CN101304569A - 一种基于智能手机的移动认证系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用Mobile Key技术，结合智能手机来进行数字签名和认证，文件加密和解密的系统，它将用户密钥或证书保存在智能手机上，并且将签名/认证，加密/解密过程也在智能手机上进行。本发明主要由一台Windows Mobile操作系统的智能手机、桌面电脑软件模块和智能手机软件模块，首先在桌面电脑上设计和实现一个Mobile Key客户端，包括文件加密、解密工具，Office签名、认证插件，再在智能手机上设计和实现一个数字签名，认证，文件加密/解密等数学运算的安全系统。本发明除了具有使用方便，安全性高等USB Key固有的优点外，还具有许多USB Key所不具备的优点，包括运算速度快、支持长密钥、支持处理超大文件、共享性好、安全性更高、可扩展性更好。

Description

一种基于智能手机的移动认证系统

技术领域

本发明涉及信息安全领域，具体来说，涉及一种可采用各种信息安全算法，并结合智能手机来进行签名、认证、加密/解密的技术。

技术背景

随着互联网的不断发展，越来越多的人们开始尝试在线交易。然而病毒、黑客、网络钓鱼以及网页仿冒诈骗等恶意威胁，给在线交易的安全性带来了极大的挑战。据调查机构调查显示，去年美国由于网络诈骗事件，使得银行和消费者遭受的直接损失总计达24亿美元，平均每位受害者付出了约1200美元的代价。另据香港明报消息，香港去年由于网络诈骗导致的直接损失达140万港元。层出不穷的网络犯罪，引起了人们对网络身份的信任危机，如何证明“我是谁？”及如何防止身份冒用等问题又一次成为人们关注的焦点。

目前，认证系统采取的方式有许多种，在其中USB Key受到了越来越多的关注。USB Key凭借其价格低廉，安全性较高的特点成为了目前使用最多的认证方式。但是，USB Key也存在着一些缺点，包括：

1)速度较慢。USB Key由于自身条件的限制，其中的单片机运算速度较慢，生成一些较长密钥对需要很长的时间，在很多时候，无法做到一次一密。这在安全上存在隐患。

2)密钥长度有限。USB Key中内置的存储空间一般只有几十字节，只能保存少数的密钥信息，而不可能使用很长的密钥、或者数字证书，在密码学中，密钥长度越长越安全，但由于USB Key无法支持较长的密钥，使得它存在安全隐患。

3)明文长度有限。USB Key中缓存一般只有几十KB，要处理几M，几十M的文件几乎不可能，而对大文件的加密/解密，签名，认证的需要越来越多。

4)扩展性较差。由于USB Key硬件条件的限制，一个USB Key一般只内嵌了一种加密算法，当有一些更好的加密算法出现时，无法进行扩展。

5)安全性问题。如果在一台已被黑客控制的电脑上插入了USBKey，。由于多数USB KEY都没有操作确认选项，或者仅仅局限于个人电脑上的确认对话框。因此，黑客就有可能通过远程操作的手段控制该USB Key进行一些非授权操作。

6)无法知晓加密/解密等过程中的明文信息。USB Key一般只有一个很小的屏幕(很多几乎没有)，根本无法显示加密，解密等过程中的一些重要信息。而在网上交易中，如果无法知晓一些明文信息，而明文在加密前倘若出现篡改或错误，其后果将不堪设想。

发明内容

针对以上的不足，并结合USB Key的这些缺点，我们提出一种利用智能手机来进行Mobile Key认证系统。Mobile Key是一种基于智能手机的加密、解密设备，用户的密钥或数字证书在手机上，利用智能手机内置的密码算法实现对用户进行身份认证或对文件进行加密。

基于智能手机的Mobile Key认证系统，它包括一个Mobile Key客户端和智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统，Mobile Key客户端运行于电脑上，通过数据线与智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统进行通信。

Mobile Key客户端包括：

1)桌面电脑与智能手机通信系统：桌面电脑与智能手机通信系统以TCP协议实现，采取异步传输的方式实现数据的传输。该通信系统首先建立一个TCP监听器并监听端口，当端口有通信请求时，通信系统采取异步的方式在智能手机和桌面电脑间发送和接收数据。通信系统发送的数据在发送首先需要进行数据封装，加入类型ID和数据包长度，通过此方式来达到分块传输文件，分块处理文件的目的。

2)桌面电脑文件操作系统：使用该系统，用户可以选择桌面电脑上文件，并根据用户所选择的安装在Mobile Key上的算法，对选择的文件进行相应处理。处理的算法可以有：加密/解密、签名、认证、伪装、重构、分解、合并等几乎一切数学算法。桌面电脑文件操作系统设计了文件类型处理类，文件异步处理结果类，文件状态类。文件操作系统首先根据文件类型处理类提供的信息判断文件的类型，然后根据文件状态确定文件的处理过程，并将处理的结果存放在文件异步处理结果类中。

3)桌面电脑信息操作系统：该系统主要为桌面电脑上的其他应用程序提供数字签名功能。桌面电脑上的其他应用程序可以为Word印章、网上银行所使用的认证系统等需要使用传统USB Key来进行身份认证或数字签名的应用程序。信息操作系统首先提取Word文档中需要处理的信息，等待用户选择签名标准，然后该自动通知Mobile Key智能手机端系统使用用户选择的签名标准对信息进行签名(或验证)。

智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统包括：

1)智能手机与桌面电脑的通信系统：与桌面电脑端相似的实现方式。

2)算法管理器：算法管理器提供一系列标准(Interface)，使用者(开发者)只需要实现这些给定的标准，理论上可以将Mobile Key扩展支持任意的数学算法。算法管理器将智能手机中实现的算法分为2大类：对称加密算法和非对称加密算法。两类算法必须实现统一定义的算法接口，并重载关于算法参数的设置等一系列算法。算法管理器中同时定义了统一的算法管理方法，可以利用算法管理器的这些方法添加新的算法或删除算法。

3)密钥管理系统：根据用户选择，密钥可以保存在手机的任何位置，例如：ROM、扩展卡或者SIM卡、UIM卡等。密钥管理系统将密钥信息以可选的加密形式保存在手机中，并设计了修改储存位置的方法使用户修改密钥存储位置。同时还设计了一组方法，支持对密钥的修改，查看，删除等操作。

4)智能手机中加密/解密系统：在智能手机上实现了多种算法的设计，包括：DES，AES，3DES等算法。该系统首先通过判断算法的类型ID，然后根据类型ID调用在智能手机上中.NET Compact Framework中的封装的方法来实现加密和解密。

5)智能手机中签名，认证系统：在智能手机上实现各种签名标准，包括：RSA、ECDSA等。该系统的RSASSA-PSS实现方式与加密、解密系统实现方式基本类似，通过调用.NET Compact Framework中的封装的方法来实现。ECDSA的实现方式则是首先定义一个对大整数的处理类，并定义生成椭圆曲线点的类，最后实现椭圆曲线签名类。在椭圆曲线签名类中实现以下一些方法：生成公钥/私钥对，ECDSA数字签名，ECDSA数字认证。

本发明的有益效果：

1)速度快。现阶段常用的智能手机的核心处理器已经具备很强的运算能力，部分手机的控制器频率以达到Intel奔腾3处理器的速度。

2)支持处理长明文。由于智能手机与桌面电脑之间的数据传输是基于TCP协议的，因此可以采用分段传输、分段加密的方式，因此，MobileKey理论上可以支持处理无限长度的明文信息。

3)支持长密钥。现今常用的智能手机大多数拥有50M以上的存储空间，可以存储相当长的密钥，并且可以通过SD卡等方式扩充其存储空间，因此不仅密钥，甚至是字典也能存储。

4)可扩展性好。Mobile Key中的算法程序可以以插件的形式扩展，理论上支持几乎所有的数学运算。

5)共享性好。由于Mobile Key中的密钥可以保存在手机的SIM卡或UIM卡里，Mobile Key的加密，解密的程序也可保存在SIM卡或UIM卡中，因此只需要有一台智能手机，所有拥有SIM卡或者UIM卡的用户都能享受到Mobile Key提供的服务，可以节省开支。

6)安全性更高。Mobile Key采用智能手机进行加密/解密，签名，认证，每台智能手机都拥有独立的操作系统，只有通过Mobile Key的特定按键确认操作来完成这些加密，解密等功能，即使黑客控制了桌面电脑，也无法控制Mobile Key，相对USB Key来说，Mobile Key安全性更高。

7)可视加密明文。Mobile Key都拥有较大液晶显示屏，加密过程中的明文信息、操作过程都可以显示在液晶屏上，一目了然，因此，减少了安全风险。

8)支持多种方式与PC连接。Mobile Key可以通过串口、USB、红外线接口、调制解调器，甚至互联网进行远程连接，相比USB Key单一的连接方式，Mobile Key使用起来更灵活，更方便。

附图说明

图1为本系统的结构示意图；

图2为智能手机与桌面电脑通信模块工作过程示意图；

图3为加密/解密系统对文件处理示意图；

图4为签名/认证系统对文件的处理示意图；

图5为Mobile Key桌面电脑示意图；

图6为Mobile Key使用效果图；

图7为本系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

本发明的目的是设计和实现一个基于智能手机的认证系统MobileKey。该系统克服了USB Key运算能力慢，安全性相对较低，无法扩展等缺点，提出了Mobile Key这项新的技术，Mobile Key不仅运算能力大大强于USB Key，而且安全性也大大提高，更重要的是支持对大文件的处理，Mobile Key可以运用于文件的加密，解密，数字签名，认证、信息伪装、信息隐藏等领域。

Mobile Key系统的运行方式类似于Windows系统中的打印服务。智能手机就相当于打印机，Mobile Key应用程序客户端就类似于需要使用打印机的用户，这些客户端在使用前必须向Mobile Key服务程序注册。具体的运行方式如附图6。

根据以上的运行方式，我们首先提出并设计了一个Mobile Key服务端程序，该程序负责智能手机和桌面电脑通信、数据传输，并接受MobileKey应用程序客户端的注册，该服务程序是整个Mobile Key系统的基础，它是连接智能手机与应用程序客户端的桥梁。

然后，在智能手机上提出和设计一个文件加密，解密，签名，认证的模型，该模型使用了可以使用多种不同的数学算法，包括DES加密算法，AES加密算法，3DES加密算法，RSA签名算法、ECDSA签名算法等，这些算法的实现均是在智能手机上进行。实现过程中主要分为两类来处理，对称加密算法和非对称加密算法。对于系统中实现的三种对称加密算法和RSA签名算法在实现过程中采取了较类似的方式，都是通过调用智能手机中.NET Compact Framework中封装好的API来实现。而ECDSA签名算法的实现则采取首先实现一个对大整数支持的类，然后实现一个生成椭圆曲线上点的类，最后实现一个椭圆曲线签名的类，在椭圆曲线签名的类中定义了以下一些方法：生成公、私密钥对，ECDSA签名，ECDSA认证。

最后在桌面电脑端实现一组Mobile Key应用程序，包括文件加密/解密工具、数字签名/认证插件等，具体如图5所示。

基于智能手机的Mobile Key认证系统描述如下：

如图1所示，一种基于智能手机的Mobile Key认证系统，它包括一个Mobile Key客户端和智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统，Mobile Key客户端运行于电脑上，通过数据线与智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统进行通信。Mobile Key客户端包括桌面电脑与智能手机通信系统、桌面电脑文件操作系统和桌面电脑信息操作系统；智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统包括智能手机与桌面电脑的通信系统、算法管理器、密钥管理系统、智能手机中加密/解密系统，和智能手机中签名，认证系统。

一、系统软，硬件环境描述：

PC电脑一台

智能手机一台

运行环境：Windows 98/Me/2000/2003/XP/Vista，Windows Mobile2003/5.0/6.0 Windows Embed CE 5.0/6.0等

二、Mobile Key客户端

Mobile Key客户端是连接智能手机和桌面电脑端应用程序的桥梁。首先在桌面电脑端开启Mobile Key服务，打开TCP端口等待智能手机发出连接请求，在收到智能手机的连接请求后，Mobile Key服务程序与智能手机建立连接。此后，Mobile Key应用程序客户端就可以在向MobileKey服务程序注册后，使用智能手机进行加密和解密，签名和认证。

Mobile Key客户端分为三大部分，桌面电脑与智能手机通信系统、桌面电脑文件操作系统和桌面电脑信息操作系统。

1)智能手机与桌面电脑通信模块采取TCP协议实现，通过异步方式传输数据。智能手机与桌面电脑通信模块工作过程如图2所示。

2)桌面电脑文件操作系统：使用该系统，用户可以选择桌面电脑上文件，并根据用户所选择的安装在Mobile Key上的算法，对选择的文件进行相应处理。处理的算法可以有：加密/解密、签名、认证、伪装、重构、分解、合并等几乎一切数学算法。桌面电脑文件操作系统设计了文件类型处理类，文件异步处理结果类，文件状态类。文件操作系统首先根据文件类型处理类提供的信息判断文件的类型，然后根据文件状态确定文件的处理过程，并将处理的结果存放在文件异步处理结果类中。

3)桌面电脑信息操作系统：该系统主要为桌面电脑上的其他应用程序提供数字签名功能。桌面电脑上的其他应用程序可以为Word印章、网上银行所使用的认证系统等需要使用传统USB Key来进行身份认证或数字签名的应用程序。信息操作系统首先提取Word文档中需要处理的信息，等待用户选择签名标准，然后该自动通知Mobile Key智能手机端系统使用用户选择的签名标准对信息进行签名(或验证)。

三、智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统

智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统包括智能手机与桌面电脑的通信系统、算法管理器、密钥管理系统、智能手机中加密/解密系统，和智能手机中签名，认证系统。

智能手机端加密/解密系统：智能手机加密/解密系统主要负责对桌面电脑传输到智能手机上的文件进行加密或解密处理。加密/解密系统的处理过程如下：系统在收到桌面电脑发送的过来的请求时，首先提取出类型信息，根据类型信息从算法管理器中选择合适的算法，并从密钥管理器中获取密钥，然后对文件进行加密/解密。然后设计一个算法管理器用来管理各种不同的加密、解密算法。每种加密、解密的算法的实现必须符合一定的规则，也即必须实现自定义的接口。设计一个密钥管理器用来实现密钥的修改，密钥的选择等功能。加密/解密系统中用到的算法包括DES加密算法、3DES加密算法、AES加密算法，签名/认证系统中用到的算法包括RSA签名算法、ECDSA签名算法。在手机上实现以上加密算法的方法为调用手机中.NET Compact Framework中的加密类中的相关类和方法，而签名算法中的ECDSA签名算法，则是按如下方式实现：首先实现一个对大整数支持的类，然后实现一个生成椭圆曲线上点的类，最后实现一个椭圆曲线签名的类，在椭圆曲线签名的类中定义了以下一些方法：生成公、私密钥对，ECDSA签名，ECDSA认证。

其中，加密/解密系统对文件处理的具体的实现过程如图3所示，签名/认证系统对文件的处理过程如图4所示。

Mobile Key客户端是Mobile Key各项功能的具体应用。它包括文件加密/解密工具，Office数字签名/认证插件等等。

文件加密、解密工具能将桌面电脑中的文件传到智能手机进行加密/解密，通过在传输上的优化，即采取分块传输、分块处理的办法，该工具理论上支持将超大文件传输给智能手机进行加密、解密处理。

Office数字签名/认证插件能对Word文档中的文字、图片等内容进行数字签名和认证的插件，它使用方便而且具有很好的安全性。

基于智能手机的Mobile Key认证系统的运行过程如图7所示。

随着互联网的发展，网上交易的流行，网络安全问题越来越重要，而身份认证是网络安全中及其重要的一部分，如网上银行交易的身份认证，尽管目前许多银行推出了USB Key来进行身份认证，但USB Key有其天生的局限性和安全隐患，而智能手机的普及，使得Mobile Key的普及成为可能，Mobile Key不仅具有USB Key的优点，而且还具有USBKey许多无法匹敌的优势。以下就以一个例子来说明Mobile Key的应用。

例如，在电子商务方案中，用户已开通的网上银行，并通过支付平台进行支付。于是该方案存在两个方面需要进行验证的活动：一方面，银行需要确定账户使用者是否为合法的账户拥有者，另一方面，用户必须验证签名的金额是否和支付平台上显示的金额一致。使用Mobile Key，可以很方便地进行验证：对于第一个方面，一般采用Mobile Key上签名算法，将特定的信息进行签名并通过网络发送给银行系统，银行系统根据数据库中的记录进行认证；对于第二个方面，用户在进行签名的同时，可以根据Mobile Key上的提示确定签名的金额。

Claims (7)

1、一种基于智能手机的Mobile Key认证系统，它包括一个MobileKey客户端和智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统，Mobile Key客户端运行于电脑上，可以通过数据线、红外线、蓝牙、无线网络等多种通信方式与智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统进行通信：

Mobile Key客户端包括桌面电脑与智能手机通信系统、桌面电脑文件操作系统和桌面电脑信息操作系统；

智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统包括智能手机与桌面电脑的通信系统、算法管理器、密钥管理系统、智能手机中加密/解密系统，和智能手机中签名，认证系统。

2、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述Mobile Key客户端的桌面电脑与智能手机通信系统以TCP协议实现，采取异步传输的方式实现数据的传输。

3、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述Mobile Key客户端的桌面电脑文件操作系统设计了文件类型处理类，文件异步处理结果类，文件状态类。

4、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述Mobile Key客户端的算法包括加密、解密、签名、认证、伪装、重构、分解和合并数学算法。

5、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统的设计的算法包括DES、AES和3DES。

6、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统实现的签名算法，包括：RSA、ECDSA。

7、根据权利要求1所述的基于智能手机的Mobile Key认证系统，其特征在于，所述Mobile Key客户端可以通过串口、USB、红外线接口、调制解调器，甚至互联网进行远程连接，与智能手机上数字签名，认证，加密/解密系统进行通信。

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