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ECC算法對Kerberos協(xié)議安全性能的改進(jìn)分析論文
隨著數(shù)字化校園網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多種校園網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、安全、便利的身份認(rèn)證過程，可以選用Kerberos網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證協(xié)議來為統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)服務(wù)。然而，在實(shí)際的身份認(rèn)證應(yīng)用中，基于安全性能的考慮，單純的Kerberos認(rèn)證協(xié)議還存在很多的弊端和漏洞，急需找到一種有效的方法對協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以保證身份認(rèn)證系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。
Kerberos認(rèn)證協(xié)議，是眾多認(rèn)證協(xié)議中比較成熟的一種認(rèn)證協(xié)議，這項(xiàng)技術(shù)一直在麻省理工學(xué)院的帶領(lǐng)下不斷地推動(dòng)和發(fā)展。它的主要認(rèn)證原理是利用對稱密鑰的加密技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)密鑰系統(tǒng)，通過這個(gè)系統(tǒng)為客戶機(jī)和服務(wù)器中的應(yīng)用程序提供安全認(rèn)證服務(wù)，另外，它還可以實(shí)現(xiàn)跨域和遠(yuǎn)距離的認(rèn)證。目前，Kerberos協(xié)議中所使用的更多的是公鑰加密方式。
在校園網(wǎng)這種特殊的多應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境下，Kerberos認(rèn)證方式和單點(diǎn)登錄技術(shù)的結(jié)合使用己成為當(dāng)前數(shù)字化校園網(wǎng)建設(shè)中主要采用的技術(shù)。
但是Kerberos認(rèn)證協(xié)議在安全應(yīng)用方面，也存在著一些缺陷，很多攻擊者可以利用這些漏洞進(jìn)行攻擊，給網(wǎng)絡(luò)帶來了很多不安全的隱患。因此，需要研究Kerberos認(rèn)證中的缺點(diǎn)，補(bǔ)充一些新的加密算法，輔助補(bǔ)充一些新的認(rèn)證機(jī)制，使其在具體的應(yīng)用中更加安全。
一、ECC算法
1. ECC算法介紹。
Kerberos協(xié)議的弱點(diǎn)之處在于常用的AES/DES算法無法具有抗否認(rèn)性，密鑰更換困難，數(shù)字簽名和認(rèn)證難于實(shí)現(xiàn)。針對存在的這些安全隱患，可以試著采用ECC(橢圓曲線加密算法)改進(jìn)Kerberos協(xié)議。ECC算法具有處理速度、計(jì)算量小、安全性能高、存儲(chǔ)空間小、單位安全強(qiáng)度高、帶寬要求低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。
2. ECC加密原理。
ECC橢圓曲線加密算法是根據(jù)橢圓曲線離散對數(shù)問題ECDLP定義的，給定素?cái)?shù)P和橢圓曲線E，對Q = kP，在己知P、Q的情況下求出小于P的正整數(shù)k。可以證明，己知k和P計(jì)算Q比較容易，而由Q和P計(jì)算k則比較困難，至今沒有有效的方法來解決這個(gè)問題，這就是橢圓曲線加密算法原理之所在。
ECC加密的過程是:首先，私鑰擁有者隨機(jī)地選取一個(gè)整數(shù)k(k根據(jù)求出的整數(shù)d，計(jì)算dx P與dx Qo (3)傳送密文(dx P}Pm+dx Q)給私鑰擁有者。最后私鑰擁有者收到消息發(fā)送方的密文后，計(jì)算d*Q二d x }l} P)二l} }dx P)，計(jì)算明文Pm二Pm+dx Q一dx Q。
3. ECC算法性能分析。
對于Kerberos認(rèn)證協(xié)議中，采用的是公開對稱密碼體制來傳輸數(shù)據(jù)的，這種對稱密碼體制在安全性上存在一定的缺陷。目前，比較主流的對稱密碼體制是AES算法，它用來替代原先的DES算法。改進(jìn)后，可以使用非對稱密碼體制來取代對稱密碼體制。而非對稱密碼體制的算法也比較多，RSA,DSA,ECC都屬于非對稱密碼體制算法。
在公開密鑰體制中，再比較分析RSA,DSA以及ECC算法，比較其性能特點(diǎn)，找出最優(yōu)算法。下面從三類密碼的安全性、計(jì)算負(fù)載能力、密鑰大小和帶寬幾個(gè)方面來分析比較。
(1)安全性。
RSA的優(yōu)點(diǎn)是原理較簡單，易于使用。隨著整數(shù)因子分解方法的技術(shù)進(jìn)步，要保證RSA算法的安全性，只有通過增加密鑰的長度，但密鑰長度的增加會(huì)導(dǎo)致解密速度的降低，實(shí)現(xiàn)起來難度也加大了。
ECC的密鑰長度較短，160位的ECC和1024位的RSA,DSA的安全強(qiáng)度相同。具體的安全性分析可以參照下圖。(表中MIPS表示每秒執(zhí)行百萬條指令的計(jì)算機(jī)運(yùn)行一年，目前一般認(rèn)為破譯時(shí)間為1012 MIPS年可以看做比較安全)
在保證相同的安全性的基礎(chǔ)上，ECC所需的密鑰模長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RSA和DSA。如果攻擊者攻擊有限域上離散對數(shù)問題可以有指數(shù)積分法，而對橢圓曲線上的離散對數(shù)問題是無法奏效的。對于RSA和DSA}都存在指數(shù)時(shí)間算法，而ECC至今沒有改算法。可見，ECC算法的抗攻擊性最強(qiáng)，安全性能最高。
(2)計(jì)算負(fù)載。
所謂計(jì)算負(fù)載，是指公鑰密碼和私鑰密碼完成一次交換所需要的計(jì)算量。根據(jù)具體的操作，比較所需的時(shí)間。與ECC算法相比較，其他密鑰系統(tǒng)的計(jì)算較復(fù)雜，而ECC則能在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生符合要求的密鑰。在加密解密及數(shù)字簽名方面，160位的ECC的運(yùn)算速度比用1024的RSA密鑰體制快10倍多。
(3)密鑰大小。
密鑰大小是指在密鑰系統(tǒng)中，存儲(chǔ)密鑰對和系統(tǒng)參數(shù)
時(shí)所占的比特?cái)?shù)。 ECC在密鑰大小方面，優(yōu)勢還是很明顯的。它在系統(tǒng)參數(shù)和密鑰大小方面比其他密鑰大小都要小很多。如果假使攻擊的算法復(fù)雜度己知，安全性能條件相同的情況下，ECC算法的密鑰量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他密鑰系統(tǒng)，這樣，ECC算法所占的存儲(chǔ)空間就比較小，降低了實(shí)現(xiàn)難度，無需通過增加密鑰長度而提高系統(tǒng)安全性。
(4)帶寬。
帶寬是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包或數(shù)字簽名時(shí)所產(chǎn)生的通訊量。根據(jù)分析比較，當(dāng)對字長超過64位的長消息進(jìn)行加密解密時(shí)，ECC和RSA,DSA對帶寬的要求基本是相同的，但是，對于字長小于64位的短消息而言，ECC算法對帶寬的要求要比RSA和DSA低得多，可以節(jié)省帶寬。
另外，ECC算法中的橢圓曲線，隨著參數(shù)的變化，可以得到不同的曲線，可見，ECC的算法具有較強(qiáng)的靈活性，橢圓曲線可以形成多種結(jié)構(gòu)和選擇性。
綜上所述，ECC算法與其他密鑰體制相比，各方面都具有明顯的優(yōu)勢，提供了一種安全強(qiáng)度高、速度快、密鑰長度小、要求帶寬低的靈活算法。ECC必將成為未來公鑰加密算法中的主流算法。
二、ECC算法改進(jìn)后的認(rèn)證過程
改進(jìn)后的Kerberos基本模型與原來的Kerberos協(xié)議模型是類似的，改進(jìn)后的協(xié)議流程具體說明如下。
1.客戶機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生會(huì)話密鑰，將加密后的密鑰發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器，申請?jiān)S可證頒發(fā)服務(wù)器的票據(jù)。
2.認(rèn)證服務(wù)器用私鑰將密鑰解密，在其數(shù)據(jù)庫中查找客戶機(jī)并驗(yàn)證客戶機(jī)的簽名，為客戶機(jī)生成許可證頒發(fā)服務(wù)器的公鑰加密的票據(jù)，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)加上認(rèn)證服務(wù)器的簽名，并產(chǎn)生會(huì)話密鑰，用第一步中產(chǎn)生的會(huì)話密鑰加密發(fā)送給客戶機(jī)。
3.客戶機(jī)解密得到套話密鑰，將第二步得到的票據(jù)和用會(huì)話密鑰加密的本機(jī)名字、地址以及隨機(jī)數(shù)，發(fā)送許可證頒發(fā)服務(wù)器申請?jiān)L問特權(quán)服務(wù)器的憑據(jù)。
4.許可證頒發(fā)服務(wù)器用私鑰解密并驗(yàn)證服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)，然后為客戶機(jī)生成去特權(quán)服務(wù)器的票據(jù)，票據(jù)用特權(quán)服務(wù)器的公鑰加密并加上許可證頒發(fā)服務(wù)器的簽名，并隨機(jī)產(chǎn)生會(huì)話密鑰，并將會(huì)話密鑰和隨機(jī)數(shù)用第二步產(chǎn)生的會(huì)話密鑰加密回傳給客戶機(jī)。
5.客戶機(jī)解密得到會(huì)話密鑰和隨機(jī)數(shù)，與自己發(fā)送給許可證頒發(fā)服務(wù)器的隨機(jī)數(shù)相比，若相等則確定是新消息，將許可證頒發(fā)服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)、用會(huì)話密鑰加密的本機(jī)名字、地址和新的隨機(jī)數(shù)，發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器。
6.應(yīng)用服務(wù)器用私鑰解密許可證頒發(fā)服務(wù)器發(fā)送的票據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證并確認(rèn)許可證頒發(fā)服務(wù)器的簽名，得到以后加密通信用的會(huì)話密鑰，還可將第五步客戶機(jī)發(fā)送的隨機(jī)數(shù)加密發(fā)給客戶機(jī)，供客戶機(jī)驗(yàn)證新消息，防止重放攻擊。
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