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論文摘要：手機(jī)彩信通信；數(shù)字簽名；彩信認(rèn)證；雙向認(rèn)證；J2ME
論文摘要摘要：本文探索一種基于非對(duì)稱密碼體制、單向散列函數(shù)、數(shù)字證書(shū)和數(shù)字簽名的手機(jī)彩信通信接入雙向認(rèn)證方案。在本方案中，認(rèn)證服務(wù)器無(wú)需存儲(chǔ)和查找客戶端公鑰，且移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商具有自簽名的頂級(jí)證書(shū)服務(wù)器，無(wú)需借助第三方頒發(fā)證書(shū)。最后對(duì)本方案做了簡(jiǎn)要的性能分析。
1引言
移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展日新月異，3G，E3G，4G這些標(biāo)志通信技術(shù)里程碑的名詞。通過(guò)手機(jī)彩信功能，現(xiàn)在可以傳輸文字，圖片，音樂(lè)和視頻等多媒體信息。彩信豐富了我們的日常生活，和此同時(shí)彩信中夾雜病毒和一些不良信息的現(xiàn)象不段出現(xiàn)。通信平安新問(wèn)題已成為制約移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸，并且隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，日益變得突出。借鑒互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)字簽名技術(shù)，本文探索通過(guò)非對(duì)稱密鑰體制來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)彩信的通信平安。
2非對(duì)稱密鑰體制
有對(duì)稱和非對(duì)稱兩種密鑰體制。在對(duì)稱密鑰系統(tǒng)中，加密和解密采用相同的密鑰。因?yàn)榧咏饷荑€相同，需要通信的雙方必須選擇和保存他們共同的密鑰，各方必須信任對(duì)方不會(huì)將密鑰泄密出去，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。對(duì)于具有n個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)，需要n(n-1)/2個(gè)密鑰，在用戶群不是很大的情況下，對(duì)稱密鑰系統(tǒng)是有效的。但是對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用戶群很大，分布很廣時(shí)，密鑰的分配和保存就成了新問(wèn)題。因此在移動(dòng)通信中不可以采取對(duì)稱密鑰體制。
非對(duì)稱密鑰體制的基本思想是加密密鑰和解密密鑰不相同，由其中一個(gè)密鑰推導(dǎo)另一個(gè)密鑰在計(jì)算上是不可行的。一對(duì)彼此獨(dú)立、但又在數(shù)學(xué)上彼此相關(guān)的密鑰KP、KS總是一起生成，其中KP公開(kāi)，稱為公鑰，KS保密，稱為私鑰。加密算法E和解密算法D是分開(kāi)的。非對(duì)稱密碼體制的特征如下摘要：
(1)用公鑰加密的數(shù)據(jù)，只能由和其對(duì)應(yīng)的私鑰解密，而不能用原公鑰解密；反之，用私鑰加密的數(shù)據(jù)，只能由和其對(duì)應(yīng)的公鑰解密，而不能由原私鑰解密。即，設(shè)加密算法為E，解密算法為D，KP是公鑰，KS是KP對(duì)應(yīng)的和私鑰，明文為X，則有摘要：Dkp[Eks(X)可以得出明文X，而Dks[Eks(X)則無(wú)法得出明文X。
(2)非對(duì)稱鑰體制不存在對(duì)稱秘鑰體制中的密鑰分配新問(wèn)題和保存新問(wèn)題。M個(gè)用戶之間相互通信只需要2M個(gè)密鑰即可完成。
(3)非對(duì)稱秘鑰體制支持以下功能摘要：
(4)機(jī)密性（Confidentiality）摘要：保證非授權(quán)人員不能非法獲取信息；
(5)確認(rèn)（Authentication）摘要：保證對(duì)方屬于所聲稱的實(shí)體；
(6)數(shù)據(jù)完整性（Dataintegrity）摘要：保證信息內(nèi)容不被篡改；
(7)不可抵賴性（Non-repudiation）摘要：發(fā)送者不能事后否認(rèn)他發(fā)送過(guò)消息。
3一種雙向認(rèn)證的方案摘要：
首先需要在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商架設(shè)一臺(tái)證書(shū)服務(wù)器。證書(shū)服務(wù)器有自己的公鑰KCP和私鑰KCS，同時(shí)證書(shū)服務(wù)器也有一張自簽名的頂級(jí)證書(shū)，以防止它的公鑰被黑客替換。在用戶申請(qǐng)開(kāi)通服務(wù)時(shí)，證書(shū)服務(wù)器為用戶頒發(fā)一張數(shù)字證書(shū)，并對(duì)證書(shū)進(jìn)行數(shù)字簽名，以防止證書(shū)內(nèi)容被篡改。頒發(fā)證書(shū)的時(shí)候?yàn)橛脩魟?chuàng)建了公鑰KUP、私鑰KUS，其中KUS由用戶保存且保密，KUP公開(kāi)。
移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商架設(shè)一臺(tái)或多臺(tái)AAAServer（Authentication,Authorization,Accounting,認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)服務(wù)器），它負(fù)責(zé)認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)。AAAServer有自己的私鑰KSS、公鑰KSP和加密算法D、解密算法E。同時(shí)，它也擁有一張證書(shū)服務(wù)器頒發(fā)的數(shù)字證書(shū)。
用戶開(kāi)機(jī)或者請(qǐng)求某種業(yè)務(wù)時(shí)，發(fā)起相應(yīng)的認(rèn)證過(guò)程，即向AAAServer發(fā)送認(rèn)證開(kāi)始請(qǐng)求。AAAServer收到請(qǐng)求后，向用戶發(fā)送證書(shū)請(qǐng)求，要求用戶出示數(shù)字證書(shū)。然后用戶將自己的數(shù)字證書(shū)發(fā)送給AAAServer。
AAAServer收到證書(shū)后，有三件事情需要證實(shí)摘要：
(1)該數(shù)字證書(shū)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商數(shù)字證書(shū)服務(wù)器所頒發(fā)；
(2)該數(shù)字證書(shū)未被篡改過(guò)；
(3)該證書(shū)確實(shí)為出示證書(shū)者所有。
對(duì)于前面兩項(xiàng)，AAAServer只需驗(yàn)證數(shù)字證書(shū)上證書(shū)服務(wù)器的數(shù)字簽名即可得到證實(shí)。具體方法是用證書(shū)服務(wù)器的公鑰KCP解密數(shù)字簽名，然后再用公開(kāi)的單向散列函數(shù)求證書(shū)的散列值，并比較二者，假如相同，驗(yàn)證通過(guò)，不相同，驗(yàn)證失敗。
為了證實(shí)該證書(shū)確實(shí)為證書(shū)出示者所有，AAAServer生成一個(gè)大的隨機(jī)數(shù)R，并使用用戶的公鑰KUP（數(shù)字證書(shū)中包含KUP，因此服務(wù)器無(wú)需預(yù)先存儲(chǔ)用戶公鑰，也無(wú)需查找數(shù)據(jù)庫(kù)，這有利于加快處理速度）將R加密，得到EKup(R)。為了防止R在傳輸過(guò)程中被黑客截獲并修改，使得合法用戶得不到正確的認(rèn)證。AAAServer先使用一個(gè)公開(kāi)的單向散列函數(shù)H功能于R，得到H（R），然后用服務(wù)器的私鑰KSS對(duì)H（R）進(jìn)行加密（數(shù)字簽名）。最后將Ekup(R)+Ekss[H(R)發(fā)送給用戶。客戶收到Ekup(R)+Ekss[H(r)后，首先應(yīng)該驗(yàn)證R在傳輸過(guò)程中是否被篡改過(guò)。方法如下摘要：首先，客戶端使用AAAServer的公鑰KSP解開(kāi)Ekss[H(R)，即摘要：DKsp(Ekss[H(r))=H(R)
再用客戶端私鑰KUS解密Ekup(R)，即摘要：
Dkus[Ekup(R)=R’，
然后再用公開(kāi)的單向散列函數(shù)H（必須和AAAServer使用的H相同），求R′的散列值H（R′）。假如在傳輸過(guò)程中R被篡改過(guò)，即R′≠R，那么根據(jù)散列函數(shù)的性質(zhì)，必然有摘要：H（R′）≠H（R），從而發(fā)現(xiàn)R被修改過(guò)這一事實(shí)。
假如上面的操作證實(shí)R未被修改，那么客戶端接下來(lái)的工作是設(shè)法將解密得到的R′不被篡改地傳回AAAServer，以便AAAServer進(jìn)行鑒別。為了防止在將R′傳回給AAAServer的過(guò)程中，被黑客捕捉并篡改，使得合法用戶不能通過(guò)認(rèn)證。在回傳R′時(shí)，先對(duì)R′施以單向散列函數(shù)H，得到R′的一個(gè)散列值H（R′）。然后使用用戶的私鑰KUS對(duì)H（R′）進(jìn)行加密（數(shù)字簽名），最后將R′和加密后的H（R′）一起，即R’+Ekus[H(R’)回傳給AAAServer。這里R′可以明文傳輸，無(wú)需加密，因?yàn)镽是隨機(jī)數(shù)，每次都不一樣，黑客即使獲得R′也不能對(duì)認(rèn)證過(guò)程構(gòu)成威脅。
AAAServer收到R’+Ekus[H(R’)后，驗(yàn)證過(guò)程如下摘要：
首先驗(yàn)證R′是否等于R。假如R′＝R，說(shuō)明該證書(shū)確實(shí)為其出示者所有，對(duì)用戶的認(rèn)證獲得通過(guò)。
假如R′≠R，有兩種可能，即要么用戶提供的證書(shū)是假的，要么R′在傳輸過(guò)程被人篡改過(guò)。要檢查R′是否被修改過(guò)，AAAServer只需驗(yàn)證用戶的數(shù)字簽名即可摘要：
假如R′被篡改為R″（R″≠R′），則必然有H（R″）≠H（R′），從而可以發(fā)現(xiàn)R′在傳輸過(guò)程中被修改過(guò)。
假如經(jīng)過(guò)前面驗(yàn)證，R′在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被修改，且R′≠R，這說(shuō)明用戶所出示的數(shù)字證書(shū)非法，用戶認(rèn)證失敗。
至此，AAAServer對(duì)客戶端認(rèn)證完成。反方向的客戶端對(duì)AAAServer的認(rèn)證類似，不再詳述。
當(dāng)雙向認(rèn)證完成后（事實(shí)上，可以是客戶端被認(rèn)證合法之后），AAAServer向SMS（SubscriberManagementSystem，用戶管理系統(tǒng)）發(fā)送用戶通過(guò)認(rèn)證，并請(qǐng)求該用戶的業(yè)務(wù)信息。SMS收到請(qǐng)求后，查找該用戶的業(yè)務(wù)信息，并發(fā)送給AAAServer。AAAServer據(jù)此對(duì)該用戶授權(quán)、計(jì)費(fèi)。
4方案性能分析
本認(rèn)證方案采用了單向散列函數(shù)、非對(duì)稱密碼體制、數(shù)字證書(shū)、數(shù)字簽名等信息平安技術(shù)。認(rèn)證服務(wù)器無(wú)需存儲(chǔ)用戶公鑰，也不需要查找相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，處理速度快。
(1)有效性（Validity）摘要：在本認(rèn)證方案過(guò)程中，要求用戶出示了由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商證書(shū)服務(wù)器頒發(fā)的數(shù)字證書(shū)，并對(duì)證書(shū)進(jìn)行了三項(xiàng)驗(yàn)證，確保證書(shū)的有效性（為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商證書(shū)服務(wù)器所頒發(fā)）、完整性（未被修改過(guò)）和真實(shí)性（確實(shí)為該用戶所有）得到驗(yàn)證。在AAAServer方，我們認(rèn)為沒(méi)有必要向客戶端出示其證書(shū)。客戶端知道合法的AAAServer的公鑰，只需驗(yàn)證自稱是AAAServer的一方擁有該公鑰對(duì)應(yīng)的私鑰即可，因?yàn)槭澜缟嫌星覂H有合法的AAAServer知道該私鑰。
(2)完整性（Integrity）摘要：在認(rèn)證消息傳輸過(guò)程中，我們始終堅(jiān)持了消息可靠傳輸這一原則，對(duì)認(rèn)證消息采取了保護(hù)辦法。一旦認(rèn)證消息在傳輸過(guò)程中被修改，消息到達(dá)對(duì)方時(shí)將被發(fā)現(xiàn)。
不可否認(rèn)性（Non-repudiation）摘要：本方案中所有認(rèn)證消息都采用了發(fā)送方數(shù)字簽名，使得發(fā)送方對(duì)自己發(fā)送的消息不可否認(rèn)。
可行性（Feasibility）摘要：本認(rèn)證方案采用的單向散列函數(shù)、非對(duì)稱密碼體制、數(shù)字證書(shū)等信息平安技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)比較成熟。單向散列函數(shù)有MD2、MD4、MD5、SHA系列、HAVAL-128以及RIPEMD等，其中MD4目前被認(rèn)為不平安。非對(duì)稱密碼體制中最成功的是RSA。值得一提的是和RSA算法相關(guān)的基本專利已于2000年9月到期，這直接關(guān)系到系統(tǒng)成本。另外，本方案采用的數(shù)字證書(shū)是自己頒發(fā)的，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的證書(shū)服務(wù)器具有自簽名的頂級(jí)證書(shū)，無(wú)需借助第三方證書(shū)機(jī)構(gòu)。
5結(jié)束語(yǔ)
彩信豐富人們的生活，手機(jī)銀行，手機(jī)炒股……各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生，通信平安顯的很重要。通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)來(lái)解決手機(jī)彩信通信平安是一種切實(shí)可行的方案，非對(duì)稱的加密體制為方案的實(shí)現(xiàn)提供了可能性，在基于J2ME的開(kāi)發(fā)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，使得具有很強(qiáng)的可移植性，為手機(jī)彩信提供平安保障。