CN111461714A - 一种云计算中基于智能卡的身份认证及安全交易方法 - Google Patents

Abstract

一种云计算中基于智能卡的身份认证及安全交易方法，包括如下步骤：多个云服务器向用户发布其所能提供的服务，以及提供服务的种类、功能、使用要求以及收费标准；用户U_i根据自己的需求选择某云服务器作为自己的服务交易对象；用户选定云服务器S之后，建立安全链接，在此过程中，选定智能卡完成所有的身份认证及安全交易。用以对用户及云服务器的身份安全及交易安全提供保护。因为该方案仅使用单向哈希函数，而不使用任何对称或非对称加密技术，所以该方案的计算工作量很低。并且该方案实现一器一卡，可以抵抗主流的各种攻击方式，高效使用，能满足云用户的安全和性能需求。

Description

一种云计算中基于智能卡的身份认证及安全交易方法

技术领域

本发明属于云计算和信息安全交叉领域，具体涉及一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方法，旨在保障用户身份的合法性及其交易的安全性。

背景技术

云计算通过互联网向用户提供了大量虚拟和动态可扩展的资源，例如计算资源、存储资源、硬件平台和应用程序，这为用户和云服务器的交易提供了极大的灵活性和便利性。然而，云计算和云存储存在严重的安全性问题，尤其是对于经常和云服务器进行交易的用户而言。例如，用户使用云服务器的外包存储服务时，数据隐私就成为一个主要问题，包括非法用户访问云服务器的资源以窃取合法用户的数据以及合法用户访问非法服务器所引发的“钓鱼”等安全问题。为了保护用户的隐私，当合法云用户访问云服务器资源完成交易时，用户需要验证云服务器，并且云服务器需要标识用户的登录请求以确保用户是合法用户。为了解决上述问题，研究者已经提出了许多轻量级的用户认证方案。

目前共有三大类基本的用户身份验证方式：基于密码的身份验证，基于智能卡的身份验证和基于生物特征的身份验证。由于在现实生活应用中，用户偏向于使用便于记忆的简单密码，因而基于密码的身份验证存在较大的不安全性，最常见的是网络数据流窃听、截取/重放、暴力破解、窥探等攻击方式。而基于生物特征的身份验证方案，成本较低的方案生物特征容易被复制(例如指纹、人脸等)，而成本较高的方案则大多时候应用于高度机密的认证系统(例如虹膜、DNA和行为步态等)。因此，对比于上述两种方案，基于智能卡的身份验证方案由于其便利性、安全性和实用性让该方案获得普遍认可，在现实应用中其往往结合密码共同使用，使得安全性进一步提升。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种基于智能卡的身份验证及安全交易方案，该方案通过单向哈希函数完成用户和云服务器的双向安全认证，提高了用户和云服务器的安全交易的可靠性。

一种云计算中基于智能卡的身份认证及安全交易方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，多个云服务器向用户发布其所能提供的服务，以及提供服务的种类、功能、使用要求以及收费标准；

步骤2，用户U_i根据自己的需求选择某云服务器作为自己的服务交易对象；

步骤3，用户选定云服务器S之后，建立安全链接，在此过程中，选定智能卡完成所有的身份认证及安全交易。

进一步地，步骤3中所述身份验证方案包括初始化注册、登录、安全交易和密码更改四个阶段。

进一步地，所述初始化注册阶段包括如下步骤：

S1-1，用户U_i根据自己的需求选定云服务器S之后，在S上选择用户唯一的ID_i号，输入相应的密码PW_i，云服务器S自动生成随机数b_i，并计算哈希值

S1-2，用户U_i通过安全通道将用于后续认证的序列号{ID_i,RPW_i,b_i}提交给云服务器S；

S1-3，云服务器S在接收到来自用户U_i的交易前注册请求后，生成K₁，K₁是云服务器S根据b_i选择的密钥；

S1-4，云服务器S计算哈希值β_i＝h(ID_i||K_i)，异或哈希值

三个安全哈希值；

S1-5，云服务器S将值{IU_i,A_i,β_i}存储在用户U_i的智能卡中，并通过安全通道发布智能卡；

S1-6，用户U_i接收到后，将b_i一并存储到智能卡内存中，因此智能卡内容变成{IU_i,A_i,β_i,b_i}，此时用户U_i和云服务器S之间通过安全数值建立联系，为后续的安全交易做好准备。

进一步地，所述登录阶段包括如下步骤：

S2-1，在开始交易前，用户U_i将智能卡插入到智能卡读卡器中，并输入用户U_i唯一的

号和相应的密码值

S2-2，读卡器根据用户U_i的输入，按照初始化阶段的计算公式计算哈希值

异或哈希值

以及

三个安全哈希值；

S2-3，读卡器检查存储在智能卡内存中的A_i和

是否相等；

S2-4，如果相等，则读卡器会生成一个随机数N_u并计算一系列哈希值

L₃＝h(L₂||N_u||β_i)；

S2-5，用户U_i将登录请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}发送到云服务器S用于后续的用户U_i和云服务器S双方的安全交易阶段。

进一步地，所述安全交易阶段包括如下步骤：

S3-1，云服务器S在接收到验证请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}后，首先根据b_i找到K₁；

S3-2，云服务器S根据安全交易的要求计算一系列哈希值

S3-3，云服务器S检查

和L₃是否相等；

S3-4，如果相等，则云服务器S生成一个随机数N_s，并计算一系列哈希值

该一系列哈希值用于验证云服务器S的合法性；

S3-5，云服务器S将信息{A₁,γ_s}发送给用户U_i；

S3-6，从云服务器S接收到信息{A₁,γ_s}后，用户U_i计算相应的哈希值

SKey＝h(ID_i||L₂||N_u||N_s||β_i)，

S3-7，用户U_i检查

和存储在读卡器中的A_i是否相等；

S3-8，如果相等，则云服务器S是合法的，否则终止会话；云服务器合法时，用户U_i计算哈希值A₂＝h(SKey||IU^*||N_s||β_i)并将信息{A₂}发送给云服务器S，该值用于验证用户U_i的合法性；

S3-9，云服务器S从用户U_i收到信息{A₂}后，计算哈希值

S3-10，云服务器S检查

和A₂是否相等；

S3-11，如果相等，则用户U_i是合法的，并且已完成相互认证，否则终止会话；相互认证后，用户U_i和云服务器S同意采用共同的会话密钥SKey作为双方交易的安全密钥；

S3-12，用户U_i和云服务器S双方身份认证成功后，用户U_i采用会话密钥SKey通过安全通道向云服务器S提出包括计算资源、存储资源、硬件平台和应用程序等的服务请求；

S3-13，云服务器S接收到用户U_i提出的请求后，采用会话密钥SKey通过安全通道向用户提供相应的资源供其使用。

进一步地，所述密码更改阶段包括如下步骤：

S4-1，用户U_i将智能卡插入读卡器并输入交易的

和密码

请求更改密码；

S4-2，读卡器根据用户U_i的输入计算哈希值

用于验证用户U_i的合法性；

S4-3，读卡器根据计算结果检查

和A_i是否相等；

S4-4，如果相等，则用户U_i是智能卡的合法用户，否则拒绝该请求；

S4-5，然后，验证用户为合法用户后，读卡器请求用户U_i输入新密码PW_new，输入新密码后，读卡器计算新的哈希值

并计算

S4-6，最后，智能卡将内存中的IU_i和A_i用IU_i和A_new替换，完成用户U_i的更改密码请求。

进一步地，步骤S1-1中用户U_i自动计算

其中h(·)采用加密单向哈希函数；

进一步地，步骤S1-3中云服务器S接收到用户U_i发送过来的随机数b_i生成K₁，且这种对照关系只存在于云服务器S中。

进一步地，步骤S2-4中读卡器随机生成N_u和步骤S3-4中云服务器S随机生成N_s，N_s替代时间戳，使{A₂}不同会话之间有所不同。

进一步地，步骤S2-4中读卡器随机生成N_u和步骤S34中云服务器S随机生成N_s，N_s替代时间戳，使{A₂}在不同会话之间有所不同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提出的方案，值之间存在相互依赖性，这使得攻击者无法通过拦截智能卡值和中间通道来获取ID_i或PW_i，能够有效抵抗智能卡被盗的攻击。

(2)本发明所提出的方案，因为ID_i和PW_i是相互依赖的，所以要获取PW_i，需要ID_i，而要获取ID_i，则需要PW_i。因此本发明方案可以抵抗离线密码猜测攻击。

(3)本发明所提出的方案，因为N_u和N_s不是通信信息的一部分，所以即使攻击者E拦截了用户与云服务器之间的通信信息，也不会生成任何用的信息，抵抗了中间人攻击。

(4)本发明所提出的方案大多基于轻量级的哈希函数运算，运算效率高，具有实用性。

(5)本发明所提出的方案，针对满足用户需求的云服务器进行交易验证，一器一卡极大提升了安全性。

附图说明

图1为本发明所提供的身份验证及安全交易方案初始化阶段示意图。

图2为本发明所提供的身份验证及安全交易方案登录阶段示意图。

图3为本发明所提供的身份验证及安全交易方案安全交易阶段示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方法做进一步的详细说明。

在描述具体技术方案之前，为了便于阅读，下表罗列了本发明专利主要使用的符号。

在本发明实施例中，提供了一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，所述过程包括：

某用户需要获得4TB的云存储空间和24Gb/s的运算能力，价格越便宜越好。多个云服务器提供商发布自己能够提供的服务：

1、藤逊云8TB 8Gb/s 20元/月

2、阿李云4TB 32Gb/s40元/月

3、他云4TB 24Gb/s30元/月

4、钴铬云8TB 24Gb/s60元/月

用户U_i根据自己的需求选择云服务器S作为自己的交易对象；用户选定云服务器S之后，需要建立安全链接，在此过程中，选定智能卡完成所有的身份认证及安全交易；智能卡完成的身份认证及安全交易的过程包括初始化注册、登录、安全交易和密码更改四个过程。参阅图1，其中，用户初始化注册阶段S1步骤包括：

在此阶段，用户U_i根据自己的需求选定云服务器S之后，在该云服务器S上选择用户唯一的ID_i号，输入相应的密码PW_i，云服务器S会自动生成随机数b_i，并计算哈希值

之后，用户U_i通过安全通道将用于后续认证的序列号{ID_i,RPW_i,b_i}提交给云服务器S；云服务器S在接收到来自用户U_i的交易前注册请求后，生成K₁，其中K₁是云服务器S根据b_i选择的密钥；接着云服务器S计算哈希值β_i＝h(ID_i||K_i)，异或哈希值

以及

等三个安全哈希值；随后云服务器S将值{IU_i,A_i,β_i}存储在用户U_i的智能卡中，并通过安全通道发布智能卡；用户U_i接收到后，将b_i一并存储到智能卡内存中，因此智能卡内容变成{IU_i,A_i,β_i,b_i}，此时用户U_i和云服务器S之间通过安全数值建立了彼此的联系，为后续的安全交易做好了准备。

参阅图2，其中，登录阶段S2步骤包括：

承接上一阶段，在此阶段，在开始交易前，用户U_i将智能卡插入到智能卡读卡器中，并输入用户U_i唯一的

号和相应的密码值

接着，读卡器根据用户U_i的输入按照初始化阶段的计算公式计算哈希值

异或哈希值

和

等三个安全哈希值；然后，读卡器检查A_i(存储在智能卡内存中)和

是否相等；如果相等，则读卡器会生成一个随机数N_u并计算一系列哈希值

L₃＝h(L₂||N_u||β_i)；随后，用户U_i将登录请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}发送到云服务器S用于后续的用户U_i和云服务器S双方的相互认证阶段。

参阅图3，其中，安全交易阶段S3步骤包括：

承接上一阶段，在此阶段，云服务器S在接收到验证请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}后，首先根据b_i找到K₁；然后云服务器S根据安全交易的要求计算一系列哈希值

接着，云服务器S检查

和L₃是否相等；如果相等，则云服务器S会生成一个随机数N_s，并计算一系列哈希值

和

该系列值用于验证云服务器S的合法性；然后，云服务器S将信息{A₁,γ_s}发送给用户U_i；从云服务器S接收到信息{A₁,γ_s}后，用户U_i计算相应的哈希值

SKey＝h(ID_i||L₂||N_u||N_s||β_i)，

接着用户U_i检查

和A_i(存储在读卡器中)是否相等；如果相等，则云服务器S是合法的，否则终止会话。然后用户U_i计算哈希值A₂＝h(SKey||IU^*||N_s||β_i)并将信息{A₂}发送给云服务器S，该值用于验证用户U_i的合法性；云服务器S从用户U_i收到信息{A₂}后，按照相同的计算公式计算哈希值

然后云服务器S检查

和A₂是否相等；如果相等，则用户U_i是合法的，并且已完成相互认证，否则终止会话。相互认证后，用户U_i(智能卡)和云服务器S同意采用共同的会话密钥SKey作为双方交易的安全密钥；用户U_i(智能卡)和云服务器S双方身份认证成功后，用户U_i采用会话密钥SKey通过安全通道向云服务器S提出4TB的云存储空间和24Gb/s的运算能力的请求；云服务器S接收到用户U_i提出的请求后，采用会话密钥SKey通过安全通道向用户提供相应的资源供其使用。

密码更改阶段S4步骤包括：

在此阶段，由于用户U_i和云服务器S之间频繁的交易请求导致密码的外泄或被第三方知道了密码等各种原因，用户U_i提出更改密码的请求。此时，用户U_i只需将智能卡插入读卡器并输入交易的

和密码

然后请求更改密码；读卡器根据用户U_i的输入计算哈希值

和

用于验证用户U_i的合法性；读卡器根据计算结果检查

和A_i是否相等；如果相等，则用户U_i是智能卡的合法用户，否则拒绝该请求；然后，读卡器请求用户U_i输入新密码PW_new，输入新密码后，读卡器计算新的哈希值

并计算

最后，智能卡将内存中的IU_i和A_i用IU_i和A_new替换即完成了用户U_i的更改密码请求。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种云计算中基于智能卡的身份认证及安全交易方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，多个云服务器向用户发布其所能提供的服务，以及提供服务的种类、功能、使用要求以及收费标准；

步骤2，用户U_i根据自己的需求选择某云服务器作为自己的服务交易对象；

步骤3，用户选定云服务器S之后，建立安全链接，在此过程中，选定智能卡完成所有的身份认证及安全交易。

2.根据权利要求1所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：步骤3中所述身份验证方案包括初始化注册、登录、安全交易和密码更改四个阶段。

3.根据权利要求2所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：所述初始化注册阶段包括如下步骤：

S1-1，用户U_i根据自己的需求选定云服务器S之后，在S上选择用户唯一的ID_i号，输入相应的密码PW_i，云服务器S自动生成随机数b_i，并计算哈希值

S1-2，用户U_i通过安全通道将用于后续认证的序列号{ID_i,RPW_i,b_i}提交给云服务器S；

S1-3，云服务器S在接收到来自用户U_i的交易前注册请求后，生成K₁，K₁是云服务器S根据b_i选择的密钥；

S1-4，云服务器S计算哈希值β_i＝h(ID_i||K_i)，异或哈希值

三个安全哈希值；

S1-5，云服务器S将值{IU_i,A_i,β_i}存储在用户U_i的智能卡中，并通过安全通道发布智能卡；

S1-6，用户U_i接收到后，将b_i一并存储到智能卡内存中，因此智能卡内容变成{IU_i,A_i,β_i,b_i}，此时用户U_i和云服务器S之间通过安全数值建立联系，为后续的安全交易做好准备。

4.根据权利要求2所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：所述登录阶段包括如下步骤：

S2-1，在开始交易前，用户U_i将智能卡插入到智能卡读卡器中，并输入用户U_i唯一的

号和相应的密码值PW_i ^*；

S2-2，读卡器根据用户U_i的输入，按照初始化阶段的计算公式计算哈希值RPW^*＝h(PW_i ^*||b_i)，异或哈希值

以及

三个安全哈希值；

S2-3，读卡器检查存储在智能卡内存中的A_i和

是否相等；

S2-4，如果相等，则读卡器会生成一个随机数N_u并计算一系列哈希值

L₃＝h(L₂||N_u||β_i)；

S2-5，用户U_i将登录请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}发送到云服务器S用于后续的用户U_i和云服务器S双方的安全交易阶段。

5.根据权利要求2所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：所述安全交易阶段包括如下步骤：

S3-1，云服务器S在接收到验证请求信息{NID_i,L₁,L₃,γ_i,b_i}后，首先根据b_i找到K₁；

S3-2，云服务器S根据安全交易的要求计算一系列哈希值

S3-3，云服务器S检查

和L₃是否相等；

S3-4，如果相等，则云服务器S生成一个随机数N_s，并计算一系列哈希值

该一系列哈希值用于验证云服务器S的合法性；

S3-5，云服务器S将信息{A₁,γ_s}发送给用户U_i；

S3-6，从云服务器S接收到信息{A₁,γ_s}后，用户U_i计算相应的哈希值

SKey＝h(ID_i||L₂||N_u||N_s||β_i)，

S3-7，用户U_i检查

和存储在读卡器中的A_i是否相等；

S3-8，如果相等，则云服务器S是合法的，否则终止会话；云服务器合法时，用户U_i计算哈希值A₂＝h(SKey||IU^*||N_s||β_i)并将信息{A₂}发送给云服务器S，该值用于验证用户U_i的合法性；

S3-9，云服务器S从用户U_i收到信息{A₂}后，计算哈希值

S3-10，云服务器S检查

和A₂是否相等；

S3-11，如果相等，则用户U_i是合法的，并且已完成相互认证，否则终止会话；相互认证后，用户U_i和云服务器S同意采用共同的会话密钥SKey作为双方交易的安全密钥；

S3-12，用户U_i和云服务器S双方身份认证成功后，用户U_i采用会话密钥SKey通过安全通道向云服务器S提出包括计算资源、存储资源、硬件平台和应用程序等的服务请求；

S3-13，云服务器S接收到用户U_i提出的请求后，采用会话密钥SKey通过安全通道向用户提供相应的资源供其使用。

6.根据权利要求2所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：所述密码更改阶段包括如下步骤：

S4-1，用户U_i将智能卡插入读卡器并输入交易的

和密码PW_i ^*，请求更改密码；

S4-2，读卡器根据用户U_i的输入计算哈希值RPW^*＝h(PW_i ^*||b_i)，

用于验证用户U_i的合法性；

S4-3，读卡器根据计算结果检查

和A_i是否相等；

S4-4，如果相等，则用户U_i是智能卡的合法用户，否则拒绝该请求；

S4-5，然后，验证用户为合法用户后，读卡器请求用户U_i输入新密码PW_new，输入新密码后，读卡器计算新的哈希值

并计算

S4-6，最后，智能卡将内存中的IU_i和A_i用IU_i和A_new替换，完成用户U_i的更改密码请求。

7.根据权利要求3所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：步骤S1-1中用户U_i自动计算

其中h(·)采用加密单向哈希函数。

8.根据权利要求3所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：步骤S1-3中云服务器S接收到用户U_i发送过来的随机数b_i生成K₁，且这种对照关系只存在于云服务器S中。

9.根据权利要求3所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：步骤S2-4中读卡器随机生成N_u和步骤S3-4中云服务器S随机生成N_s，N_s替代时间戳，使{A₂}不同会话之间有所不同。

10.根据权利要求3所述的一种云计算中基于智能卡的身份验证及安全交易方案，其特征在于：步骤S2-4中读卡器随机生成N_u和步骤S3-4中云服务器S随机生成N_s不是通信信息的一部分，使得信息即使被拦截也无法生成有用的信息。

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