CN107659395A - 一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法及系统，首先注册中心为Ui生成(Ri，si)，以及一对随机数。为Sj生成(Rj，sj)，并生成公私钥对；将一个密钥对发送给一方P1，将另一个密钥对发送给另一方P2。参与认证过程的两个设备P1和P2，分别生成一个随机数。P1计算(C1，C，X1)并将其发送给P2。P2计算(C2，X2)并将其发送给P1。P1解密C2，得到签名τi，在签名验证通过之后，P1公布生成的签名(Xi，τi)。用户加密签名生成C3发送给服务器并对C3解密并验证签名的正确性，并做MAC得到C4并发送给用户。用户验证C4，若正确则相互认证。本发明能够保证私钥的安全性。

Description

一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法及系统
技术领域
本发明属于信息安全领域，特别是多服务器环境下基于身份的分布式认证生成方法及系统。
背景技术
随着信息的多元化及数字化的迅猛发展，许多事务在网络上开展，如电子商务、电子政务等。这些电子事务的完成通常涉及多个参与方，需要多个参与者确认其他参与方的正确身份，确保事务的认证性和机密性。身份认证协议能让参与方证明自己的身份，并且验证其他参与方身份的合法性，最终协商出一个共同的会话密钥以便实现开放网络中的安全通信，是实现网络安全通信的重要机制之一。
第一个密钥协商方案是由Diffie和Hellman提出(详见Diffie W,Hellman M.Newdirections in cryptography.IEEE TransInf Theory.1976；22:644-654.)。此后出现了许多基于传统公钥密码体系的密钥协商方案。基于传统公钥密码体系的密钥协商方案假设每个参与者都有一个长期的公私钥对，每个参与者的公钥公开，并通过认证中心签发的证书将公钥与参与者的身份绑定，私钥通过认证中心签名认证。但是随着用户数量的增加，认证中心需要花费大量的时间和成本来发行、管理证书，和验证用户公钥证书的正确性。为了解决这一难题，Shamir提出了基于身份公钥密码(详见Shamir A.Identity-basedcryptosystems and signature schemes，Crypto84.1984,84:47-53)。基于身份的公钥密码体系中用户不是生成一对随机的公私钥对，而是由用户选择其公开的可知信息(比如电话号码，邮件地址等)充当公钥，私钥由可信的密钥生成中心生成。随后，科研人员提出了多个基于身份的认证协议。在这些协议中，用户在认证过程中需要直接使用或恢复私钥来产生认证消息，造成密钥泄露攻击。
针对这种情况，本发明设计了一种多服务器环境下基于身份的两方分布式认证方案，用户端可以实现在两个设备之间分布式地生成认证信息，该认证信息必须由认证方选定的两个可信设备共同参与完成，并且在生成过程中不需要恢复完整的认证私钥，保证了私钥的安全性。
发明内容
本发明的目的是在多服务器环境下两方在不泄露自己的私钥并无法获得完整的私钥的情况下相互认证。
针对本发明的目的，本发明提出了一个多服务器环境下基于身份的分布式认证方案，下面给出具体描述。
本发明是采用如下技术方案实现的：
在以下对本发明的描述中，RC表示注册中心，负责选择系数参数、生成主私钥并产生用户和服务器私钥。G1是为阶为素数q的加法循环群，GT是阶为素数q的乘法循环群。两个整数相乘(或整数符号相乘)，在不产生二义性的情况下，省略乘号“·”，例如a·b简化为ab。整数和点相乘，在不产生二义性的情况下，不省略乘号“·”，例如a·P不能简化成aP。
mod q表示模q运算，模q运算的优先级是最低的，例如a+b(mod q)等同于(a+b)modq，abmod q等同于(ab)mod q。“≡”表示同余式，即a≡b(mod q)等同于a(mod q)＝b(modq)。gcd(a，b表示求整数a，b的最大公因子，若gcd(a，b)＝1代表a，b互素。P是G1的生成元。q表示循环群的阶，是一个大素数。
在以下对本发明认证阶段的描述中，P1使用同态加密算法对消息做加密，使用的公私钥对为(pk，sk)。定义Encpk为加密运算，Decsk为解密运算。定义为c1，c2的明文“加”运算，定义a⊙c运算为c中的明文与a做“乘”运算该同态加密算法有如下性质：
公钥pk做消息加密，只有唯一对应的私钥sk才可以解密，即Decsk(Encpk(m))＝m；
密文之间的相乘运算可以映射到明文之间的相加运算，即
密文与某明文的指数运算可以映射到密文对应明文与该明文的相乘运算，即Decsk(Encpk(m1)⊙m2)＝Decsk(Encpk(m1m2))。
一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，其特征在于，包括：
密钥分发步骤：注册中心为Ui生成(Ri，si)，以及一对随机数满足d1d2≡si(mod q)。为Sj生成(pkj，skj)。基于同态加密算法生成公私钥对(pk，sk)；将密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给一方P1，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给另一方P2。其中d1是P1的私钥，d2是P2的私钥。
分布式认证实现步骤：参与认证过程的两个设备P1和P2，分别生成一个随机数x1和x2。P1计算(C1,C,X1)并将其发送给P2。P2收到消息后计算(C2，X2)并将其发送给P1。P1解密C2，得到签名τi，在签名验证通过之后，P1公布生成的签名(Xi，τi)。用户加密签名生成C3发送给服务器，服务器收到C3解密并验证签名的正确性，对接收的消息做MAC得到C4并发送给用户。用户收到C4之后，验证C4的正确性，若正确，实现双方相互认证。
在上述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，密钥分发步骤具体包括：
步骤2.1、注册中心生成一个随机数ri，并计算Ri＝ri·P；
步骤2.2、计算si＝ri+h(IDi，Ri)·s(mod q)，其中s是注册中心的主私钥，h(IDi，Ri)是身份IDi和Ri的哈希值；
步骤2.3、(Ri，si)是注册中心为用户Ui生成的私钥，Ui的公钥是si·P＝Ri+h(IDi，Ri)·Ppub，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
步骤2.4、注册中心生成一个随机数d1，计算d2使得等式d1d2≡si(mod q)成立；
步骤2.5、使用同态加密算法，生成一对公私钥(pk，sk)，并将生成的密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给Ui的第一设备P1，其中d1是P1的私钥，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给第二参与方P2，其中d2是P2的私钥。
在上述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，分布式认证实现步骤具体包括：
步骤3.1、P1生成第一个随机数x1，计算第一个临时私钥X1＝x1·P，并用pk对x1和d1做加密，即第一个密文C1＝Encpk(x1)，C＝Encpk(d1)。P1把(X1，C1，C)发送给P2；
步骤3.2、P2生成第二个随机数x2，计算第二个临时私钥X2＝x2·P，会话密钥第二个密文 其中α是身份IDi，消息M和Xi一起做Hash操作得到的值，即α＝h(IDi，M，Xi)。P2把(X2，C2)发送给P1；
步骤3.3、P1收到P2发过来的消息后，计算会话密钥 并用sk解密，计算明文τi＝Decsk(C2)＝x1x2+d1d2α+ρq(mod q)。使用验证算法验证τi的正确性，若τi正确则用户输出签名(Xi，τi)，否则终止协议；
步骤3.4、用户Ui用pkj对输出的签名进行加密并将(C3，Xi)发送给Sj；
步骤3.5、Sj使用私钥skj对C3进行解密，并验证签名τi的正确性，若τi正确则服务器认证用户通过，否则终止协议；
步骤3.6、Sj计算并将C4发送给Ui；
步骤3.7、Ui收到C4后，验证C4的正确性，若正确则用户认证服务器通过，否则终止协议。
一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，其特征在于，包括：
密钥分发单元：注册中心通过密钥分发单元为Ui生成(Ri，si)，以及一对随机数满足d1d2≡si(mod q)。为Sj生成(pkj，skj)。基于同态加密算法生成公私钥对(pk，sk)；将密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给一方-P1，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给另一方P2。其中d1是P1的私钥，d2是P2的私钥。
分布式认证实现单元：参与认证过程的两个设备P1和P2，通过分布式认证实现单元分别生成一个随机数x1和x2。P1计算(C1,C,X1)并将其发送给P2。P2计算(C2，X2)并将其发送给P1。P1用sk解密C2，得到签名τi，在签名验证通过之后，P1公布生成的签名(Xi，τi)。用户用pkj加密签名生成C3并发送给服务器，服务器收到C3解密并验证签名的正确性，并对得到的消息做MAC得到C4并发送给用户。用户收到C4之后，验证C4的正确性，若正确，实现双方相互认证。
在上述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，密钥分发单元进行密钥分发的方法具体包括：
步骤2.1、注册中心生成一个随机数ri，并计算Ri＝ri·P；
步骤2.2、计算si＝ri+h(IDi，Ri)·s(mod q)，其中s是注册中心的主私钥，h(IDi，Ri)是身份IDi和Ri的哈希值；
步骤2.3、(Ri，si)是注册中心为用户Ui生成的私钥，Ui的公钥si·P＝Ri+h(IDi，Ri)·Ppub，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
步骤2.4、注册中心生成一个随机数d1，计算d2使得等式d1d2≡si(mod q)成立；
步骤2.5、使用同态加密算法，生成一对公私钥(pk，sk)，并将生成的密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给Ui的第一设备P1，d1是P1的私钥，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给第二参与方P2，d2是P2的私钥。
在上述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，分布式认证实现单元进行分布式认证的方法具体包括：
步骤3.1、P1生成第一个随机数x1，计算第一个临时私钥X1＝x1·P，并用pk对x1和d1做加密，即第一个密文C1＝Encpk(x1)，C＝Encpk(d1)。P1把(X1，C1，C)发送给P2；
步骤3.2、P2生成第二个随机数x2，计算第二个临时私钥X2＝x2·P，会话密钥第二个密文 其中α是身份IDi，消息M和Xi一起做Hash操作得到的值，即α＝h(IDi，M，Xi)。P2把(X2，C2)发送给P1；
步骤3.3、P1收到P2发过来的消息后，计算会话密钥 并用sk解密，计算明文τi＝Decsk(C2)＝x1x2+d1d2α+ρq(mod q)。使用验证算法验证τi的正确性，若τi正确则用户输出签名(Xi，τi)，否则终止协议；
步骤3.4、用户Ui用pkj对输出的签名行加密进，并将(C3，Xi)发送给Sj；
步骤3.5、Sj使用私钥skj对C3进行解密，并验证签名τi的正确性，若τi正确则服务器认证用户通过，否则终止协议；
步骤3.6、Sj计算并将C4发送给Ui；
步骤3.7、Ui收到C4后，验证C4的正确性，若正确则用户认证服务器通过，否则终止协议。
本发明与现有技术相比具有如下有点和有益效果：1、已有的基于身份的认证大多数都存在安全隐患。比如，在方案认证阶段，其中认证的一方可能被冒充或者会话密钥被攻击者恢复，通信双方不能确保通信过程中的数据安全和指定数据接受者的正确。2、本发明基于数学难题，保证即使有一方的密钥丢失，也不会泄露会话密钥或另外一方持有的部分私钥的任何信息。
附图说明
图1为本发明第一通信方和第二通信方生成各自公私钥，并相互认证的流程图。
图2为本发明中设备P1和P2生成各自的子私钥和秘密值，并输出签名(Xi，τi)的流程图。
具体实施方式
在以下对本发明的描述中，RC表示注册中心，负责选择系数参数、生成主私钥并产生用户和服务器私钥。G1是为阶为素数q的加法循环群，GT是阶为素数q的乘法循环群。两个整数相乘(或整数符号相乘)，在不产生二义性的情况下，省略乘号“·”，例如a·b简化为ab。整数和点相乘，在不产生二义性的情况下，不省略乘号“·”，例如a·P不能简化成aP。
mod q表示模q运算，模q运算的优先级是最低的，例如a+b(mod q)等同于(a+b)modq，ab mod q等同于(ab)mod q。“≡”表示同余式，即a≡b(mod q)等同于a(mod q)＝b(modq)。gcd(a，b)表示求整数a，b的最大公因子，若gcd(a，b)＝1代表a，b互素。P是G1的生成元。q表示循环群的阶，是一个大素数。
在以下对本发明认证阶段的描述中，P1使用同态加密算法对消息做加密，使用的公私钥对为(pk，sk)。定义Encpk为加密运算，Decsk为解密运算。定义为c1，c2的明文“加”运算，定义a⊙c运算为c中的明文与a做“乘”运算该同态加密算法有如下性质：
公钥pk做消息加密，只有唯一对应的私钥sk才可以解密，即Decsk(Encpk(m))＝m；
密文之间的相乘运算可以映射到明文之间的相加运算，即
密文与某明文的指数运算可以映射到密文对应明文与该明文的相乘运算，即Decsk(Encpk(m1)⊙m2)＝Decsk(Encpk(m1m2))。
(1)密钥分发算法：
在本发明中，基于身份的认证协议其密钥由注册中心生成。针对相互认证的两方，产生部分各自私钥。用户私钥及设备P1和P2部分私钥生成操作如下：
注册中心生成一个随机数ri，并计算Ri＝ri·P；
计算si＝ri+h(IDi，Ri)·s mod q，其中s是注册中心的主私钥，h(IDi，Ri)是身份IDi和Ri的哈希值；
(Ri，si)是注册中心为用户Ui生成的私钥，Ui的公钥是si·P＝Ri+h(IDi，Ri)·Ppub，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
注册中心生成一个随机数d1，计算d2使得等式d1d2≡si(mod q成立；
使用同态加密算法，生成一对公私钥(pk，sk)，并将生成的密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给Ui的第一设备P1，d1是P1的私钥，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给第二参与方P2，d2是P2的私钥；
服务器私钥生成操作如下：
注册中心生成一个随机数rj，并计算Rj＝rj·P；
计算sj＝rj+h(IDj，Rj)(mod q)，其中s是注册中心的主私钥，h(IDj，Rj)是身份IDj和Rj的哈希值；
skj＝(Rj，sj)是注册中心为服务器Sj生成的私钥，pkj＝sj·P＝Rj+h(IDj，Rj)·Ppub是Sj的公钥，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
(2)分布式认证实现算法：
在本发明中，基于身份认证协议由两方Ui和Sj共同完成，其中Ui输出的待认证签名由两个设备P1和P2共同完成，具体操作如下：
1、P1生成第一个随机数x1，计算第一个临时私钥X1＝x1·P，并用同态加密算法的公钥pk对x1和d1做加密，即第一个密文C1＝Encpk(x1)，C＝Encpk(d1)。P1把(X1，C1，C)发送给P2；
2、P2生成第二个随机数x2，计算第二个临时私钥X2＝x2·P，会话密钥第二个密文 其中α是身份IDi，消息M和Xi一起做Hash操作得到的值，即α＝h(IDi，M，Xi)。P2把(X2，C2)发送给P1；
3、P1收到P2发过来的消息后，计算会话密钥并用sk解密，计算明文τi＝Decsk(C2)＝x1x2+d1d2α+ρq mod q。使用验证算法验证τi的正确性，若τi正确则用户输出签名(Xi，τi)，否则终止协议；
4、用户Ui用pkj对输出的签名进行加密并将(C3，Xi)发送给Sj；
5、Sj使用私钥skj对C3进行解密，并验证签名τi的正确性，若τi正确则服务器认证用户通过，否则终止协议；
6、Sj计算并将C4发送给Ui；
7、Ui收到C4后，验证C4的正确性，若正确则用户认证服务器通过，否则终止协议；
本发明在P1和P2通信中，加入了零知识证明机制，用来证明发送的数据确实是来自发送方的，从而降低数据被篡改的风险，提高方案的安全性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，其特征在于，包括：
密钥分发步骤：注册中心为Ui生成(Ri，si)，以及一对随机数满足d1d2≡si(mod q)；为Sj生成(pkj，skj)；基于同态加密算法生成公私钥对(pk，sk)；将密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给一方P1，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给另一方P2；其中d1是P1的私钥，d2是P2的私钥；
分布式认证实现步骤：参与认证过程的两个设备P1和P2，分别生成一个随机数x1和x2；P1计算(C1,C,X1)并将其发送给P2；P2收到消息后计算(C2，X2)并将其发送给P1；P1解密C2，得到签名τi，在签名验证通过之后，P1公布生成的签名(Xi，τi)；用户加密签名生成C3发送给服务器，服务器收到C3解密并验证签名的正确性，对接收的消息做MAC得到C4并发送给用户；用户收到C4之后，验证C4的正确性，若正确，实现双方相互认证。
2.根据权利要求1所述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，其特征在于，密钥分发步骤具体包括：
步骤2.1、注册中心生成一个随机数ri，并计算Ri＝ri·P；
步骤2.2、计算si＝ri+h(IDi，Ri)·s(mod q)，其中s是注册中心的主私钥，h(IDi，Ri)是身份IDi和Ri的哈希值；
步骤2.3、(Ri，si)是注册中心为用户Ui生成的私钥，Ui的公钥是si·P＝Ri+h(IDi，Ri)·Ppub，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
步骤2.4、注册中心生成一个随机数d1，计算d2使得等式d1d2≡si(mod q)成立；
步骤2.5、使用同态加密算法，生成一对公私钥(pk，sk)，并将生成的密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给Ui的第一设备P1，其中d1是P1的私钥，将密钥对(Pi，d2，pk)发送给第二参与方P2，其中d2是P2的私钥。
3.根据权利要求1所述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证方法，其特征在于，分布式认证实现步骤具体包括：
步骤3.1、P1生成第一个随机数x1，计算第一个临时私钥X1＝x1·P，并用pk对x1和d1做加密，即第一个密文C1＝Encpk(x1)，C＝Encpk(d1)；P1把(X1，C1，C)发送给P2；
步骤3.2、P2生成第二个随机数x2，计算第二个临时私钥X2＝x2·P，会话密钥第二个密文 其中α是身份IDi，消息M和Xi一起做Hash操作得到的值，即α＝h(IDi，M，Xi)；P2把(X2，C2)发送给P1；
步骤3.3、P1收到P2发过来的消息后，计算会话密钥并用sk解密，计算明文τi＝Decsk(C2)＝x1x2+d1d2α+ρq(mod q)；使用验证算法验证τi的正确性，若τi正确则用户输出签名(Xi，τi)，否则终止协议；
步骤3.4、用户Ui用pkj对输出的签名进行加密并将(C3，Xi)发送给Sj；
步骤3.5、Sj使用私钥skj对C3进行解密，并验证签名τi的正确性，若τi正确则服务器认证用户通过，否则终止协议；
步骤3.6、Sj计算并将C4发送给Ui；
步骤3.7、Ui收到C4后，验证C4的正确性，若正确则用户认证服务器通过，否则终止协议。
4.一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，其特征在于，包括：
密钥分发单元：注册中心通过密钥分发单元为Ui生成(Ri，si)，以及一对随机数满足d1d2≡si(mod q)；为Sj生成(pkj，skj)；基于同态加密算法生成公私钥对(pk，sk)；将密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给一方P1，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给另一方P2；其中d1是P1的私钥，d2是P2的私钥；
分布式认证实现单元：参与认证过程的两个设备P1和P2，通过分布式认证实现单元分别生成一个随机数x1和x2；P1计算(C1,C,X1)并将其发送给P2；P2计算(C2，X2)发送给P1；P1用sk解密C2，得到签名τi，在签名验证通过之后，P1公布生成的签名(Xi，τi)；用户用pkj加密签名生成C3并发送给服务器，服务器收到C3解密并验证签名的正确性，并对得到的消息做MAC得到C4并发送给用户；用户收到C4之后，验证C4的正确性，若正确，实现双方相互认证。
5.根据权利要求1所述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，其特征在于，密钥分发单元进行密钥分发的方法具体包括：
步骤2.1、注册中心生成一个随机数ri，并计算Ri＝ri·P；
步骤2.2、计算si＝ri+h(IDi，Ri)·s(mod q)，其中s是注册中心的主私钥，h(IDi，Ri)是身份IDi和Ri的哈希值；
步骤2.3、(Ri，si)是注册中心为用户Ui生成的私钥，Ui的公钥si·P＝Ri+h(IDi，Ri)·Ppub，其中Ppub＝s·P是注册中心的公钥；
步骤2.4、注册中心生成一个随机数d1，计算d2使得等式d1d2≡si(mod q)成立；
步骤2.5、使用同态加密算法，生成一对公私钥(pk，sk)，并将生成的密钥对(Ri，d1，pk，sk)发送给Ui的第一设备P1，d1是P1的私钥，将密钥对(Ri，d2，pk)发送给第二参与方P2，d2是P2的私钥。
6.根据权利要求1所述的一种多服务器环境下基于身份的分布式认证系统，其特征在于，分布式认证实现单元进行分布式认证的方法具体包括：
步骤3.1、P1生成第一个随机数x1，计算第一个临时私钥X1＝x1·P，并用pk对x1和d1做加密，即第一个密文C1＝Encpk(x1)，C＝Encpk(d1)；P1把(X1，C1，C)发送给P2；
步骤3.2、P2生成第二个随机数x2，计算第二个临时私钥X2＝x2·P，会话密钥第二个密文 其中α是身份IDi，消息M和Xi一起做Hash操作得到的值，即α＝h(IDi，M，Xi)；P2把(X2，C2)发送给P1；
步骤3.3、P1收到P2发过来的消息后，计算会话密钥并用sk解密，计算明文τi＝Decsk(C2)＝x1x2+d1d2α+ρq mod q；使用验证算法验证τi的正确性，若τi正确则用户输出签名(Xi，τi)，否则终止协议；
步骤3.4、用户Ui用Pkj对输出的签名进行加密并将(C3，Xi)发送给Sj；
步骤3.5、Sj使用私钥skj对C3进行解密，并验证签名τi的正确性，若τi正确则服务器认证用户通过，否则终止协议；
步骤3.6、Sj计算并将C4发送给Ui；
步骤3.7、Ui收到C4后，验证C4的正确性，若正确则用户认证服务器通过，否则终止协议。
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