CN107395627B - 一种基于单向函数的轻量级认证协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，包括如下步骤：1）密钥生成：基于RSA密码体制，选取所需参数，为每个成员生成密钥对；2）用户注册：用户将注册信息通过安全信道提交；3）认证与广播：认证过程为确认用户身份，为信息加密通过广播方式发送；4）更换密码：通过方便高效的方式更换密码。优点：抵御重放攻击同时也避免了因重放成功，即可要求服务器进行高复杂度运算而导致的Flood式DoS攻击。另外考虑到信道丢包率，可允许通信双方的counter值存在一定范围内的差值，一旦超出这个范围，则认定信道出错率过高或已遭受攻击。

Description

一种基于单向函数的轻量级认证协议

技术领域

本发明涉及一种基于单向函数的轻量级认证协议，涉及安全加密且具备轻量级认证方案。

背景技术

随着移动互联网、物联网等通信技术的发展，移动智能终端使用量直线上升。移动社交网络、电子商务等应用的普及带来诸多便利。但是，在提供便利性的同时安全问题也日益凸显，特别是如何保证在开放的网络环境下的身份认证安全问题。物联网环境中节点能力受限，许多传统的身份认证安全机制下不能直接应用于互联网，Peris-Lopez等人提出认证协议LMAP，该协议只使用了位异或等简单运算，LAMP不能抵抗异步攻击。丁振华等人提出一种基于hash函数的安全认证协议HSAP，成本低，本质上却不具有安全性。目前身份认证机制在能量和能力受限的物联网终端中应用的局限性以及物联网中巨大的终端数量将占用大量的移动通信网络资源，轻量级安全认证能够节省存储、运算和传输资源消耗，已成为互联网环境下普遍需求。本发明提出的轻量级认证协议降低网络信令开销，提高系统效率。

对上述技术方案涉及的相关概念进行说明和解释：

一、Hash函数

Hash函数是密码学体系中的一个重要的组成部分，它也被称为散列函数，能够把任意有限长度的输入串M映射成某一固定长度的输出串h，公式表示为：h＝H(M)。一个Hash函数h＝H(x)需要满足以下条件：

(1)输入的x的长度是任意的，但是输出的h的长度确是固定相同的；

(2)对于任意给定的输入x，计算输出h是容易的；而反过来，给定输出h，找到输入x使得h＝H(x)在计算上是不可行的；

(3)找出两个不同的输入x和x'，即x≠x'，使得h(x)＝h(x')在计算上是不可行的；给定一个输入x，找出另一个不同的输入x'，即x≠x'，使得h(x)＝h(x')在计算上是不可行的。

二、RSA密码体制

RSA是一个基于数论的非对称(公开钥)密码体制，是一种分组密码体制。它的安全性是基于数论和计算复杂性理论中：求两个大素数的乘积在计算上是容易的，但是要分解两个大素数的积求出它的素因子在计算上是困难的。算法主要实现为：选取两个素数p和q使得|p|≈|q|，公开它们的乘积N＝pq。由此可以确定整数e，满足gcd(e,φ(N))＝1，其中φ(N)＝(p-1)(q-1)。计算加密密钥e相应的解密密钥d:d≡e^-1modφ(N)。于是系统的公钥为(N,e)，密钥为(N,d)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高效、且安全的轻量级认证协议。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，包括如下步骤：

1)密钥生成：基于RSA密码体制，选取所需参数，为每个成员生成密钥对；

2)用户注册：用户将注册信息通过安全信道提交；

3)认证与广播：认证过程为确认用户身份，为信息加密通过广播方式发送；

4)更换密码：通过方便高效的方式更换密码。

进一步的，所述密钥生成的步骤：

可信第三方TTP选取两个素数p和q，使得|p|≈|q|，公开它们的乘积N＝pq，由此可以确定整数e，满足gcd(e,φ(N))＝1,其中φ(N)＝(p-1)(q-1)，计算加密密钥e相应的解密密钥d，d≡e^-1modφ(N)，于是系统的公钥为(N,e)，密钥为(N,d)。

进一步的，所述用户注册的步骤：

步骤2-1：TTP选择d_u作为用户的私钥，并计算d_s＝d-d_umodφ(N)作为服务器的密钥，随后将(N,e,d_u)和(N,e,d_s)通过安全信道分别发送给用户和服务器；

步骤2-2：pw指用户的密码，

指XOR运算，‖指级联运算，h(·)为抗碰撞的Hash函数，E_K(m)指使用对称密钥k对消息m执行加密操作，sk_s＝(e,N,d_s),SK_s＝E_x(sk_s)，sk_s表示服务器保存的密钥，SK_s表示对sk_s执行加密操作过后的公钥，ID是用户身份的唯一标识符，T表示为用户生成的认证信息，result为服务器返回给用户的服务结果；

步骤2-3：用户将他的注册信息

通过安全信道提交给服务器，其中b为用户自己生成的随机数，存储在自己的设备上，当服务器接收到这些注册信息时开始计算；

步骤2-4：计算出

其中x为一个足够长的密钥，由服务器为所有注册用户保存；

当密钥丢失，为重新生成T，并保持用户ID及长期密钥x不变，将i替换为i+1，实现对T的更新，i初始化值为1；

步骤2-5：服务器将{ID,T}返回至用户，并为每一个注册用户存储{ID,N,SK_s,i}，注册完成后，用户与服务器同时保存一个计数器counter，初始值为1。

进一步的，所述认证与广播的步骤为：

步骤3-1：计算出

用户发送ID,c,counter至服务器，y表示认证参数，c表示认证值，只有合法的用户才能正确计算出y值，显然的，y值不能通过公共信道直接传输，因此计算c作为认证信息发送；

步骤3-2：服务器首先检查发送过来的counter值是否与本地一致，若一致，则计算

将计算的结果与收到的c值比较，若相等，则验证通过，否则拒绝该用户；

步骤3-3：若验证通过，则用户与服务器同步将counter值更新为counter+1。步骤3-4：计算

并将[result^e,C_r]返回给用户，只有相应的用户才可以恢复明文：

C_r表示服务器使用自身的半份密钥为用户初步解密的结果。

进一步的，所述更换密码的步骤为：

步骤4-1：用户选择新密码pw_new，并计算

随后发送至服务器；

步骤4-2：服务器为用户更新T值，计算

为防止T_new被窃听获取，将其加密后返回给用户，结果为

即将

返回给用户，用户可使用自身的半份密钥，还原得到:

进一步的，还原result的过程包括如下步骤：

步骤5-1：用户接收到服务器返回的半密文result，使用自身的半份密钥还原得到

步骤5-2：解密过程的正确性可由如下方程式证明：

解密过程的正确性可由如下方程式证明：

本发明所达到的有益效果：

与现有技术相比，本发明优点在于，抵御重放攻击同时也避免了因重放成功，即可要求服务器进行高复杂度运算而导致的Flood式DoS攻击。另外考虑到信道丢包率，可允许通信双方的counter值存在一定范围内的差值，一旦超出这个范围，则认定信道出错率过高或已遭受攻击。

附图说明

图1是本发明的轻量认证协议的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，包括如下步骤：

1)密钥生成：基于RSA密码体制，选取所需参数，为每个成员生成密钥对；

2)用户注册：用户将注册信息通过安全信道提交；

3)认证与广播：认证过程为确认用户身份，为信息加密通过广播方式发送；

4)更换密码：通过方便高效的方式更换密码。

进一步的，所述密钥生成的步骤：

可信第三方TTP选取两个素数p和q，使得|p|≈|q|，公开它们的乘积N＝pq，由此可以确定整数e，满足gcd(e,φ(N))＝1,其中φ(N)＝(p-1)(q-1)，计算加密密钥e相应的解密密钥d，d≡e^-1modφ(N)，于是系统的公钥为(N,e)，密钥为(N,d)。

本实施例中，所述用户注册的步骤：

步骤2-1：TTP选择d_u作为用户的私钥，并计算d_s＝d-d_umodφ(N)作为服务器的密钥，随后将(N,e,d_u)和(N,e,d_s)通过安全信道分别发送给用户和服务器；

步骤2-2：pw指用户的密码，

指XOR运算，‖指级联运算，h(·)为抗碰撞的Hash函数，E_K(m)指使用对称密钥k对消息m执行加密操作，sk_s＝(e,N,d_s),SK_s＝E_x(sk_s)，sk_s表示服务器保存的密钥，SK_s表示对sk_s执行加密操作过后的公钥，ID是用户身份的唯一标识符，T表示为用户生成的认证信息，result为服务器返回给用户的服务结果；

步骤2-3：用户将他的注册信息

通过安全信道提交给服务器，其中b为用户自己生成的随机数，存储在自己的设备上，当服务器接收到这些注册信息时开始计算；

步骤2-4：计算出

其中x为一个足够长的密钥，由服务器为所有注册用户保存；

当密钥丢失，为重新生成T，并保持用户ID及长期密钥x不变，将i替换为i+1，实现对T的更新，i初始化值为1；

步骤2-5：服务器将{ID,T}返回至用户，并为每一个注册用户存储{ID,N,SK_s,i}，注册完成后，用户与服务器同时保存一个计数器counter，初始值为1。

本实施例中，所述认证与广播的步骤为：

步骤3-1：计算出

用户发送ID,c,counter至服务器，将T的计算公式带入

可以发现y实际等于

是服务器为合法用户生成的部分认证参数，y的计算就是对这部分参数的还原。那么，y为认证参数。另外，c为认证值，只有合法的用户才能正确计算出y值，显然的，y值不能通过公共信道直接传输，因此计算c作为认证信息发送；

步骤3-2：服务器首先检查发送过来的counter值是否与本地一致，若一致，则计算

将计算的结果与收到的c值比较，若相等，则验证通过，否则拒绝该用户；

步骤3-3：若验证通过，则用户与服务器同步将counter值更新为counter+1。步骤3-4：计算

并将[result^e,C_r]返回给用户，只有相应的用户才可以恢复明文：

C_r表示服务器使用自身的半份密钥d_s为用户初步解密的结果。

本实施例中，所述更换密码的步骤为：

步骤4-1：用户选择新密码pw_new，并计算

随后发送至服务器；

步骤4-2：服务器为用户更新T值，计算

为防止T_new被窃听获取，将其加密后返回给用户，结果为

即将

返回给用户，用户可使用自身的半份密钥，还原得到:

本实施例中，还原result的过程包括如下步骤：

步骤5-1：用户接收到服务器返回的半密文result，使用自身的半份密钥还原得到

步骤5-2：解密过程的正确性可由如下方程式证明：

依照本发明的步骤，当云存储系统应用本发明的轻量级身份认证协议时，如用户A在移动终端上注册一个云账号，在云储存系统方便存储照片，文章等大量数据。在云存储系统中，用户数据的传输及存储必须要保证机密性和完整性，只有弄清用户的身份，数据的传输及存储才有意义，避免伪装用户等形式的攻击造成数据泄露。该轻量级认证协议解决了这一问题。由云存储生成密钥，半份密钥给用户，半份密钥给服务器，同时用户与服务器各自存储一个计数器。当用户进行身份认证时，本地与服务器的计数器值先进行验证，一致通过，由用户的数据计算后结果与服务器接收到的数据计算后的结果验证，一致才通过，不一致拒绝用户。所以，当用户的密钥泄露时，云存储中的数据不会被泄露，同时该认证协议效率高。适合云存储使用。

所以，本发明带来的有益效果是：保障用户身份认证的安全性，增强认证协议的适用性，尤其适用于现有的一些身份认证的应用场景。

根据用户在认证过程中对效率的要求，提出的了一种高效的轻量级认证协议，该方法主要是保证了数据信息在认证过程中的安全，防止信息的泄露，并提高了认证过程的效率。该认证协议有效的保护了用户在认证过程中的安全，注册认证过程中，采用特定的密钥分割方式，用户与服务器以各自的密钥进行交互认证，由于双方的密钥片段不同，保证了认证数据的安全性；由于Hash函数具有不可逆性，所以任意一方想通过自身密钥片段很难推出完整密钥；在保证数据安全的情况下，该认证协议是轻量级，效率是非常高的，仅需2次XOR运算和1次Hash运算即可完成登录。该方案在效率和功能性上均有显著提高，构造简洁、高效。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，包括如下步骤：

1)密钥生成：基于RSA密码体制，选取所需参数，为每个成员生成密钥对，所述密钥生成的步骤：

可信第三方TTP选取两个素数p和q，使得|p|≈|q|，公开它们的乘积N＝pq，由此可以确定整数e，满足gcd(e,φ(N))＝1,其中φ(N)＝(p-1)(q-1)，计算加密密钥e相应的解密密钥d，d≡e^-1modφ(N)，于是系统的公钥为(N,e)，密钥为(N,d)；

2)用户注册：用户将注册信息通过安全信道提交，所述用户注册的步骤：

步骤2-1：TTP选择d_u作为用户的私钥，并计算d_s＝d-d_umodφ(N)作为服务器的密钥，随后将(N,e,d_u)和(N,e,d_s)通过安全信道分别发送给用户和服务器；

步骤2-2：pw指用户的密码，

指XOR运算，‖指级联运算，h(·)为抗碰撞的Hash函数，E_K(m)指使用对称密钥k对消息m执行加密操作，sk_s＝(e,N,d_s),SK_s＝E_x(sk_s)，sk_s表示服务器保存的密钥，SK_s表示对sk_s执行加密操作过后的公钥，ID是用户身份的唯一标识符，T表示为用户生成的认证信息，result为服务器返回给用户的服务结果；

步骤2-3：用户将他的注册信息

通过安全信道提交给服务器，其中b为用户自己生成的随机数，存储在自己的设备上，当服务器接收到这些注册信息时开始计算；

步骤2-4：计算出

其中x为一个足够长的密钥，由服务器为所有注册用户保存；

当密钥丢失，为重新生成T，并保持用户ID及长期密钥x不变，将i替换为i+1，实现对T的更新，i初始化值为1；

步骤2-5：服务器将{ID,T}返回至用户，并为每一个注册用户存储{ID,N,SK_s,i}，注册完成后，用户与服务器同时保存一个计数器counter，初始值为1；

3)认证与广播：认证过程为确认用户身份，为信息加密通过广播方式发送，所述认证与广播的步骤为：

步骤3-1：计算出

用户发送ID,c,counter至服务器，y表示认证参数，c表示认证值；

步骤3-2：服务器首先检查发送过来的counter值是否与本地一致，若一致，则计算

将计算的结果与收到的c值比较，若相等，则验证通过，否则拒绝该用户；

步骤3-3：若验证通过，则用户与服务器同步将counter值更新为counter+1；

步骤3-4：计算

并将[result^e,C_r]返回给用户，只有相应的用户才可以恢复明文：

C_r表示服务器使用自身的半份密钥为用户初步解密的结果；

4)更换密码：通过方便高效的方式更换密码。

2.根据权利要求1所述的一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，所述更换密码的步骤为：

步骤4-1：用户选择新密码pw_new，并计算

随后发送至服务器；

步骤4-2：服务器为用户更新T值，计算

为防止T_new被窃听获取，将其加密后返回给用户，结果为

即将[T_new ^e,C_Tnew]返回给用户，用户可使用自身的半份密钥，还原得到:

3.根据权利要求2所述的一种基于单向函数的轻量级认证协议，其特征是，还原result的过程包括如下步骤：

步骤5-1：用户接收到服务器返回的半密文result，使用自身的半份密钥还原得到

步骤5-2：解密过程的正确性可由如下方程式证明：

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