（计算机应用技术专业论文）安全文件管理系统的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机网络技术和信息技术的快速发展，无论是政府、企业 还是个人都逐渐依赖计算机存储信息，并借助网络传递、交换重要资 料。这些信息在进行处理和传递前要以电子文档的形式存储在单机、 服务器或网络上任意一台客户机上，因此电子文档的安全存储成为实 现信息安全的首要条件。 电子文档的安全存储是确保存储在计算机系统中的信息和数据 不受意外的或恶意的原因遭受破坏、更改、泄露，也就是需要保证电 子文档的保密性、完整性、可用性、真实性。由于使用电子文档的最 终目的是实现信息的利用，因此在保证安全存储的同时，还要确保不 影响电子文档的可控性。 因此，控制用户对电子文档的访问就成为计算机信息安全的重要 内容。要控制用户对共享信息的访问，首先要制定信息共享与保护的 安全策略，进行身份认证、授权和访问控制等。此外，还要对数据进 行加密和进行密钥管理。这样，非授权的用户就无法访问非授权的信 息，从而保证了信息的安全性。 本文在对一次性口令o t p 认证技术、基于角色访问控制r b a c 技 术、数据加解密技术以及数字签名技术研究的基础之上，设计并实现 了一个安全文件管理系统，实现了数据的可用性、安全性、保密性、 可靠性、完整性、不可否认性。 关键字：信息安全，一次性口令认证，基于角色访问控制，数据 加密，数字签名 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h en e t w o r ka n di t t e c h n o l o g y ， g o v e r n m e n t ，e n t e r p r i s e sa n dp e o p l eu s ec o m p u t e r st os t o r ed a t am o r ea n d m o r e t h e ya l s ou s en e t w o r kt o t r a n s f e ra n de x c h a n g et h e i ri m p o r t a n t i n f o r m a t i o n b e g i no fb e i n g h a n d l e da n dt r a n s f e r r e d t h e s ei n f o r m a t i o n s t o r e si nt h es i n g l e c o m p u t e r , s e r v e ra n dm a n yc l i e n ti nn e t w o r kw i t h e l e c t r o n i cd o c u m e n tf o r m s ot h e s e c u r i t y o fe l e c t r o n i cd o c u m e n t s b e c o m e st ob et h em o s ti m p o r t a n tc o n d i t i o no fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y i no r d e rt oe n s u r i n gt h ei n f o r m a t i o na n dd a t ai nc o m p u t e rs y s t e mn o t t ob ed e s t r u c t e d ，c h a n g e da n dr e v e a l l e db ya c c i d e n to rm a l i c i o u sr e a s o n ， t h ee l e c t r o n i cd o c u m e n t sm u s tb es t o r e d s e c u r e l y i t m e a n sw em u s t e n s u r et h e s e c r e c y , i n t e g r i t y , u s a b i l i t y ，a u t h e n t i c i t y o fe l e c t r o n i c d o c u m e n t s t h ef i n a lg o a lo fu s i n ge l e c t r o n i cd o c u m e n t si sm a k i n gu s eo f i n f o r m a t i o n ，s o w em u s te n s u r et h a tt h ee l e c t r o n i cd o c u m e n t sa r e c o n t r o l l a b l ea tt h es a m et i m e s ot h ec o n t r o lo fu s e r sa c c e s st oe l e c t r o n i cd o c u m e n t sb e c o m e st ob e i m p o r t a n tc o n t e n to fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y i no r d e rt oc o n t r o lu s e r sa c c e s s t os h a r e di n f o r m a t i o n ，i tm u s tt oe s t a b l i s hs t r a t e g i e sf o ri n f o r m a t i o ns h a r e a n dp r o t e c t i o n ，i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n da c c e s sc o n t r o la t f i r s t a l s oi tm u s tt o e n c r y p td a t aa n dm a n a g et h ek e yo fe n c r y p t i o n a l g o r i t h m s ot h ep e o p l en o tb ea u t h o r i z e dc a n ta c c e s st h ei n f o r m a t i o nn o t b ea u t h o r i z e d i te n s u r e ss e c u r i t yo fi n f o r m a t i o n t h i sp a p e rd e s i g na n dr e a l i z eas e c u r ed o c u m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m b a s i n g o nt h e t e c h n o l o g yo fo n e t i m ep a s s w o r d ，r o l e b a s e a c c e s s c o n t r o l ，d a t a e n c r y p t i o n a n d d i g i t a ls i g n a t u r e i t r e a l i z e t h e u s a b i l i t y , s e c u r i t y , s e c r e c y , r e l i a b i l i t y , i n t e g r a l i t ya n di r r e v e r s i b i l i t yo fd a t a k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ns e c u r i t y , o n e - t i m ep a s s w o r d ，r o l e b a s e a c c e s sc o n t r o l ，d a t ae n c r y p t i o n ，d i g i t a ls i g n a t u r e 原创性声明 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。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：越 日期：皿年月垄日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 硕f 擘位论殳第一幸绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，随着计算机网络技术、信息技术的快速发展，诸如电子商务等数字化 产业j 下在世界范围内迅速崛起。无论是政府、企业还是个人都逐渐依赖计算机存 储信息，并借助网络传递、交换重要资料和洽谈贸易。这些信息无论是私人信息 还是部门信息，无论是军用信息还是商业信息，在进行处理和传递f j i 要以电子文 档的形式存储在单机、服务器或网络上任意一台客户机上，因此电子文档的安全 存储成为实现信息安全的首要条件【1 】。 具体地说，电子文档的安全存储是确保存储在计算机系统中的信息、数据不 受意外的或恶意的原因遭受破坏、更改、泄露，也就是需要保证电子文档的保密 性、完整性、可用性、真实性。但是由于使用电子文档的最终目的是实现信息的 利用，因此在保证安全存储的同时，还要确保不影响电子文档的可控性。 本课题基于国家自然科学基余项目( 编号：6 0 1 7 3 0 4 1 ) 和湖南省自然科学基 会项目( 编号：0 2 j j y 2 0 9 4 ) 两个科研项目。 1 2 信息安全技术的发展与研究现状 随着信息技术的发展与应用，信息安全的内涵在不断的延伸，从最初的信息 保密性发展到信息的完整性、可用性、可控性和不可否认性，进而又发展为“攻 ( 攻击) 、防( 防范) 、测( 检测) 、控( 控制) 、管( 管理) 、评( 评估) ” 等多方面的基础理论和实施技术。 信息安全是一个综合、交叉学科领域，它要综合利用数学、物理、通信和计 算机诸多学科的长期知识积累和最新发展成果，进行自主创新研究，加强顶层设 计，提出系统的、完整的，协同的解决方案。与其他学科相比，信息安全的研究 更强调自主性和创新性，自主性可以避免陷门，体现国家主权；而创新性可以抵 抗各种攻击，适应技术发展的需求。 出于目前主要在计算机系统中处理信息，所以在实践中，信息安全主要讨论 计算机系统中的信息安全，即计算机信息安全。在计算机信息安全研究领域，目 前人们一般将计算机中的数字化文件或数据库信息看作信息的主体，信息的安全 砍j ：学位论义第一幸绪论 基本上等同于数掘的安全，信息安全的范围限定于计算机网络系统内。由于合法 的授权用户可以通过很多途径泄露信息，如将记录信息的笔庀本上丢失而造成信 息泄露，所以，计算机系统或计算机网络系统以外的信息安全应当通过人员管理、 法律等措旌来保证。计算机信息安全系统只是提供了一个工具或系统，让授权的 用户可以安全保密地共享信息。 目前，信息安全的主要内容包括”1 ： 1 信息的保密性( c o n f i d e n t i a l i t y ) 保证信息不泄漏给未经授权的人。 2 信息的完整性( i n t e g r i t y ) 防止信息被未经授权的篡改，保证真实的信息从真实的信源无失真地到 达真实的信宿。 3 信息的可用性( a v a i l a b i l i t y ) 保证信息及信息系统确实为授权使用者所用，防止由于计算机病毒或其 它人为因素造成的系统拒绝服务，或为敌手利用。 4 信息的可控性( v e r i f i a b i l i t y ) 对信息及信息系统实施安全监控管理。 5 信息的不可否认性( n o nr e p u d i a t i o n ) 保证信息行为人不能否认自己的行为。 信息安全的内涵随着社会的发展还会不断丰富。目前，信息安全的总体手段 与目标如图卜l 所示。 1 多重备份1 数据破坏1 可川性 2 存取访问控 2 数据泄密2 安企性 制3 数据服务阻3 保密性 ；全手段 3 过滤机制 防i p 塞 获得 4 可靠性 4 身份标识4 篡改数据5 完籀性 5 身份鉴别 5 窃取数据 6 不可否认 6 审计6 特洛伊小马性 7 攻击检测7 偷听或窃取 8 加密机制 9 数字签名 图1 - 1 信息安全手段与目标 在计算机系统中，信息安全包括计算机安全和网络安全，计算机安全和网络 安全是信息安全的基础部分。 计算机系统包括硬件与软件。硬件对信息安全构成威胁的主要是指计算机硬 2 颂j ：学位论丈 第一章绪论 件系统的故障造成数据信息的丢失，这可以通过加强计算机硬件系统的容错能力 和及时的数掘信息备份来消除威胁。 软件主要包括操作系统、数据库系统和应用程序等。防止非法程序和病毒程 序的运行是计算机安全的重要组成部分。计算机操作系统控制调度应用程序非授 权的人读取磁盘或文件。目j j f 还有大量的信息存储在数掘库中，所以保证数掘库 中数据的保密安全具有重要的意义。应用程序对数据进行处理，必须考虑异常情 况下的数据安全，这一点在软件开发标准中也有所要求。 随着计算机网络的高速化、综合化，计算机网络不断得到应用，人们相继提 出了国家信息基础设施( n i i ，n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 和全球 信息基础设施( g i i ) 的建设目标，计算机网络的安全目前更是一个热点问题。与 单个计算机环境不同，计算机网络环境的信息安全要复杂得多。计算机网络就是 通过通信系统将多台计算机相互连接的系统，计算机网络给人们远程访问数据、 共享信息提供了方便。但是，通信也带来了安全问题，如干扰、信息泄露等问题， 还有数据访问的安全控制问题。 目l j ，国内外保护电子文档及相关信息的安全主要采用以下措施”1 ： 1 使用防火墙技术与安全扫描工具，建立网络安全屏障。防火墙是一种特 殊的程序系统，所有经由外部网的信息在进入内部网络之前，都必须经 过它的过滤和检验。它是网络安全的第一道屏障。 2 设置访问权限，进行访问控制。对不同的用户设置不同的访问权限，在 其访问之前对其身份进行合法性验证。 3 对信息进行加密。采用加密算法对信息进行加密存储或传输，使非法用 户难以破译，不至于泄露保密内容。 4 对信息进行签名。采用摘要算法计算信息的摘要，并使用私钥加密摘要， 以保证信息的完整性，并实现不可否认性。 在安全产品方面，中国同国外差距至少有5 1 0 年。这主要由于两个方面原 因造成的：一方面源于我国总体上应用技术丌发落后，另一方面是我国的网络在 工商业中应用的范围和水平都还比较低。 我国信息安全技术虽起步较晚，但发展很迅速，与国际先进国家的差距正在 逐步缩小。我国从8 0 年代中期丌始研究计算机网络的安全保密系统，并在各种信 息系统中陆续推广应用，其中有些技术已赶上或超过了国际同类产品，从而把我 国的信息安全保密技术推进到薪的水平。从9 0 年代中期丌始，我国进入了互联网 发展时期，其发展势头十分迅猛，孕育着信息安全技术的新跃进。 随着人们对计算机存储、传递信息的依赖性增大，需要的安全级别会越来越 高。但由于受美国政府出口管理条例的限制，大多数安全产品只支持4 0 位以下的 3 硕 学位论殳 第一章绪论 弱加密算法，这对于安全需求来说，是远远不够的。所以，进行安全产品的研发 对我国计算机应用水平提高具有重要的现实意义。 1 3 主要工作及研究内容 为了构建一个安全文件管理系统，本文对安全系统架构、一次性口令身份认 证技术、基于角色访问控制技术、数据加解密技术以及数字签名技术进行了深入 的研究，并提出了一种改进的无需可信中心的( t ，n ) 门限签名方案。 在对以上技术研究的基础之上，采用b s 模式，利用v i s u a ls t u d i o2 0 0 3 开发 工具，利用n e t f r a m e w o r k 提供的加密类，结合微软公司的加密应用编程接口 c a p i 设计并实现了一个安全文件管理系统。 1 4 论文组织结构 第一章是绪论部分，主要介绍了电子文档管理所面临的问题、信息安全技术 的研究与发展状况以及本文所研究的内容。 第二章是系统的总体设计，介绍了系统的功能模块划分、安全体系结构、安 全策略以及数据库设计。 第三章分析了身份认证技术，介绍了几种主要的身份认证方法。重点介绍了 一次性口令认证技术o t p ，包括o t p 基本原理、o t p 实现机制、o t p 安全性分析以及 在系统中的应用。 第p q 章简要介绍了几种访问控制模型，重点分析了本文所采用的基于角色的 访问控制模型r b a c ，分析了r b a c 特点及应用优势以及在系统中的应用。 第五章介绍了数字签名技术，重点分析了门限签名技术，并提出了一种改进 的无需可信中心的( t ，n ) 门限签名方案。 第六章是系统的实现。主要包括系统的各个功能模块的实现细节以及系统功 能介绍。 第七章对论文进行了总结和展望，提出了需要进一步改进和完善的地方。 4 顾i ：学位论立 第一二辛系统总体设计 第二章系统总体设计 为了保证正确地使用电子文档，研究安全存储技术时应该考虑到如下方面： 1 电子文档的合法创建和存储； 2 对电子文档修改和删除行为的确认： 3 保护电子文档信息安全； 4 避免信息泄露； 5 防止电子文档丢失带来的信息丢失； 6 防止非法入侵者通过网络窃听和破坏电子文档信息。 因此电子文档的威胁形式体现在以下几方面： 1 冒充：冒充行为是指非法入侵者以合法身份对系统内的电子文档和信息 进行操作的行为。 2 否t 心否认行为与冒充行为存在密切联系，一方面需要确认访问者的身 份，另一方面需要提供证实手段使访问者不能抵赖其行为。 3 信息泄露：是指非法人员侵入系统并窃取信息导致信息的泄露( 如窃取涉 及会融类的敏感数据信息，这将给人们带来严重的危害) 。 4 信息丢失：由于存放敏感信息的介质一般为硬盘或软盘等，这些存储介 质的丢失或被盗将导致敏感信息的泄露，这是一种被动的泄露方式。 5 信息破坏：非法人员在窃取信息的同时，通过修改和删除电子文档等手 段破坏信息。 2 1 系统功能模块划分 该系统实现了对存储在服务器上的文件的安全管理，使得没有经过系统认证 的用户不能随意获得相关文件；且合法用户也必须具有相关权限i 。能对文件进行 相应的操作；系统还具备对文件进行加解密以及数字签名的功能。系统主要包括 以下功能模块： 1 用户基本信息管理模块 2 用户登录模块 3 权限管理模块 4 角色管理模块 5 权限分配管理模块 6 角色分配管理模块 5 倾j ：学位论史 第一帝系统总体敬计 7 动态访问控制 8 数据加解密模块 9 签名密钥管理模块 1 0 数字签名模块 系统功能结构图如图2 1 所示。 文什安全管理系统 刚 户 基 本 信 息 管 理 用 户 登 录 2 2 系统安全体系结构 权 限 分 配 管 理 角 色 分 配 管 理 文 件 上 传 卜 载 图2 - 1 系统功能结构图 动 态 访 问 控 制 数 据 加 解 密 签 名 密 钥 管 理 糸统安全体糸结构分为应用层、安全服务层和密码算法层。糸统安全体系结 构如图2 - 2 所示。 臣亟口 应层 一一一一一一一一一一一一一一一一。 安全a p i 二困 二圃 二囝 二圈安全服务层 i - i _ _ _ _ - _ i 自口密a p i 三互困 至至至圈 二三困密码算法层 图2 - 2 系统喜全体系结构图 应用层直接面向用户应用环境，在需要加密、解密等安全计算时调用安全服 务层的功能，实现用户所需的各种安全要求；安全服务层调用密码算法层，实现 各项安全性功能如加密、解密、签名与验证等。 6 数 字 签 名 坝l 。学位论文第市系统总体l 嫂计 加密算法的实现有软件实现和硬件实现两种形式，软件实现是指通过软件程 序实现，其主要优点是具有灵活性，易使用和升级，例如同3 d e s 类似，可以利 用相同或不同的加密算法重复加密以增强加密强度；硬件实现是指通过通过专用 集成电路芯片( 例如d e s 加密芯片) 来实现，专用芯片可以是另一个微处理器，如 智能卡中的微处理器。硬件实现的优点是速度可以很快，密钥、加密算法因为有 物理保护，不能被改动，所以安全性较好。 由于实验条件的限制，系统中对于加密算法的实现采用了微软公司的加密应 用编程接口c a p i ( c r y p t oa p l ) 。 2 3 系统安全策略 系统安全策略由如下的几个部分组成： ( 1 ) 身份认证 由于计算机安全防范的对象是作为主体的人，必须能够对主体识别、认证， 只有这样，才能将非法用户隔离于客体。必须能防范不明身份( 如黑客) 的主体对 系统的访问。 ( 2 ) 访问控制 对于已通过身份认证的主体，根据其身份决定其访问权限，决定其可以访问 的文件，限制任何非授权的访问，防止超越权限的访问。要进行访问控制就必须 制定控制策略。 ( 3 ) 数掘安全性 数据加密是数据安全性的关键保证。通过身份认证、访问控制、加密等措施， 可以保证数据在存储过程中的安全。 ( 4 ) 数掘完整性 数字签名技术是数据完整性、不可否认的保证。 2 4 数据库设计 2 4 1 系统中使用的数据库技术 数据库是图档管理系统的基石。好的数掘库设计使数据更加安全，访问效率 更高，操作更方便。本系统数据库设计除遵循数掘库设计三级范式外，还具有如 下特点： 1 使用存储过程f 4 弓l 对常用的数据库操作进行封装 存储过程是一组s q l 语句集，组合在一起完成特定的功能，存储过程经过 7 硕t 。学位论文 第一帝系统总体设计 数据库系统便以后存储在数掘库中，并在运行时动念加载到内存，这使存储过程 执行的时1 日j 可以达到较快的速度。帽比之下，传递给数据的s o l 语句需要分析 后彳+ 会执行，而存储过程不需要这个过程。 存储过程还能够减少网络流量，由于a d o 。n e t 调用存储过程时，传递的只 是存储过程的一个名称，而不是整个s q l 语句。此外由于可以将部分的业务逻 辑写入到存储过程的代码中去，因此，一些运算可以直接在数据库中进行计算， 无须先到客户端或是中i 日j 层上去计算，特别是数据库密集型的操作，他们通常情 况下是需要频繁读取和修改数掘库，这样的计算放在数掘库上运行，而客户端或 中i 、h j 层只要得到最后的结果就可以了，省去在网络传输的时间和流量。 2 使用数据库完整性约束保证数据完整性 使用s q ls e r v e r 提供的数掘完整性规则来对数据进行约束而不在程序代码 中实现浚功能。系统中主要使用了外键约束。这样做的优点在于：对数据的检查 由s q ls e r v e r 进行，简化了程序的编写；避免了因程序异常而导致数据库数据 的不一致；某些操作( 如级联删除、更新) 由数据库柬操作，使得后台程序的编程 工作量进一步减轻。 2 4 2 系统数据库表结构 系统主要数掘表如下所示： 1 ，用户基本信息表tu s e r ：保存用户基本信息，如：用户编号、用户名、随机 数、密码散列值等。如表2 1 所示。 2 角色表tr o l e s ：保存系统角色信息。如表2 2 所示。 3 权限表tr i g h t s ：保存系统功能( 权限) 信息。如表2 3 所示。 4 ，用户角色表tu s e r sr o l e s ：保存用户与角色的对应关系。如表2 4 所示。 5 角色权限表tr o l e sr i g h t s ：保存角色与系统功能对应关系。如表2 5 所示。 6 文件信息表tf i l e s ：保存文件基本信息，如：文件标题、文件类型、存储路 径、上传同期、上传人、文件状态( 是否通过签名认证) 等。如表2 - 6 所示。 7 ，签名密钥表tr s a k e y s ：保存用户签名密钥信息。如表2 ，7 所示。 8 对称密钥表td e s k e y s ：保存用来加密文件的密钥信息。如表2 8 所示。 8 硕i ：学位论文第_ 二帝系统总体设计 表2 - 1 用户基本信息表t u s e r 列名数据类型是否主键备注 用户编号 i n t是用户唯一标识 用户名 v a r c h a r 真实姓名 v a r c h a r 性别v a r c h a r 年龄 i n t 职务v a r c h a r 电话 v a r c h a r 部门 v a r c h a r 口令摘要 v a r c h a r利用m d 5 加密后的口令 随机数 i n t 用于加密用户登录密码 表2 - 2 角色表t r o l e s 列名数据类型是否主键备注 角色编号i n t 是 角色名称 v a r c h a r 表2 - 3 权限表t r i g h t s 列名数掘类型是否主键备注 权限编号i n t是 权限名称 v a r c h a r 表2 - 4 用户角色表t u s e r s r o l e s 列名数掘类型是否主键备注 i 用户编号i n t是外键tu s e r i 角色编号 i n t是外键tr o l e s 表2 - 5 角色权限表t 。r o l e s r i g h t s 列名 数掘类型是否主键 备注 l 角色编号 i n t 是外键tr o l e s i 权限编号 i m 是外键tr i g h t s 9 坝i ：学位论文 第一二幸系统总体殴汁 表2 - 6 文件信息表t f i l e s 列名数掘类型是否主键各注 文件编号 i n t 是 文件名称v a r c h a r 文件类型 v a r c h a r 存储路径 v a r c h a r 上传人 v a r c h a r 上传同期v a r e h a r 状态 v a r c h a r是否签名审批 表2 - 7 签名密钥表t k e y s 列名数掘类型是否主键备注 用户编号 i m 是外键tu s e r s 签名公钥 v a r c h a r 签名私钥v a r c h a r 表2 - 8 对称密钥表t d e s k e y s 列名数掘类型是否主键备注 用户编号 i n t是 外键tu s e r s 初始化向量 v a r c h a r 对称密钥 v a r c h a r 系统数掘表之间的关系如图2 3 所示。该关系图主要体现了系统中各数掘表 之间的外键约束关系，使得某些操作( 如级联删除、更新) 由数据库来操作，使得 后台程序的编程工作量得以减轻。 1 0 帧i ：学位论文 第一二章系统总体设计 2 5 本章小结 图2 3 系统数据表关系图 本章主要介绍了系统的功能模块划分，系统安全体系结构、系统安全策略以 及系统数据库的设计。系统安全体系结构分为应用层、安全服务层承1 密码算法层， 便于采用工程化丌发方法进行系统的开发。系统安全策略包括身份认证，访问控 制以及数据的安全性和完整性。 倾i ：学位论义 第二三章一次忤l j 令o t p 认计技术 第三章一次性口令o t p 认证技术 3 1 身份认证技术 身份认证的本质是被认证方有一些信息，无论是一些秘密信息还是一些个人 持有的特殊硬件或个人特有的生物学信息，除被认证方自己外，任何第三方不能 伪造。被认证方能够使认证方相信他确实拥有那些秘密，无论是将那些信息出示 给认证方或采用零知识证明的方法，则他的身份就得到了认证。一个身份认证系 统一般需要具有以下特征”1 ： 1 验证者订乏确识别合法用户的概率极大。 2 攻击者伪装示证者骗取验证者信任的成功率极小。 3 通过重放认证信息进行欺骗和伪装的成功率极小。 4 计算有效性，实现身份认证的算法计算量足够小。 5 通信有效性，实现身份认证所需的通信量足够小。 6 秘密参数能够安全存储。 7 第三方的可信赖性。 8 可证明安全性。 目f i 身份认证技术大致可分为以下四类： 1 口令认证技术 基于口令的认证是最简单、最易实现的一种认证技术，也是目日u 应用最广泛 的认证方法。例如：操作系统及诸如邮件系统等一些应用系统的登录和权限管理， 都是基于口令认证的。其优势在于实现的简单性，无须任何附加设备，成本低、 速度快，但口令认证的安全性较差。人们为了记住诸多的口令，往往选择一些易 记口令，而穷举攻击和字典攻击对此类弱口令非常有效。特别是随着计算机及网 络分白计算能力的提高，简单的口令系统很难抵抗穷举攻击。使用口令的另一个 不安全因素来源于网络传输，许多系统的口令是以未加密的明文形式在网上传送 的，窃听者通过分析截获的信息包，可以轻而易举地获得用户的账号和口令“1 。 通过一些措旋可以有效地改进口令认证的安全性。如通过增加口令的强度， 提高抗穷举攻击和字典攻击的能力；将口令加密防止在传输中被窃听；采用动念 的一次性口令系统防止口令的重放。 2 基于数字证书的身份认证技术 数字证书( d i g i t a lc e r t i f i c a t e ) 是标志一个用户身份的一系列特征数据， 1 2 烦i ：学位论义 第二三帝一次抖u 令o t p 认b f | 上术 其作用类似于现实生活中的身份证。国际电信联盟的x 5 0 9 建议( 已成为事实上 的标准) 定义了一种提供认证服务的框架。采用基于x 5 0 9 证书的认证技术依赖 于共同信赖的第三方束实现认证。所不同的是它采用非对称密码体制，实现上更 加简单明了。这罩可信赖的第三方是指称为c a ( c e r t i f i c a t ea u t h o u r i t y ) 的认证机构。该认证机构负责认证用户的身份并向用户签发数字证书。数字证书 遵循x 5 0 9 标准所规定的格式，因此称为x 5 0 9 证书。持有此证书的用户就可以 凭此证书访问那些信任c a 的服务器。通用的x 5 0 9 数字证书的格式如表3 1 所 示。 袁3 - ix 5 0 9 数字证书格式 版本号 序列号 签名 算法标识：算法和参数 发行机构名称 有效期：起始一期和终止同期 用户名 用户公钥信息：算法、参数和公钥 颁发者唯一标识符 扩展字段 3 基于生物特征的身份认证技术 生物特征认证技术，又称生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y ) ，是指通过计算机利用人体所固有的生理特征或者行为特征来进行 身份鉴定的过程。可应用于认证的生物特征应具有普遍性、唯一性，可测性和稳 定性。 生物特征认证是人的一部分( s o m e t h i n gy o ua r e ) 。钥匙( s o m e t h i n gy o uh a v e ) 可能会遗失，密码( s o m e t h i n gy o uk n o w ) 可能会被遗忘，但生物特征却没有这样 的顾虑。与传统认证方式相比，生物特征认证最大的特点就是对用户自身的特征 进行认证，具有防伪性好、便于携带、不易丢失或遗忘的优点。 生物特征主要分为生理特征和行为特征。生理特征指相对稳定的人的物理特 征，行为特征则指某些建立在生理特征基础上的，在一段时l 、h j 内相对稳定的统计 学特征。用于生物认证的生理特征主要有：指纹、手几何形状、视网膜、虹膜、 面像等；行为特征主要有：手写签名、键盘打字节奏、声音等。 生物特征认证技术的主要应用有辨识和验证两种。辨识( i d e n t i f i c a t i o n ) 指的是确定用户的身份，通常是在生物特征模板库中进行一对多匹配 ( o n e - t o m a n ym a t c h i n g ) ；验证( v e r i f i c a t i o n ) 指的是验证用户是否为他所声明 1 3 帧l ：学化论史第三章一次件u 令o t p 认t l h 盘术 的身份，通常是一对一比对( o n e t o o n em a t c h i n g ) 。 4 双因素身份认证技术 基于双因素特征的身份认证的典型技术就是采用动态密码进行身份认证的 系统设计架构。随着人们对于网络安全和信息安全的研究和了解的深入，基于动 态密码技术的双因素身份认证技术得到了迅速发展。 动态密码( d y n a m i cp a s s w o r d ) 也称一次性密码( o n e t i m ep a s s w o r d ) 。动态 密码是变动的密码，其变动来源于产生密码的运算因子是变化的。动态密码的产 生因子一般都采用具有双因素特征的运算因子( t w of a c t o r ) ： 其一为用户的私有密钥。它代表用户身份的识别码，是固定不变的。 其二为变动因子。正是变动因子的不断变化，爿。产生了不断变动的动念密码。 采用不同的变动因子，形成了不同的动态密码认证技术。 1 基于时| 日j 同步( t i m es y n c h r o n o u s ) 认证技术 2 基于事件同步( e v e n ts y n c h r o n o u s ) 认证技术 3 挑战应答方式的非同步( c h a l l e n g e r e s p o n s es y n c h r o n o u s ) 认证技术 3 2o t p 认证技术 3 2 1o t p 基本原理 o t p 的工作方式是将公共可用的信息“挑战”与只有用户j + 知道的“秘密”。 结合起来产生币确的答案。这意味着o t p 是使用一个重要的安全概念束实现的。 那就是“用户知道什么”这一理论。把用户所知道的秘密与m d 4 或m d 5 算法 中的挑战联合起来时，就产生了口令或答复。 0 t p 的主要思路足：在登录过程中加入不确定因素，使每次登录过程中摘 录所得的密码都不相同，以提高登录过程的安全性。例如：0 t p = m d 5 ( 用户名 + 随机数口令时l 日j 戳) ，系统接收到登录口令以后以同样的算法做一个验算即可 验证用户的合法性。首先，在用户和远程服务器之问建立一个秘密，相当于传统 口令技术当中的口令。该秘密在此被称为“通行短语”。同时，它们之间还应具 备一种相同的“计算器”，该计算器实际上是某种算法的硬件或软件实现，它的 作用是q 三成一次性口令。当用户向服务器发出连接请求时，服务器向用户提出挑 战( c h a l l e n g e ) 。挑战通常是由两部分组成的一个字符串。挑战的一部分是种子 值( s e e d ) ，它是分配给用户的在系统内具有唯一性的一个数值，也就是说，一 个种子对应于一个用户，同时它是非保密的；而另一部分是迭代值( i t e r a t i o n ) ， 它是服务器临时产生的一个数值，与通行短语和种子值不同的是它总是不断变化 1 4 烦f ：学位论文 第二三审一次忤u 令o t p 认计技术 的。用户收到挑战后，将种子值、迭代值和通行短语输入到“计算器”中进行计 算，并把结果作为回答返回服务器。服务器暂存从用户那罩收到回答，因为它也 知道用户的通行短语，所以它能计算出用户币确的回答，通过比较就可以核实用 户的确切身份。用户通过网络传给服务器的口令是种子值，迭代值和通行短语在 计算器作用下的计算结果，用户本身的通行短语并没有在网上传播。只要计算器 足够复杂，就很难从中提取出原始的通行短语，从而有效地抵御了网络窃听攻击。 又因为迭代值总是不断变化的，比如每当身份认证成功时，将用户的迭代值自动 减1 ，这使得下一次用户登录时使用鉴别信息与上次不同( 一次性口令技术由此 得名) ，从而有效地阻止了重放攻击。总之，与可重用口令技术的单因子( 口令) 鉴别不同，一次性口令技术是一种多因子( 种子值，迭代值和通行短语) 鉴别技 术，其中引入的不确定因子使得它更为安全。 3 2 20 t p 认证方案 根据不确定因素选择的不同，o ，r p 常用的有以下几种认证方案： 1 l a m p o r t 方案”副 即哈希链( h a s hc h a i n s ) 算法。在初始化阶段选取一个口令p w 和一个数n ， 及一个单向散列函数f ，通过计算y = f “( p w ) ，把y 和n 的值存到服务器上。 用户端计算y = f ”1 ( p w ) 的值，服务器计算z = “y 的值同服务器上相应 的值y 进行比较。如果z = y ，则验证成功，然后用y 的值取代服务器上y 的值， n 的值减l 。 通过哈希链算法，用户每次登录到服务器端的口令都不相同。这种方案易于 实现，且无须特殊硬件的支持。但其安全性依赖于单向散列函数f ，不宜在分布 式网络环境下使用。此外通过该方案进行身份认证用户需要进行多次h a s h 运算， 而且每隔一段时间还需要重新初始化系统，服务器的额外丌销比较大。 2 s k e y 方案l ”】 s k e y 方案在l a m p o r t 方案的基础上做了一些改进。用户须登录到一台安全 的计算机上的程序计算出下几次登录的序列值，并将其编码成一系列的短字码。 在s k e yo t p 系统中，有两个实体参与操作：服务器产生挑战信息，并校 验随后客户端送来的一次性口令应答，将最后一次接收的有效的口令及相应的序 列号存储在数据记录中；客户端通过用户通行密语和服务器发柬的挑战信息计算 一次性口令。其中，服务器产生的挑战信息由种子s e e d 和迭代次数s e q 组成，s e e d 由1 0 6 3 个非空格的字母数字组成；s e q 为一个整数，每使用一次后减1 ；单向 1 5 硕i + 学位论爻 第二三章一次忤u 令o t p 认“技术 杂凑函数可以选择m d 4 、m d 5 或s h a 。 s k e y 口令产生程序把s e e d 和用户输入的通行密语连接起来，再用一个单 向h a s h 函数摘录，其输出为1 2 8 位。o t p 系统将此输出经半加折叠成6 4 位， 再将其作为h a s h 函数的输入，重复摘录s e q 次，将最后一次的6 4 位o t p 转换 为一个由6 个英文单词组成的短语，作为用户的一次性口令。每个用户在服务器 系统中有一个数掘记录，它含有用户上次成功认证的o t p 或刚初始化的第一个 o t p 。为认证此用户，服务器将接收到的o t p 解码成6 4 位，然后再用相同的 h a s h 函数摘录一次，若运算结果与存储的o t p 相同，则认证成功，并将该o t p 存储以备下次使用。每次认证成功后，运算次数s e q 减1 ，以使用户和登录程序 同步。 如上所述，客户端用户用以产生o t p 口令的通行密语不在网上传输，也不 存储在服务器端及客户端的任何地方，只有使用者本人知道，故其不会被窃取， 而o t p 即使在网络传输过程中被捕获，也无法再次使用，故认证过程有安全性。 3 时钟同步方案( t i m es y n c h r o n i z e d ) 每个系统用户都持有相应的时f h j 同步令牌( t o k e n ) 。令牌内置时钟，种子密钥 和加密算法。时1 、日j 同步令牌根掘当前时间和种子密钥可以每分钟动念生成一个一 次性口令。用户需要访问系统时，将令牌生成的动态口令传送到认证服务器。服 务器通过其种子密钥副本和当前时j 日j 计算出所期望的输出值，对用户进行验证。 如果相匹配，则登录通过。由于认证服务器和令牌的时钟保持同步，因此在同一 时刻两者可以计算出相同的动态口令。因为该口令只在当时有效，所以该方法可 以保证很高的安全性。然而该方案从技术上很难保证用户的时i 日j 同步令牌在时间 上和认证服务器严格同步，而且数据在网络上传输和处理存在一定的延迟。当时 间误差超过允许值时，对讵常用户的登录往往造成身份认证失败。另外该方案要 求有时间同步令牌这类特殊硬件的支持。 4 挑战应答方案( c h a i l e n g e r e s p o n s e ) 一种不同的一次性口令系统使用来自主机而不是时钟的非重复挑战。用户拥 有的是一台用密钥编程的带键板的设备。这个挑战被键入设备中，这台设备利用 密钥的副本计算它的某种函数值，然后这个值就作为口令。由于这罩不涉及时钟， 也就不存在时钟的偏差问题，因此不需要高速缓存。 事实上，这种方案直接用在网络上存在许多问题：需要特殊的硬件支持，增 加了购买鉴别器硬件的代价；要手工输入挑战到鉴别器中，从鉴别器获耿响应后 再手工输入到主机，使用起束十分不便；只能对用户的真实性进行鉴别，而无法 1 6 顾l j 学位论文 第二三章一次忭u 令o t p 认证技术 对服务器的真实性进行验证，而假冒的服务器至少可以窃取合法的用户身份等信 息，并且使合法用户的需求得不到j 下常的满足。 3 3o t p 认证技术在系统中的应用 虽然挑战应答方案直接用在网络环境下还存在一些不足，但它的优势还是 很明显的：实现比较灵活，可以在挑战数中引入新的属性值；客户端和服务器端 通过种子密钥鉴别，密钥不在网络上传输；通过不断改变挑战数柬防止重放攻击； 可用于认证多个不同的系统。 为了克服挑战应答方案的不足，增强网络传输的安全性，减少服务器的额 外丌销，设计时对其进行了必要的改进：用软件方法代替挑战应答令牌硬件的 功能；采用对称加密算法对用户的身份标识进行加密后再在网络上传输：挑战数 由客户端脚本程序生成；实现通信双方的相互认证；认证过程中用户需向服务器 传送两个校验数据。 本方案分两个阶段实现：初始注册阶段和认证阶段。注册过程只执行一次， 而认证过程在用户每次登录系统时都要执行一次。 3 3 1 注册过程 用户在可以使用本身份认证方案之静必须先向服务器注册，完成系统的初始 化操作。 步骤1 ：当用户向服务器提出注册请求时，要求输入身份标识符u i d ，口令 p w d 。接着用户生成一个随机数r l ，计算a = h ( u i d ，p w d or 1 ) 。h 为一个安全单 向的散列函数。 步骤2 ：用户将u