張曼君 張 巖

1 北京郵電大學(xué) 北京 100876

2 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 北京 100033

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，云計算已經(jīng)成為當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一。云計算是一種新型的計算模型，是互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用服務(wù)以及數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)的硬件設(shè)施和系統(tǒng)軟件的總稱[1]。云計算在為用戶帶來便利的同時，自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也為安全功能的實施帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著云計算的不斷普及，安全問題呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，已經(jīng)成為制約云計算發(fā)展的重要因素[2]。

在云計算環(huán)境中，云端服務(wù)器存儲了大量的用戶敏感數(shù)據(jù)，用戶必須通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些數(shù)據(jù)。因此如何在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行云用戶安全認(rèn)證管理和訪問控制管理是云計算安全急需解決的問題[3]。

近些年來，圍繞著為終端用戶提供安全的云服務(wù)，學(xué)者們提出了多種云計算認(rèn)證方案[4-8]。其中一些方案是基于身份證書的[9-10]，用戶在訪問云服務(wù)器的時候要傳遞自己的身份證書，需要占用一定的帶寬，影響了方案的實現(xiàn)效率，因此該類方案不適合于云計算的環(huán)境。還有一類方案是基于身份密碼的認(rèn)證協(xié)議[11-14]，用戶的公私鑰是根據(jù)身份標(biāo)識由專門身份認(rèn)證機構(gòu)生成的，解決了傳遞證書的問題，提高了協(xié)議的執(zhí)行效率，其中文獻(xiàn)[14]中提出的方案證明是基于身份的方案中最高效的。但是，該協(xié)議中的算法存在漏洞，導(dǎo)致協(xié)議無法正確執(zhí)行。由于基于身份的密碼算法自身就存在密鑰容易泄露的問題，因此該類協(xié)議存在嚴(yán)重的安全缺陷。

為了獲得更好的安全性，本文首先對于Yang的方案[14]進(jìn)行修改，糾正了算法中存在的漏洞；隨后，提出一個新的適用于云計算環(huán)境的基于無證書密碼的用戶認(rèn)證方案。方案基于無證書的密碼算法，盡可能的減少了運算開銷，并且克服了基于身份密碼算法所帶來的密鑰泄露問題，因此，提升了安全性。同時，該方案能保證用戶匿名性，應(yīng)用于云計算環(huán)境時能保證用戶隱私性。

1 Yang的認(rèn)證方案

本節(jié)回顧yang等人的基于身份的認(rèn)證方案，并且指出該方案中算法的錯誤和缺陷。

方案使用的縮略詞見表1。

表1 Yang方案的縮略詞

1.1 方案流程

Yang的方案分為注冊和相互認(rèn)證兩個階段。

1)注冊階段

步驟1：Ui→IDPIDi，IDs。用戶i將自己的和服務(wù)器的身份標(biāo)識IDi，發(fā)送給身份提供者IDP。

步驟2：IDP→Ui：Pi；IDP→S：Si。IDP用私鑰x計算并且將他們分別發(fā)送給用戶和服務(wù)器。

2)相互認(rèn)證階段

步驟1：Ui→S：Ci，A，IDi，TS。用戶選擇隨機數(shù)Ni，計算A，IDi，TS發(fā)送給服務(wù)器。

步驟2：服務(wù)器對于時戳TS進(jìn)行檢查，如果時戳無效，服務(wù)器拒絕用戶此次認(rèn)證。

步驟3：如果時戳TS有效，服務(wù)器計算Ni′=Ci如果A′=A，服務(wù)器對用戶認(rèn)證成功，允許用戶登錄；否則，認(rèn)證失敗，拒絕用戶登錄。

步驟4：S→Ui Bi，Bs，TS′′。服務(wù)器隨機選擇Ns，計算TS′′發(fā)送給用戶。

步驟5：用戶對于時戳TS′′的有效性進(jìn)行時檢查，如果無效，用戶對服務(wù)器認(rèn)證失敗。如果有效，用戶計算如果B′=B，用戶確認(rèn)服務(wù)器的合法性，完成對服務(wù)器的認(rèn)證。

1.2 方案存在的問題

在注冊階段，IDP僅僅將Si=h(Pi)發(fā)送給了服務(wù)器，由于哈希函數(shù)的單向性，服務(wù)器并不知道但是，在協(xié)議中相互認(rèn)證階段的第三步，服務(wù)器需要計算對于服務(wù)器來說是不可行的。

2 對于Yang的認(rèn)證方案進(jìn)行修正

本節(jié)將對Yang方案中錯誤進(jìn)行修正，由于注冊階段是正確的，因此這里只給出更正后的相互認(rèn)證階段。

步驟1：Ui→S：Ci，A，IDi，TS。用戶選擇隨機數(shù)Ni，計算將Ci，A，IDi，TS發(fā)送給服務(wù)器。

步驟2：服務(wù)器對于時戳TS進(jìn)行檢查，如果時戳無效，服務(wù)器拒絕用戶此次認(rèn)證。

步驟3：如果時戳TS有效，服務(wù)器計算Ni′=Ci如果服務(wù)器對用戶認(rèn)證成功，允許用戶登錄；否則認(rèn)證失敗，拒絕用戶登錄。

步驟5：用戶對于時戳TS′′的有效性進(jìn)行時檢查，如果無效，用戶對服務(wù)器認(rèn)證失敗。如果有效，用戶計算用戶確認(rèn)服務(wù)器的合法性，完成對服務(wù)器的認(rèn)證。

3 本文提出的方案

Yang等人在文獻(xiàn)[14]中提出了基于身份的認(rèn)證方案具有密鑰第三方保管的特點，容易產(chǎn)生密鑰泄露問題，因此用于云計算環(huán)境下不能提供完善的安全性。為了解決該問題，本文提出了一種新的基于無證書密碼體制的云計算用戶認(rèn)證方案。

方案分兩個階段，注冊過程和互認(rèn)證過程。在注冊階段中，IDP為用戶提供部分公鑰和私鑰，并且將其分別分發(fā)給服務(wù)器和用戶。圖1描述了該協(xié)議的詳細(xì)流程。

圖1 基于無證書的云計算認(rèn)證協(xié)議

3.1 注冊階段

步驟1：初始化。G是循環(huán)加法群，E/Fp表示在方程y2=x3+ax+ba定義下的有限域Fp上橢圓曲線。p∈G是IDP選擇的k比特的素數(shù)。IDP選擇他的私鑰x，并且得出公鑰Ppub=xP。IDP選擇兩個哈希函數(shù)H1: {0,1}＊×G→Zn*，H2: {0, 1}＊×G→Zn*。IDP公布公共參數(shù){Fp，E/Fp，G，P，Ppub，H1，H2}。

步驟2：建立私鑰。Up→IDP:Pi，IDi。用戶i隨機選擇xi∈Zn*，計算Pi=xiP，并且將xi作為部分密鑰。

步驟3：提取部分密鑰。IDP→Ui：(Si，TIDi)；IDP→Server：(Ri，Pi，TIDi)。IDP 隨機選擇ri∈Zn*，為用戶i生成臨時身份TIDi=H2(IDi，ri)，計算Ri=riP，si=ri+xH1(TIDi，Ri，Pi)，分別作為用戶i的部分公鑰和私鑰。最后通過加密通道分別將(Ri，Pi，TIDi)發(fā)送給服務(wù)器；(si，TIDi)發(fā)送給用戶i。

3.2 互相認(rèn)證階段

步驟1：Ui→Server：Ci，TIDi，H2(Pi，TS)。用戶計算Ci=xi+si+H2(Pi，TS)，將Ci，TIDi，H2(Pi，TS)發(fā)送給服務(wù)器。

步驟2：服務(wù)器檢查時戳TS的有效性，如果無效，服務(wù)器拒絕用戶，且認(rèn)證失敗。

步驟3：如果T S有效，服務(wù)器計算A′=Pi+Ri+PiH1(TIDi，Ri，Pi)+H2(Pi，TS)×P，A=Ci+P檢查是否A′=A。如果相等，服務(wù)器通過對用戶的認(rèn)證，允許用戶登錄；否則認(rèn)證失敗。

步驟 4：Server→Ui，IDS，Cs，TS′。服務(wù)器隨機選擇計算Ps=xsP，Cs=xs(Ri+PiH1(TIDi，Ri，Pi))+H2(TS′，Ps)。并且將IDs，Cs，TS′發(fā)送給用戶

步驟5：用戶檢查時戳TS′的有效性，如果無效，用戶拒絕對服務(wù)器的認(rèn)證，否則，用戶計算B=Cs×P，B′=Ps×siP+H2(TS′，Ps)P。 最后，用戶檢查B′=B是否成立。如果相等，用戶通過對服務(wù)器的認(rèn)證；否則拒絕該服務(wù)器。

4 安全性分析

4.1 互認(rèn)證

協(xié)議實現(xiàn)了用戶和服務(wù)器之間的互相認(rèn)證。在認(rèn)證階段的第2步完成服務(wù)器對用戶的認(rèn)證；在第4步完成用戶對服務(wù)器的認(rèn)證。

4.2 重放攻擊

攻擊者試圖對截獲的認(rèn)證請求進(jìn)行重放攻擊，由于在該協(xié)議中，每條認(rèn)證請求都附有時戳TS，當(dāng)攻擊者將截獲的認(rèn)證請求重新發(fā)送給服務(wù)器請求認(rèn)證時，時戳已經(jīng)無效，因此服務(wù)器將拒絕該認(rèn)證請求。同理TS′可以防止對于服務(wù)器發(fā)送認(rèn)證消息的重放攻擊。

4.3 匿名性

注冊協(xié)議中，IDP為用戶生成臨時的身份。在認(rèn)證協(xié)議中，用戶用臨時身份代替真實身份與服務(wù)器進(jìn)行交互，因此，用戶的真實身份信息在云計算環(huán)境中沒有暴露。除了IDP，攻擊者或云環(huán)境的其他用戶和服務(wù)器無法將用戶的臨時身份標(biāo)識與其真實身份相關(guān)聯(lián)。而且在每次注冊時，IDP都會為用戶選擇不同的部分私鑰，生成不同的臨時身份標(biāo)識，因此根據(jù)不同的認(rèn)證會話內(nèi)容，也無法獲得用戶的真實身份。

4.4 內(nèi)部攻擊和外部攻擊

如果外部攻擊者試圖通過IDP的公鑰Ppub獲得IDP的私鑰x，從而得到有關(guān)用戶和服務(wù)器會話時，由于Ppub=xP是建立在橢圓曲線上離散對數(shù)問題，因此得到x相當(dāng)于解決該數(shù)學(xué)難題，是不可行的。同理，如果內(nèi)部攻擊者試圖根據(jù)用戶的公鑰Pi，獲得私鑰xi，也是不可行的。根據(jù)以上分析，本文提出的方案能夠有效地抵抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊。

5 性能分析

文章提出的認(rèn)證協(xié)議基于橢圓曲線上無對運算的無證書密碼算法。在協(xié)議性能上，對運算、哈希函數(shù)和有限域上的模指數(shù)運算復(fù)雜度分別是橢圓曲線上點乘運算的大約20倍和1倍和3倍[15]，本文提出的協(xié)議只用到了橢圓曲線上的加法和點乘和哈希運算，其算法復(fù)雜度與Yang[14]協(xié)議中使用的哈希和異或運算同屬于最低數(shù)量級。因此，文章提出的云計算環(huán)境的認(rèn)證協(xié)議在提供多層次強安全性的基礎(chǔ)上，盡可能的簡化算法復(fù)雜性，減少通信開銷。

6 結(jié)論

文章提出了一個安全的云計算環(huán)境下的認(rèn)證方案，方案基于無證書的密碼算法，因此對于現(xiàn)有的基于身份密碼算法的認(rèn)證協(xié)議增強了安全性，同時擁有盡可能小的算法開銷。除此之外，協(xié)議提供的安全性有如下特點：1)提供了用戶和服務(wù)器之間的互認(rèn)證性；2)利用時戳使協(xié)議免于重放攻擊；3)為用戶生成的臨時標(biāo)識符替代真實身份，實現(xiàn)了用戶的匿名性；4)能夠抵抗外部攻擊和內(nèi)部攻擊；根據(jù)以上的分析，與現(xiàn)有協(xié)議相比，該協(xié)議更適合于云計算環(huán)境中用戶與服務(wù)器之間的認(rèn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] Michael A, Armando F, Rean G, et al. A view of cloud computing[J]. Communications of the ACM,2010,53(4):50-58

[2] 馮登國.張敏.張妍.等.云計算安全研究[J].軟件學(xué)報，2011,22(1):71-83

[3] Takabi H, Joshi J B D, Ahn G J. Security and privacy challenges in cloud computing environments[J].IEEE Security and Privacy, 2010, 8(6):24

[4] Yassin AA, Jin H, Ibrahim A, et al. Cloud authentication based on anonymous one-time password[M]. New York:Springer Dordrecht Heidelberg, 2013,214:423

[5] Tsaur WJ, Li JH, Lee WB. An ef fi cient and secure multiserver authentication scheme with key agreement[J].Journal of System and Software. 2012. 85(4):876-882

[6] Choudhury AJ, Kumar P, Sain M, et al. A strong user authentication framework for cloud computing[C]//IEEE Asia-Paci fi c Services Computing Conference, 2011

[7] Jaidhar CD. Enhanced mutual authentication scheme for cloud architecture[C]//3rd IEEE International Advance Computing Conference (IACC).2012:70-75

[8] Xu J S, Huang R C, Huang W M, er al. Secure document service for cloud computing[J].Lecture Notes in Computer Science, 2009,5931:541-546

[9] Nelson Mimura Gonzalez, Marco Ant?nio Torrez Rojas,Marcos Vinícius Maciel da Silva.A framework for authentication and authorization credentials in cloud computing[C]//12th IEEE International Conference on Trust, Security and Privacy in Computing and Communications, 2013

[10] K. Selvamani, Pradeep Kumar Arya. Credential Based Authentication Approach for Dynamic Group in Cloud Environment Original Research Article[J].Procedia Computer Science, 2015,48:166-172

[11] Li H, Dai Y, Tian L, et al. Identity-based authentication for cloud computing[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2009,5931:157-166

[12] Hwang MS, Chong SK, Chen TY. DoS-resistant ID-based password authentication scheme using smart cards[J].Journal of System and Software 2010, 83(1):163

[13] Wang Y, Liu J, Xiao F, et al. A more efficient and secure dynamic ID-based remote user authentication scheme[J].Communications, 2009,32(4):583-585

[14] Jen-Ho Yang, Pei-Yu Lin. An ID-Based User Authentication Scheme for Cloud Computing[C].2014 Tenth International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing

[15] Cheng Z, Pairing-based cryptosystems and key exchange protocols[D].Thesis of Middlesex University,2007