（计算机应用技术专业论文）基于公钥的新型kerberos域间认证方案的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机网络对资源共享的有效实现，网络信息安全问题也变得尤为突出。 为了保证信息的保密性、完整性、可用性，我们必须对网络认证技术更加重视。认 证技术用于防止对系统进行的主动攻击，如伪装、窜扰等，在维护开放环境中各种 信息系统的安全性尤为重要。 k e r b e r o s 认证是近年来研究较多、应用较广、较为成熟的基于可信赖第三方 k d c 的认证协议。k e r b e r o s 认证协议采用对称密钥加密，这种认证方式有效的实现 了网络通信方的身份认证手段，而不依赖主机操作系统和地址。虽然k e r b e r o s 协议 在一定程度上保证了网络安全，但是由于其自身的缺点，使得k e r b e r o s 协议的应用 受到很大的限制。本文分析了其局限性和自身弱点，提出了改进方案，力求建立一 个相对安全可靠、简单的身份认证模型。 本文描述了一种基于公钥加密的新型k e r b e r o s 域间认证方案。鉴于以往 k e r b e r o s 域间认证方案中，域问存在密钥数量庞大和系统安全性不够强等问题，引 入了中介k d c 和公钥加密体制对k e r b e r o s 域间认证方案进行改进。改进方案中，通 过对比公钥加密算法，我们引入了椭圆曲线加密体制。方案里中介k d c 和与之相关 的非中介k d c 共享对方公钥。通过性能分析、安全性分析可知，该方案对系统的安 全性有进一步提高，也使得密钥的管理和维护更容易。 关键词：k e r b e r o s 域问认证；。公钥加密；中介k d c a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ec o m p u t e rn e t w o r kr e a l i z i n gt h er e s o u r c e ss h a r i n ge f f e c t i v e l y , n e t w o r k i n f o r m a t i o ns e c u r i t yp r o b l e mh a sb e c o m ep a r t i c u l a r l yp r o m i n e n t i no r d e rt oe n s u r et h e c o n f i d e n t i a l i t y , i n t e g r i t y ，a v a i l a b i l i t yo ft h en e t w o r ki n f o r m a t i o n ，w es h o u l dp a ym o r e a t t e n t i o nt on e t w o r ka u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g y a u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yi sm a i n l y u s e dt op r e v e n tt h ei n i t i a t i v ea t t a c k so ft h eo p p o n e n t st ot h es y s t e m ，s u c ha sc a m o u f l a g e a n dt a m p e r i n ge t c i na no p e ne n v i r o n m e n t ，t h es e c u r i t yo fa l lk i n d so fi n f o r m a t i o n s y s t e mi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t k e r b e r o sa u t h e n t i c a t i o ni sam o r ew i d e l yu s e dr e c e n t l y k e r b e r o sa u t h e n t i c a t i o ni s b a s e do nt h et h i r d p a r t ya u t h e n t i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hi sas e c u r e ，r e l i a b l e ，t r a n s p a r e n c e a n de x p a n s i b l ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e m k e r b e r o sa u t h e n t i c a t i o ni sb a s e do ns y m m e t r yk e y c r y p t o g r a p h y i tp r o v i d e st h em e t h o df o rt h et w op a r t i e so ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s t oa u t h e n t i c a t ee a c hi d e n t i t y , w h i c hd on o td e p e n do nt h es y s t e ma n di pa d d r e s so ft h e c o m p u t e r h o w e v e r , d u et oi t so w nd i s a d v a n t a g e ，t h ek e r b e r o sp r o t o c o l sa p p l i c a t i o n s m a y b eg r e a t l yh i n d e r e d o v e r v i e wo fa n a l y s i so fi t so w nl i m i t a t i o n sa n dw e a k n e s s e s ，w e t r yt oi m p r o v ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mt os e tar e l a t i v e l ys e c u r e ，r e l i a b l ea n das i m p l e m o d e lo fi d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，an o v e lk e r b e r o sc r o s s r e a l ma u t h e n t i c a t i o ns c h e m eb a s e do np u b l i c k e ye n c r y p t i o ni sp r e s e n t e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fe n o r m o u sk e y si n k e r b e r o sc r o s s r e a l ma u t h e n t i c a t i o na n dt h el o ws e c u r i t y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e i n t e r m e d i a r yk d ca n dp u b l i ck e ye n c r y p t i o nt oi m p r o v et h ek e r b e r o sc r o s s - r e a l m a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m i nt h i si m p r o v e ds c h e m e ，e c ci su s e d ，b o t ht h ei n t e r m e d i a r y k d ca n dt h er e l a t e dc o m m o nk d cs h a r ee a c ho t h e r sp u b l i ck e y t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ff e a s i b i l i t ya n ds e c u r i t y ，t h i ss c h e m em a k e st h es y s t e mm o r es e c u r e ，a n dt h ek e y m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eb e c o m e se a s i e r k e yw o r d s ：k e r b e r o sc r o s s - r e a l ma u t h e n t i c a t i o n ；p u b l i ck e ye n c r y p t i o n ；i n t e r m e d i a r y k d c i i 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。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了致谢。 作者签名： 堕圭：望旦日期：弛上月旦日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 ， 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方格内打“4 ) 枞懒黻峄为一絮间 撇溅脚师阍弗赫合湍一， 资助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定 的各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大 学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内 容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：挡墨墼 日期：俎年月卫日 作者签名： 导师签名： 日期：盟年月旦日 日期：呈翌! 旦年鱼月三l 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 计算机网络是一个开放系统，真是由于网络的开放性使得计算机网络中存在许 多安全威胁和安全漏洞，网络中的各类资源被人非法访问和复制是很容易的。病毒、 黑客几乎每天都在困扰着网络上的用户【1 ，2 1 。网络技术目前已经成为代表各个国家综 合国力、生存能力以及经济竞争力的一个非常重要的标志。认证技术主要用于防止 黑客或恶意成员对系统进行的主动攻击，认证技术对于开放环境中各种信息系统的 安全性相当重要。因此对网络资源申请者或访问者的身份的合法性进行认证就显得 尤为重要。身份认证技术已经成为网络系统安全中重要的技术之一。随着计算机网 络技术发展之迅速以及应用之广泛，这就使得人们的工作方式以及生活方式正在被 网络逐步的改变，社会发展的大趋势已经趋向全球信息化，网络安全问题也变得越 来越重要。 身份认证是一种用来验证客户自己声明的身份是否真实有效的技术。认证又称 确认或鉴别，它用来证实被认证对象是否与其声明相符合或是否有效的_ 个过程。 它是指可靠的验证某个网络通信参与方的身份是否与它所声称的身份一致的过程 t 3 】。即对数据的真实性采取保证措施，以及防止入侵者实施诸如假冒、篡改的主动 攻击。认证技术在信息安全理论与技术领域尤为重要。作为最基本的安全服务的身 份认证技术，它在安全系统中的地位是不容忽视的。可以说其实所有的安全服务都 要依赖于身份认证技术。如果身份认证系统被攻陷的话，这将会导致整个系统的安 全措施形同无有。攻击者的目标往往锁定在身份认证系统。从长远的角度来讲，对 身份认证理论的以及身份认证的应用的研究非常重要，这样也有助于加快我国的信 息安全的建设。 认证系统如果要实现高度的安全性及其可行性，那么需要有密码学理论作为基 础。因此，密码学也必须作为信息安全领域所要研究的重中之重。密码学是信息安 全的最为核心内容，如果想要保证网络信息的保密性，使用密码对信息进行加密是 最有效而且最安全的方法。使用密码技术实施数字签名等方式对身份进行认证，对 信息的完整性进行校对来保证用户信息的完整性。 河北大学t 学硕十学位论文 目前，可支持认证协议的认证协议很多，k e r b e r o s 协议【4 。6 】尤为突出。本文着重 对k e r b e r o s 认证系统进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1k e r b e r o s 域内认证系统的研究现状 ( 1 ) 对协议本身的改进 k e r b e r o s 对密钥的加密算法采用对称加密算法，一般采用d e s 算法，可以引入 非对称加密算法和机制。对k e r b e r o s 密码算法用的最多的的改进就是把公钥体制加 入到k e r b e r o s 协议中。 ( 2 ) 对协议实施设备的改进 攻击者有可能行攻击加密设备，或者以利用恶意软件的方式进行攻击，所以很 多研究者就把k e r b e r o s 的改进防在对硬件设备的改进上。目前，适合在k e r b e r o s 的客户端使用的可信任硬件设备是智能卡【7 。1 0 】。 1 2 2k e r b e r o s 跨域间认证系统的研究现状 k e r b e r o s 域间身份认证是采用对称密钥加密，这样就必然会导致信息传输的不 安全。由密钥给系统带来的不安全是致命的。而且域间会话密钥数量庞大，这样会给 密钥的管理、分配、存储带来很大不便。除此之外，这种域间认证方式是很容易遭到 重放攻击。基于这一问题考虑，一些工作在身份认证过程中引入了时间戳【1 1 。1 4 】的概念， 这样就不可避免的面临时钟同步问题。 彭双和，沈昌祥院士等人在原有k e r b e r o s 域间身份认证的基础之上，结合应用边 界安全设备对其进行改进【巧】。在改进的方案中，域间连接只有2 次，这就使得开销明 显降低，为了摒弃时间戳所带来的时钟同步问题，此方案引入n o n c e 1 6 】。 在z r e l l i 1 7 1 的工作中，他提到了采用用基于信任链的k d c 来实现客户c 到其它 域的服务器s 的票据访问和获取。在信任链k d c 的信任链域中的链节k d c 和非中 介k d c 存在直接或间接的信任关系，如果说链中的某一个链节k d c 不可用，将使 整个中介k d c 正常工作无法进行，最后导致认证过程的失败。从另一方面说，由 于此认证方案使用对称密钥加密，也导致了整个系统的不安全。为了解决上述问题， z r e l l i 提出了x k d c p 协议。x k d c p 协议包含x t g s p 协议和x a s p 协议两部分， 2 第1 章绪论 这两种协议针对不同的情况有着不同的用途。x k d c p 协议中引入了公钥系统，使 得整个k e r b e r o s 认证系统的安全性有了进一步的提高。 1 3 研究目标 本文的研究目标是：一方面，解决在k e r b e r o s 跨域间认证中，密钥庞大所带来的 问题；另一方面，为了使系统的的安全性更有保障，采用椭圆密码加密技术对密钥进 行处理，进而提出提出一种的新型k e r b e r o s 域问认证方案。 1 4 论文结构 本文共分六章，按照如下方式组织： 第一章：绪论，介绍了本文的研究背景，国内外对k e r b e r o s 认证技术的研究现 状，以及本文的研究目标。 第二章：密码学概论和身份认证技术，介绍了相关密码学理论知识与技术和身 份认证技术。 第三章：k e r b e r o s 认证协议，详细介绍了k e r b e r o s 域内认证和k e r b e r o s 跨域认 证。 第四章：新型k e r b e r o s 域间认证系统，提出了基于公钥的k e r b e r o s 跨域间认证。 第五章：新型k e r b e r o s 域间认证系统性能分析，对密钥数量和安全性对系统进 行了整体的分析。 第六章：结束语，对本文所做的工作进行了总结。 河北人学t 学硕十学位论文 第2 章密码学概论和身份认证技术 2 1 密码学概论 2 1 1 密码学基本概念 密码技术的使用可以对需要保密的信息进行隐藏和保护，这样未授权者就不能 对相应的信息进行提取。隐蔽后的消息称为密文，而明文就是被隐蔽的消息。我们 通常说的加密就是由明文( 记作m ) 到密文( 记作c ) 的变换，变换过程本身是 一个函数，用加密密钥k 作为函数的参数，记作c = e k ( m ) ，即由明文加密到密文。 对于其逆过程，即解密则是将相应的密文c 还原成为明文m 的过程，记m = d k ( c ) ， 解密过程的变换是把解密密钥k 为参数的函数。加密算法是指对明文进行加密时所 要采取的一组规则，密码体制就是完成加密和解密的算法。通常情况下加密和解密 过程是在一组密钥的控制下进行的，这组密钥由加密密钥和解密密钥组成。作为用 户采用密码体制来选取随机的选取密钥，而密钥通常是一随机字符串，它对于实现 明文到密文的变换是具有唯一性的。 2 1 2 对称密钥密码技术 比较传统的一种加密方式是对称密钥加密，他的加密过程、解密过程使用的是 相同的密钥。对信息进行传输和处理的信息发送者与信息的接受者需要共同的拥有 有对称密码。这就要求通信的双方必须拥有这把钥匙，而且对钥匙的秘密要进行保 护。通过保持钥匙的秘密，使得整个通讯过程的安全性有所提高。对于任意一对通 信实体双方共享一对密钥，即在对称密钥密码体系中的加密密钥和解密密钥。加密 密钥以及解密密钥必须保密，要么加密密钥和解密密钥容易确认，要么加密密钥和 解密密钥相同。在对称密码体制中所使用的加密密钥和解密密钥是相同的。 对称密码体制是由原来的传统的简单换位来取替密码的一步步发展而来的。 1 9 7 7 年美国颁布d e s 密码算法【i8 】来作为美国数据加密标准，从此以后，对称密码 体制的发展相当神速。对称密钥体制从加密模式上可分为两大类：流密码以及分组 密码。流密码体制与分组密码相比，流密码体制在理论上更为安全。由于流密码体 制没有被列入下一代的加密标准，分组密码称密码体制将会作为发展趋势将，并会 4 第2 章密码学概论和身份认证技术 重点列入研究对象。在封闭的系统中对称密码体制是比较适用的，所有用户互相都 不信任，这样一来主动攻击和被动攻击得到了很好的遏制。由于它的算法实现简单， 而且执行速度快，主要的用途还是对数据数据加密和解密。 对称密码有两个问题存在：首先，密钥数量问题。对于单一密钥的密码系统， 就要要求通信的双方都要有一对密钥，而当用户的数量急剧增大时，密钥数量必然 会很大程度的增加。对于网络通讯中的实际情况考虑，一旦密钥大量的产生，对于 存储以及分配会是一个很不容易解决的严重问题。其次，密钥分发问问题。在单密 钥的密码系统里，对密钥的保护将是加密的安全性完重要依赖，但是由于通信方和 接收方都使用的密钥是相同的，这样通讯双方就难以避免的对密钥进行相互的交流， 基于这一点，为了使安全性得到最大的保证，我们就需要使用其他的安全信道来分 发密钥，比如使用专门的信使对密钥进行传送，但是这样付出相当大的代价，这样 就使得方案变的一点都不现实。对于在计算机网络的工作环境中，人们使用网络来 对对加密的文件进行传输传送，但是反而需要其他的安全信道来对密钥进行分发。 对称密码系统中比较常见的算法有d e s ，i d e a e l 9 1 等。在对称密码体制中加密 能力以及拥有解密能力必须同时用用。对称密码系统开放性比较差差，需要有可靠 的密钥传递渠道，他主要适合于密码保密强要求度高，计算速度要求快，而且要对 大量的数据进行加密的地方。 下面对d e s 加密算法进行介绍： 基本原理： d e s 加密算法是按6 4 比特任意划分长度信息，加密过程要在在6 4 比特的密钥 控制之下，并输出6 4 比特的密文。我们设密钥为k ，密文为c ，明文为m ，对应的 变换函数为f ，则加密过程为：c = f k ( m ) ，解密过程为：m = f k ( c ) ，这里的解密变 换和加密变换函数是相同的。 加密过程： 该算法是将6 4 比特明文初始化并进行重排后再进行1 6 次复杂的非线性变换， 这些变换在密钥控制下进行的。这样就得到6 4 比特的预输出，接下来对预输出经过 一次逆初始化的重排。整个算法是换位法和代替法的组合，共重叠1 6 层。对以每一 个层面的加密变换，开始是将右3 2 比特位置换到左3 2 比特的位置，左3 2 比特经过 5 河北大学下学硕十学位论文 与变换函数异或后换到右3 2 比特的位置。用l n 来表示左3 2 位，用r n 来表示右3 2 位，第n 层使用的密钥用k n 表示，变换函数为f ，那么整个变换过程可用下式表示： l n = r n - 1 ； r n _ ( l n - 1 ) of ( r n 1 ，k n ) 解密算法是用加密算法的逆变换，用下式表示： r n = i , n + l ； l n = ( r n + 1 ) of ( l n + l ，k n ) 对于整个加密算法唯一的非线性部分在函数f ( r ，k ) ，这样的保密性是相当高 的。由于加密变换需要进行1 6 层，d e s 会将6 4 比特密钥生成对应的1 6 层变换所 需的密钥去这适应1 6 层的变换。d e s 算法的算法过程是公开的，这个算法的安全性 只取决于对密钥的保密性。 2 1 3 单向散列函数 单向函数的特点是函数正向计算容易，但是求逆的过程是相当困难的，正因为 如此它的保密性也就十分出色。散列函数的作用是把不定长输入转换为定长输出。 单向散列函数兼有单向函数与散列函数两方面的特点，它可将任意长度的输入信息 转为固定长度的摘要，可以说单向散列函数在现代密码学中应用非常广泛的。 单向散列函数( 记为h ) 对一个任意长度的消息m 进行作用，生成一个固定长 度散列值h ，即：h = h ( m ) 单向散列函数的三个特点： 在给出m 的情况下，h 很容易计算。 给定h 的情况下，根据公式h = h ( m ) 来计算m 是相当困难的。 给定m 的情况下，要寻找n 使得h ( n ) _ h ，也是相当困难。 m d 5 加密算法是一种单向散列函数，这个算法对明文的的处理是以5 1 2 位分组 为单位的，每个5 1 2 位分组又分为1 6 个3 2 位的子分组，1 2 8 位散列值为最后的输 出。下面对算法三个步骤进行介绍： 初始化：m d 5 算法的初始化分为原始明文初始化和链接变量初始化两部分。明 文的初始化是将长度为l 的待加密明文后面级联一个字节0 x 8 0 ，然后级联若干个 0 x 0 0 作为填充，让它的长度为5 1 2 的整数倍减去6 4 ，即为5 1 2 * k 6 4 ，然后再级联 6 第2 章密码学概论和身份认证技术 6 4 位用字节来计的明文长度。这样就得到了四个3 2 位链接变量初始化：a = 0 x 0 1 2 3 4 5 6 7 ，b = o x 8 9 a b c d e f ，c = o x f e d c b a 9 8 ，d = 0 x 7 6 5 4 3 2 1 0 。 算法的主循环：经过填充的明文数据位数除以5 1 2 位所得商作为主循环的次数， 将链接变量a ，b ；c ，d 分别赋值于四个变量a ，b ，c ，d 。主循环每次都要四轮， 1 6 次操作将要在每轮中进行，每一次操作首先要进行一次非线性函数运算( 针对a ， b ，c ，d 中的三个) ，继而将所得结果依次和第四个变量、文本中的一个子分组m j 和一个常数c i 相加，把所得结果循环左移一个不定的常数s ，再加上a ，b ，c ，d 中的一个，最后使用这个结果取代a ，b ，c ，d 中的一个。 对尾部处理：每次主循环全部完成以后，用a ，b ，c ，d 分别和a ，b ，c ，d 相加，然后继续进行算法运算( 用下一个分组) ，a ，b ，c ，d 的级联为最后输出 散列值。 2 1 4 非对称密钥密码技术 非对称密码体制即公开密钥体制。d i m 和h e l l m a n 在1 9 7 6 年发表的“密码学 的新方向 提出了公钥密码系统概念。目前公钥算法相当多，它们共同特点是每个 通信者在进行需要保密的通信时必须持有两个相关密钥，这两个密钥一个保密另一 个公开。 公钥密码系统加密和解密所采用的密钥是不同的，即k k t ，除此以外， d k ( e k ( m ) ) = m 。如上所述，每个通信者都需要有两个密钥k 和k ，保密通信的过程 中，公开加密密钥( 即公钥) ，保留解密密钥( 即私钥) 。如果想从一个密钥推导另 一个密钥，对于攻击者来说是不可能能，因为首先在计算上不可行。 公钥算法和传统加密算法相比，公钥的计算时间复杂度要高出很多，这样一来 对于大量数据加密时，传统加密算法速度要比公钥加密算法的速度快成百上千倍。 所以对少量关键数据来进行加密时，公钥算法是经常被使用的，还有就是在进行数 字签名时，在开放的环境中使用是比较适合的。 ( 1 ) r s a 加密算法 1 9 7 8 年，美国麻省理工学院的r i v e s t 、s h a m i r 和a d l e m a n 提出r s a 加密算法。 它是一个基于数论的非对称密码体制( 公钥体制) ，是一种分组密码体制。他的名称 的由来容易看出，是三个提出者的姓名首字母。r s a 加密算法基于大整数素因子分 7 河北大学t 学硕十学位论文 解的困难性来保证加密体制的安全性。对于大整数因子分解问题一直以来都是数学 界的难题，至到今天也没有一个有效的方法对其进行解决，因此r s a 算法【2 0 1 的安 全性是能够确保的。公钥系统的最具有典型意义的方法就是r s a 系统，r s a 算法 用于大多数使用数字签名和公钥密码进行加密的产品和标准。 作为第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法，r s a 算法为公共网络 信息的加密以及信息鉴别提供了一种有效的基本方法。首先，它生成一对r s a 密钥， 保密密钥为中间的一个，它是由用户保存；另外一个则是公开密钥，顾名思义，他 是可以对外开放的，发送者可以用公钥对文件进行加密，然后发送给发接受者，接 受者可以用私有迷药钥对文件进行解密。一般来说r s a 密钥至少为5 0 0 位长，一般 推荐使用1 0 2 4 位，只有这样才能大大提高保密强度。 r s a 的算法过程： 密钥的求取过程： 选择随机的两个大素数p 、q ； 对模数计算：n _ p 木q ； 对欧拉函数计算：m ( n ) = ( p - 1 ) ( q 1 ) ； 随机的选择与( n ) 互素的正整数e ，而其必须满足g c d ( e ，西( n ) ) = l ； 计算d ，而且要满足d * e 兰- - l m o d o ( n ) 。公式中n 和e 是公开的，q 、p 以及d 保密，把e 定为公开加密密钥，d 则作秘密解密密钥。 加密过程：依照块长( 0 ，n 1 ) 对明文进行分块，按照算式c = m er o o dn 对每一明 文块m 进行加密从而得到密文c 。 解密过程：用算式m = c dr o o dn 对密文c 进行解密，从而获得明文m 。 ( 2 ) 椭圆曲线加密算法 椭圆曲线密码学2 1 1 ( e c c ，e l l i p t i cc h i v ec r y p t o g r a p h y ) 是一种基于椭圆盐线数 学的公钥密码方法。1 9 8 5 年，n e a lk o b l i t z 和v i c t o rm i l l e r 分别独立提出椭圆曲线在 密码学中的使用。定义在有限域上的椭圆曲线上点的集合可构成阿贝尔群，因此可 使用椭圆曲线作为公钥密码体制的基础，并由此可定义其上的离散对数，即椭圆离 散对数【2 2 1 。 1 系统建立和密钥生成过程： 8 第2 章密码学概论和身份认证技术 系统的建立： 首先选对基域f q 进行选取，并选取一个定义在f q 上的椭圆曲线e 以及e 上一 个素数阶n 点p 。( x p ，x q ) 用来表示点p 的坐标。 有限域f q ，定义椭圆曲线的参数a 和b ，点p 以及阶1 1 都是是公开的信息。 密钥的生成： 建成系统以后，对每个实体进行计算如下： 随机选取在区间【1 ，n 1 】中的一个整数d 。 并计算点q = d p 。 点q 被实体的公开密钥所包含，整数d 为实体的私钥。 2 椭圆曲线的加密体制： 加密过程： 当发送者b 发送消息m 给接收者a 的时候，发送者b 要进行以下步骤： 首先要对实体a 的公钥q 进行查找。 把m 表示为域元素。 随机的选取区间 1 ，n 一1 】内一个整数k 。 对点( x l ，y o = k p 进行计算 对点( x 2 ，y 2 ) = k q 计算，x 2 = o 的话，则返回至第3 步。 对c - - - m x 2 进行计算。 把加密数据( x l ，y l ，c ) 传送给a 。 解密过程： 当a 对从b 接收收到的密文( x l ，y l ，c ) 进行解密，则a 进行以下操作： 对它的私钥d 进行使用，对点( x 2 ，y 2 ) = d ( x l ，y 1 ) 进行计算。 对进行m = c 1 x 2 。1 计算，从而得到出数据m 。在以上过程中，加密过程以及解密 过程都是公开的，攻击者如果想要解密信息，必须能椭圆曲线上的离散对数问题( d p 中求出d ) 。椭圆曲线离散对数问题的困难使得e c c 具有很高的安全性。高效率是 e c c 最突出的特点，在一般情况下，1 6 0 2 0 0 位钥匙完全能够满足各种保密需要。 椭圆曲线加密算法是一种带宽要求低的非对称加密算法。它的参数和密钥长度 短、计算量小、系统签名和加密短消息的加密算法。p o l l a r d r h o 方法是最有效的破译 9 河北大学t 学硕十学位论文 和攻击e c c 算法的方法，但是它的破译难度是指数级的，这样一来，对于破解者 来说就没有破获的意义了。在商业信息俺去领域中对e c c 加密技术的使用将会越 来越广泛，比如：认证中心、电子政务、电子商务、v p n 、无线网络通讯与移动电 子商务等。 2 2 身份认证技术 2 2 1 身份认证原理 所谓身份认证其实就是证实用户真实身份是不是和它所声称的身份相符，用以 防止非法的用户通过使用身份欺诈来访问系统资源的过程。虽然身份认证的方法有 很多而且大多不一样，但是都他们所基原理基本相同，如下所述： ( 1 ) 用户知道什么东西，比如口令。这种方法既是最传统的也是目前应用很为 广泛的身份认证方式，这种认证方式也比较容易实现。通常情况下的形式是使用用 户名加上口令。当认证中心接收到客户端传送的上述信息时，认证中心则从对应的 数据库中查找与之相对应的数据，认证通过的话，就说明用户提供的信息与真实的 信息是相符合的。 ( 2 ) 用户持有什么东西，诸如令牌、智能卡等物理介质。只有持有令牌或者口 令卡的用户才被认为是合法用户，这种物理介质产生或存储用户着参数如电子证、 书动态变换密码等，需要说明的是，这参数都是的用户化的。如果一个用户想要访 问资源，系统必须要求用户通过物理介质中的数据将认证信息进行发送。 ( 3 ) 用户具有什么东西，比较常见的是指纹。这种方式能够唯一识别用户身份， 网上识别身份通过用户生物特征作为审查依据的。 2 2 2 网络环境下身份认证面临的威胁 很多方面的因素都可以对网络安全造成临的威胁，这些威胁有时会随着时间和 环境的变化而随之发生改变。我们将对一些常见的攻击方式进行介绍，通过攻击方 式的特点我们提出相应的应对方式。 ( 1 ) 重放攻击 攻击描述：在网络传输过程中，认证信息被攻击者获取并其进行记录，继而攻 击者会选择合适的时机重新发送给通讯的某一接收者。 1 0 第2 章密码学概论和身份认证技术 应对策略：在认证信息中包含一个能保持信息的新鲜性的非重复值，比如对系 统设置时间戳，有的时候可以利用系统时间为种子的设置随机数等。 ( 2 ) 中间人攻击 攻击描述：入侵者对截获传输信息进行替换或修改后然后传给信息接收方。 应对策略：把身份认证技术与会话密钥的建立紧密的进行结合。如果不能证实 对方的身份，那么绝对不给出有重要价值的信息。 ( 3 ) 口令猜测攻击 攻击描述：入侵者利用用户的日常生活习惯口令，比如生日数字，名字字母等 习惯，他们对数字和字母的组合进行大规模的尝试，有的利用数据字典等，然后把 口令和尝试的结果进行对比，得到想要的信息。 应对策略：对口令长度加长以及对其复杂性进行加强，设置一些规律性不强的 信息，比如加入下划线，字母数字组合等等。 ( 4 ) 线路的侦听 攻击描述：入侵者使用侦听工具在线对网上传输的明文认证信息进行获取。 应对策略：在保证通讯的无障碍情况下，适当的加密处理在网上传输的明文认 证信息。 ( 5 ) 己知明文攻击 攻击描述：发送者用明文的形式传输一个选取的随机数；接受者得到明文后， 加密这一随机数并传给发送者。在这种情况下，明文密文对很容易被入侵者截获。 应对策略：对明文密文对的传输应该慎重，尽量避免。 ( 6 ) 密码分析攻击 攻击描述：由于一些协议在实现上的简化以及在设计原理上存在缺陷，攻击者 通过密码分析的攻击者，很容易猜测到下一次用户身份认证的信息甚至破译用户口 令信息。 应对策略：采用密码体制和散列函数的加密形式加密保护用户的认证信息。 2 2 3 基于非密码的身份认证技术 ( 1 ) 静念口令认证： 基于静态口令的认证技术是目前比较常用的常用的身份认证机制，这种认证机 河北大学t 学硕+ 学位论文 制也是公认的比较简单而且传统的认证方式。静态口令系统为每个用户对一个二元 组信息进行维护，这个二元组即( i d ，口令) 。在登录系统的时候，用户需要写入自 己拥有的用户i d 以及口令信息，然后认证服务器把自己维护的信息和用户写入信息 进行对比，由此就可以判断该用户身份是否是合法的。 ( 2 ) 一次性口令认证： 一次性口令认证即称动态口令认证，顾名思义，就是要求用户在每次登陆的时 候都要输入一个和以前不同的口令，即一次性口令，但从事实角度来说，用户用的 口令依然是同一重复的口令。对一次性口令认证系统进行设计时，一些不确定的因 素需要在登陆时进行加入，这样就使得每次登录发送的认证信息是不同的，这样一 来，登录过程安全性的安全性就大大提高。 ( 3 ) 生物特征认证： 把用户的生物特征作为对网上识别身份的要素的方法就是生物特征识别方法。 诸如人的指纹、眼膜、音色、面部特征、骨骼特征等。生物特征认证方法需要有与 之相对应的生物识别设备，如面部扫描仪，指纹匹配设备等。首先用生物特征识别 终端采集用户的特征数据，然后把这些数据送到认证中心，把这些传过来的数据和 中心数据库存储的数据相匹配。对于用户的升入特征而言，及本省可以说是用户固 有的认证标志，因为生物特征是很难伪造的，通过这种方式系统就可以对用户身份 的唯一性进行识别。与它认证技术相比而言，生物特征认证的安全性是显而易见的， 但是这种技术是世界的先进技术，好多地方的技术还不成熟，高额的费用也是不言 而喻的，这样的认证方式不适合移动用户的使用。而且对其技术的可实施性，稳定 性还需要进一步的研究以及实验。 ( 4 ) 双因素身份认证： 通常有三个要素是身份认证原理所包含的，即用户的知道什么、用户持有的什 么以及用户具有的什么。将前两个要素结合起来就是双因素身份认证，这两个要素 是：第一，口令或个人标识码只有使用者知道，第二，令牌是只有使用者才具有的， 对于仅仅得到其中一个要素的攻击者是无法通过系统认证。特定种子值是每个认证 令牌所拥有的，随机运算法则都是基于这一种子值的，每隔一段时间一个唯一的和 这个认证令牌相对应的新密码就会产生。当系统对用户进行身份认证的时候，认证 1 2 第2 章密码学概论和身份认证技术 系统会依据安全算法在用户令牌的专用芯片和认证服务器上使成动态密码同时生 成。判断用户是否为合法用的依据就是两个密码是否相同。令牌访问设备上所显示 的数字是不断变化的，因此，攻击的难度是相当大的。 2 2 4 基于密码的身份认证 为互相不认识的实体之间提供安全通信，这就是基于密码的身份认证的意义所 在。对称密钥或公钥体制是基于密码的身份认证的理论基础。依照通信的一方知道 某一个秘密的密钥为事实根据，让另一方相信他他的身份的合法性，这就是认证机 制的原理。 ( 1 ) 基于对称密钥认证机制 a 和b 作为通信双方共同享有一个对称密钥。a 对某个消息使用密钥对其进行 加密，倘若b 能成功对消息进行解密或验证消息的准信性，那么b 则相信这个小事 消息是来自a 的。一个非重复值通常会在加密的消息内容中用以对重放攻击的防护。 如果使用挑战应答技术的话，b 先发送一个随机数给于a ，这个随机数将会包含在 返回给b 的加密消息中。如果网络规模比较大，那就不适合采用基于对称密钥的认 证机制，因为一个秘密的通话密钥需要在每对通信主体之间都要都保持拥有，如果 这样的话，密钥爆炸在所难免。为此对可信的在线认证服务器的引入将会是一个解 决的办法，通过第三方认证服务器集中的认证，如图2 - 1 所示： 图2 - 1 基于k d c 的身份认证 a ，b 进行会话的对称密钥由认证服务器保存，记作k a ，k b 。a 对b 进行认证 消息的发送 认证请求) k a ，然后b 收到后就向认证服务器发送 认证请求) k a ) k b 河北大学t 学硕十学何论文 请求对a 进行身份认证要求，认证服务器对消息进行验证然后将将结果返回给b ， 这样a 是否合法，b 就可以判断了。 ( 2 ) 基于公钥认证机制 基于公钥认证原理：a 生成一对密钥后，a 把这对密钥里的一个送给b ( 作为 公钥) ，a 将秘密保存私钥。在认证的过程中，a 首先使用自己秘密保存的私钥签署 认证信息，b 使用a 给b 的公钥对签名进行验证。签名如果被验证是正确的，那么 b 就相信a 身份合法。p k i 认证是基于公钥身份认证机制的比较典型的代表。 p k i ( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ) 即公开密钥基础设施，他是一个普适性很强的安 全基础设施。p k i 技术用公钥理论与技术对安全服务进行实施，他为解决网络化环 境下信息安全问题做出了巨大的贡献。p k i 技术支持了机密性服务、身份认证服务、 抗否认性服务和完整性服务等。 密钥管理和数字签名是p k i 的独特之所在，信赖的第三方c a 实现认证市是它 的支撑点。p k i 技术将对用户的身份进行认证，同时向把数字证书对用户进行签发， 用户公钥、持有者的身份标识和c a 数字签名等信息是证书所包含的内容，用户自 己保存秘密私钥。使用p k i 证书进行身份认证的过程是这样的：首先，a 把a 的数 字证书和用私钥签名的认证消息一同发送给b ，b 对证书真实性以及有效性验进行 证，验证完毕后，b 用证书中的公钥对签名进行解密，如果验证正确就可以证明a 身份合法，否则不合法，拒绝操作。p k i 技术和基于对称密钥的认证机制相比，如 果证书被有效签发的话，那就就不需要c a 认证服务器的在线支持。c a 提供了在 线的证书库和证书撤消列表，这样就大大方便了通信双方获得以及验证对方证书的 有效性。 2 3 小结 本章主要介绍一些相关密码学和认证技术的背景知识。首先介绍对称加密的加 密，针对对称加密方法，指出了非对称加密的一些不足之处。其次介绍了公钥加密 技术，详细的对r s a 加密算法和椭圆曲线加密算法进行了说明，并说明了椭圆曲线 加密算法的一些优越性。最后，结合密码学我们对认证技术进行了详细的介绍，为 以后的讨论作了重要的铺挚。 1 4 第3 章k e r b e r o s 认证协议 第3 章k e r b e r o s 认证协议 3 1k e r b e r o s 认证协议简介 k e r b e r o s 是基于于受信第三方( t r u s t e dt h i r dp a r t y ，丌p ) 的网络认证协议。美国 麻省理工学院( m i t ) 的雅典娜项目组( a t h e n ag r o u p ) 是对其进行了开发和研究。 k e r b e r o s 是希腊神话当中有着三个头颈的一只看门狗的名字，如果我们看到三个头 狗的图标，那么它就是k e r b e r o s 认证的标志。 k e r b e r o s 是一种网络认证协议，通过密钥系统为客户机服务器应用程序进行强 大的认证服务的提供是k e r b e r o s 设计的目标。k e r b e r o s 认证过程的实现对主机操作 系统的认证是不依赖的，信任的实现不需要基于主机地址，对于网络上所有主机的 物理安全也是不要求的，并且网络上传送的数据包可以被任意地截获、插入以及修 改数据可以作为前提不去考虑。对于以上的情况，作为一种可信任的第三方认证服 务的k e r b e r o s ，执行认证服务用的是通过传统的密码技术。认证、授权以及记账是 k e r b e r o s 的设计目的所分的三个领域，这些领域可用作建造安全网络的一个有效成 分，它提供的认证机制和加密工具【2 3 1 可用于安全网络环境。 从提出到今天，k e r b e r o s 已经经历五个版本，对以开始的三个版本只是用在实 验室里的开发和测试当中。走出实验室的第一个版本是k e r b e r o sv 4 ，这个版本的 k e r b e r o s 是分布式计算机环境( d c e ) 框架的重要组成部分，而且已在u n i x 系统当中 广泛应用【2 4 1 。 在开放的分布式环境里的工作站，它要访问网络中分布的服务器上的一些服务 时，存在的认证问题以及授权问题是k e r b e r o s 认证主要需要解决的。一个可信第三 方作为仲裁需要在k e r b e r o s 认证中参与认证过程，这个仲裁通常称作a s ，即认