浅论手机彩信签名研究

浅论手机彩信签名研究 ( 作者,仓海军 纪小波 段德成 王海明 发表时间,2014年11月 ) 论文关键词,手机彩信通信,数字签名,彩信认证,双向认证,J2ME 论文摘要, 本文探讨一种基于非对称密码体制、单向散列函数、数字证书和数字签名的手机彩信通信接入双向认证。在本方案中,认证服务器无需存储和查找客户端公钥,且移动运营商具有自签名的顶级证书服务器,无需借助第三方颁发证书。最后对本方案做了简要的性能分析。 1 引言 移动通信技术发展日新月异,3G,E3G,4G这些标志通信技术里程碑的名词。通过手机彩信功能,现在可以传输文字,图片,音 乐和视频等多媒体信息。彩信丰富了我们的日常生活,与此同时彩信中夹杂病毒和一些不良信息的现象不段出现。通信安全问题已成为制约移动网络应用的一个瓶颈,并且随着移动通信网络的迅猛发展,日益变得突出。借鉴互联网领域的数字签名技术,本文探讨通过非对称密钥体制来实现手机彩信的通信安全。 2 非对称密钥体制 有对称和非对称两种密钥体制。在对称密钥系统中,加密和解密采用相同的密钥。因为加解密钥相同,需要通信的双方必须选择和保存他们共同的密钥,各方必须信任对方不会将密钥泄密出去,这样就可以实现数据的机密性和完整性。对于具有n个用户的网络,需要n(n-1)/2个密钥,在用户群不是很大的情况下,对称密钥系统是有效的。但是对于大型网络,当用户群很大,分布很广时,密钥的分配和保存就成了问题。因此在移动通信中不可以采取对称密钥体制。 非对称密钥体制的基本是加密密钥和解密密钥不相同,由其中一个密钥推导另一个密钥在计算上是不可行的。一对彼此独立、但又在数学上彼此相关的密钥KP、KS总是一起生成,其中KP公开,称为公钥,KS保密,称为私钥。加密算法E和解密算法D是分开的。非对称密码体制的特点如下, (1)用公钥加密的数据,只能由与其对应的私钥解密,而不能用原公钥解密,反之,用私钥加密的数据,只能由与其对应的公钥解密, 而不能由原私钥解密。即,设加密算法为E,解密算法为D,KP是公钥,KS是KP对应的与私钥,明文为X,则有,Dkp可以得出明文X,而Dks则无法得出明文X。 (2)非对称钥体制不存在对称秘钥体制中的密钥分配问题和保存问题。M个用户之间相互通信只需要2M个密钥即可完成。 (3)非对称秘钥体制支持以下功能, (4)机密性,Confidentiality,,保证非授权人员不能非法获取信息, (5)确认,Authentication,,保证对方属于所声称的实体, (6)数据完整性,Data integrity,,保证信息内容不被篡改, (7)不可抵赖性,Non-repudiation,,发送者不能事后否认他发送过消息。 3 一种双向认证的方案, 首先需要在移动运营商架设一台证书服务器。证书服务器有自己的公钥KCP和私钥KCS,同时证书服务器也有一张自签名的顶级证书,以防止它的公钥被黑客替换。在用户申请开通服务时,证书服务器为用户颁发一张数字证书,并对证书进行数字签名,以防止证书内容被篡改。颁发证书的时候为用户创建了公钥KUP、私钥KUS ,其中KUS由用户保存且保密,KUP公开。 移动运营商架设一台或多台AAA Server,Authentication, Authorization, Accounting, 认证、授权、计费服务器,,它负责认证、授权和计费。AAA Server有自己的私钥KSS 、公钥KSP和加密算法D、解密算法E。同时,它也拥有一张证书服务器颁发的数字证书。 用户开机或者请求某种业务时,发起相应的认证过程,即向AAA Server发送认证开始请求。AAA Server收到请求后,向用户发送证书请求,要求用户出示数字证书。然后用户将自己的数字证书发送给AAA Server。 AAA Server收到证书后,有三件事情需要证明, (1)该数字证书是移动运营商数字证书服务器所颁发, (2)该数字证书未被篡改过, (3)该证书确实为出示证书者所有。 对于前面两项,AAA Server只需验证数字证书上证书服务器的数字签名即可得到证明。具体方法是用证书服务器的公钥KCP解密数字签名,然后再用公开的单向散列函数求证书的散列值,并比较二者,如果相同,验证通过,不相同,验证失败。 为了证明该证书确实为证书出示者所有,AAA Server生成一个大的随机数R,并使用用户的公钥KUP,数字证书中包含KUP ,因此服务器无需预先存储用户公钥,也无需查找数据库,这有利于加快处理速度,将R加密,得到EKup(R)。为了防止R在传输过程中被黑客截获并修改,使得合法用户得不到正确的认证。AAA Server先使用一个公开的单向散列函数H作用于R,得到H,R,,然后用服务器的私钥KSS对H,R,进行加密,数字签名,。最后将 Ekup(R)+Ekss发送给用户。客户收到Ekup(R)+Ekss后,首先应该验证R在传输过程中是否被篡改过。方法如下,首先,客户端使用AAA Server的公钥KSP解开Ekss,即,DKsp(Ekss)=H(R) ( 作者,仓海军 纪小波 段德成 王海明 发表时间,2014年11月 ) 再用客户端私钥KUS解密 Ekup(R),即, Dkus=R’, 然后再用公开的单向散列函数H,必须与AAA Server使用的H相同,,求 R ′的散列值H,R ′,。如果在传输过程中R被篡改过,即R ′?R,那么根据散列函数的性质,必然有,H,R ′,?H,R,, 从而发现R被修改过这一事实。 如果上面的操作证明R未被修改,那么客户端接下来的工作是设法将解密得到的R ′不被篡改地传回AAA Server,以便AAA Server进行鉴别。为了防止在将R ′传回给AAA Server的过程中,被黑客捕获并篡改,使得合法用户不能通过认证。在回传R ′时,先对R ′施以单向散列函数H,得到R ′的一个散列值H,R ′,。然后使用用户的私钥KUS对H,R ′,进行加密,数字签名,,最后将R ′和加密后的H,R ′,一起,即R’+Ekus回传给AAA Server。这里R′ 可以明文传输,无需加密,因为R是随机数,每次都不一样,黑客即使获得R′也不能对认证过程构成威胁。 AAA Server收到R’+Ekus后,验证过程如下, 首先验证R ′是否等于R。 如果R ′,R,说明该证书确实为其出示者所有,对用户的认证获得通过。 如果R ′?R,有两种可能,即要么用户提供的证书是假的,要么R ′在传输过程被人篡改过。要检查R ′是否被修改过,AAA Server只需验证用户的数字签名即可, 如果R ′被篡改为R″,R″? R ′,,则必然有H,R″,?H, R ′,,从而可以发现R ′在传输过程中被修改过。 如果经过前面验证,R ′在传输过程中没有被修改,且R ′?R,这说明用户所出示的数字证书非法,用户认证失败。 至此, AAA Server对客户端认证完成。反方向的客户端对AAA Server的认证类似,不再详述。 当双向认证完成后,事实上,可以是客户端被认证合法之后,,AAA Server向SMS,Subscriber Management System,用户管理系统,发送用户通过认证,并请求该用户的业务信息。SMS收到请求后,查找该用户的业务信息,并发送给AAA Server。AAA Server据此对该用户授权、计费。 4 方案性能分析 本认证方案采用了单向散列函数、非对称密码体制、数字证书、数字签名等信息安全技术。认证服务器无需存储用户公钥,也不需要查找相应数据库,处理速度快。 (1)有效性,Validity,,在本认证方案过程中,要求用户出示了由移动运营商证书服务器颁发的数字证书,并对证书进行了三项验证,确保证书的有效性,为移动运营商证书服务器所颁发,、完整性,未被修改过,和真实性,确实为该用户所有,得到验证。在AAA Server方,我们认为没有必要向客户端出示其证书。客户端知道合法的AAA Server的公钥,只需验证自称是AAA Server的一方拥有该公钥对应的私钥即可,因为世界上有且仅有合法的AAA Server知道该私钥。 (2)完整性,Integrity,,在认证消息传输过程中,我们始终坚持了消息可靠传输这一原则,对认证消息采取了保护措施。一旦认证消息在传输过程中被修改,消息到达对方时将被发现。 不可否认性,Non-repudiation,,本方案中所有认证消息都采用了发送方数字签名,使得发送方对自己发送的消息不可否认。 可行性,Feasibility ,,本认证方案采用的单向散列函数、非对称密码体制、数字证书等信息安全技术经过多年发展,已经比较成熟。单向散列函数有MD2、MD4、MD5、SHA系列、HAVAL-128以及RIPEMD等,其中MD4目前被认为不安全。非对称密码体制中最成功的是RSA。值得一提的是与RSA算法相关的基本专利已于2000年9月到期,这直接关系到系统成本。另外,本方案采用的数字证书 是自己颁发的,移动运营商的证书服务器具有自签名的顶级证书,无 需借助第三方证书机构。 5 结束语 彩信丰富人们的生活,手机银行,手机炒股……各种网络应用 在移动网络中产生,通信安全显的很重要。通过数字签名技术来解决 手机彩信通信安全是一种切实可行的方案,非对称的加密体制为方案 的实现提供了可能性,在基于J2ME的开发平台下实现,使得具有很 强的可移植性,为手机彩信提供安全保障。 参考文献, 赵泽茂.数字签名理论.北京:科学出版社,2007. 杨世平,李祥.一种广播多重(t, n)门限数字签名方案.计算机应用 研究,2006. Andrew Nash, William Duane, Celia Joseph, Derek Brink: PKI: Implementing and Managing E-Security, McGraw-Hill Companies,2001. IETF,RFC2246,The TLS Protocol Version 1.0, , January 1999. Shimshon Berkovits, Santosh Chokhani, et al. Public Key Infrastructure Study(final version) . Nation Institute of Standards and Technology,2005.