（计算数学专业论文）基于生物特征身份的数字签名方案研究与设计.pdf

摘要 生物特征识别以其独有的优势成为信息安全领域当前所关注的焦点。本文对基于生 物特征身份的数字签名方案进行了研究与设计。 本文首先简单介绍了几种常用的生物特征识别技术，比较了各自进行身份认证时的 优劣性，分析了典型的利用生物特征进行认证的系统可能受到的攻击，然后讨论了一种 基于生物特征的密钥产生技术一模糊提取器，它能从变化的生物特征中稳定地提取出分 布一致的强密钥，为我们利用生物特征进行身份认证提供了新的途径。 本文作者通过模糊提取器从生物特征中提取出具有密码学意义的生物密钥，并将其 应用于随后的数字签名方案中。模糊提取器最初是在本地认证的条件下设计的，随着网 络的广泛应用，对认证系统实时性要求越来越高，它显示出了一些局限，会导致一些安 全问题。 作者首先对模糊提取技术做了详细的介绍，然后提出在非安全信道下进行远程认证 条件下对其的改进意见，然后将改进后的模糊提取器提取出的密钥应用于基于身份的数 字签名方案中。 鉴于单一生物特征在实际应用中呈现出各自的局限性，无法满足实际要求，故而建 立基于多重生物特征的数字签名系统是必要的，本文设计了一种基于多重生物特征的的 数字签名方案。 关键词 生物特征，模糊提取器，多重生物特征，基于身份的签名 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fd i g i t a ls i g n a t u r es c h e m eb a s e d o n b i o m e t r i c s a b s t r a c t ( 英文摘要) b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n ，f o ri t su n i q u ea d v a n t a g e s ，a m o n gal o to fp e r s o n a li d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，b e c o m e st h em a i ni s s u ei nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya tp r e s e n t i nt h i sp a p e r ，t h ed i g i t a ls i g n a t u r es c h e m eb a s e do nb i o m e t r i c si sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d t h ep a p e rf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e ss e v e r a lb i o m e t r i c sc o m m o n l yu s e di nb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m p a r e st h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a tt h et i m eo fa u t h - e n t i c a t i o n ，a n a l y s e ss o m et y p i c a la t t a c k so f ab i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o ns y s t e m t h e nw ed i s c u - s sa na p p r o a c hb a s e do nt h eb i o m e t r i ck e yg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y - f u z z ye x t r a c t o r ，w h i c hc a l l e x t r a c t su n i f o r ms t r o n gk e y sf r o mt h ev a r i a b l eb i o m e t r i c ss t a b l y ，w h i c hp r o v i d e sa n e ww a y t om a k eb i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o nf o ru s t h ea u t h o ro ft h i sa r t i c l ee x t r a c t sc r y p t o g r a p h yk e yw i t hb i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c ef r o mt h e b i o m e t r i c sb yt h ef u z z ye x t r a c t o r s ，a n da p p l i e si tt ot h ei d e n t i t y b a s e dd i g i t a ls i g n a t u r es c h e m e i nt h ei n i t i a l ，f u z z ye x t r a c t o ri sd e s i g n e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h el o c a la u t h e n t i c a t i o n ，w i t h t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ei n t e m e ta n dt h ei n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n d sf o rt h er e a l - t i m e a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m ，i ts h o w san u m b e ro fl i m i t a t i o n s ，w i l ll e a dt os o m es e c u r i t yi s s u e s w ef i r s td oad e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h ef u z z ye x t r a c t i o nt e c h n o l o g y ，t h e ng i v ea n o p i n i o no f t h ef u z z ye x t r a c t o ri m p r o v e m e n t su n d e rt h ei n s e c u r ec h a n n e l s ot h a tw e c a nm a k e r e m o t ca u t h e n t i c a t i o nw i t hi t , t h e na p p l i e st h ec r y p t o g r a p h yk e yw h i c hi se x t r a c t e db yt h e i m p r o v e df u z z ye x t r a c t o ri n t ot h ei d e n t i t y - b a s e ds i g n a t u r es c h e m e s i nv i e wo fas i n g l eb i o m e t r i cs h o w si t sr e s p e c t i v el i m i t a t i o n si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，u n 。 a b l et om e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h e r e f o r e ，ad i g i t a ls i g n a t u r es y s t e mb a s e d o nm u l t i p l e b i o m e t r i c si sn e c e s s a r y ，s oad i g i t a ls i g n a t u r es c h e m eb a s e do nm u l t i b i o m e t r i ci sd e s i g n e di n t h i sp a p e r k e yw o r d s b i o m e t r i c s ，f u z z ye x t r a c t o r s ，m u l t i b i o m e t r i c s ，i d e n t i t y - b a s e ds i g n a t u r e i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本入授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：，赵聋强指导教师签名：玺兰丝 if z 卅c 1 年6 月z 日 矽1 年6 川日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = e 思。 学位论文作者签名：去葺格 p 。7 年多月k 日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字签名的研究背景和意义 在当今的信息化社会里，互联网已深入生活，对社会活动产生了深远的影响，由于 i n t e r a c t 最初是在物理隔离环境下为网络互联专门设计的，随着i n t e r a c t 的广泛普及，网 络分布的广泛性，网络体系的开放性，信息资源的共享性和通信信道的共用性，用户的 暴增，黑客的大量涌现，操作系统及计算机安全漏洞越来越多，随着密码分析学的发展， 对现有网络安全系统攻击手段的多样性，信息安全问题已经成为现代信息社会所关心的 中心议题。 信息安全是一门涉及计算机技术、网络技术、信息论、密码学、应用数学、通信技 术、法律和管理技术等的综合性学科。其中，密码理论是信息安全的核心和基石。历史 上，密码学主要研究加密机制的设计和分析，为信息隐藏和保密通信提供方法。公钥密 码出现以前所用的密码体制的安全性都基于私钥和加密方法的保密、算法是不公开的。 显而易见，这种密码体制的代价昂贵，故而密码学主要应用于军事、政府和外交等机。 在传统密码中，用于加密和用于解密的密钥是相同的，因此通常使用的加密算法比较简 单、高效、密钥简短、安全性高。但是，传递和保管密钥是一个严峻的问题。 1 9 7 6 年d i m e 和h e l l m a n 发表了著名的密码学的薪方向( n e wd i r e c t i o n si n c r y p t o g r a p h y ) i 1 】一文，提出了“公钥密码系统( p u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m ) ”，证明了在 发方和收方之间不需要传递密钥的保密通信是可能的，开创了密码学的一个新时代。 为了适应计算机通信和电子商务迅速的发展，密码学的研究领域逐步从消息加密扩 展到数字签名、消息认证、身份识别、防否认等新的课题，并且他们之间相互交叉形成 一些新的学科，本文主要研究基于生物特征身份识别的数字签名系统。 现实中，一般的书信或者重要文件是根据亲笔签名或印章来证明其真实性的。在网 络环境下，需要存储、传输大量信息。信息的接受方可以伪造一份报文，并声称是由发 送方发送过来的，从而获得非法利益；同样的，信息的发送方也可以否认发送过报文， 或者对收到的信息进行篡改，从而获得非法利益；另外，网络上的某个用户可能冒充另 一个用户接收和发送报文。因此需要新的信息安全服务技术来保证传输信息的真实性， 解决通信双方的争端，这种技术就是数字签名技术【2 】。 1 第一章绪论 1 2 基于身份的数字签名及生物特征身份在其中的应用 传统的签名机制中，私钥是由用户自己保存并使用的，而公钥是以数字证书的形式 保存，在加密或验证时使用。签名入的公钥可以是任意整数或若干位随机比特串，这导 致了一个问题：如何才能将公钥与签名人的身份联系起来。一般的方法是，由可信机构 或者认证中心为每一个公钥发行一个公钥证书，对用户的公钥及身份进行签名。基于证 书的系统中，人们首先必须确认证书的正确性，合法性，有效性，然后才可以使用某个 用户的公钥，这需要较大的存储空间来存储用户的公钥证书和较多的时间开销来验证用 户的公钥证书。为了克服这个缺点，提高密码系统的效率，s h a m i r 在1 9 8 4 年提出基于 身份的密码体制的概念，同时给出一个基于整数分解困难性的签名方案【3 】。在基于身份 的密码体制中，用户的公钥可以是用户的姓名、地址、e m a i l 、有效证件号码等，用户 的私钥由认证中心产生。基于身份的密码体制使得任意两个用户都可以安全通信，不需 要交换公钥证书，不必保存公钥证书列表，也不必使用在线的第三方，只需要一个可信 的密钥发行中心为每一个第一次接入系统的用户发行一个私钥就行了。 在传统的基于身份的数字签名方案中，一个特定的用户，例如“c l a u d es h a n n o n ”， 到一个认证中心获得与其身份对应的私钥，需要向权威机构“证明”该身份就是他本人 的，需要提交能够证明其身份的相关的证书，仍然涉及到证书的管理，这也是很大一笔 时间和空间的开销。相比较，将生物特征作为身份，可以节省许多空间和时间，由于从 生物特征提取密钥是最直接、最安全的方法，签名者无需向权威机构证明自己的身份， 而且由于个人生物特征所具有的唯一性，由生物特征提取出的密钥也是唯一的。 1 3 生物特征身份识别 网络中个人身份的认证显得很重要，被认为是涉及到很多信息安全服务技术的基础。 在诸多的个人身份认证技术中，生物特征识别以其独有的优势成为信息安全领域当前所 关注的焦点，被描述为解决个人身份认证所面临的种种挑战的灵丹妙药( t h ep a n a c e af o r i d e n t i t yv e r i f i c a t i o n ) 【4 】。 生物特征是一个人区别于他人的显著特点，诸如脸型、指纹、掌形、声音、虹膜、 红外热等先天性的特征是生理特征；而签名、击键、步态等通过后天的学习或发展而形 成的特征是行为特征。生物特征具有安全、保密、方便、不易遗忘、防伪性能好、不易 2 西北大学硕士学位论文 伪造或被盗、随身携带和随时随地可用等优点。生物特征特有的稳定性、唯一性，在安 全、认证等身份识别领域有广泛的应用。在很多国家，个人的身份证明文件中嵌入了持 有人的生物特征信息，特别地，恐怖主义盛行的今天，很多国家在开发生物特征护照。 国际民用航空组织i c a o l 5 ( i n t e r n a t i o n a lc i v i la v i a t i o no r g a n i z a t i o n ) 明确地提议，在其 成员国公民的旅行证件中加入面部图像和可选指纹或虹膜的生物识别方式。由m i c r o s o f t 、 i b m 、n o v e l 等公司发起成立的b i o a p i 联盟【6 1 ( w w w b i o a p i o r g ) 已有2 0 多年的历史， 其目标是制定生物特征识别应用程序接口( a p i ) 工业标准。生物识别技术及相关问题 比如个人生物数据的保护得到了前所未有的关注f 7 】o 生物特征识别技术是如此的诱人，但是在实际应用中，有很多问题需要克服，基于 生物特征识别技术的身份认证只是在较低层次上简单地将生物特征与密码学结合，基于 生物特征的密钥产生技术是生物特征与密码学结合的更高层次，并在开放式的网络中进 行远程认证是本文要实现的目标。 目前，对生物特征身份认证有很多的研究，大体集中于2 个方向：( 1 ) 基于传统 的生物特征识别技术【8 1 。注册阶段，用户提交自己的生物特征数据，并保存在生物特征 模板上；验证阶段，用户再次提交自己的生物特征数据，与生物特征模板存储的数据进 行比较，由二者的匹配度来决定是否是合法用户，是否进行认证过程。( 2 ) 基于生物 特征的密钥产生技术。m o n r o s e 9 】等最先着手这一问题，基于击键动力学，从用户击键 模式提取出二进制串，然后与用户口令相结合形成一个更强健的口令；h a o 和c h a n 由 在线手写签名设计了一个密钥生成系统1 1 0 ；另外，对其他生物特征的密钥生成算法也 有不少研究，如从指纹中提取生物特征密钥【l l 】；从虹膜中提取生物特征密钥【1 2 ；从语音 中提取生物特征密钥1 1 3 】；从面部提取生物特征密钥【1 4 】。 d o d i s ，r e y z i n 等提出的模糊提取器【1 5 】( f u z z ye x t r a c t o r ) 是一种基于生物特征的密 钥产生技术，它能够从变化的生物特征中稳定地提取出分布一致的密钥。该方案利用纠 错码技术，能够恢复出用户初次提交的生物特征，从而解决生物特征提取中的生物特征 的可变性与密码学要求的稳定性间的矛盾。从生物特征中提取出的随机的二进制串称为 生物特征密钥。 3 第一章绪论 1 4 生物特征识别技术 生物特征识别技术，是基于个人独特的生物特征进行身份鉴别的技术。生物特征身 份识别是一种可靠的、方便的、快捷的身份识别手段。在日常生活中，我们通过声音、 面貌、步态等特征辨认出一个熟悉的人或者只是偶尔见过的陌生人，这就是一个无意识 的生物特征认证过程。 理想状况下的生物特征，应该具有以下性质【16 】： ( 1 ) 普遍性，理想状况下，所有的人都具有该生物特征； ( 2 ) 独特性，在所有人口中，每个人的生物特征都是互异的； ( 3 ) 稳定性，理想状况下，该生物特征是永远不变的，或者在其类内有一个较小的 变化； ( 4 ) 可采集性，在一定条件下，该生物特征可以被准确地获取。 生物特征除了要满足上述性质，在实际的应用中，还必须考虑下列凼素【17 】： ( 1 ) 性能，所有会影响到一个生物特征系统的准确性以及运算速率的因素； ( 2 ) 可接受性，即人们对于某一生物特征被采集及使用的接受程度； ( 3 ) 可靠性，一个系统抵抗潜在威胁和欺骗攻击的能力； ( 4 ) 异常处理，当出现对一个人异常的生物特征提取和模式使用，系统完成一个人 工的匹配过程的能力； ( 5 ) 系统成本，在适当和正常的使用情况下，系统所有组成部分的成本。 目前常用的生物特征身份识别的技术如下： 1 指纹识别 指纹识别，是一种古老的生物特征识别技术，据考证，大约在4 0 0 0 多年前指纹的 独特性质就已被人们所熟知，1 6 8 4 年，植物形态学家g r e w 发表了第一篇研究指纹的科 学论文。18 8 0 年，f a u | d s ，h e r s c h e l 开始了真正意义上的指纹研究，提倡将指纹用于识 别罪犯【1 8 】。随着计算机和信息技术的发展，f b i 和法国巴黎警察局于六十年代开始研究 开发指纹自动识别系统( a f l s ) 用于刑事案件侦破。 指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不 同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点，称为指纹的细节特征点。指纹识别是 目前造价最低，易用性最高，应用最广泛的身份认证技术，在当今生物特征识别市场中 4 西北大学硕士学位论文 占有超过一半的份额。 2 虹膜识别 虹膜是一个位于瞳孔和巩膜之间的环状区域。虹膜识别技术是2 0 世纪9 0 年代中后 期得到迅速发展的一类生物识别技术，与其它的生物特征相比，虹膜识别具有：( 1 ) 虹 膜图像通过非接触方式获取，可以避免疾病传播，容易被人接受；( 2 ) 虹膜纹理结构不 易被伪造；( 3 ) 虹膜纹理结构复杂，组成一个虹膜的可变项达到2 6 0 项，这使得虹膜的 结构千奇百怪，能够成为独一无二的标识，因此虹膜识别被认为是可靠性最高的生物测 定识别技术。1 9 9 3 年，剑桥大学的d a u g r n a n 提出了基于2 dg a r b o r 变换的虹膜识别方 法1 1 9 , 2 0 2 1 1 ，主要思想是，先构造二维g a b o r 滤波器，然后用它对图像进行滤波，获得相 位信息之后，根据相位所在的象限编成2 5 6 字节的相位码，d a u g m a n 的工作使得自动的 虹膜识别成为可能。目前的虹膜识别系统只能在近距离采集和识别静态用户的高质量虹 膜图像，远距离虹膜识别和运动中虹膜识别概念和方法的提出，机器主动适应人是虹膜 识别技术发展的必然趋势【2 2 1 。 3 人脸识别 人脸识别，利用分析比较人脸视觉特征信息进行身份鉴别的计算机技术，人脸识别 的优势在于其自然性和不被被测个体察觉。尽管人脸识别有很多其他识别无法比拟的优 点，但是它被认为是生物特征识别领域和人工智能领域最困难的研究课题之一。较好的 解决办法是利用三维信息进行人脸的识别。三维信息能够更精确地描述人的脸部特征， 三维信息的获取不易受光照的影响，利用三维曲面的配准算法能很好地克服姿态变化的 影响，通过三维模型合成的面部动作在一定程度上也能克服表情变化的影响，因此，基 于三维信息的人脸识别是一种较鲁棒的识别技术，能有效地克服基于二维图像进行识别 所遇到的困难 7 1 。 除采用c c d 摄像机来捕捉人脸图像外，现在的发展趋势是热成像技术( f a c i a lt h e r m o g r a m ) 。这种技术是通过分析由脸部的毛细血管的血液产生的热线来形成脸部图像。热 成像技术并不需要较好的光源条件，并可更好地排除脸部变化的干扰。 4 手形识别 手形，即手的外部轮廓，手形特征稳定性高，不容易随着外部环境变化，使用方便， 故而得到了广泛的应用。手形识别技术根据用于获取指形特征所扫描的手指数量的多少 5 第一章绪论 发展了三种技术，扫描整个手的手形的技术，仅扫描单个手指的技术，结合前两种技术 的扫描食指和中指两个手指的技术。 5 声音识别 声音识别技术是根据用户提供的话音进行分析，从而完成身份认证和个体识别的技 术。目前，虽然已经有一些声音识别产品进入市场，但是不太适用于实际需要，因为声 音因为变化的范围太大，故而很难进行一些精确的匹配【2 3 1 。 6 笔迹识别 签名识别是一种行为识别技术，困难性在于数据的动态变化范围大，即使是同一个 人的两个签名也绝不会完全相同。笔迹鉴别主要分为在线( o n 1 i n e ) 和离线( o f f - l i n e ) 两类。离线笔迹鉴别的对象是写在纸上的字符，通过扫描仪等机器捕获，然后转化为计 算机可处理的信号。在线的笔迹鉴别则通过专用的数字板或数字仪实时地采集书写信息， 它不仅可以采集到笔迹序列并转化成图像，而且可以记录书写的压力、速度等信息，可 为笔迹鉴别提供更丰富的信息【2 4 ，2 5 1 。 7 掌纹识别 掌纹是指手指末端到手腕部分的手掌图像。其中很多特征可以用来进行身份识别， 如主线、皱纹、细小的纹理、脊末梢、分叉点等。掌纹识别也是一种非侵犯性的识别方 法，用户比较容易接受，对采集设备要求不高。 8 步态识别 步态是指人们行走时的姿态，是一种复杂的行为特征。尽管每个人的步态不一定都 各不相同，但也提供了充足的信息来鉴别个人的身份。步态识别的输入是一段行走的视 频图像序列，因此其数据采集与脸像识别类似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于 序列图像的数据量较大，因此步态识别的计算复杂性比较高，处理起来也比较困难【2 6 1 。 每种特征都有其优越性和弱点，没有一种生物特征能够满足所有的应用需求，选择 一个特定的生物特征主要依赖于具体的应用。 1 5 生物特征身份认证系统可能受到的攻击 生物特征数据在进行身份认证以及作为密钥使用时，会遇到很多安全性的问题， t u y l s 和g o s e l i n g 提出了一些意见，用来保护生物特征数据以实现安全生物认证，对于 6 西北大学硕士学位论文 分布式生物特征系统安全性的考虑，基于下面一系列在现实中会面临的挑战【2 7 1 ： 1 注册阶段，在可信的的认证机构上执行( c e r t i f i c a t i o na u t h o r i t y ) ，认机机构对个 人的生物特征数据和数据库提供保护。 2 生物特征数据数据库是容易受到外部和内部( 恶意的验证者) 的攻击。 3 验证阶段，一个攻击者可以从传感器上获得合成的生物特征来源。 4 认证阶段，所有获取和处理的数据是有篡改性的。 5 传感器和验证中心之间的通信信道是公开的和验证的。 一些典型的对密码系统的攻击有【2 8 】： 重放攻击：攻击者监听到一个从声称者到验证者的一个合法认证消息，然后立即或 事后冒充声称者将该消息重放给验证者。 中间人攻击( m a n i n t h e m i d d l ea t t a c k ，简称“m i t m 攻击”) ：中间人攻击是通过各 种技术手段将受入侵者控制的一台计算机虚拟放置在网络连接中的两台通信计算机之 间，这台计算机就称为“中间人。然后入侵者把这台计算机模拟一台或两台原始计算 机，使“中闯人”能够与原始计算机建立活动连接并允许其读取或篡改传递的信息，然 而两个原始计算机用户却认为他们是在互相通信。 平行会话攻击：在攻击者的控制下，一个协议的两个或者多个的运行并发执行，平 行会话使得从一个运行可以得到另外一个运行中困难性问题的答案。 反射攻击：当一个诚实的主体给某个特定的通信方发送消息时，攻击者截获该消息， 并将该消息返回给消息的发送者。攻击者返回消息时，可能会对消息修改，使得消息发 送者意识不到该消息是反射回来的。 一 归因于姓名遗漏攻击：如果与消息相关的主体的名字不能从消息中推断出来，则攻 击者利用此缺陷所发动的攻击。 密码服务滥用攻击：协议中的密码算法没有正确地保护，从而在协议中缺少所需要 的密码保护。 归因于类型缺陷攻击：攻击者欺骗某个主体，使得他把一次性随机数、时戳或者身 份等信息嵌入到某个密钥中，导致协议安全性被破坏。 另外还有规避，欺骗，共谋，强迫，拒绝服务等类型的攻击【2 9 1 。这些攻击不仅普通 的加密系统容易遭受，生物特征识别系统也不能幸免，生物认证系统可能受到如下的几 7 第一章绪论 类主要攻击【3 0 】： 1 、假冒攻击( 向生物认证系统的传感器提供伪造的生物样品) ：假冒攻击是一个非 授权的攻击者向服务器提供假手指，假面相，假虹膜等生物特征。 2 、重放攻击：将已经注册和存储于数据库中的生物特征数据重新提交给系统。 3 、对特征提取过程的攻击：通过预先设定的带有木马的模板从特征提前过程中获 得生物特征信息。 4 、篡改生物特征表达：在特征提取和模式匹配的传输阶段，一个伪造的特征取代。 了由提取器获得的初始特征。 5 、攻击注册中心：注册中心也容易受到欺骗性诸如以上几类的攻击。 6 、对注册中心和特征数据库间信道的攻击：在传输阶段，一个伪造的生物特征模 板会代替在注册时生成的模板。 7 、对匹配器的攻击：对匹配提取模板运用一个预先选定的带有木马的程序来攻击， 当匹配器受到攻击时，会产生比实际值偏高或者偏低的匹配判决结果。 8 、模板攻击：最初存在于数据库的一个模板，可能会被修改并在随后的认证过程 中使用。 9 、对特征模板与匹配器间通信的攻击：存储的特征模板通过信道传送到匹配器时， 可能会在到达匹配器前被篡改。 1 0 、跨越判决结果：攻击者越过整个生物特征认证系统并且替换判决结果。 1 1 、对应用的攻击：对生物特征系统的应用接口也是一个攻击点，因此现在的安 全系统应该减少受此类攻击的风险。 生物特征解决了传统的用户名加口令认证方式的种种局限性，但是生物特征在随时 间流逝而不断的变化。此外，人们在进行采集生物特征数据时常常有很大的不确定性。 为了解决生物特征认证中固有具有的变化性，最初，生物特征系统直接存储着用户 的原始生物特征数据或者经过简单加密的特征模板。这种情况下，用户使用这种认证系 统会有很大的风险，一旦生物特征系统被攻破，人们的生物特征数据就会失密，后果难 以想象，因此生物特征的应用发展缓慢，难以广泛普及。因此，传统的基于生物特征识 别的生物特征认证方式具有很大的缺陷，需要新的技术来消除这些缺点。 8 西北大学硕士学位论文 第二章生物特征密钥产生技术一模糊提取器 本章中，作者首先对基于生物特征的密钥产生技术一模糊提取器，做了详细的介绍， 然后提出在非安全信道下进行远程认证时对其的改进意见，得到了一个改进的模糊提取 器。 生物特征具有噪音而且不是均匀分布的，而传统的密码学要求密钥具有唯一性和均 匀分布性，所以从生物特征中提取出均匀分布的二进制串并将其直接作为密码学上的密 钥，是将生物特征应用于密码学的必要条件，但是生物特征的可变性和密码学所要求的 准确性产生了矛盾。2 0 0 4 年，d o d i s 等提出了一种基于生物特征的密钥产生技术一模 糊提取器( f u z z ye x t r a c t o r ) 1 5 】，来解决生物特征的变动性和密码学的准确性之间的矛盾。 2 1 生物特征密钥的产生及其面l 临的问题 密码学中通常以均匀分布的随机串作为密钥。生物特征系统中，特征数据几乎不可 能在两次对生物特征的读取中完全一致，在系统传输、处理数据时也可能造成生物特征 数据的微小改变。 生物特征密钥存在以下的问题：( 1 ) 个人的生物特征在获取和提交时会不断的变化， 而传统密码系统的基础是用完全一致的密钥进行加解密。( 2 ) 对现有生物特征识别中采 用的一些技术也不能完全移植于密码系统【3 1 】。( 3 ) 社会的认知度也是一个问题，出于对存 储生物特征数据中心安全性考虑，个人的疾病及基因缺陷可能被泄露，很多用户不愿意 将自己的生物特征数据存储在数据库内。 将生物特征与密码学结合的主要困难是：生物特征数据是不断变化的的，当再次提 取生物特征时所得到的数据，只是相似于初始提取的生物特征数据。但是作为密钥的数 据必须是完全一致的，否则密码系统无法运行。因此，需要一种协议级的方法来结合密 码学与生物特征数据。 目前，已经有很多工作致力于研究如何从生物特征模板中提取一致的密钥，其中有 一致的表述和相似性措施：联机手写签名 3 2 】，指纹【3 3 】，虹膜模式 1 0 ，语音功能， 脸形识别【34 1 。然而，与既定的加密技术相比较，这些工作不能提供足够的严格的安全 性，其中一些工作只是对生物特征信息熵进行了分析，以及对生物特征系统进行蛮力攻 击所需的工作量进行了估计。 9 第二章生物特征密钥产生技术模糊提取器 2 2 模糊提取器1 1 5 1 生物特征数据具有下列特征：( 1 ) 不能完整的被再次产生，( 2 ) 非均匀分布的。在模 糊提取技术中，提出了两个概念：安全模型，模糊提取器。模糊提取器可以从输入的生 物特征中提取出接近于均匀分布的随机数据。由于提取过程具有纠错能力，在满足一定 度量的条件下，当再次输入的生物特征相比较于最初的输入，小于最大阙值的变化时， 所提取出的随机数据是一致的，因此该数据可以应用于密码学系统。 2 3 安全模型与模糊提取器 j u e l s ，w a t t e n b e r g 在编码理论的基础上得到了模糊承诺方案【3 5 】。在此基础上，d o d i s ， r e y z i n 等提出了安全模型和模糊提取器，在安全模型上增加一个强提取器就可以得到模 糊提取器 1 5 , 3 6 。 2 3 1 模糊承诺方案 模糊承诺方案：模糊承诺方案( f u z z yc o m m i t m e n ts c h e m e ) 用证据f 来承诺码字 ( c ， o ，1 ) “) 。f 由码字c 与偏移量万 0 ，1 ) ”表示：- c + 6 。其基本思想是，由标准的h a s h 函数( 如s h a l ，m d 5 ) 隐藏码字c ，万公开。万向，提供具有弹性的信息以打开承诺。万 提供f 的一部分信息，另一部分用来恢复f 的信息码字c ，码字空间i c l = 2 ，包含在 码字c 中的信息量，就是包含在 ( c ) 中的证据，的信息量取决于j j ( c 中码字的数量) 。因 此，码字数量越大，f 包含在 ( c ) 中的信息量也越大。相反，万中的信息量决定了模糊 承诺方案的弹性。若提交一个证据i 接近于i ，我们可以用万来将，朝f 转化，以恢复承 诺的码字c 。 模糊承诺方案的定义： 假设力： o ，1 ) ”一 o ，1 ) ”是一个h a s h 函数( 如骈妇一1 ，m d 5 ，) 。模糊承诺方案f ： o ，1 ) “， 0 ，1 ) ”) o ，1 ) ”， 0 ，1 ) “) ：f ( e ，f ) = ( 矗( c ) ，一c ) 为了用，解开承诺f ( c ，f ) = ( z ，万) ，接收者计算c = 矽= 讹+ 圳，若z = h ( c ) ， 则承诺f 被解开( c 7 ：提取出的承诺) 。若z h ( c ) ，那么，是错误的证据。如果d 是有效 的解码函数，解承诺过程就是有效的。 1 0 西北大学硕士学位论文 生物特征认证中，f 代表生物特征模板，c 代表隐藏于生物特征模板中的秘密密钥。 用户只要提交一个与f 足够接近的受到破坏的特征图像，就可以释放该密钥。为了隐 藏证据f ，码字c 应该从较大的空间c 中选取。 安全模型：安全模型是一个概率函数，由生物特征值的输入形输出一个公开的串 p u b 和一个提取的串。理论上，p u b 值不会泄露形的任何信息。当输入一个与形在某 种度量下( 如汉明距离) 足够接近的形时，矽值就可以被完全正确地重构出来。尽管 公开的p u b 值会降低输入矽的熵，但在一个理想的安全模型中，形的熵的降低可以忽 略不计的。故而，我们可以通过公开信息p u b ，从近似于秘密信息形的数据中恢复 出形。 2 3 2 安全模型 一个( m ，m ，m ，k ) 安全模型用一对函数 来表达，s s ：m - - - y 0 ，1 ) 。 镕：随机化的提取函数，输入w ew ，输出冗余信息p e 0 ，1 ) ，使得对所有的m 上 的平均最小熵为h 。【形】m 的随机变量形，己知s s ( w ) ，i t 的平均最小熵满足 h * 形i s s ( w ) 】m r e c ：确定性恢复函数，允许从w 的模型s s ( w ) 和任意接近于w 的向量w ，恢复出 l i e ：对于任意的w ，w m ，满足d i s ( w ，w ) t ，有r e c ( w ，鼹俐= w 。 2 3 3 模糊提取器 一个( m ，r r t ，z ，k ，) 模糊提取器用函数 表述： g e n ：随机化的生成函数，输入w e 矽，生成“提取的串”r e 0 ，1 ) 7 和“公开的串” p u b ，对m 上的满足儿 】m 的随机变量矿，若 卜g e n ( w ) ，则 - 妨( ， ) 。 r e p ：确定性重构函数，对于输入的w w e 形以及一个“公开的串”p ，输出一个串 r 0 ，1 ) 7 。对任何满足d ( w ，w ) t 的w ，w m ，如果 4 - - g e n ( w ) ，则 r = r e p ( w i 。p ) o 第二章生物特征密钥产生技术模糊提取器 我们把g e n 改写为g e n ( w ，彳) ，表示作用于输入矽的随机比特串x 。 模糊提取器可以从w 中提取出“随机的串”只，然后从近似于w 的串中恢复出冗。 这一恢复过程是在初次从w 中提取r 时产生的“公开串的”p 的作用下实现的。 2 3 4 强提取器1 1 4 3 6 l 强提取器是一随机化函数，它能将有足够最小熵的非均匀分布的输入值转换为近似 均匀分布的输出值n 4 。一个有效的( 以，m ，s ) 强提取器是一个多项式时间的随机化函数， e x t ： o ，1 ) “- - - 9 o ，1 ) 。对于随机分布w o ，1 ) ”( 最小熵为m ) ： s d ( ， ) 占，( 。 ) 。 e x t ( w ，x ) ：用均匀分布的随机比特串x 作用于w ；- o ，1 ) 7 ( ，比特二进制串的均匀分 布) ；随机变量x 与形，u ，相互独立，并且是均匀分布的。 ( s d ( a ，皇) = 三1 ，l e ( 彳= v ) 一只( j 6 f = v ) l ，表示概率分布彳，b 之间i ! f 勺统计距离。) 2 3 5 从安全模型构造模糊提取器 设m 是一个有限维的度量空间，它由具有生物特征的数据点和距离函数 d s ：m m _ z + 组成。我们从安全模型中构造模糊提取器【1 5 州。 设 是一个( m ，m ，m ，) 安全模型。e x t 为一个( 刀，m ，占) 强提取器。则如下 的 是一个( m ，m ，f ，占) 模糊提取器。 g e n ( w , 置，置j ：令尸_ ，r = e x t ( w ，置) ，输出 r e p ( w , e , 置夕：恢复w = r e c ( w , p ) ，并输出r = e x t ( w ，五) 。 为了度量生物特征输入的变化，d o d i s 引入了3 种度量；汉明距离( h a m m i n g d i s t a n c e ) ，集合差异( s e td i f f e r e n c e ) ，编译距离( e d i td i s t a n c e ) 。汉明距离表示在只和尺 字符串之间对应位置的不同字符的个数，是所有度量方式中最简单、方便的一种度量， 下面我们在汉明距离下构造模糊提取器。 2 3 6h a m m i n g 距离下模糊提取器的构造 ；i 生h a m m i n g 距离下，在空间m = o ，矿上构造安全模型和模糊提取器【1 5 3 6 1 。 1 2 西北大学硕士学位论文 码字偏移量构造，设c ： o ，1 寸 0 ，1 ) ”是一个二进制的( ，? ，k ，2 1 + 1 ) 纠错编码；设 d ： 0 ，1 ) ”一 0 ，1 ) 是与c 对应的解码函数。模糊承诺方案通过公布缈0c ( x ) 来达到对x 的模糊承诺。我们通过模糊承诺方案得到一个安全模型构造：对随机数 o ，l r x ，设： s s ( w ；x ) = w o c ( x ) d 可以纠正f 个错误，设尸= 形oc ( f ) ，并且d b 胁( w ，) t ，则有d ( w 0p ) = x 。 不妨设r e c ( 形，尸) = p c ( d ( w 0 尸) ) 。于是我们得到定义在h a m m i n g 空间m = 0 ，1 ) ”上 的( m ，m ，m + k - n ，f ) 安全模型： s s ( w ，x ) = w 0c ( x ) r e c ( w ，p ) = p c ( d ( w o 尸) ) 设a 为联合变量( x 、，当以( 形) = m 时，有最小熵m + k 。由于s s ( w ) e 0 ，1 ) ”， 有a 。( w ，x l s s ( w ) ) m + k 一船。现给出s s ( w ) ，w 和x 相互唯一确定，则 h 。( w ，x l s s ( w ) ) m + k - n 成立。 由安全模型到模糊提取器，如下： g e n ( 眦p ，其中芰三嚣獬于鹏“釉 尺e p ( w , t , x ) o 尺， 其中羹笔；芸罾 本章主要了介绍了从多变的生物特征中提取固定的随机均匀的二进制串，即生物特 征密钥的方法。通过模糊提取器从生物特征中提取出随机的字符串r ，可以作为已有密 码系统中的加密认证密钥。 2 4 改进的非安全信道下的模糊提取器 由上可知，d o d i s ，r e y z i n 和s m i t h 提出的模糊提取器允许对生物特征密钥的恢复， 它包括两部分：( 1 ) 安全模型生成算法，即编码。输入初始生物特征模板x ，输出公开 信息p u b 。( 2 ) 生物特征模板算法，即解码，由另外一个生物特征模板】，和公开信息p u b 并输出x 。若彳和】，在某种度量下足够的相似，我们有x = x 。此方案最重要的一点 1 3 第二章生物特征密钥产生技术模糊提取器 要求是公开信息p u b 不能过多的泄露生物特征模板x 的信息。d o d i s 提出了一个概念一 熵损失，表示尸幻提供给对手猜测x 的信息的度量。由于生物特征模板工分布的多样 性，熵损失也是多变的，关于这方面有很多的讨论【3 0 川。 在此我们认为安全模型和模糊提取器是安全的，p u b 提供了重构生物特征所需要的 信息，p u b 值一般是公开的，它可以被网络中的任何用户获得，既便如此，我们也认为 安全模型和模糊提取器都是安全的。在开放网络中进行远程生物认证时，当生物特征在 网络上传输时，会产生下面的问题：我们假定主动攻击者没有破坏由模糊提取器产生的 公开信息p u b ，一个用户利用他的生物特征数据矽生成一个随机的密钥串尺，一个公开 的串尸动，然后将尸曲存储在磁盘介质上( 也许是不可信的) ，密钥r 用来加密文件做 长期的保存。在稍后的时间点，用户得到一个新的生物特征数据形，然后从磁盘获取 公开的串户动来恢复密钥尺，然后可以对文件进行解密。在此存在的问题是：用户可能 连接到一个非安全的信道，恢复性函数r e p 收到