文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190910
中文引用格式： 黨引弟，國佃利，張姍. 面向云計算服務的鑒權(quán)協(xié)議研究[J].電子技術(shù)應用，2019，45(11)：82-86.
英文引用格式： Dang Yindi，Guo Dianli，Zhang Shan. Research on authentication protocol for cloud computing service system[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(11)：82-86.
0 引言
隨著5G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計算與移動通信結(jié)合發(fā)展而來的云服務系統(tǒng)進入了發(fā)展的快車道[1-2]。云計算服務系統(tǒng)可提供在線實時的計算服務，用戶可通過遠程登錄便捷地獲取自己的資源數(shù)據(jù)和相應的計算流程。尤其在手機終端處理海量隱私服務數(shù)據(jù)時，云計算服務系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的在本地處理模式上有著無可比擬的優(yōu)勢。由于開放的網(wǎng)絡環(huán)境存在諸多安全威脅，保證獲取的服務數(shù)據(jù)完整性、機密性、可用性以及隱私性至關重要，鑒權(quán)協(xié)議能夠通過身份鑒別實現(xiàn)訪問授權(quán)管理，并以挑戰(zhàn)應答模式進行信息交互完成數(shù)據(jù)保護密鑰協(xié)商生成，有效解決在云計算服務系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)濫用、隱私泄露、非法入侵等安全問題。其應用模型如圖1所示。
基于口令的雙因子鑒權(quán)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)對于用戶口令與智能卡的認證，在用于云計算服務系統(tǒng)這類風險等級較高的場景中，智能卡的較低的抗破解能力容易引發(fā)較為嚴重的安全問題[3-4]。一旦攻擊者利用邏輯計算、電磁攻擊或物理破解的方式攻破智能卡的安全防護屏障，并獲取存放在安全存儲單元中的秘密信息，其可通過暴力搜索的方式離線猜測出智能卡歸屬用戶的口令，最終非法侵入該用戶的云端賬戶，惡意獲取用戶隱私服務數(shù)據(jù)。
2013年，TAN Z[5]設計了一個面向遠程醫(yī)療信息系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議，并聲稱可以解決上述雙因子認證中存在的威脅風險，然而該協(xié)議經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)無法抵御拒絕服務攻擊。2015年，GUO D等人[6]設計了適用于移動云服務環(huán)境下的鑒權(quán)協(xié)議，實現(xiàn)了用戶在動態(tài)移動云網(wǎng)絡下的兩方身份驗證與數(shù)據(jù)傳輸保護密鑰的可信派生。2019年，WANG H等人[7]針對云服務系統(tǒng)中分布式存儲架構(gòu)提出了多服務器模型下的鑒權(quán)協(xié)議，并給出了詳盡的安全性分析證明該協(xié)議可以抵御現(xiàn)有的幾種網(wǎng)絡攻擊威脅。然而上述鑒權(quán)協(xié)議均無法抵御攻擊者通過離線暴力破解的方式獲取用戶口令，并且無法保護用戶的服務數(shù)據(jù)的隱私性，導致云計算服務器系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的隱私數(shù)據(jù)可以關聯(lián)相對應的用戶。2015年，GUO D等人[8]將生物特征驗證技術(shù)引入至鑒權(quán)協(xié)議中，提出了一種可應用在云計算服務系統(tǒng)中的三因子認證方案，可實現(xiàn)口令、生物特征與智能卡的身份校驗，極大地提升了鑒權(quán)協(xié)議的健壯性。接下來一段時間中，研究者針對可以應用于云計算服務系統(tǒng)中的身份校驗問題提出了大量的鑒權(quán)認證協(xié)議，以提供更強大的安全屬性與更高的計算效率[9-10]。值得一提的是，在鑒權(quán)認證協(xié)議中，安全性與效率之間存在無法避免的二元矛盾屬性，如何衡量兩者之間的關系最優(yōu)化地實現(xiàn)協(xié)議是目前急需解決的難題。
本文中，針對鑒權(quán)認證協(xié)議中普遍存在的安全性與計算效率問題，提出了一個新的面向云計算服務系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議，并基于生物特征驗證技術(shù)實現(xiàn)了對用戶、云計算服務器間的可信身份校驗，并通過BAN-邏輯[11]形式化地證明了該鑒權(quán)協(xié)議的完整性與正確性，建立了協(xié)議安全性與計算效率間的平衡關系。此外，新提出的鑒權(quán)協(xié)議針對用戶服務數(shù)據(jù)的匿名化處理，可實現(xiàn)在登錄過程中訪問路徑的不可追蹤性。
1 鑒權(quán)協(xié)議的構(gòu)造
本文提出了一個面向云計算服務系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議，引入生物特征驗證技術(shù)實現(xiàn)了云計算服務器與用戶間的可信身份校驗，能夠解決雙因子認證技術(shù)中存在的安全風險漏洞，切實保障用戶隱私數(shù)據(jù)的安全性。在該方案中包含以下三個部分：用戶注冊流程、用戶登錄流程與鑒權(quán)流程。
在面向云計算服務系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議中包含以下三個參與者：云計算服務器、隱私服務單元與用戶。其中云計算服務器負責用戶的注冊與鑒權(quán)，隱私服務單元負責存儲用戶的鑒權(quán)數(shù)據(jù)的存儲。表1中給出了協(xié)議中用到的符號及短語的解釋。
1.1 用戶注冊流程
1.2 用戶登錄流程
1.3 鑒權(quán)流程
2 協(xié)議的正確性證明
本文使用BAN-邏輯[11]完成對提出的鑒權(quán)協(xié)議的形式化分析，進而得到用戶與云計算服務器間可實現(xiàn)可信的身份校驗。以下為BAN-邏輯分析方法中用到的符號以及邏輯推理假定：
3 協(xié)議的安全性分析
本節(jié)對鑒權(quán)協(xié)議的安全性與完備性進行分析，主要包括隱私性保護、抵抗用戶偽裝攻擊以及服務器偽裝攻擊與協(xié)議完備性四個方面。
3.1 用戶的隱私性保護
3.2 能夠抵抗偽裝攻擊
3.3 能夠抵抗服務器偽裝攻擊
3.4 協(xié)議完備性
在新提出的鑒權(quán)協(xié)議中，任意用戶接入云計算服務器時協(xié)商會話密鑰時均需通過雙方的身份校驗流程，并最終建立起安全的加密傳輸通道。值得注意的是，該鑒權(quán)協(xié)議中包含三輪數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)，用戶身份校驗、云計算服務器身份校驗與會話密鑰協(xié)商校驗。用戶與云計算服務器在每一輪數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)均保證了鑒權(quán)協(xié)議的可信完備性，即任一數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)失敗均導致鑒權(quán)失敗。因此，新提出的面向云計算服務系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議滿足協(xié)議的完備性。
4 功能性能分析
本節(jié)分別與GUO D等人[6]，CHANG Y等人[9]與JANGIRALA S等人[10]提出的鑒權(quán)協(xié)議進行分析比對，并通過表2展示了從協(xié)議安全性分析比對結(jié)果。
通過表2可以看出GUO D等人提出的鑒權(quán)協(xié)議無法抵御服務器偽裝攻擊、重放攻擊，并且無法提供協(xié)議的前向安全性與形式化的安全性分析；CHANG Y等人提出的鑒權(quán)協(xié)議無法抵抗用戶偽裝攻擊、離線口令猜測攻擊、服務器偽裝攻擊，此外該協(xié)議無法保證用戶在登錄流程中的隱私；JANGIRALA S等人的協(xié)議同樣存在一定的安全缺陷，不能免于惡意用戶通過偽裝、離線口令猜測及身份竊取發(fā)起的攻擊。新提出的鑒權(quán)協(xié)議能夠滿足表2中的所有安全需求，能夠抵御一系列潛在的網(wǎng)絡攻擊威脅，確保個人服務數(shù)據(jù)機密性與隱私性。
5 結(jié)論
面向云計算服務系統(tǒng)的鑒權(quán)協(xié)議針對云計算服務流程中面臨的網(wǎng)絡攻擊威脅以及隱私數(shù)據(jù)保護問題，可提供用戶的遠程身份校驗以及數(shù)據(jù)保護工作密鑰的可信生成。在本文中，基于生物特征驗證技術(shù)提出了一個適用于云計算服務場景三因子鑒權(quán)協(xié)議。另外，利用BAN-logic證明了鑒權(quán)協(xié)議的正確性和完整性。最后，針對鑒權(quán)協(xié)議中面臨的隱私性保護、用戶偽裝攻擊、服務器偽裝攻擊等問題進行了詳盡的安全性分析。
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作者信息:
黨引弟，國佃利，張 姍
(華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083)