CN103428001A

CN103428001A - 一种隐式增强便捷web身份认证方法

Info

Publication number: CN103428001A
Application number: CN2013104006591A
Authority: CN
Inventors: 王雅哲; 李琛; 王瑜; 吴月修
Original assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103428001B

Abstract

本发明公开了一种隐式增强便捷WEB身份认证方法，本方法为：1）用户通过自身携带的移动设备作为SHA3-OTP生成载体并与认证服务器建立安全信道，完成用户与设备的绑定，并生成QR码发送给该移动设备；2）该客户端扫描被加密的QR码生成OTP；3）该用户在浏览器端向认证服务器发起身份认证请求；4）服务器将登录令牌发送给该浏览器端；5）该浏览器端将本次会话标识、登录令牌发送给该设备；6）该设备判断两会话标识进行身份认证，如果一致，则将当前生成的OTP和会话标识签名经浏览器端转发给服务器进行验证，若验证不通过，则终止该身份认证；若通过，则允许该用户进入相应的业务系统。本发明安全性高、用户体验效果好。

Description

一种隐式增强便捷WEB身份认证方法

技术领域

本发明属于信息安全的身份认证领域，具体涉及到一种隐式增强便捷WEB身份认证方法。

背景技术

传统的Web身份认证方式为用户输入用户名和口令传送到服务器端，服务器端通过与该用户已注册数据进行一致性比对，以确认用户身份合法性，这种方法存在其致命缺陷：用户标识和口令封装在数据报文中较容易被窃取，从而造成攻击者的重放攻击或字典彩虹表攻击。而基于证书的数字签名身份认证技术，虽然安全性高，但必须以完善的CA系统为基础，技术复杂、成本高，因此实施难度大，使用范围较小。

OTP（One-time Password）是一种安全便捷的动态口令账号防盗技术，其作为一次性有效的密码保护措施，可有效保护交易和登录认证的安全。OTP采用专用算法每隔一段时间生成一个不可预测的随机数字组合，且该随机数组合作为口令只能使用一次，所以能很好的防范重放攻击和字典彩虹表攻击，同时使用OTP动态口令无需定期更换密码，安全省心、技术难度小、成本低，还可减小应用系统的认证负担。

传统的OTP技术是采用SHA1或SHA2来生成，由于SHA1已被攻破，而SHA2和SHA1在设计原理上有类似的结构和基本数学运算，因此使用SHA1或SHA2生成OTP存在一定的安全隐患。同时，在传统基于OTP增强的身份认证系统中，用户在通过用户名和密码认证后，需要在服务器返回的OTP认证请求中，手动输入从用户特定生成OTP设备载体来获得的OTP或者通过自身手机信号获得OTP，这都给用户带来了很大的不便（如需随身携带专门OTP设备或手机没有通信信号等）。

发明内容

本发明旨在针对传统身份认证所面临的增强身份认证技术挑战，本发明的目的在于提出一种隐式增强便捷WEB身份认证方法。本发明拟在保证用户高安全身份认证和便捷用户体验的前提下，通过安全的SHA3-HMAC散列函数和被加密保存OTP共享秘钥的QR码载体，生成SHA3-OTP（基于SHA3的一次性密码），以获得高安全的一次性密码，即SHA3-OTP客户端通过解密被公钥加密的的QR码得到生成OTP的共享秘钥和用户标识，作为安全SHA3-HMAC散列函数的计算参数，生成SHA3-OTP，用户使用随身携带且已预装SHA3-OTP客户端的智能移动设备作为SHA3-OTP生成载体，省去了需额外随身携带OTP专门设备和移动设备无通信信号的麻烦，同时在SHA3-OTP生成载体与PC浏览器间通过无线通信方式自动建立信息安全传输通道，使基于OTP的增强身份认证自动获取OTP，提高用户体验效果。基于此，本发明的身份认证方法具有安全性高、用户体验效果好、使用方便快捷等优势。

本发明的技术方案为：

一种隐式增强便捷WEB身份认证方法，其步骤为：

1）在用户的移动设备上安装一SHA3-OPT客户端，并在该移动设备与认证服务器之间建立一安全信道；所述SHA3-OPT客户端为能够扫描被加密保存OTP共享秘钥的QR码载体，并利用该QR码与SHA3-HMAC散列函数生成SHA3-OTP；

2）该移动设备通过所述安全信道将用户注册信息、该移动设备的无线通信标识和证书签发请求发送到认证服务器；认证服务器验证通过后将该移动设备标识与用户标识进行绑定，并生成加密的QR码发送给该移动设备；该QR码包含用户标识、共享秘钥SK和公钥证书信息；

3）该SHA3-OTP客户端扫描被加密的QR码，获得用户标识、共享秘钥SK和公钥证书，本地保存该公钥证书，并采用SHA3-HMAC算法将用户标识、系统UTC时间、共享密钥SK作为计算参数定期生成SHA3-OTP；

4）该用户在浏览器端输入登录信息后，向认证服务器发起身份认证请求；

5）登录信息认证通过后，认证服务器将共享秘钥SK加密的登录令牌、保护密钥PK和该移动设备的无线通信标识发送给该浏览器端，该登录令牌包含本次会话标识、时间戳、用户标识和保护密钥PK；

6）该浏览器端用保护密钥PK加密本次会话标识并生成一会话令牌；然后将该会话令牌以及保护密钥PK加密的本次会话标识、该登录令牌发送给该移动设备；

7）该移动设备依据该共享密钥SK解密该登录令牌得到一会话标识SessionID_SK和保护秘钥PK，再通过该保护密钥PK解密该会话令牌获得一个会话标识SessionID_PK，如果两个会话标识不一致，则终止该身份认证，如果一致，则SHA3-OTP客户端对当前生成的SHA3-OTP和会话标识签名，并将签名结果和SHA3-OTP发送到该浏览器端；

8）该浏览器端将所述签名结果和SHA3-OTP转发给认证服务器进行验证，若验证不通过，则终止该身份认证；若验证通过，则允许该用户进入相应的业务系统。

进一步的，所述步骤8）中，认证服务器对所述签名结果和SHA3-OTP进行验证的方法为：认证服务器通过该用户的公钥证书对签名结果进行验证，若验证不通过，则终止该身份认证；若验证通过，则认证服务器将该用户的用户标识、共享秘钥SK、系统UTC时间作为SHA3-HMAC算法的计算参数，产生一个SHA3-OTP，结合该用户的同步偏移量值，对SHA3-OTP进行验证。

进一步的，所述SHA3-OPT客户端本地生成一公私密钥对；所述证书签发请求包括该公钥；所述认证服务器利用该公钥对所述QR码进行加密；所述SHA3-OTP客户端利用该私钥对当前生成的SHA3-OTP和会话标识签名。

进一步的，当SHA3-OTP客户端产生的SHA3-OTP超过认证服务器的认证窗口范围时，SHA3-OTP客户端与认证服务器进行同步，其方法为：

41）SHA3-OTP客户端向认证服务器发起OTP同步请求；

42）认证服务器接收到该OTP同步请求后，双方协商建立一安全信道，并向SHA3-OTP客户端请求签名的用户标识、公钥证书和连续两次SHA3-OTP信息；

43）认证服务器通过安全信道接收到SHA3-OTP客户端发送的数据后，验证公钥证书和用户标识的合法性，若验证失败，停止该同步；验证通过，则认证服务器基于UTC同步偏移窗口与SHA3-OTP客户端传送的两次SHA3-OTP值，完成同步过程。

进一步的，认证服务器基于UTC同步偏移窗口与SHA3-OTP客户端传送的两次SHA3-OTP值，完成同步过程的方法为：认证服务器预定义N个同步偏移量窗口，然后使用同步偏移窗口内的偏移值的和，共享密钥SK和认证服务器UTC时间生成SHA3-OTP，然后将接收到的SHA3-OTP与生成的SHA3-OTP依次比较，找到与接收到的SHA3-OTP相等的SHA3-OTP，则该SHA3-OTP对应的偏移值即为接收到的OTP对应的偏移值，利用该偏移值完成同步。

进一步的，生成所述SHA3-OTP的方法为：将共享密钥SK、用户标识和UTC时间作为SHA3-HMAC算法的计算参数，生成一信息摘要；然后从生成的信息摘要中随机摘取设定位数的比特信息，生成设定位随机数字的SHA3-OTP。

进一步的，步骤8）中，若验证通过，则所述认证服务器将一有时间期限的认证信息保存在该浏览器端，以便该用户下次直接登录。

下面简要介绍本方案的基本思想，本发明在吸取已有解决方案的优点的基础之上，提出了自己的设计思想，具体来说，本发明技术方案包括下列几个方面：

方面一，用户通过自身携带的移动设备作为SHA3-OTP生成载体，并与认证服务器建立安全信道，完成用户与预装有SHA3-OTP客户端的移动设备的绑定注册。用户与设备绑定注册时，在SHA3-OTP客户端（用户随身携带移动设备预装SHA3-OTP客户端）本地生成公私钥对，同时通过安全信道将用户注册信息（用户标识、密码、邮箱等）、SHA3-OTP生成载体的无线通信标识（如蓝牙的MAC地址、Wi-Fi的SSID和password）和PKCS#10证书签发请求发送到认证服务器；认证服务器将合法用户SHA3-OTP载体设备标识与用户标识进行绑定，协商产生一随机共享密钥（SK），并签发用户公钥证书并保存，同时为该用户生成被公钥加密的QR码（包含户标识、共享秘钥和公钥证书信息），完成用户标识和设备绑定注册。该过程的实施将为基于SHA3-OTP隐式增强身份认证的实现奠定坚实的基础，实现人与设备的二元融合。

方面二，借助用户便携式移动智能设备（如智能手机、Pad等）预装的SHA3-OTP客户端扫描被公钥加密的QR码获得用户名标识、共享秘钥和用户公钥证书，并将用户证书保存在安全存储区，同时采用SHA3-HMAC算法，将用户标识、系统UTC时间（即协调世界时，又称世界统一时间，被应用于许多互联网和万维网的标准中）、共享秘钥作为计算参数，每30秒计算一次OTP。该过程的实现为用户提供了可靠的增强身份认证因子，全面保障用户账号和应用系统的安全。

方面三，用户在不改变SHA3-OTP生成载体设备自身系统时间的情况下，基于UTC同步窗口完成与认证服务器端OTP的同步工作。概括来说，用户通过预装SHA3-OTP客户端的同步模块，将其生成的SHA3-OTP和用户标识一起发送到认证服务器端，认证服务端调用客户端同步模块，完成基于同步窗口的OTP同步，并将同步偏移值保存于用户信息记录中，以便后期的认证服务使用。该过程由于不改变用户自身设备的系统时间，对用户来说是半透明的，提升了用户便捷使用OTP的体验，同时同步窗口的存在不会过高的增加认证服务系统的计算负荷，保证服务系统安全。

方面四，用户在不改变传统登录方式基础之上，利用SHA3-OTP生成设备载体，实现一种基于SHA3-OTP的隐式增强便捷的身份认证，即通过一种安全无线协议完成PC浏览器安全插件模块与SHA3-OTP客户端信息的安全交互，实现用户标识、密码和SHA3-OTP隐式增强便捷两步认证；该安全插件模块具有安全无线通信、生成会话令牌、转发断言请求。概括来说，用户在完成传统用户标识和密码认证后，认证服务器返回被共享秘钥SK加密的登录令牌LoginToken（该令牌包含本次会话标识SessionID、时间戳Timestamp和认证服务器随机生成的保护秘钥PK，PK是在用户完成用户标识和密码认证通过后，认证服务器产生的一个密钥，用于保障本次会话过程没被篡改。）、SHA3-OTP生成载体设备无线通信标识和保护密钥PK返回给PC浏览器；PC浏览器插件通过PC浏览器接受到上述信息，依据SHA3-OTP载体设备无线通信标识信息自动连接用户设备，同时将被PK加密的本次SessionID和LoginToken发送给用户设备终端；用户SHA3-OTP生成载体的设备终端接受到信息后，判定SK验证加密的两个会话标识的一致性，若验证通过，使用安全存储区的私钥对该会话标识和此刻产生的SHA3-OTP进行签名，将该签名值和SHA3-OTP值自动通过PC浏览器插件发送认证服务器，认证服务器验证通过，返回认证通过信息，进入用户登录系统。该过程的实现，不需要用户额外的进行操作，方便简洁，可有效的防范中间人攻击，同时保证用户登录系统的安全。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明不需要对原来身份认证系统的处理流程进行较大改造，安全性高和用户体验效果好。由于本发明是在确保认证系统业务逻辑不变基础之上，采用基于移动智能设备预装SHA3-OTP客户端隐式增强认证技术，保证用户登录的安全，同时也简化增强认证时用户手动过程，因此用户体验效果好、安全性高。

附图说明

图1本发明的整体实施示意图；

图2人与设备关联的注册交互流程图；

图3基于用户便携式移动终端SHA3-OTP客户端启动流程图；

图4SHA3-OTP生成算法流程示意图；

图5基于UTC同步窗口的SHA3-OTP同步流程图；

图6基于SHA3-OTP增强身份认证交互流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点以及技术方案更加清楚明白，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。

对于图1从整体上描述了该方案实施的总体架构，主要包括下面四个部分的内容。

一、基于SHA3-OTP客户端人机关联的注册实现方法

用户利用自身携带的移动设备作为SHA3-OTP客户端载体，并与认证服务器建立安全信道，完成用户与设备绑定注册。下面结合附图2具体描述其执行过程：

a)用户点击SHA3-OTP客户端的注册按钮（预装在自身携带移动智能设备上），在本地临时安全存储区生成公私钥对，同时向认证服务器发起注册请求；认证服务器端利用公钥对生成的QR码进行加密；移动设备端使用私钥对生成的QR进行解密，其完成移动设备端生成的SHA3-OTP和会话标识SessionID进行签名。

b)认证服务器接收到注册请求后，通过SHA3-OTP客户端中预装的证书，认证服务器与用户SHA3-OTP客户端载体设备建立安全信道，展现注册服务页面，若安全信道建立不成功，则立刻终止注册流程；安全信道的建立过程：客户端和服务器分别验证对方的签名，验证都通过后，双方建立信任关系，然后写上生成共享密钥，对传输的内容均使用该共享密钥加密。

c)用户在SHA3-OTP客户端载体设备完成用户合法信息（如用户名、密码、邮箱等）的录入后，点击人机关联按钮将录入信息和生成的PKCS10证书签发请求（包括设备标识和公钥）以及获得载体设备唯一无线通信标识（如Wi-Fi的SSID、蓝牙的MAC地址等）发送给认证服务器；

d)认证服务器接收到注册相关信息，判断注册信息的合法性（如唯一性、数据格式的合法性），若注册信息不合法，则提示终止注册流程；

e)若用户信息合法，认证服务器为该终端用户生成启动SHA3-OTP运行的共享密钥SK，并对SK进行加密，同时将加密后的SK信息和注册信息保存到数据库中；

f)认证服务器为该用户终端签发该用户终端公钥证书，并将公钥证书保存在认证服务器的LDAP数据库中；

g)认证服务器通过用户公钥加密用户标识、共享秘钥和用户公钥证书，将加密后信息作为QR码的信息源生成QR码，完成人机关联注册；

h)认证服务器返回SHA3-OTP载体设备，注册完成提示，并提醒用户通过发送到注册邮箱中的QR码，启动SHA3-OTP客户端。

二、基于加密的QR码和SHA3-HMAC算法启动SHA3-OTP客户端的实现方法

用户通过便携式移动智能设备预装SHA3-OTP客户端的扫描模块扫描被公钥加密的QR码，获得用户名标识UserID、共享秘钥SK和用户公钥证书Cert，并将用户证书安全存储，同时采用SHA3-HMAC算法，将UserID、系统UTC时间、SK作为计算参数，启动SHA3-OTP。下面结合附图3具体描述其执行过程：

a)用户使用SHA3-OTP客户端的扫描模块扫描QR码，获得公钥加密后信息，SHA3-OTP调用临时安全存储区的私钥解密加密信息，获得用户标识、共享秘钥和设备公钥证书；

b)SHA3-OTP客户端自动地调用安全存储模块，将私钥和公钥证书保存在设备永久安全存储区，并删除临时安全存储区相关公私钥对信息；

c)SHA3-OTP客户端将a)步骤获得用户标识、共享秘钥和获得系统UTC时间作为SHA3-HMAC计算参数，生成SHA3-OTP散列值，该散列值为OTP生成重要信息源，结合附图4，具体说明SHA3-OTP生成算法处理流程，将512比特的SK和UserID、160比特的UTC时间作为SHA3-HMAC的计算参数，通过该HMAC算法生成512比特的信息摘要，同时从生成的512比特的信息摘要中随机摘取32比特信息，生成支持6/8/9位随机数字的OTP；

d)用户点击SHA3-OTP客户端上的启动按钮，进入OTP运行模式（每隔30s产生一个6/8/9位随机数字的OTP）。

三、基于UTC同步窗口的SHA3-OTP同步的实现方法

用户在不改变SHA3-OTP客户端载体设备自身系统时间的情况下，基于UTC同步窗口完成与认证服务器的同步工作。该同步工作发生SHA3-OTP客户端产生的OTP，超过服务器端认证窗口范围，就会造成认证失败，需要用户操作同步按钮，完成客户端与服务端OTP同步。下面结合附图5具体描述其执行过程：

a）用户点击SHA3-OTP客户端的同步按钮，向认证服务器发起OTP同步请求；

b）认证服务器接收到客户端的OTP同步请求后，双方协商建立安全信道，并要求客户端传送被私钥签名的用户标识、设备证书（即公钥证书）和连续两次SHA3-OTP信息；

c）客户端接受到认证服务器的要求后，通过安全信道发送上述信息数据到认证服务器；

d）认证服务器接受到客户端发送的数据后，验证设备证书和用户标识的合法性（即首先通过认证服务签名证书验证设备证书的合法性，若设备证书合法，则通过设备证书查询对应用户标识，依次验证用户标识签名的合法性，若两者都验证通过，则用户合法），若验证失败，停止该同步流程；

e）若验证通过，认证服务器调用SHA3-OTP同步模块，通过基于UTC同步偏移窗口与客户端传送的两次OTP值，完成同步过程（即同步过程为客户端的每个OTP与基于UTC同步偏移量窗口比较，形成两个同步偏移值，若两个同步偏移值相等，则同步成功；若不相等，则同步失败，需要重新b）-f）步骤，若重复执行3次该步骤仍不成功，为保证认证服务器安全，终止该同步流程）；认证服务器预先定义了同步偏移量窗口（如1、2、3、…、N，N为自然数），认证服务器使用该同步窗口内的偏移值（如-N、…、-2、-1、0、1、2、…、N，N为自然数）作为生成OTP参数之一（其他参数为SK和认证服务器UTC时间，即SK、认证服务器UTC时间与偏移量的和，作为计算参数），当认证服务器接收到OTP后，将接收到的OTP与生成的OTP依次比较，找到与接收到的OTP相等的OTP，则该OTP对应的偏移值即为接收到的OTP对应的偏移值。

f）认证服务器同步成功后，将同步偏移值保存于对应的用户信息记录中，以便下次认证使用，同时返回同步成功。

四、基于SHA3-OTP客户端的隐式增强便捷身份认证的实现方法

用户通过不改变传统登录方式基础之上，利用SHA3-OTP设备载体，实现一种基于SHA3-OTP隐式增强的身份认证，即通过一种安全无线协议完成PC浏览器安全插件模块与SHA3-OTP客户端信息的安全交互，实现用户标识、密码和SHA3-OTP隐式增强便捷两步认证。下面结合附图6具体描述其执行过程：

a)用户在传统的登录页面输入用户标识和密码后，向认证服务器发起身份认证请求；

b)认证服务器验证接收到的用户标识和密码的合法性，若验证不合法，停止该身份认证过程；若验证合法，则验证对应设备证书的有效性，若设备证书有效，则为本地会话生成一个保护密钥PK，同时生成一个被共享密钥SK加密的登录令牌LoginToken（该登录令牌包含本次会话标识SessionID，时间戳Timestamp，用户标识，以及保护密钥PK）认证服务器将登录令牌、SHA3-OTP载体设备无线通信标识和保护密钥PK一起发送给PC浏览器；

c)PC浏览器将接受到的信息传递给PC浏览器插件，PC浏览器插件形成会话令牌SessionToken（该会话令牌包含使用PK加密本次会话的SessionID），并生成一个断言请求（该请求包含LoginToken和PK加密的会话标识），同时通过接受的SHA3-OTP载体无线通信标识与该载体设备建立无线连接，将此断言请求发送给载体设备；

d)用户的SHA3-OTP客户端通过共享密钥SK解密登录令牌LoginToken，获得一个会话标识SessionID_SK和保护秘钥PK，再通过获得PK解密会话令牌SessionToken，获得一个会话标识SessionID_PK，比较两个会话标识是否一致，若不一致，终止该身份认证流程（以免遭受中间人攻击）；

e)若两个会话标识一致，则SHA3-OTP客户端使用已保存在安全存储区的私钥对此刻生成的SHA3-OTP和会话标识SessionID签名，并将签名结果和SHA3-OTP发送到PC浏览器插件；

f)PC浏览器插件将接受信息转发给认证服务器，认证服务器通过用户公钥证书对签名进行验证，若验证不通过，则该身份认证流程终止；若验证通过，则对SHA3-OTP进行验证（该验证过程为认证服务器将获得用户标识、解密被加密共享秘钥、系统UTC时间，作为SHA3-HMAC的计算参数，产生一个SHA3-OTP，结合获得对应用户的同步偏移量值，完成SHA3-OTP的验证），若验证不通过，终止该身份认证流程，若验证通过，则允许用户进入相应的业务系统，并将一个有时间期限的认证信息保存在PC浏览器客户端，以方便用户下次直接登录。

Claims

1.一种隐式增强便捷WEB身份认证方法，其步骤为：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤8）中，认证服务器对所述签名结果和SHA3-OTP进行验证的方法为：认证服务器通过该用户的公钥证书对签名结果进行验证，若验证不通过，则终止该身份认证；若验证通过，则认证服务器将该用户的用户标识、共享秘钥SK、系统UTC时间作为SHA3-HMAC算法的计算参数，产生一个SHA3-OTP，结合该用户的同步偏移量值，对SHA3-OTP进行验证。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述SHA3-OPT客户端本地生成一公私密钥对；所述证书签发请求包括该公钥；所述认证服务器利用该公钥对所述QR码进行加密；所述SHA3-OTP客户端利用该私钥对当前生成的SHA3-OTP和会话标识签名。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于当SHA3-OTP客户端产生的SHA3-OTP超过认证服务器的认证窗口范围时，SHA3-OTP客户端与认证服务器进行同步，其方法为：

41）SHA3-OTP客户端向认证服务器发起OTP同步请求；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于认证服务器基于UTC同步偏移窗口与SHA3-OTP客户端传送的两次SHA3-OTP值，完成同步过程的方法为：认证服务器预定义N个同步偏移量窗口，然后使用同步偏移窗口内的偏移值的和，共享密钥SK和认证服务器UTC时间生成SHA3-OTP，然后将接收到的SHA3-OTP与生成的SHA3-OTP依次比较，找到与接收到的SHA3-OTP相等的SHA3-OTP，则该SHA3-OTP对应的偏移值即为接收到的OTP对应的偏移值，利用该偏移值完成同步。

6.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于生成所述SHA3-OTP的方法为：将共享密钥SK、用户标识和UTC时间作为SHA3-HMAC算法的计算参数，生成一信息摘要；然后从生成的信息摘要中随机摘取设定位数的比特信息，生成设定位随机数字的SHA3-OTP。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤8）中，若验证通过，则所述认证服务器将一有时间期限的认证信息保存在该浏览器端，以便该用户下次直接登录。