本發(fā)明涉及的技術(shù)領(lǐng)域是多服務(wù)器環(huán)境下身份認(rèn)證機(jī)制的研究，具體涉及一種多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡且注冊中心不參與服務(wù)器與用戶之間認(rèn)證過程的認(rèn)證方法。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的高速發(fā)展，多服務(wù)器環(huán)境下的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也得到了廣泛的普及，使之需求大大增加。雖然在線服務(wù)向用戶不斷提供著方便用戶生活的各種服務(wù)，但是其安全性問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，應(yīng)該如何做到保證用戶的合法性和信息的安全性？合法用戶的身份認(rèn)證是網(wǎng)絡(luò)安全的第一道安全保障，因此身份的認(rèn)證機(jī)制對任何一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來說都是非常重要且必不可少的一個環(huán)節(jié)。在多服務(wù)器環(huán)境下的身份認(rèn)證方案中，通過智能卡能夠很方便的去辨別遠(yuǎn)程用戶的合法性，因此智能卡得到了廣泛的使用。

自2003年tsaur在文獻(xiàn)《aflexibleuserauthenticationschemeformulti-serverinternetservices》中首次為人們帶來多服務(wù)模型的思想以來，多服務(wù)器認(rèn)證的概念得到空前的發(fā)展。目前，多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的身份認(rèn)證方案通常可以劃分為兩種類型：三方認(rèn)證模式和兩方認(rèn)證模式。三方認(rèn)證模式是指注冊中心需要參與用戶與服務(wù)器之間的認(rèn)證，而兩方認(rèn)證模式則不需要注冊中心的參與?；谌秸J(rèn)證模式的身份認(rèn)證技術(shù)因為服務(wù)器自身沒有驗證用戶合法性的能力，每次認(rèn)證時，需傳遞認(rèn)證消息給第三方認(rèn)證中心，因此數(shù)據(jù)通信費(fèi)用相對比較大。此外，在該模式下的認(rèn)證效率深受認(rèn)證中心的效率的影響，攻擊者通常會抓住這個把柄去進(jìn)行攻擊消耗服務(wù)器，如2015年odelu的《asecurebiometrics-basedmulti-serverauthenticationprotocolusingsmartcards》和2016年li的《anovelchaoticmaps-baseduserauthenticationandkeyagreementprotocolformulti-serverenvironmentswithprovablesecurity》等等。

基于兩方認(rèn)證模式的身份認(rèn)證技術(shù)不需要第三方認(rèn)證中心才的處理，但實現(xiàn)認(rèn)證身份，服務(wù)器與用戶之間事先必需共享一系列的秘密參數(shù)，即需要用戶的智能卡存儲秘密認(rèn)證信息。而且隨著注冊的服務(wù)器增多，智能卡存儲的秘密認(rèn)證信息增多，這對存儲容量是有限的智能卡是很不現(xiàn)實的。正如2016年reddy的《anenhancedbiometricbasedauthenticationwithkey-agreementprotocolformulti-serverarchitecturebasedonellipticcurvecryptography》和chaturvedi的《designofasecuresmartcard-basedmulti-serverauthenticationscheme》等文獻(xiàn)都出現(xiàn)上述問題，如何在多服務(wù)器環(huán)境下，智能卡存儲的信息不隨著注冊服務(wù)器增多而增多，是一個急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方法。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方法，所述認(rèn)證方法包括下列步驟：

s1、通過注冊中心初始化系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并公布系統(tǒng)公共參數(shù)params；

s2、服務(wù)器sj通過注冊中心注冊，得到私鑰

s3、用戶ui通過注冊中心注冊，得到包含身份登錄秘密信息{zi,pi}和私鑰

s4、當(dāng)用戶ui登錄系統(tǒng)時，通過輸入本機(jī)的身份標(biāo)識idi'，密碼pwi'和本機(jī)的生物識別信息bi'登入系統(tǒng)并計算身份認(rèn)證信息向服務(wù)器sj發(fā)送認(rèn)證請求{idrc，c，q，t}；

s5、當(dāng)服務(wù)器sj接收到用戶認(rèn)證請求時，通過自身的私鑰和認(rèn)證算法認(rèn)證用戶的合法性：

如果表達(dá)式成立，則表明用戶ui合法，服務(wù)器sj繼續(xù)計算sv＝h3(g^ab)和身份認(rèn)證信息，最后將{sidj,d,b}發(fā)送給用戶ui；

s6、用戶ui接收到服務(wù)器sj的回復(fù)后通過驗證等式驗證服務(wù)器的合法性：d＝h1(a)，

如果表達(dá)式成立，則表明服務(wù)器是合法的，并計算出sv＝h3(g^ab)如果表達(dá)式不成立，則表明服務(wù)器是非法的；

s7、服務(wù)器sj和用戶ui成功認(rèn)證彼此身份后通過skey(i,j)＝kdf(sv)建立彼此的臨時會話密鑰。

進(jìn)一步地，所述步驟s1包括：

s11、生成一個階為q且生成元為p的一個循環(huán)群g，與此同時，存在另外一個同樣階為q的循環(huán)群gt，其中q是一個足夠大的素數(shù)，假設(shè)(g，gt)是一個雙線性映射群，則存在一個映射e:g×g→gt，滿足如下性質(zhì)：

雙線性：e(g^a,g^b)＝e(g,g)^ab，其中

非退化性：存在g∈g且e(g,g)≠1；

可計算性：存在一個有效的算法去計算e(g,g)，g∈g；

s12、選擇三個加密哈希函數(shù)，分別滿足以下三個條件h2：{0,1}*→gt；h3：gt→{0,1}*；令g1＝e(g,g)，g1∈gt；

s13、選擇一個主密鑰然后計算公鑰pk＝g^s；

s14、注冊中心發(fā)布的公共參數(shù)param:{g,gt,e,g,g1,pk,h1,h2,h3}。

進(jìn)一步地，所述步驟s2包括：

s21、服務(wù)器sj將本機(jī)的身份標(biāo)標(biāo)識sidj通過安全通道發(fā)送給注冊中心rc；

s22、注冊中心rc接收到服務(wù)器sj的注冊請求后，根據(jù)接收到的身份標(biāo)標(biāo)識sidj計算服務(wù)器用于認(rèn)證的秘鑰

進(jìn)一步地，所述步驟s3包括：

s31、插入智能卡sci，設(shè)置好idi，pwi和生物特征bi，計算fi＝h1(bi)，并將注冊請求reg＝{idi,h1(pwi||fi)}通過安全通道發(fā)送給注冊中心rc；

s32、注冊中心rc接收到用戶ui的注冊請求后，計算用戶ui用于認(rèn)證的私鑰之后注冊中心rc再分別計算和pi＝h1(ki||idi||h1(pwi||fi))；

s33、將{zi,pi}通過安全通道發(fā)送給用戶ui，用戶ui接收到回復(fù)消息后，將{zi,pi}存儲于智能卡sci即完成注冊。

進(jìn)一步地，所述步驟s4包括：

s41、當(dāng)用戶ui登錄系統(tǒng)訪問服務(wù)器sj時，插入智能卡sci，并輸入本機(jī)的身份標(biāo)識idi'，密碼pwi'和本機(jī)的生物識別信息bi'；

s42、智能卡sci計算fi'＝h1(bi')和并驗證等式pi＝h1(ki'||idi'||h1(pwi'||fi'))是否成立；

s43、如果等式不成立，則登錄失敗，否則，選擇隨機(jī)秘密參數(shù)和分別計算r1＝g1^x，a＝g^a，mrui＝idrc||idi||a，h＝h2(mrui,r1)和q＝ki^x+h，并將{idrc，c，q，t}發(fā)送給服務(wù)器sj。

進(jìn)一步地，所述步驟s5包括：

s51、服務(wù)器sj接收到認(rèn)證請求后，利用自身的主密鑰計算：

r1＝e(t,sjk)(1)；

s52、計算和h＝h2(mrui,r1)，并驗證以下等式是否成立：

s53、若等式不成立，則登錄失??；若等式成立，則服務(wù)器sj將選擇一個秘密參數(shù)并計算b＝g^b，d＝h1(a)和sv＝h3(g^ab)，同時擦除秘密參數(shù)b，傳送{sidj,d,b}給用戶ui。

進(jìn)一步地，所述步驟s6包括：

s61、用戶ui接收到服務(wù)器sj的消息后，驗證d＝h1(a)是否成立；

s62、若等式不成立，則說明服務(wù)器消息不可靠，終止會話；否則，計算sv＝h3(g^ab)，擦除秘密參數(shù)a。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1)本發(fā)明不需要第三方參與認(rèn)證的過程，使注冊中心不用維持在線狀態(tài)處理所有的認(rèn)證問題。

2)本發(fā)明不僅簡潔了用戶的密鑰管理，而且對于服務(wù)器數(shù)目的增加并不會造成用戶的存儲量增加的問題。

3)本發(fā)明服務(wù)器在認(rèn)證過程中僅需使用本機(jī)的一個私鑰，并不需要額外存儲關(guān)于用戶的信息，用戶的撤銷更替并不會對服務(wù)器造成影響。

4)通過ban邏輯分析證明了該認(rèn)證模型的安全性。

5)性能分析表明，與已有的多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方案相比，本發(fā)明在計算費(fèi)用和通信費(fèi)用不需要增加明顯負(fù)擔(dān)的情況下，具有較低的存儲費(fèi)用要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡認(rèn)證方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例

隨著互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的高速發(fā)展，多服務(wù)器環(huán)境下的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也得到了廣泛的普及，使之需求大大增加。身份認(rèn)證是為用戶提供所需服務(wù)的第一道安全屏障，一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，已有的多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方案存在一個問題，即在不需要第三方參與認(rèn)證時，服務(wù)器與用戶之間產(chǎn)生認(rèn)證事件時，需要彼此之間事先共享一系列的秘密參數(shù)，即需要用戶的智能卡存儲秘密認(rèn)證信息來完成彼此之間的身份認(rèn)證。而且隨著注冊的服務(wù)器增多，智能卡存儲的秘密認(rèn)證信息增多，這對存儲容量是有限的智能卡是很不現(xiàn)實的。如何在多服務(wù)器環(huán)境下，智能卡存儲的信息不隨著注冊服務(wù)器增多而增多，是一個急需解決的問題。

針對上面所述的問題，本實施例提出了一個基于智能卡的多服務(wù)器認(rèn)證方法，該認(rèn)證方法不需要第三方參與認(rèn)證，用戶只需注冊一次，智能卡只需存儲常量的信息，就可以實現(xiàn)與多個服務(wù)器之間的認(rèn)證和訪問，且服務(wù)器端也不需存儲任何用戶信息，從而解決了多服務(wù)器環(huán)境下無第三方參與認(rèn)證，智能卡存儲的信息隨注冊服務(wù)器增加而增長的的問題。

同時，通過ban邏輯分析證明了該認(rèn)證模型的安全性。本發(fā)明不需要注冊中心參與服務(wù)器與用戶之間的認(rèn)證，減輕了注冊中心的負(fù)擔(dān)。本發(fā)明不僅具有不需要第三方參與認(rèn)證過程，而且用戶的存儲量不隨著服務(wù)器的增加而增加，有效減低了用戶存儲負(fù)擔(dān)。當(dāng)有服務(wù)器的撤銷或增加時，合法用戶無需更新密鑰，有效地減輕了授權(quán)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。此外，本發(fā)明中用戶的撤銷與增加，服務(wù)器亦無需更新密鑰。與已有的方案相比，本發(fā)明在計算費(fèi)用和通信費(fèi)用不需要增加明顯負(fù)擔(dān)的情況下，具有較低的存儲費(fèi)用要求。

下面結(jié)合圖1對本實施例公開的一種多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方法的具體過程進(jìn)行詳細(xì)說明。包括如下步驟：

s1、通過注冊中心初始化系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并公布系統(tǒng)公共參數(shù)params。

具體應(yīng)用中，所述的通過注冊中心初始化系統(tǒng)主要進(jìn)行下面幾個步驟：

(1)生成一個階為q且生成元為p的一個循環(huán)群g，與此同時，存在另外一個同樣階為q的循環(huán)群gt，其中q是一個足夠大的素數(shù)，假設(shè)(g，gt)是一個雙線性映射群，則存在一個映射e:g×g→gt，滿足如下性質(zhì)：

雙線性：e(g^a,g^b)＝e(g,g)^ab，其中

非退化性：存在g∈g且e(g,g)≠1；

可計算性：存在一個有效的算法去計算e(g,g)，g∈g。

(2)選擇三個加密哈希函數(shù)，分別滿足以下三個條件h2：{0,1}*→gt；h3：gt→{0,1}*；令g1＝e(g,g)，g1∈gt。

(3)選擇一個主密鑰然后計算公鑰pk＝g^s。

(4)注冊中心發(fā)布的公共參數(shù)param:{g,gt,e,g,g1,pk,h1,h2,h3}。

s2、服務(wù)器sj通過注冊中心注冊，得到私鑰

具體應(yīng)用中，服務(wù)器sj將本機(jī)的身份標(biāo)標(biāo)識sidj通過安全通道發(fā)送給注冊中心rc，注冊中心rc接收到sj的注冊請求后，根據(jù)接收到的身份標(biāo)標(biāo)識sidj計算服務(wù)器用于認(rèn)證的秘鑰

s3、用戶ui通過注冊中心注冊，得到包含身份登錄秘密信息{zi,pi}和私鑰

具體應(yīng)用中，用戶ui注冊時，首先插入智能卡sci，設(shè)置好idi，pwi和生物特征bi，計算fi＝h1(bi)，并將注冊請求reg＝{idi,h1(pwi||fi)}通過安全通道發(fā)送給注冊中心rc。rc接收到ui的注冊請求后，計算用戶用于認(rèn)證的私鑰之后注冊中心rc再分別計算和pi＝h1(ki||idi||h1(pwi||fi))。最后，將{zi,pi}通過安全通道發(fā)送給用戶ui。ui接收到回復(fù)消息后，將{zi,pi}存儲于sci即完成了注冊。

s4、當(dāng)用戶ui登錄系統(tǒng)時，通過輸入本機(jī)的身份標(biāo)識idi'，密碼pwi'和本機(jī)的生物識別信息bi'登入系統(tǒng)并計算身份認(rèn)證信息向服務(wù)器sj發(fā)送認(rèn)證請求{idrc，c，q，t}。

具體應(yīng)用中，當(dāng)用戶ui想要訪問服務(wù)器sj時，首先要插入智能卡sci，并輸入本機(jī)的身份標(biāo)識idi'，密碼pwi'和本機(jī)的生物識別信息bi'。sci計算fi'＝h1(bi')和并驗證pi＝h1(ki'||idi'||h1(pwi'||fi'))是否成立。如果等式不成立，則登錄失敗。否則，選擇隨機(jī)秘密參數(shù)和分別計算r1＝g1^x，a＝g^a，mrui＝idrc||idi||a，h＝h2(mrui,r1)和q＝ki^x+h，并將{idrc，c，q，t}發(fā)送給服務(wù)器sj。

s5、當(dāng)服務(wù)器sj接收到用戶認(rèn)證請求時，通過本機(jī)的私鑰和認(rèn)證算法認(rèn)證用戶的合法性：

如果表達(dá)式成立，則表明用戶ui合法，服務(wù)器sj繼續(xù)計算sv＝h3(g^ab)和身份認(rèn)證信息，最后將{sidj,d,b}發(fā)送給用戶ui。

具體應(yīng)用中，服務(wù)器sj接收到認(rèn)證請求后，首先利用自身的主密鑰計算：

r1＝e(t,sjk)(1)

這樣服務(wù)器sj就能獲取到r1，接著計算和h＝h2(mrui,r1)，并驗證以下等式是否成立：

若等式不成立，則登錄失?。蝗舻仁匠闪?，則服務(wù)器sj將選擇一個秘密參數(shù)并計算b＝g^b，d＝h1(a)和sv＝h3(g^ab)，最后，擦除秘密參數(shù)b，送{sidj,d,b}給用戶ui。

s6、用戶ui接收到服務(wù)器sj的回復(fù)后通過驗證等式驗證服務(wù)器的合法性：

d＝h1(a)，

如果表達(dá)式成立，則表明服務(wù)器是合法的，并計算出sv＝h3(g^ab)如果表達(dá)式不成立，則表明服務(wù)器是非法的。

具體應(yīng)用中，用戶ui接收到服務(wù)器sj的消息后，驗證d＝h1(a)是否成立。若等式不成立，則說明服務(wù)器消息不可靠，終止會話；否則，計算sv＝h3(g^ab)，擦除秘密參數(shù)a。

s7、服務(wù)器sj和用戶ui成功認(rèn)證彼此身份后通過skey(i,j)＝kdf(sv)建立彼此的臨時會話密鑰。

具體應(yīng)用中，上述步驟s5和步驟s6中的驗證均通過，則說明服務(wù)器sj和用戶ui成功認(rèn)證彼此身份，最后通過skey(i,j)＝kdf(sv)建立彼此的臨時會話密鑰。

多服務(wù)器環(huán)境下，注冊中心不參與認(rèn)證的模型主要由三個實體組成，一個注冊中心(rc)，多個系統(tǒng)用戶(ui)和多個服務(wù)器(sj)。該模型下rc只向用戶和服務(wù)器提供注冊服務(wù)，任何想要參與系統(tǒng)的用戶或服務(wù)器都需先完成注冊的過程。sj通常都是充當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器，為合法用戶提供用戶所需的服務(wù)。

當(dāng)用戶和服務(wù)器進(jìn)行注冊時，無論服務(wù)器還是用戶注冊時存儲的秘密參數(shù)都與其他服務(wù)器和用戶的數(shù)量無關(guān)。對應(yīng)用服務(wù)器而言，僅需保存本機(jī)的一個私鑰；對用戶而言，智能卡除了保存相關(guān)的登錄秘密參數(shù)外，也僅需保存認(rèn)證時所用到的一個私鑰。這就避免了用戶存儲的認(rèn)證所用到的秘密參數(shù)隨著服務(wù)器的增加而增加的問題。

當(dāng)ui成功登錄智能卡之后，想要sj提供服務(wù)時，sj不可能盲目的向用戶提供服務(wù)，需要認(rèn)證申請服務(wù)的用戶是否合法。同樣的道理，因為服務(wù)器也可能是偽裝的，用戶需要對服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證。因此，ui請求服務(wù)之前需要先與目標(biāo)服務(wù)器sj完成一個彼此認(rèn)證的過程。該過程中，ui需要通過本機(jī)的私鑰將本機(jī)的身份驗證信息封裝進(jìn)認(rèn)證請求中，再將認(rèn)證請求發(fā)送給目標(biāo)服務(wù)器sj。目標(biāo)服務(wù)器sj接收到認(rèn)證請求之后，通過本機(jī)的私鑰解密出用戶的身份信息確認(rèn)用戶的合法性，再將該身份信息處理后發(fā)送回用戶，使用戶亦能認(rèn)證服務(wù)器的合法性。因為只有目標(biāo)服務(wù)器的私鑰才能成功解密出該身份信息，彼此之間在認(rèn)證的過程中能夠成功建立會話密鑰。

不管之后有沒新的服務(wù)器加入或原來的合法服務(wù)器過期，用戶所存儲的秘密參數(shù)并不會因此而增多，對服務(wù)器而言，亦是如此。

綜上所述，本發(fā)明為了實現(xiàn)多服務(wù)器環(huán)境下安全有效的身份認(rèn)證方案，為了滿足在不需要第三方參與認(rèn)證的基礎(chǔ)上，用戶只需注冊一次，智能卡只需存儲常量的信息，就可以實現(xiàn)與多個服務(wù)器之間的認(rèn)證和訪問，且服務(wù)器端也不需存儲任何用戶信息，從而解決了多服務(wù)器環(huán)境下無第三方參與認(rèn)證時，智能卡存儲的信息隨注冊服務(wù)器增加而增長的問題。通過ban邏輯分析證明了該認(rèn)證模型的安全性。性能分析表明，與已有的多服務(wù)器環(huán)境下基于智能卡的認(rèn)證方案相比，本發(fā)明在計算費(fèi)用和通信費(fèi)用不需要增加明顯負(fù)擔(dān)的情況下，具有較低的存儲費(fèi)用要求。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。