CN103152177A - 一种利用手机自动完成认证的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用手机自动完成认证的方法，使用手机中装载的SIM等IC芯片，保存电子商等服务的ID。由于SIM制造商在遵守标准的同时，具有微小差异，吸收这样的差异对服务运营商来说，产生了相当大的成本。本发明提出独立的ID管理机构，1. 吸收所有IC芯片的差异，2. 提供ID的OTA发行方法，3. 代理服务运营商完成安全等级高的ID认证。所有处理自动完成，用户无需记忆、输入ID和高强度的password。本发明采用的认证方法保证认证信息中不包含ID和密码，保证认证信息安全。

Description

一种利用手机自动完成认证的方法

技术领域

本发明涉及电子商务领域，尤其涉及电子商务的安全交易领域。

背景技术

1. 背景

在电子商务中，用户认证是保证安全性的重要处理，特别是涉及大金额的交易时候，由于网络的匿名性隐蔽性，对交易安全带来了不安全因素。

在电子商交易中，为了增加交易的安全性，服务提供商通常采用外接式电子钥匙Token(一种基于PKI的，通过利用私钥的证明书)，通常情况下，以USB Key为媒体，但是这种外接式电子钥匙，非常不便于携带。同时，这些电子钥匙，需要消费者本人到营业窗口去领取，繁琐的手续阻碍了潜在需要者成为真正的用户。而且不同的服务需要不同的电子钥匙，这样管理保存一堆电子钥匙，反而给最终用户带来了新的安全隐患。

在网络安全领域，为提高安全性，RSA SecurID提供的一次性密码也是常用的方式，但是这种方式和上述方法同样，需要ID和秘密钥匙，所述钥匙和ID具有上述相同的问题。同样，还有软件的生成的一次性密码来增强安全性，但是一次性密码只能保证密码的安全，却无法保证使用者的真实可靠性。

在电子商交易中，为了增加交易的安全性，服务提供商还采用手机的短信/语言的回复Callback方法，通过Callback来确认用户的真实可靠性。然而Callback处理无法满足最终用户对即时性的要求，同时也为服务商增加了运营的成本。

另一方面，近年智能手机的普及，使得手机能够代替PC完成电子商的交易。手机相对于PC具有更强的个人隐秘性，因此具有更牢固的安全性；但同时手机相对于PC具有输入困难、外接困难问题。因此目前的方法无法利用手机的长处，相反制约了手机参与大金额交易的电子商交易。

2. 课题

使用智能手机的特征和特性，保证电子上交易中，认证的真实性authenticity和机密性Confidentiality，实现一种利用手机完成认证的方法。比较于现有方法，该方法的成本低于Call Back方式，同时能解决USB Key，和RSA SecurID的以下问题：

1. 提供一种安全的ID和秘密钥匙的发行方法，以解决需要到窗口领取的问题。

2. 提供一种安全的ID和秘密钥匙的保存方法，以解决不同服务需要不同的ID和钥匙，以及USB Key，RSA SecurID硬件本身的不便于携带的问题，和不能直接使用在PC以外的地方。

3. 提供基于所述发行/保存方法的一种安全的ID认证方法，以保操作便利的同时，认证的安全性等不低于现有方法。

3. 发明目标

基于以上课题，本发明提出新处理方法，通过以下方式完成在智能手机中，安全利用认证

1．使用有信用力的第三方机构发行ID和非对称钥匙中的加密用钥匙，发行方法保证ID无法被篡改、伪装、否认；

2．ID和秘密钥匙保存于智能手机中具有IC加密功能的芯片中，保存方法保证ID无法被篡改，盗窃

3．使用部署于IC芯片中的IC applet程序，和部署于智能手机OS中的程序结合，自动完成制ID认证处理，保证使用的便利性

发明内容

导入独立于服务提供商的第三方ID管理机构，在第三方ID管理机构的服务器的管理下，生成提供下载的ID/秘密钥匙，并通过网络，提供个人信息化的处理(Personalization)，由ID管理机构保证ID的真正性Authenticity。

在手机中，利用手机中的SIM，或者加密SD等IC芯片作为保存ID/秘密钥匙的媒体。

在所述保存ID媒体的芯片上，部署IC applet程序，通过程序，自动处理ID的下载、参照、销毁。

所述IC applet的程序，管理1到复数个ID，提供单一，或者不同的服务提供商的ID认证服务。

所述IC applet的程序，同时管理用户的密码、生日、姓名、电子邮箱等个人信息

本发明的进步性在于：

1.用户无需记忆，无需手动输入ID和高强度密码，

2.无需携带其他USB钥匙等其他装置，

3.自动进行认证处理提供用户良好体验，并保证进行安全交易。

附图说明

图1 概要图

图2 智能手机结构图

图3 IC程序运行环境构成图

图4 ID发行方法

图5 IC数据生成方法流程图

图6 IC程序数据保存结构图

图7 ID认证步骤

图8 ID认证处理方法

具体实施方式

目前SIM采用ISO/IEC7816规格，专门名称为UICC (Universal Integrated Circuit Card)。由于ISO/IEC7816规格所提供数据交换的手段为APDU指令，因此一般OS不提供直接访问API；又因为SIM可以被加密，因此一般OS和技术者，无法读取其中的数据。由于上述原因，智能手机中的SIM卡，是保存机密性ID和秘密钥匙的理想媒体。然而，SIM卡有很大部分依存于移动运营商。而不同的运营商，采用不同的标准制式，而不同国家又采用不同的标准制式，因此服务提供商集约这些不同制式的SIM，在技术上有相当困难。而不同服务商同时保有植入SIM的技术和设备，将是巨大的投资。

因此本发明提出，通过独立的第三方，提供ID、秘密钥匙发行、导入和认证服务，来降低系统服务整体成本。这样的优点是，服务提供商可以专注于服务本身。同时，对于有实力的服务提供商，也同样可以按照本发明说明，完成其专属的ID发行认证机构。

符合ISO/IEC7816规格的芯片具有上述SIM同样的特征，因此可以采用同样的方法实现所述功能。

1. 结构

基于上述背景，本发明的系统结构，采用如下图所述结构：

图1 概要图

本发明提供的服务由用户(10)、服务提供商(20)和第三方ID管理机构(30)，三方组成，其系统构成为

1.智能手机1，用以保存ID，部署应用程序，用户10通过应用程序获得ID，并和服务器交互，进行ID认证

2.服务提供商服务器2，提供电子商务的服务

3.ID管理机构服务器3，提供将ID写入智能手机的方法，并提供ID认证处理

图2 智能手机结构图

如图所示，本发明的手机结构如下

1.标准硬件装置11，包括CPU、存储、显示装置、通信装置

2.OS(13),为市场提供的Android^TM，iOS^TM等操作系统

3.IC芯片12，符合ISO/IEC7816规格的IC芯片，通常可使用标准UICC的SIM，作为同等替代可以使用具有加密功能的SD形态的IC芯片，也可以使用其他IC芯片同等替换。

4.部署于OS(13)中的应用程序14。通过应用程序，实现和服务提供商服务器连接，提供用户服务界面。

5.部署于IC(13)中的ID管理程序15。通过ID管理程序，实现ID的写入、读取、删除，管理ID。IC中的ID管理程序运行环境结构，如下图所示

图3 IC程序运行环境构成图

如图所示，适用IC芯片的运行环境包括以下单元

1.由IC芯片制造商提供的，管理处理器、存储器、输入输入、加密/解密电路的操作系统151。

2.在IC芯片制造商提供的操作系统上，部署javaCard Virtual Machine虚拟机152，以下称JavaCard VM，由于JavaCard技术的国际标准化，IC芯片提供商也会预先安装根据ISO7816定义的JavaCard VM。

3.由Java Card VM提供JavaCard的运行环境153

4.JavaCard的API，以及芯片发行商提供的API(154)，移动运营商会安装一些基本服务，并提供基本服务的API，

5.IC applet的ID管理程序，为本发明的构成内容。ID的发行、保存、管理方法，在以下章节说明。

2. 程序部署方法

IC芯片中程序，由ID管理机构开发，通过和移动运营商合作，采用移动运营商提供的服务器(TSM)，进行远程发布(OTA)，也可以在MNO的营业窗口，通过SIM写入装置，写入IC Applet。IC Applet被保存于IC，保存方法在后续章节详述。在保存的同时，IC Applet被赋予钥匙，并获得读写管理领域的数据。

服务商服务器2中的程序为WEB程序，由服务提供商20开发，部署，

第三方ID管理机构30服务器3中的WEB程序，采用例如Enterprise Java的开发方法，使用EJB，Severlet等中等水平技术，实现本发明所述方法。

3. ID发行方法

ID发行步骤，如下如图所示，：

图4 ID发行方法

i0 用户提交服务申请。申请方法分为 1. 基于html的WEB申请画面，2. 智能手机中应用程序中的指定画面，任意一种。所述服务申请，包括提供服务所需要的个人信息，如，用户名(具有一义性的用户识别名unique)、姓名、性别、住址、电话号码、电子邮箱，手机号码等。所述用户名为公开信息。

i1 服务提供商20的部署于服务器中2的程序，根据用户申请信息，进行新用户生成处理，并生成新用户的业务数据，保存于服务器。所述业务数据，包括系统识别ID，所述ID不对外公开。

i2 服务器中2的程序，生成的业务数据，传给ID管理机构，

i3 ID管理机构30，通过部署于服务器3中的程序，编辑数据格式，并生成非对称钥匙(asymmetric key)，其中秘密钥匙(private key)作为解密钥匙，公开钥匙(public key)作为加密钥匙，生成方法在后续章节叙述。

i4 ID管理机构30返回处理结果

i5 服务提供商，返回处理结果，启动手机1中下载功能

i6 所生成的智能手机处理数据，通过SSL等加密方式，传送于智能手机。

i7 所生成的智能手机处理数据，传送于智能手机。

i8 智能手机，通过部署于OS(13)的应用程序14，调用部署于IC(12)中的ID管理程序15，将所述数据写入IC。

为详细说明i3中的格式编辑和加密处理流程，结合以下数据生成方法流程图

图5 IC数据生成方法流程图

如图所示，IC数据生成步骤如下

i30 验证服务提供商，其方法可以采用数字签名，或者其他同等替换方法

i31 验证业务数据，如果获得的业务数据中有错误，则返回错误结果

i32 结果正常的情况下，继续：

i33 根据用户申请信息，判断处理类型，具体为，根据手机型号，uid等信息，判断手机和运营商的类型

i34 按照类型，编辑生成所需要的数据，理由是UICC虽然按照ISO7816设计，但是不同厂商会有微小的差异，本步骤可以解决这些微小差异，

i35 对生成数据，使用和部署于手机1中的应用程序14的共同钥匙，对数据进行加密。由于下载要求可以通过HTTPs或者TLS，因此对数据加密的步骤也可以根据安全等级取消。

上述，发行方法为同期型发行。作为同等替换，在处理能力或者服务需求中，如果需要审核用户等长时间的处理的话，还可以采用非同期发行方法。非同期发行方法，采用PUSH Notification方式，代替request-response方式。

发行步骤，可以模型化为：

1.取得U_i ，

2.S₂ 生成BI_i ，所述BI_i，= { ID_i, U_i  }

3.  S₂将BI_i i传送到S₃

4.  S₃生成pw_i，pw_i ^-1 ，并生成SC_i  所述SC_i，= { ID_i, pw_i，U_i }

5.  S₃将SC_i传送S₁

6.  手机1中的应用程序14，将SC_i写入IC卡

所述非对称钥匙(asymmetric key)，常用方式是利用SSH KeyGen命令，作为参考，在服务器端可以使用JAVA代码实现生成。

所述加密方法(keyAlgorithm)，选择RSA，DSA，ECDSA或者其他同等置换。钥匙的长度，可以根据服务安全等级需要而决定。程序的结果是生非对称钥匙。

所述IC Applet，实装中使用javacard.framework.Applet 提供的方法(Method),

所述IC Applet处理方法，在process method 中实装，编译后生成CAP文件，通过GP标准的intaller命令写入SIM或者其他标准IC中。具体程序为中等程度技术人员实装，在本说明书中割爱。

所述IC Applet处理中对读写命令的处理，实际代码例如下：

图6 程序数据保存结构图

如图所示，IC程序和数据文件的保存结构如下：文件的根目录为MF主文件(121)，在MF中保存，SE所需要的Mater钥匙。在MF下为特定文件(Dedicated File)(122)，在DF中保存，各程序关系信息，以及程序认证钥匙，但不保存具体数据。在DF下，为基本文件(Elementary File )(125)，基本文件分为工作文件Working File(123)和内部文件Internal File(124)，工作文件用于保存敏感数据，内部文件用于保存编译后的运行过程(process)。其中作为根文件的MF至少有一个，其他DF作为可选项。ID作为敏感数据保存于工作文件中，IC的程序编译后部署于内部程序领域中。

其中MF中保存的MasterKey，由运营商(MobileNetworkOperator，以下简称MNO)管理，没有MasterKey将无法获得对文件的读写权限。

在SIM为媒体的例子中，IC Applet的程序，需要托管给运营商MNO，通过运营商的网络，写入SIM。如果将媒体改为SD卡的话，SD卡的发行商负责管理MasterKey。

文件参照方法

文件参照方法，采用下列任何一种方式 1. 按照文件ID寻址，2.按照文件路径寻址， 3. 按照相对文件ID寻址， 4. 按照DF文件名寻址。

如采用SIM作为ID保存媒体，则ID管理机构，需要和移动运营商协议，获得写入DF的写入权限。通过移动运营商的网络写入IC Applet程序。在SIM中部署了IC Applet程序之后，就可以在获权的DF范围之内，更新、修改和删除数据。

SIM同时处理加密/解密，由加密/解密电路完成，RSA，DSA，ECDSA等算法。目前一般SIM厂商根据GP标准提供这样的标准功能。

图7 ID认证步骤

如图所示，ID认证采用以下步骤和方法

L1 手机1和服务提供商2之间的数据交互。本步骤为交易（transaction）发生前，如进行商品浏览等各种不需要认证的处理，该交互一直持续到，需要认证处理为止，然后实行以下步骤：

L2 手机获取保存于IC的ID，以及加密用钥匙，使用加密用钥匙，对ID进行加密，

L3 手机，使用一次性密码OTP方式，然后传送于服务提供商2，

L4 服务提供商2将信息，不加修改地传送之ID管理机构3，

L5 ID管理机构3使用解密钥匙，对数据解密，获取用户的ID，并将认证结果返回应有服务

L6 ID管理机构3代理处理安全性要求的处理

L7 ID管理机构3返回结果于服务提供商2，服务提供商2返回处理结果给手机1

所述步骤L5,L6，为可选项，也可以由服务提供商完成。所述步骤L2中，可加入输入PIN以进一步保证服务安全性。

如下图所示，认证步骤可以模型化为：

图8 ID认证处理方法

1.  S₁获取SC_i 

2.  S₁ 生成Mreq(M1)，传送给S₃。所述Mreq生成方法为：

2.1 S₁获得SC_i中pw_i对SC_i中ID_i加密，生成encry(pw_i,ID_i) (M11)

2.2 S₁使用pw_i生成OTP，所述OTP，采用HMAC函数，生成哈希计算后的认证信息HMAC(pw_i,ID_i) (M12)

所述Mreq_，={U_i.name,encry(pw_i,ID_i),HMAC(pw_i,ID_i)}

3.S₃收到所述ID和认证消息，进行认证并将结果通知服务提供商

3.1使用和U_i.name对应的pw_i ^-1，对ID项解密，获得ID_i(M2)

3.2S3计算password′=HMAC(pw_i,ID_i)，(M3)

3.3S3比较password′(M3)，password(M12)，如果一致，则通过认证，否则认证失败

所述encry(pw_i,ID_i),为避免在传输过程中被截取，可进一步采用动态ID(dynamic ID)，dynamic ID可以为，, 其中⊕为XOR，由于XOR为可逆运算，因此收取到动态ID信息后，可以通过XOR逆运算，计算出ID_i i

所述，HMAC处理，按照以下公式，计算HMAC值。

${\mathrm{HMAC}}_K(K,m)=h\left((K\⊕\mathrm{opad})\right|\left|h\left((K\⊕\mathrm{ipad})\right|\left|m\right)\right)$

其中，

h 哈希函数，作为参考在本发明中采用MD5(SHA-1)的复合哈希函数，也可以使用任意其他的哈希函数作为同等替换。

K为pw_i，在本发明中为保证传送时，认证信息被中途截取后仍具有充分的保密性，同样采用动态钥匙Dynamic Key (pw_i||τ)

m是为ID_i，和K一样，可以采用动态ID(Dynamic ID)，处理方式相同

opad为定数0x36，连续64次

ipad为定数0x5C，连续64次

为XOR伦理和计算

实际代码可以参考——http://www.atoam.com/payment/hmac，HMAC是RFC-2104所定义的密码方法，所以其安全强度的数理论证可以参考相关论文。Bellare, (1996) Keying hash functions for message authentication

由于MD5和SHA-1的不可逆性，保证了HMAC_K(m)在传送中，电文路过POS，但POS无法解读出密码和个人信息，近年关于MD5的安全脆弱性的研究表明单纯的MD5的可冲突性使得，单独使用MD5不再安全，因此在本发明中使用MD5(SHA-1)的复合哈希函数。

通过上述处理，ID经过非对称钥匙加密，可以用来认证，认证信息的真实性，通过对认证码的检查，进一步保证了ID的真实性。根据安全要求的需要，可以单一采用其中的一种，也可以同时采用加强安全强度。本发明提供的方法，无需用户记忆高强度密码，无需用户输入高强度秘密/认证码，并能够保证现有方法同等以上的安全性。

通过以上实施方法，本发明实现了利用手机自动完成认证的方法

以上使用了具体个例对本发明的具体实施例进行了描述，该实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有变改之处，比如

1. 微修改本发明结构，增加/减少非重要单元，将其集约或者独立于相关单元；

2. 第三方ID认证机构由服务商自行构筑，改变其名称但使用相同的处理方式；

3. 处理认证的服务和服务商服务共栖于一台服务器中，但ID发行方法，和ID认证方法相同；

4. 实施步骤顺序的微调整，如将没有先后顺序的处理调换；

5. 取消加密或者必要的安全处理，单纯地提供不安全的劣质服务

因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换、删减附加步骤的改进，均包含在本发明的包含范围内。

Claims (5)

1.一种利用手机自动完成认证的系统，其特征在于所述认证系统，包含

（1）用户手机，

（2）服务提供商的服务器，

（3）第三方ID管理机构的服务器。

所述用户手机，其特征在于，包含ISO7816规格的标准IC芯片。

2.一种利用手机自动完成认证的，ID发行方法，其特征在于所述ID发行方法包含步骤：

（1）取得用户信息

（2）服务提供商的服务器，生成业务数据

（3）服务提供商，将所述业务数据，传送到第三方ID管理机构

（4）第三方ID管理机构生成钥匙，并生成写入IC的数据

（5）第三方ID管理机构将所述IC数据传给用户手机

（6）用户手机，将所述IC数据写入手机中的IC芯片。

3.一种利用手机自动完成认证的，ID认证方法，其特征在于所述于所述ID认证方法包含步骤：

（1）手机获得所述IC数据

（2）手机自动生成认证电文，发送第三方ID管理机构

（3）ID管理机构进行认证处理，将结果通知服务商。

4.如权利要求2所述ID发行方法，其特征在于所述ID保存于手机中。

5.如权利要求3所述ID认证方法，其特征在于所述认证电文在传送中，经过加密处理。

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