基于时间的挑战/应答模式网络认证方案分析与设计
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[摘 要] 一次性口令身份认证方案在信息安全认证过程有广泛的应用。本文分析了文献中一次性口令身份认证方案，发现方案中均存在计算过大，服务器负担过重的问题；同时存在不安全的设计，针对以上问题提出新的基于时间的挑战/应答模式一次性口令身份认证方案，该方案具有较强的安全性、较小的计算量，最后对该方案的安全性和效率进行了分析。
[关键词] 一次性口令 挑战/应答模式 身份认证方案重放攻击
传统静态口令的用户身份认证机制，在网络环境下，容易受到窃听、重放攻击、字典攻击、差分密码分析和线性密码分析等分析手段的攻击，静态口令有诸多安全问题。一次性口令OTP（One-tiMe Password）认证，可以解决上述问题。常用的OTP有如下3种:Lamport方案:即哈希链算法;时间同步方案;挑战/应答方案。
本文在分析文献中所给出的基于挑战/应答的一次性口令身份认证方案基础上，解决了两个方案计算量过大的、且存在安全漏洞的问题，将两个方案的优点相结合，进行了优化与改进，改进后不仅保留了原方案所有的安全特性，并且比原方案有更小的计算量，更高的安全性。
一、现有方案概述与分析
1.方案1概述
文献给出了一种新型的一次性口令身份认证方案1。方案1分两个阶段实现:初始注册阶段和认证阶段。
（1）注册阶段:当用户向服务器提出注册请求时，要求输入身份标识符uid和口令pwd，用户生成一个随机数R1，计算A=H(uid，pwdR1)(H单项的散列函数)。用户将uid、A、R1及与服务器共享密钥K通过安全通道传送到服务器。
（2）认证过程:第i次身份认证过程(E代表加密，D代表解密，K代表密钥)。
步骤1：用户输入计算EK(uid)，并传送给服务器提出认证请求。步骤2：服务器解密DK(uid)得到uid，判断uid是否合法。步骤3：用户计算H(uid，K)，将它与传过来的M相比较，如果是合法的，继续执行步骤4。步骤4:用户根据收到的Ri，作如下处理：①计算A=H(uid，pwdRi);②生成随机数Ri+1，并计算B=H(uid，pwdRi+1)，B就是下一次的身份验证的校验符；③分别计算出H(B)、X和Y，使得H(B)=H(uid，K，B)、X=A(B+uid)、Y=H（B）B;④将X、Y、Ri+1传送到服务器。步骤5:服务器根据已存储的校验符A和接收的X、Y、Ri+1对用户进行身份验证。①计算(XA）-uid的结果得到B；②根据B，计算H(B)=YB;③计算H(uid，K，B)，验证H(uid，K，B)是否与②中的H(B)相同，相同更新服务器端存储的校验符A和随机数R（使AB，RiRi+1），以便被下一次身份认证过程使用。方案1协议的形式化描述如下:
CS:{uid}K; CS:{ Ri，M=H(uid，K)};
CS:{X=A(B+uid)，Y=H（B）B ，Ri+1};其中，C为用户，S为服务器。
2.方案2概述
文献中分析了方案的安全性，指出其由于单向认证不能抵御中间人攻击，并对其改进，改进如下:
Mes1.CS:{uid，Ri+1}K;
Mes2. CS:{Ri，M=H(uid，K) }K;
Mes3. CS:{X=A(B+uid)，Y=H（B）};
3.原方案分析
(1)计算量分析：①确定登录者：假设用户共有M个，有N个用户同时登录，服务器要则要搜索(M/2)*N次密钥列表，近似搜索个数为N*(M/2)2个，解密运算N*(M/2)次，搜索用户列表(M/2)*N次，计算量非常大。②在一次身份认证过程中：方案1服务器需执行3次Hash运算，客户端需执行4次Hash运算；方案2服务器需执行3次Hash运算，客户端需执行3次Hash运算。
(2)安全性分析：方案2中对方案1的安全性进行了分析指出方案1不能抵御中间人攻击，并对此进行了改进，但两个方案都不能抵御重放攻击，攻击过程如下:（C’为攻击者）
方案1:CS:{uid}K; 方案2: CS:{uid，Ri+1}K
C’S:{uid}K; C’S:{uid，Ri+1}K
C’S:{uid}K; …… C’S:{uid，Ri+1}K ……
二、基于时间的挑战/应答模式认证方案分析
1.基于时间挑战/应答模式认证方案
鉴于原方案计算量过大且存在的安全问题，提出基于时间的挑战/应答模式认证方案，形式化描述如下：
Mes1. CS:{uid，(Ri+1，T1)K}; Mes2. CS:{Ri，T1}K;
Mes3. CS:{X=A(B+uid)，Y=H（B），T2}K;
方案描述：Step1：用户随机生成一个随机数Ri+1与时间T1，用与服务器共享的密钥K加密后，与用户标识符一起发送给服务器；Step2：服务器收到Mes1后，通过uid，在密钥库中取出共享密钥K，解密信息解密时间，比较上一次通信所记录时间，如不同（非重放攻击），替换上一次通信所记录时间T1，并保存本随机数，并取出上一次的认证中所保存的Ri，并将信息{Ri，T1}用共享密钥K加密后发送给用户；Step3：用户收到Mes2后，解密信息，得到Ri、T1，比较发出时间，一致则用户通过对服务器的验证，并计算X=A(B+uid)、B=H(uid，pwdRi+1)，B就是下一次的身份验证的校验符；接着分别计算出H(B)、X和Y，使得H(B)=H(uid，K，B)、X=A(B+uid)、Y=H（B）B;最后将X、Y、Ri+1，T2传送到服务器。
2.基于时间挑战/应答模式认证方案分析
(1)安全性:通过形式化分析对改进后的协议进行分析，可以证明该协议是一个安全的协议，并实现了以下安全性：
①本方案中口令不在网络中传输，符合一次性口令的初衷。
②在协议的每一步均有一个历史时间，保证了协议可以有效的抵抗重放攻击；
③方案是双向认证，通过共享密钥加密，保证信息的机密性；
④具有更高的可靠性，较小的计算量，同时可以防止来自服务器的欺骗。
(2)计算量分析:在一次身份认证过程中，各方案计算量对比分析如表1所示:
三、结束语
本文提出了基于时间的挑战/应答模式一次性口令认证方案，相对于文献中一次性口令的身份认证方案，新方案使认证过程的计算量达到最小，并对认证过程进行了改进，使得改进后的方案克服了原方案的安全漏洞，并且具有更高的安全性。
参考文献:
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[2]王滨等:一次性口令身份认证方案的分析与改进[J].计算机工程，2006,32(14):149～150
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