常的用戶,并推送消息給用戶,提示用戶加以檢查和干預(yù).

圖5 登錄詳情界面
下面是與安全性要求較高的手機(jī)銀行APP的登錄安全功能進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果.如表4所示.

表4 登錄系統(tǒng)對(duì)比分析
通過比較分析,本文設(shè)計(jì)的登錄系統(tǒng)相對(duì)于目前手機(jī)中使用的登錄系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)提出了驗(yàn)證與審計(jì)相結(jié)合的安全管理模式.
(2)使用多因子多重驗(yàn)證技術(shù)提高登錄安全級(jí)別.
(3)操作可追溯性和防抵賴性.不僅管理員可以查看用戶登錄行為,用戶自己也可以查看自身賬號(hào)登錄行為.
(4)精細(xì)化的行為審計(jì)查詢和分析.對(duì)管理員提供了針對(duì)不同操作類型、賬號(hào)、時(shí)間段、地理范圍的審計(jì)記錄的查詢和有效分析,及時(shí)找出可能的攻擊行為.
隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,手機(jī)應(yīng)用不斷豐富的同時(shí),用戶信息安全也時(shí)刻面臨新的挑戰(zhàn).為了便于處理已有安全威脅和應(yīng)對(duì)新的未知安全風(fēng)險(xiǎn).本文分析了目前手機(jī)應(yīng)用登錄系統(tǒng)存在的缺點(diǎn),利用手機(jī)定位技術(shù)和拍照特性,設(shè)計(jì)了一款集注冊(cè)認(rèn)證、登錄驗(yàn)證、登錄審計(jì)為一體的用戶登錄子系統(tǒng),有效管理用戶登錄行為,并進(jìn)行了原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和安全性驗(yàn)證.首先,使用軟件校驗(yàn)技術(shù),避免釣魚軟件的使用,然后采用賬號(hào)、密碼、驗(yàn)證碼、登錄次數(shù)等多因子保證登錄事前檢測(cè)和事中控制,又進(jìn)一步使用地圖定位、刷臉技術(shù)、登錄時(shí)間、時(shí)間段登錄次數(shù)等多因子技術(shù),實(shí)現(xiàn)了用戶登錄的事后審計(jì).不足之處是由于地圖API精度和攝像受像素等因素影響,采集的登錄位置和人臉數(shù)據(jù)會(huì)有一定偏差.總之通過驗(yàn)證和審計(jì)相結(jié)合的登錄技術(shù),既可以幫助管理者評(píng)估系統(tǒng)安全性,也可以成為個(gè)人用戶審計(jì)自身賬戶安全的得力助手.該解決方案用戶體驗(yàn)好,性能優(yōu),安全性強(qiáng),為用戶開展基于手機(jī)的商務(wù)活動(dòng)提升了安全級(jí)別.
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