無可信第三方身份認證協(xié)議的研究與改進

摘要：本文對無可信第三方的身份認證協(xié)議進行了研究，著重對ISO/IEC 11770-2密鑰建立機制6進行深入的安全性分析，發(fā)現(xiàn)其存在三個方面的缺陷，并提出了相應的改進方案。對改進后協(xié)議的安全性分析表明，協(xié)議的安全性能得到較大的提高。

引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和普及，信息安全問題逐漸受到關注。身份認證是用戶在使用系統(tǒng)服務時或者會話雙方在信息交互前，彼此確認對方身份是否真實、合法的唯一過程，是保障信息安全的第一道關卡^[1]。

　　無可信第三方的身份認證協(xié)議，僅需在通信雙方之間交換消息便可進行實體認證，具有方便、簡潔等優(yōu)點^[2]，ISO/IEC 11770-2密鑰建立協(xié)議^[3]便是其中的典型。ISO/IEC 11770-2密鑰建立協(xié)議共提出了12個密鑰建立機制，其中第7至12個機制是有第三方參與的，現(xiàn)有的一些分析與改進大多是針對有第三方的密鑰建立的機制^[4]。機制1至6則是無可信第三方參與的，這方面的研究相對較少，前期的相關研究^[5]通過安全協(xié)議的形式分析驗證ISO/IEC 11770-2密鑰建立機制6能夠達到預期的認證目標，并提升了協(xié)議的不可否認性。本文在此基礎上，進一步對協(xié)議的安全性進行了全面的分析，發(fā)現(xiàn)其存在三個方面的缺陷，并提出了相應的改進方案。

1 ISO/IEC11770-2密鑰建立機制6協(xié)議簡介

　　在ISO/IEC11770-2密鑰建立機制6協(xié)議中，有A、B兩個主體，長期共享密鑰K_ab，用隨機數(shù)N_a和N_b來保證消息的新鮮性。A、B分別提供密鑰材料F_ab和F_ba，通過密鑰派生函數(shù)f生成最終的會話密鑰K=f(F_ab，F(xiàn)_ba)，具體過程如圖1所示。

　　1、B向A發(fā)送隨機數(shù)N_b，請求通信;

　　2、A收到請求后，用共享密鑰K_ab將新隨機數(shù)N_a、收到的隨機數(shù)N_b、身份標識符B以及密鑰材料F_ab等加密后發(fā)送給和B;

　　3、B收到消息并解密，核實身份標識符B，通過隨機數(shù)N_a和N_b檢驗消息的新鮮性，隨后使用共享密鑰K_ab將隨機數(shù)N_a、Nb和密鑰材料Fba加密后發(fā)送給A。

　　經(jīng)過以上三個步驟，協(xié)議完成了A、B之間的相互身份確認，并且生成新的會話密鑰K=f(F_ab，F(xiàn)_ba)，用以建立新的會話。

2 ISO/IEC11770-2密鑰建立機制6協(xié)議的缺陷分析及改進方案

2.1 協(xié)議的缺陷分析

　　缺陷1. 無法抵抗并行會話攻擊

　　若攻擊者同時發(fā)起兩個會話，一個是冒充B對A發(fā)起，一個是冒充A對B發(fā)起，將A回應的消息作為協(xié)議的第三條語句發(fā)送給B，或將B回應的消息作為協(xié)議的第三條語句發(fā)送給A，均可使A、B認為自己和對方完成了會話。這種攻擊分別使會話一方失效(并沒有參加)，而另一方則認為對方正常參加，協(xié)議達不到預期的認證目標。

　　缺陷2. 無法抵抗重放攻擊

　　協(xié)議中使用的隨機數(shù)沒有及時更新，如果攻擊者截獲協(xié)議的第二條語句，并直接回送給A，則A會誤以為已經(jīng)完成了會話，協(xié)議將無法達到預期的目標。

　　缺陷3. 無法防止惡意否認

　　正如文獻[3]中所述，在ISO/IEC11770-2密鑰建立機制6協(xié)議中，會話雙方處于不完全對等的地位，A能夠確認B收到密鑰信息，反之則不確定。如果A惡意否認，則B將無能為力。

2.2 協(xié)議的改進方案

　　針對上述缺點，通過更新隨機數(shù)和添加協(xié)議語句等方式對原協(xié)議進行改進，具體如圖2所示。

　　1、B向A發(fā)送隨機數(shù)Nb，請求通信;

　　2、A收到請求后，用共享密鑰K_ab將新隨機數(shù)Na、收到的隨機數(shù)N_b、身份標識符B以及密鑰材料F_ab等加密后發(fā)送給和B;

　　3、B收到消息并解密，核實身份標識符B，通過隨機數(shù)N_a和N_b檢驗消息的新鮮性，生成新的隨機數(shù)N’b并用共享密鑰Kab將隨機數(shù)Na、N_’b和密鑰材料F_ba加密后發(fā)送給和A;

　　4、A收到消息并解密，通過隨機數(shù)N^’_b和N_a檢查消息的新鮮性，生成新的會話密鑰，并用此新密鑰加密更新后的隨機數(shù)N^’_b，發(fā)送給B。

　　至此，協(xié)議雙方完成了身份認證，且均可以確認對方能夠生成新的會話密鑰，可以使用新的會話密鑰進行后繼對話。

3 改進后協(xié)議的安全性分析

　　在對改進后的協(xié)議進行安全性分析時，依據(jù)如下基本假設^[6]：攻擊者都可以竊聽并操作公共信道上的信息;用戶所采用的密碼是可記憶的，其信息熵不高。本文從以下幾個方面對改進方案進行安全性分析：

　　(1)抗重放攻擊

　　在改進后的協(xié)議中，B對隨機數(shù)進行了更新，將原協(xié)議第三條語句中的Nb改為N^’_b，保證消息的新鮮性，使得攻擊者即使截獲了協(xié)議的第二條語句也無法進行有效的攻擊。對隨機數(shù)的更新使改進后的協(xié)議能夠抵抗重放攻擊。

　　(2)抗假冒攻擊

　　在協(xié)議的執(zhí)行過程中，重要信息均使用只有會話雙方知道的對稱密鑰加密傳輸，攻擊者雖然能夠截獲密文，但沒有密鑰，無法解密，即無法獲得重要信息，比如密鑰材料F_ab和F_ba，也就無法獲得新的會話密鑰。協(xié)議通過使用對稱密碼體制的方式，能夠有效地抵抗假冒攻擊。

　　(3)抗并行會話攻擊

　　在改進后的協(xié)議中，第三條語句中的隨機數(shù)已經(jīng)更新，即使攻擊者同時發(fā)起兩個會話，也無法將收到的回應作為協(xié)議的第3條語句進行轉發(fā)，因為攻擊者無法對加密信息中的隨機數(shù)進行更新，無法進行有效的并行會話攻擊。

　　(4)防止惡意否認

　　改進后的協(xié)議在最后增加了一條語句，A用生成的新的會話密鑰將更新后的隨機數(shù)N^’_b發(fā)送給B，使得B也可以確認A已經(jīng)成功生成了新的會話密鑰。如果出現(xiàn)A惡意否認的情況，則最后這條語句就是B的證據(jù)。這一改動彌補了在原協(xié)議的執(zhí)行過程中，會話雙方地位不對等的缺陷，能夠有效地預防協(xié)議任何一方的惡意否認，協(xié)議的安全性進一步增強。

4 結束語

　　本文主要對無可信第三方的身份認證協(xié)議進行研究，著重研究了ISO/IEC11770-2密鑰建立機制6，發(fā)現(xiàn)其存在三個方面的缺陷，提出了相應的改進方案，并對其進行了安全性分析。分析結果表明，改進后的協(xié)議安全性能得到較大的提高。

　　無可信第三方的身份認證協(xié)議通常計算量較小、簡潔易實現(xiàn)，但往往需要會話雙方擁有長期共享的對稱密鑰，使得其適用范圍受到較大的限制，難以大規(guī)模地應用。且會話雙方長期共享的對稱密鑰也需要定時更新，如何安全、高效地進行對稱密鑰更新也是一個研究問題。如何讓無可信第三方身份認證協(xié)議的應用擺脫條件限制、適應多種安全環(huán)境將成為今后的研究方向。

參考文獻:

　　[1]馮登國. 安全協(xié)議—理論與實踐[M]. 北京:清華大學出版社.2011.

　　[2]衛(wèi)劍釩,陳鐘. 安全協(xié)議分析與設計[M]. 北京:人民郵電出版社,2010.

　　[3]ISO. Information Technology-Security Techniques-Key Management-Part 2: Mechanisms Using Symmetric Techniques ISO/IE 1170-2, 1996. International Standard.

　　[4]Cheng Z, Comley R. Attacks on An ISO/IEC 11770-2 Key Establishment Protocol. International Journal of Network Security, 2006, 3(2): 238-243.

　　[5]丁潔,林志陽,沈荻帆.淺談無可信第三方的身份認證協(xié)議[J].科技創(chuàng)新與應用,2016,57-58.

　　[6]Wang D, Ma C G, Gu D L, et al. Cryptanalysis of two dynamic ID-Based remote user authentication schemes for multi-server architecture [J]. Lecture Notes in Computer Science, 2012:462-475.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。