用智能卡與文件訪問控制技術(shù)為OA安全加把鎖

文章出處：http:// 作者：展召磊 趙華偉 褚東升 施鵬   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月09日

    OA系統(tǒng)的高效性受到越來越多的關(guān)注，企業(yè)和政府對它的依賴性逐漸提高。但是由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性以及用戶對內(nèi)網(wǎng)的安全性缺乏足夠的重視，OA系統(tǒng)面臨的安全問題也日益嚴(yán)重。

    目前大多數(shù)OA 系統(tǒng)采用用戶名/密碼方式實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，口令通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)，很容易被一些黑客軟件通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽獲得，由于用戶名密碼強(qiáng)度有限，很容易被破解。另外，信息在傳輸過程中，尤其是一些機(jī)密信息，一旦被竊聽，將對整個(gè)機(jī)構(gòu)造成很大的影響；OA系統(tǒng)中的存儲的文件，由于缺乏足夠的安全措施，使得入侵者能夠很容易的獲得機(jī)密文件。針對OA系統(tǒng)的安全性問題，目前安全性高的OA廠商普遍采用USBKEY認(rèn)證的方式來實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證，同時(shí)采用SSL協(xié)議來實(shí)現(xiàn)傳輸過程中的安全性，但是這種方式，降低了OA的效率，同時(shí)，由于消息以明文的方式，無法防止進(jìn)入后臺數(shù)據(jù)庫的攻擊。對于OA系統(tǒng)中文件的安全性問題，尤其在B/S 架構(gòu)下，還沒有得到足夠重視。

    1、安全OA模型

    針對以上安全性問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)安全OA模型。該模型采用數(shù)字加密、數(shù)字簽名、智能卡等PKI技術(shù)，同時(shí)結(jié)合訪問控制技術(shù)來設(shè)計(jì)完成。而且，引入了一個(gè)可信的安全密鑰服務(wù)器(security key server，SKS)，這個(gè)服務(wù)器主要作用是負(fù)責(zé)用戶身份認(rèn)證和文件密鑰的生成和分發(fā)，需要注意的是這里的身份認(rèn)證和文件密鑰都是同一個(gè)對稱密鑰。

    1.1基礎(chǔ)技術(shù)簡介

    數(shù)字加密技術(shù)主要分為對稱加密和非對稱加密兩種。對稱加密使用私有密鑰(也稱為對稱密鑰)對信息進(jìn)行加密，加密和解密信息時(shí)使用同一個(gè)密鑰，典型代表是DES算法，優(yōu)勢是加密速度快，但密鑰分發(fā)復(fù)雜。與對稱加密不同，公開密鑰加密法的基本特點(diǎn)是加密與解密的密鑰是不同的，它基于于公鑰密碼體制，典型算法為RSA加密算法，優(yōu)點(diǎn)為安全性高。在實(shí)際應(yīng)用中可利用二者的各自優(yōu)點(diǎn)，采用對稱加密系統(tǒng)加密文件，采用公開密鑰加密系統(tǒng)加密“加密文件”的密鑰(會話密鑰)，這就是混合加密系統(tǒng)，它較好地解決了運(yùn)算速度問題和密鑰分配管理問題。

    數(shù)字簽名及驗(yàn)證技術(shù)：數(shù)字簽名解決的是文件傳輸中的有效性、防止篡改性和收發(fā)不可抵賴性問題。所謂數(shù)字簽名就是信息發(fā)送者用其私鑰對從所傳報(bào)文中提取出的數(shù)字摘要進(jìn)行RSA算法加密操作，當(dāng)信息接收者收到報(bào)文后，就可以用發(fā)送者的公鑰對數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證。

    智能卡技術(shù)：智能卡中集成了微處理器，只讀存儲器，隨機(jī)存儲器，電可擦除存儲器，1/0驅(qū)動幾大部分。其中微處理器是整個(gè)芯片的核心，完成計(jì)算任務(wù)；只讀存儲器用于存放預(yù)置的程序代碼，一般為微操作系統(tǒng)；隨機(jī)存儲器是作為運(yùn)算時(shí)的暫存數(shù)據(jù)，存放如命令參數(shù)、返回結(jié)果、臨時(shí)工作密鑰等數(shù)據(jù)；電可擦除存儲器則完成用戶數(shù)據(jù)的存儲，如用戶私鑰等。具有快速運(yùn)算、存儲量大、安全性高以及難以破譯和偽造等特點(diǎn)。

    1.2安全OA 模型設(shè)計(jì)

    安全OA體系模型(如圖1所示)主要包括3個(gè)部分：身份認(rèn)證模塊設(shè)計(jì)模塊，信息安全傳輸模塊，文件安全訪問模塊。用戶登錄模塊，結(jié)合MD5分組變換技術(shù)，采用服務(wù)器、客戶端應(yīng)答模式實(shí)現(xiàn)完成用戶的身份認(rèn)證；信息傳輸模塊利用智能卡內(nèi)部存儲的數(shù)字證書以及產(chǎn)生的內(nèi)部隨機(jī)密鑰，采用混合加密方式，保證信息傳遞過程的完整性與機(jī)密性；文件訪問控制模塊，通過采取利用文件密鑰，分組加密以及結(jié)合訪問控制模塊實(shí)現(xiàn)文件加密，保證文件的安全性。 

    1.2.1身份認(rèn)證模塊設(shè)計(jì)

    該模塊仍然采用的是“用戶名/口令”的認(rèn)證方式，但其與傳統(tǒng)的區(qū)別是本模塊對口令進(jìn)行 MD5分組變換處理，同時(shí)結(jié)合服務(wù)器，客戶端應(yīng)答模式，選擇SKS產(chǎn)生的身份認(rèn)證密鑰作為會話密鑰，這樣既可以保證安全性又可以克服使用SSL協(xié)議實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證的效率問題。其實(shí)現(xiàn)過程如下：

    (1)用戶向服務(wù)器發(fā)送登錄請求，服務(wù)器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)Random，并將其發(fā)送給客戶端；

    (2)對口令進(jìn)行MD5運(yùn)算，得到初級密文FEM=MD5(password)；

    (3)對初級密文進(jìn)行分組處理，然后分別對每～分組進(jìn)行MD5運(yùn)算，假設(shè)共有n個(gè)分組，則得到分組密文G1，G2，．．．，Gn；

    (4)將分組密文 G1，G2，．．．，Gm，．．．，Gn，組合成一個(gè)新的字符串L，并再次對字符串進(jìn)行MD5運(yùn)算，得到一個(gè)最終分組密文GEM，用戶注冊的時(shí)候?qū)⒎纸M密文GEM存放到數(shù)據(jù)庫中；

    (5)客戶端獲得random，利用智能卡中儲存的身份認(rèn)證密鑰進(jìn)行加密，最后做一次MD5運(yùn)算，得到最終密文LEM，并將其發(fā)送給服務(wù)器端。

    用戶實(shí)現(xiàn)登錄的時(shí)候，客戶端通過上述操作得到最終密文LEM；而服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中提取密文 GEM，然后對random進(jìn)行解密，得到密文LEM”，兩者進(jìn)行比較，假如LEM”=LEM，則通過驗(yàn)證；否則，驗(yàn)證失敗，服務(wù)器拒絕。

    1.2.2信息安全傳輸模塊設(shè)計(jì)

    本模塊采用基于數(shù)字證書的混合加密模式和數(shù)字簽名技術(shù)來保證信息傳遞的完整性，保密性與不可抵賴性。同時(shí)，加密過程中，對稱密鑰的產(chǎn)生，信息加解密以及數(shù)字簽名的實(shí)現(xiàn)都在智能卡內(nèi)部完成。

    信息加密采用數(shù)字信封形式實(shí)現(xiàn)，采用DES和RSA算法，首先利用智能卡內(nèi)部產(chǎn)生的對稱密鑰使用DES算法對信息進(jìn)行加密，然后利用RSA算法對加密后的對稱密鑰進(jìn)行加密，形成數(shù)字信封，采用SHA_1和數(shù)字證書私鑰利用RSA算法對信息進(jìn)行數(shù)字簽名，而數(shù)字信封的解密與驗(yàn)證，則采用與加密、簽名相逆的運(yùn)算完成，具體過程如下：

    信息加密和數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)(如圖2所示)。 

    (1)對要發(fā)送的明文，利用智能卡中存儲的數(shù)字證書的私鑰完成數(shù)字簽名DS；

    (2)發(fā)送者利用智能卡內(nèi)部產(chǎn)生的對稱密鑰，在智能卡內(nèi)部完成加密運(yùn)算，得到密文E；

    (3)發(fā)送者利用接收者的數(shù)字證書的公開密鑰加密對稱密鑰SK形成數(shù)字信封DE；

    (4)將密文E和數(shù)字信封DE一塊發(fā)送給接收者。信息解密與簽名驗(yàn)證過程(如圖3所示)：接收者利用智能卡內(nèi)置的解密芯片完成數(shù)字信封的拆解，得到對稱密鑰SK。 

    接收者利用接收者的數(shù)字證書公開密鑰驗(yàn)證數(shù)字簽名。 

    1.2.3文件安全訪問模塊設(shè)計(jì)

    由于OA系統(tǒng)中上傳的文件需要共享，所以利用數(shù)字證書混合方式加密的方式不能滿足文件分發(fā)的需要，故利用SKS產(chǎn)生的相關(guān)對稱密鑰在智能卡內(nèi)部完成相關(guān)操作，既增加了安全性，相對于公鑰體系又增加了加密效率。

    對于用戶要進(jìn)行上傳的文件，利用智能卡內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)對稱密鑰(random security key，RSK)在智能卡內(nèi)部完成對文件的加密，而對于RSK則利用SKS產(chǎn)生的文件加密密鑰(file　encryptionkey，F(xiàn)EK)進(jìn)行加密，F(xiàn)EK也是對稱密鑰，只有對用戶用讀寫權(quán)限的用戶才能獲得FEK。而對于整個(gè)文件采用Hash運(yùn)算，并且用文件簽名密鑰(file signkey，F(xiàn)SK)加密后放到訪問控制模塊當(dāng)中。只有對文件具有寫權(quán)限的文件才具有權(quán)限獲得FSK。

    每個(gè)文件還對應(yīng)一個(gè)訪問控制模塊，用于控制授權(quán)用戶對FEK和FSK的獲得。訪問控制模塊包含加密后的RSK，訪問控制屬性(哪些用戶具有何種權(quán)限)，以及訪問控制模塊的完整性標(biāo)識，這里的完整性標(biāo)識是一種密鑰消息認(rèn)證碼，這種完整性標(biāo)識由SKS產(chǎn)生的安全簽名密鑰(security sign key，SSK)來維護(hù)的，從而防止非法用戶對訪問控制模塊的篡改。

    用戶創(chuàng)建文件時(shí)，首先利對文件進(jìn)行上面提到的加密運(yùn)算，同時(shí)將訪問控制模塊作為文件的一部分上傳到文件服務(wù)器。用戶訪問文件時(shí)，同時(shí)向服務(wù)器發(fā)送讀請求，SKS首先在訪問控制模塊中檢查用戶的權(quán)限，然后利用FEK解密出RSK，F(xiàn)SK。利用RSK解密文件后對文件做同樣的Hash運(yùn)算，與先前的Hash值做比較，判斷文件的完整性。

    用戶修改文件時(shí)。過程同訪問文件類似，不同點(diǎn)在于將SSK返回給寫者，并且重新計(jì)算Hash值，并用FSK簽名，并且對訪問控制模塊進(jìn)行替代。為了保證安全性，F(xiàn)EK，F(xiàn)SK在產(chǎn)生時(shí)被初始化到智能卡中，而且相關(guān)運(yùn)算都在智能卡中進(jìn)行。

    2、安全性分析

    (1)采用MD5分組變換處理后，可以增加破解的難度。傳統(tǒng)的MD5破解方式分為兩種，一種是網(wǎng)站在線破解，另一種是暴力破解。前者，通過查詢網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫中是否存在MD5值完成破解；后者，軟件通過算法，生成字典，然后利用MD5函數(shù)對字典迸行運(yùn)算，然后根需要破解的密文做必須，完成破解。通過MD5變換處理后，產(chǎn)生的密文和傳統(tǒng)的MD5加密后的密文有著很大的不同，因此通過md5常規(guī)破解方法是很難破解其原始密碼值，從而保證了數(shù)據(jù)的安全。

    對于攻擊者來說，相對理想條件下，攻擊者已經(jīng)知道對MD5加密后的密文進(jìn)行過密文分組加密，攻擊者要想正確的破解出明文，必須正確的確定分組。攻擊者首先必須對整個(gè)密文做一次MD5解密運(yùn)算，得到分組后分別MD5加密的密文。然后確定分組，確定正確分組的可能需要32 !次運(yùn)算。即使確定了有N個(gè)分組，仍然需要N次MD5解密運(yùn)算。也就是說，在相對理想條件下，破解出正確的明文的時(shí)間為傳統(tǒng)MD5破解時(shí)聞的 (n+1)32 !倍。

    而服務(wù)器和客戶端利用隨機(jī)密鑰進(jìn)行會話，又可以避免重放攻擊，安全性得到很大提高。

    (2)由于智能卡在設(shè)計(jì)過程中就采取了一系列的安全機(jī)制保護(hù)其內(nèi)部數(shù)據(jù)不會被泄露和非法訪問。這些安全機(jī)制包括：對卡內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問控制和傳輸過程的安全管理。訪問控制包括對數(shù)據(jù)及功能的存取執(zhí)行權(quán)限控制和對內(nèi)部靜態(tài)保密數(shù)據(jù)的存取控制。前者是通過個(gè)人識別碼(P附)和相應(yīng)的認(rèn)證過程來確定當(dāng)前的安全狀態(tài)和所訪問文件的安全屬性來確定訪問控制規(guī)則的，后者對存儲于智能卡內(nèi)部的PIN、加密鑰、解密密鑰等重要數(shù)據(jù)實(shí)施安全管理。為防止有關(guān)信息(主要是數(shù)據(jù)) 在智能卡與外部之間的傳輸過程中被惡意截取、篡改等，提高動態(tài)傳輸信息的安全性和可靠性，在智能卡的操作系統(tǒng)中提供了安全傳輸控制機(jī)制，通過將傳輸?shù)男畔⒓用?，非法截取后的信息無法解密。在卡內(nèi)獨(dú)立完成認(rèn)證、數(shù)字簽名和密鑰交換等對安全非常敏感的計(jì)算，能有效地防止對密鑰、口令和其它私有敏感信息的泄漏，免受病毒或其它惡意的程序的感染，防止敏感信息的泄漏。

    (3)安全傳輸模塊中，采用DES和RSA的混合模式對要發(fā)送的信息進(jìn)行加密，保證了信息發(fā)送的機(jī)密性，而數(shù)字簽名的實(shí)現(xiàn)，則可以保證信息發(fā)送過程中的完整性，不可抵賴性。安全傳輸模塊中采用的RSA算法．RSA算法如下：

    公開密鑰：n=pq(p，q分別為兩個(gè)互異的大素?cái)?shù)，需保密)。

    e與(p-1)(q-1)互素。

    私有密鑰：d=e-1mod((p-1)(q-1))。

    加密：c=me(mod n)，其中m為明文，c為密文解密：m=ed(mod n)。

    主要特點(diǎn)是加密和解密使用不同的密鑰，每個(gè)用戶保存著一對密鑰：公鑰n和私鑰d。n可以完全公開，用作加密密鑰；而d是保密的，需由用戶自己保存，用作解密密鑰。加密算法和解密算法也都是公開的。根據(jù)目前已經(jīng)掌握的知識和理論，分解2048bit的大整數(shù)，已經(jīng)超過了 64bit計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，所以除了密鑰對的創(chuàng)建者，其他人想從n推導(dǎo)出d，在計(jì)算上是完全不可能的。因此，安全傳輸模塊中采用的這種混合加密的方式，對于目前和可預(yù)見的將來是足夠安全的。同時(shí)由于消息的加密與解密，簽名的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證敏感操作都在智能卡內(nèi)部產(chǎn)生，使安全性得到進(jìn)一步提高。

    (4)文件安全存儲模塊，由于文件在創(chuàng)建過程中，將加密的文件和訪問控制模塊存放在一塊，將加密技術(shù)和安全訪問控制技術(shù)有效的結(jié)合在一起，有效的防止非法用戶對文件的訪問。加密過程中涉及到的RSK在智能卡內(nèi)部產(chǎn)生，加密同樣在智能卡內(nèi)部完成，可以防止密鑰的泄露，而FEK有可信的安全密鑰服務(wù)器產(chǎn)生，因此它的安全性也能夠得到保證。文件安全存儲模塊對文件同時(shí)采用了hash算法，可以對文件的完整性進(jìn)行檢測。

    3、結(jié)束語

    本文針對OA系統(tǒng)中的安全問題，提出了一個(gè)安全OA模型。該模型集成了對稱加密、非對稱加密、數(shù)字簽名，硬件加密等PKI相關(guān)技術(shù)，并且引入SKS服務(wù)器，負(fù)責(zé)相關(guān)密鑰的分發(fā)，而且密鑰都儲存在智能卡中，加密與解密運(yùn)算都是在智能卡中完成，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，模型又充分考慮效率問題，比如摒棄通過數(shù)字證書來實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，文件加密及訪問控制都是基于對稱密鑰體系，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。