CN111245843A - 一种基于属性的用户身份认证方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于属性的用户身份认证方法及系统。该方法为：首先第三方属性机构初始化整个系统；然后认证申请者生成属性证明；最后认证服务器检查属性索引的有效性，完成认证。该系统包括第三方属性机构、认证申请者和认证服务器，所述第三方属性机构，用于初始化整个系统；所述认证申请者，用于生成属性证明；所述认证服务器，用于检查属性索引的有效性，确定认证。本发明方法及系统用于认证技术，以保护用户身份防止隐私泄露，将双线性对的基于属性方法引入身份认证之中，提高了用户身份认证的安全性，并且提高了认证效率。

Description

一种基于属性的用户身份认证方法及系统
技术领域
本发明涉及网络安全技术领域，特别是一种基于属性的用户身份认证方法及系统。
背景技术
无线通信技术、云计算等信息技术的不断发展进步使得云存储可以提供无限、便捷、低成本的服务，越来越多个人用户及企业用户将其重要信息存储于云服务器端。同时，由于移动设备具有灵活便利的管理及使用方式，如今移动设备如智能手机、平板电脑结合云存储已经成为人们日常生活中密不可分的一部分。
存储于云端的信息通常会包含一些敏感信息，如账户信息、病例、就医记录等数据，如被未经授权的用户不正当访问会导致数据泄露、隐私泄露等严重后果。为防止非授权访问，在用户进行数据访问时需要对其进行身份验证。对移动设备用户验证身份的传统方法是基于密码、密钥或指纹等，这些传统的方法存在的问题是，一旦密码被泄露或用户通过了指纹的初始认证没有退出，未授权的用户可能获得对用户信息的访问。此外，传统身份认证过程中还存在用户部分隐私泄露的问题。因此，研究一种有效的身份认证方法，以解决移动设备认证过程中的用户隐私、细粒度的访问控制及效率问题，已经成为云环境下移动设备认证的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全性高、认证速度快的用户身份认证方法及系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于属性的用户身份认证方法，包括以下步骤：
步骤1、第三方属性机构初始化整个系统；
步骤2、认证申请者生成属性证明；
步骤3、认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证。
进一步地，步骤1中所述的第三方属性机构初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g，g)α和单向哈希函数H。
进一步地，步骤2所述的认证申请者生成属性证明，具体如下：
步骤2.1、认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
步骤2.2、认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000021
生成属性证明AP；
步骤2.3、认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
进一步地，步骤2.2中所述的密钥集
Figure BDA0002366803400000022
为{xj A}。
进一步地，步骤2.2所述的认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000023
生成属性证明AP，具体如下：
步骤2.2.1、认证申请者选择子属性集合
Figure BDA0002366803400000024
表示具有高敏感性的属性；
步骤2.2.2、认证申请者生成一个对应的n位属性索引I，来指示生成属性证明所包含的属性；
步骤2.2.3、计算属性证明AP：
Figure BDA0002366803400000025
其中，h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，xj A为属性对应的密钥；
进一步地，步骤3所述的认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证，具体如下：
步骤3.1、认证服务器检查所接收的时间戳TS的有效性；
步骤3.2、对于有效的时间戳TS，云服务器即认证服务器进一步检查索引I，如果I≠0则将收到的I与预设的索引值IV比较，即对任意属性aj及通用的属性集AU，若下面式子成立，即
Figure BDA0002366803400000026
其中Ij为索引值I的第j位数值，IVj为预设索引值IV的第j位数值；
则云服务器即认证服务器执行步骤3.3，否则通过返回RT＝0来，终止验证过程；
步骤3.3、对于有效的I，云服务器计算中间变量ι
Figure BDA0002366803400000027
其中aj为第j个属性，AU为通用属性集，Ij为索引I第j位数值，|I1|表示索引I中的1的数量；Dj A为第j个属性认证密钥，Si为信任机构TA赋予用户i的私钥；
步骤3.4、云服务器即认证服务器计算并判断以下式子是否成立：
Figure BDA0002366803400000031
其中h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，AP为收到的属性e(g，g)为双线性对；
若等式成立，则验证成功，完成认证；否则通过返回RT＝0来终止验证过程。
一种基于属性的用户身份认证系统，包括第三方属性机构、认证申请者和认证服务器；
所述第三方属性机构，用于初始化整个系统；
所述认证申请者，用于生成属性证明；
所述认证服务器，用于检查属性索引的有效性，确定认证。
进一步地，所述初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g，g)α和单向哈希函数H。
进一步地，所述生成属性证明，具体如下：
认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000032
生成属性证明AP；
认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)具有有效抵抗重放攻击、有效抵抗伪造攻击和有效抵抗共谋攻击几方面的安全性保证，提高了用户认证的安全性；(2)降低了通信开销和计算开销，提高了认证效率。
附图说明
图1为本发明一种基于属性的用户身份认证系统的结构框图。
图2为本发明实施例中基于属性认证系统的用户属性集合示意图。
图3为本发明一种基于属性的用户身份认证方法的流程示意图。
图4为本发明实施例中TA执行的系统初始化的流程示意图。
图5为本发明实施例中用户User向云服务器认证过程的流程示意图。
具体实施方式
本发明基于属性的用户身份认证方法，包括以下步骤：
步骤1、第三方属性机构初始化整个系统；
步骤2、认证申请者生成属性证明；
步骤3、认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证。
进一步地，步骤1中所述的第三方属性机构初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g，g)α和单向哈希函数H。
进一步地，步骤2所述的认证申请者生成属性证明，具体如下：
步骤2.1、认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
步骤2.2、认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000041
生成属性证明AP；
步骤2.3、认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
进一步地，步骤2.2中所述的密钥集
Figure BDA0002366803400000042
为{xj A}。
进一步地，步骤2.2所述的认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000043
生成属性证明AP，具体如下：
步骤2.2.1、认证申请者选择子属性集合
Figure BDA0002366803400000044
表示具有高敏感性的属性；
步骤2.2.2、认证申请者生成一个对应的n位属性索引I，来指示生成属性证明所包含的属性；
步骤2.2.3、计算属性证明AP：
Figure BDA0002366803400000045
其中，h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，xj A为属性对应的密钥；
进一步地，步骤3所述的认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证，具体如下：
步骤3.1、认证服务器检查所接收的时间戳TS的有效性；
步骤3.2、对于有效的时间戳TS，云服务器即认证服务器进一步检查索引I，如果I≠0则将收到的I与预设的索引值IV比较，即对任意属性aj及通用的属性集AU，若下面式子成立，即
Figure BDA0002366803400000046
其中Ij为索引值I的第j位数值，IVj为预设索引值IV的第j位数值；
则云服务器即认证服务器执行步骤3.3，否则通过返回RT＝0来，终止验证过程；
步骤3.3、对于有效的I，云服务器计算中间变量ι
Figure BDA0002366803400000051
其中aj为第j个属性，AU为通用属性集，Ij为索引I第j位数值，|I1|表示索引I中的1的数量；Dj A为第j个属性认证密钥，Si为信任机构TA赋予用户i的私钥；
步骤3.4、云服务器即认证服务器计算并判断以下式子是否成立：
Figure BDA0002366803400000052
其中h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，AP为收到的属性e(g，g)为双线性对；
若等式成立，则验证成功，完成认证；否则通过返回RT＝0来终止验证过程。
双线性对e(g，g)α计算上具有双线性的性质(即e(gα，gb)＝e(g，g)αb)，它有两个输入；云服务器接收到用户发送过来的AP，Inf|TS，I后，首先计算中间变量ι，然后计算gh(Inf |TS)·ι并将其作为双线性对的第一个输入，AP作为双线性对的第二个输入，通过一系列计算看最终结果是够等于e(g，g)，以此达到认证的目的。
一种基于属性的用户身份认证系统，包括第三方属性机构、认证申请者和认证服务器；
所述第三方属性机构，用于初始化整个系统；
所述认证申请者，用于生成属性证明；
所述认证服务器，用于检查属性索引的有效性，确定认证。
进一步地，所述初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g，g)α和单向哈希函数H。
进一步地，所述生成属性证明，具体如下：
认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000053
生成属性证明AP；
认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
结合图1，本发明一种基于属性的用户身份认证系统，包括第三方属性机构、认证申请者和认证服务器；
所述第三方属性机构，用于初始化整个系统；
所述认证申请者，用于生成属性证明；
所述认证服务器，用于检查属性索引的有效性，确定认证。
结合图3～5，一种基于属性的用户身份认证方法，包括以下步骤：
步骤1、第三方属性机构初始化整个系统，如图4所示。
首先，将通用属性集AU正式化为AU＝{a1，a2，an}，其输出是系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，其中：系统主密钥MKsys＝(β，gα)
公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g，g)α和单向哈希函数H。
表1符号描述
Figure BDA0002366803400000061
步骤2、认证申请者生成属性证明的过程如下，如图2所示：
步骤2.1、认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
步骤2.2、认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure BDA0002366803400000071
生成属性证明AP，其中
Figure BDA0002366803400000072
具体步骤如下：
步骤2.2.1、认证申请者选择子属性集合
Figure BDA0002366803400000073
其中
Figure BDA0002366803400000074
表示具有高敏感性的属性；
步骤2.2.2、认证申请者生成一个对应的n位属性索引I，
I＝{1，0}n
用I来指示生成属性证明所包含的属性，即：如果
Figure BDA0002366803400000075
则设置对应的第j位索引为1，Ij＝1。例如，如果
Figure BDA0002366803400000076
则对应的索引值为I＝110，...，0。
步骤2.2.3、利用以下式子计算属性证明AP
Figure BDA0002366803400000077
其中h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，xj A属性对应的秘钥；
步骤2.3、认证申请者将信息λ＝{Inf|TS，i，I，AP}发送至认证服务器。
步骤3、认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证，具体如下：
为了验证λ，云服务器执行以下两步验证操作：
步骤3.1、认证服务器检查所接收的时间戳TS的有效性；
步骤3.2、对于有效的TS，云服务器(认证服务器)进一步检查其索引I，如果
I≠0 (1)
则将收到的I与预设的索引值IV比较，即
Figure BDA0002366803400000078
其中Ij为索引值I的第j位数值，IVj为预设索引值IV的第j位数值；
等式(2)成立时，云服务器执行步骤3.3，否则通过返回RT＝0来终止验证过程；
步骤3.3、对于有效的I，云服务器(认证服务器)计算中间值ι
Figure BDA0002366803400000079
其中aj为第j个属性，AU为通用属性集，Ij为索引I第j位数值，|I1|表示索引I中的1的数量；Dj A为第j个属性认证密钥；
步骤3.4、云服务器(认证服务器)计算并判断
Figure BDA0002366803400000081
其中h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，AP为收到的属性e(g，g)为双线性对；
如果公式(4)成立，则验证成功，完成认证；否则通过返回RT＝0来终止验证过程。
以下证明上述认证过程的正确性。
假设I中有w个1，证明验证的正确性如下。
设Left＝e(gh(Inf|TS)·t，AP)，得到：
Figure BDA0002366803400000082
如果VTi拥有所声明的属性，则验证成功。
最后，云服务器根据所请求访问的数据描述Inf将对应的密文数据发送到给请求的用户。
为了证明本发明的有效性，性能分析如下：
低通信开销：完成认证，云服务器需要传输|ACK|长度的数据包；用户需要传输一个信息描述INF，两个随机数RN，一个n位的索引I以及属性证明AP，即|INF|+2|RN|+|I|+|AP|；
低计算开销：云服务器的计算开销为(A^S+1)·CM+CP，移动用户的计算开销为2A^S·CM+CH，其中CM为乘法运算成本，CP为双线性对匹配开销，CH为哈希运算开销；
进一步地，本实施例在3.30GHz Intel Core i5-2500处理器以及512MB RAM的iOS平台上进行实验，iOS上：CP为74.1ms，CM为10.4ms；在i5-2500处理器上：C＇P和C′M分别为2.9ms和1.0ms。
由此可知，本发明一种基于属性的用户身份认证系统及方法，具有有效抵抗重放攻击、有效抵抗伪造攻击和有效抵抗共谋攻击几方面的安全性保证，提高了用户认证的安全性，并且降低了通信开销和计算开销，提高了认证效率。

Claims (9)

1.一种基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、第三方属性机构初始化整个系统；
步骤2、认证申请者生成属性证明；
步骤3、认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证。
2.根据权利要求1所述的基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，步骤1中所述的第三方属性机构初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g,g)α和单向哈希函数H。
3.根据权利要求1所述的基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，步骤2所述的认证申请者生成属性证明，具体如下：
步骤2.1、认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
步骤2.2、认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure FDA0002366803390000011
生成属性证明AP；
步骤2.3、认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
4.根据权利要求3所述的基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，步骤2.2中所述的密钥集
Figure FDA0002366803390000012
为{xj A}。
5.根据权利要求3所述的基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，步骤2.2所述的认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure FDA0002366803390000013
生成属性证明AP，具体如下：
步骤2.2.1、认证申请者选择子属性集合
Figure FDA0002366803390000014
表示具有高敏感性的属性；
步骤2.2.2、认证申请者生成一个对应的n位属性索引I，来指示生成属性证明所包含的属性；
步骤2.2.3、计算属性证明AP：
Figure FDA0002366803390000015
其中，h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，xj A为属性对应的密钥。
6.根据权利要求1所述的基于属性的用户身份认证方法，其特征在于，步骤3所述的认证服务器检查属性索引的有效性，确定认证，具体如下：
步骤3.1、认证服务器检查所接收的时间戳TS的有效性；
步骤3.2、对于有效的时间戳TS，云服务器即认证服务器进一步检查索引I，如果I≠0则将收到的I与预设的索引值IV比较，即对任意属性aj及通用的属性集AU，若下面式子成立，即
Figure FDA0002366803390000021
其中Ij为索引值I的第j位数值，IVj为预设索引值IV的第j位数值；
则云服务器即认证服务器执行步骤3.3，否则通过返回RT＝0来，终止验证过程；
步骤3.3、对于有效的I，云服务器计算中间变量l
Figure FDA0002366803390000022
其中aj为第j个属性，AU为通用属性集，Ij为索引I第j位数值，|I1|表示索引I中的1的数量；Dj A为第j个属性认证密钥；Si为信任机构TA赋予用户i的私钥；
步骤3.4、云服务器即认证服务器计算并判断以下式子是否成立：
Figure FDA0002366803390000023
其中h为单向哈希函数，Inf为请求数据的描述，TS为时间戳，AP为收到的属性,e(g,g)为双线性对；
若等式成立，则验证成功，完成认证；否则通过返回RT＝0来终止验证过程。
7.一种基于属性的用户身份认证系统，其特征在于，包括第三方属性机构、认证申请者和认证服务器；
所述第三方属性机构，用于初始化整个系统；
所述认证申请者，用于生成属性证明；
所述认证服务器，用于检查属性索引的有效性，确定认证。
8.根据权利要求7所述的基于属性的用户身份认证系统，其特征在于，所述初始化整个系统，包括系统主密钥MKsys和公共参数PKsys，所述公共参数PKsys包括双线性群G1、映射e(g,g)α和单向哈希函数H。
9.根据权利要求7所述的基于属性的用户身份认证系统，其特征在于，所述生成属性证明，具体如下：
认证申请者生成请求访问数据的描述Inf，并附上时间戳TS；
认证申请者使用自身属性A对应的密钥集
Figure FDA0002366803390000024
生成属性证明AP；
认证申请者将认证索引发送至认证服务器。
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