一种改进的抗攻击密钥协商协议研究

第２６卷第３期　郑州轻工业学院学报（自然科学版）　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．３　２０１１年６月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＨＥＮＧＺＨＯＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＵＧＨＴ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｊｕｎ．２０ｌ１　文章编号：１００４—１４７８（２０１１）０３—００５３—０５　一种改进的抗攻击密钥协商协议研究　张珂　（陕西师范大学网络信息中心，陕西西安７１００６２）　摘要：针对Ｄｉｆｉｅ－Ｈｅｌｌｍａｎ密钥交换协议缺乏对通信双方身份的认证而导致该协议易受到中间人攻　击和重放攻击的问题，提出了一种改进的Ｄｉ珩ｅ—Ｈｅｌｌｍａｎ密钥交换协议——ＡＡＤＨ协议．性能分析　表明，ＡＡＤＨ协议由于引入了密钥认证及时间戳和随机的通信标号等机制、继承了Ｄｉｆｉｆｅ．Ｈｅｌｌｍａｎ　协议的安全性能，具有较高的抗中间人攻击和重放攻击的能力．　关键词：Ｄｉｆｉｅ－Ｈｅｌｌｍａｎ密钥交换协议；中间人攻击；重放攻击；签名；认证　中图分类号：ＴＰ３９３．０８　文献标志码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　ｎｅｗ　ａｎｔｉ—ａｔｔａｃｋ　ｋｅｙ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｋｅ　（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｉｎｆｅｒ．Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖ．，Ｘｉ　ａｒｔ　７１００６２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　Ｄｉｆｉｅ—Ｈｅｌｌｍａｎ　ｋｅｙ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｌａｃｋｓ　ｔｈｅ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｄｅｎｔｉｔｙ，ｉｔ　ｍｉｇｈｔ　ｂｅ　ｓｕｆｆｅｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍａｎ－ｉｎ—ｈｔｅ—ｍｉｄｄｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｐｌａｙ　ａｔｔａｃｋ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｂｕｇ，ａ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　Ｄｉｉｆｅ—　Ｈｅｌｌｍａｎ　ｋｅｙ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ－－ＡＡＤＨ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ　ＡＡＤＨ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｈａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｋｅｙ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ，ｔｉｍｅｓｔａｍｐｓ　ａｎｄ　ｒａｎｄｏｍ　ｎｕｍｂｅｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｄｉｆｉｅ—Ｈｅｌｌｍａｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＡＡＤＨ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｆｉｇｈｔｉｎｇ　ｂａｃｋ　ｔｈｅ　ｍａｎ—ｉｎ—ｔｈｅ－ｍｉｄｄｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｐｌａｙ　ａｔｔａｃｋｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｆｉｆｅ—Ｈｅｌｌｍａｎ　ｋｅｙ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｍａｎ—ｉｎ—ｔｈｅ－ｍｉｄｄｌｅ　ａｔｔａｃｋ；ｒｅｐｌａｙ　ａｔｔａｃｋ；ａｕｔｏｇｒａｐｈ；ａｎ—　ｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　０　引言　问题，对企事业单位也同样重要．信息安全与隐私　的保护程度已逐渐成为衡量互联网技术的关键指　２０１０年７月由中国互联网络信息中心公布的　标．相关民意调查　表明，用户使用互联网时最大　《中国互联网络发展状况统计报告》中指出：截至　的担心就是自己的隐私被发现．保证信息在发送方　２０１０年６月，中国的网民数已增至４．２亿人，规模　与接收方之间传送时不被窃密者窃取并破译，是网　跃居世界第一位．由此可见，随着计算机和互联网　络技术人员以及密码学家们所应负的责任．要想使　技术的普及，网络通信已经渗透到社会的各个方　信息可靠传输，发信者必须将所发的数据（即明文）　面．信息安全不仅仅是政府和军事部门高度关注的　通过加密系统变成密文，收信者收到密文后再用相　收稿日期：２０１０—１２—０９　作者简介：张珂（１９８２一），男，陕西省潼关县人，陕西师范大学助理工程师，主要研究方向为网络安全．　第３期　张珂：一种改进的抗攻击密钥协商协议研究　密钥认证中ＫＡＣ　际上，Ｂｏｂ和Ｄａｒｔｈ共享密钥Ｋ。，而Ａｌｉｃｅ与Ｄａｒｔｈ共　享密钥　．图１中虚线表示由于遭到窃听并未成功　的通信过程．　１．２．２通信内容的泄密Ｄａｒｔｈ成功与Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ　建立通信后，Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ之间的通信将会泄密：　Ａｌｉｃｅ－－－＋Ｂｏｂ：Ａｌｉｃｅ—Ｓｅｎｄ（Ｅ　Ｄａｔａ］）；　Ｄａｒｔｈ：Ｄａｒｔｈ－Ｂｕｇ（Ｅｌａ［Ｄａｔａ］）；　Ｄａｒｔｈ：Ｄａｒｔｈ－ｃｏｍｐｕｔｅ（Ｄ　［％［Ｄａｔａ］］）；　Ｄａｒｔｈ－＋Ｂ０ｂ：Ｄａｒｔｈ．Ｓｅｎｄ（Ｅ　Ｄａａｔ］）；　或Ｄａｒｔｈ－＋Ｂｏｂ：Ｄａｒｔｈ－Ｓｅｎｄ（Ｅｎ［Ｄａｔａ　］）．　１）Ａｌｉｃｅ发送一份加密消息Ｍ：Ｅ　Ｄａｔａ］．　２）Ｄａｒｔｈ截获该加密消息，解密，恢复出数据信　息Ｄａｔａ．　３）Ｄａｒｔｈ将Ｅ　［Ｄａｔａ］或Ｅｎ［Ｄａｔａ　］发给Ｂｏｂ，　其中信息Ｄａｔａ　是任意的消息．第１种情况，Ｄａｒｔｈ只　是简单地窃听Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ间的通信，而对通信内　容不做修改．第２种情况，Ｄａｒｔｈ修改了Ａｌｉｃｅ发往　Ｂｏｂ的信息．　２　ＡＡＤＨ协议　针对目前ＤＨ协议存在的上述不足，本文将设　计基于签名认证机制的改进的ＤＨ协议——ＡＡＤＨ　协议，如图２所示，其中Ａｌｉｃｅ，Ｂｏｂ为密钥协商用　户，ＫＡＣ为密钥认证中心，向密钥协商用户颁发身　份证书．该协议建立了一个完整的密钥协商及密钥　认证过程．　ＡＡＤＨ协议会话过程如下所示．　２．１密钥的协商　ｌＡｉｃｅ：ｌＡｉｃｅ－Ｒａｎｄｏｍ（　）；　ｌＡｉｃｅ：Ａｌｉｃｅ—Ｃｏｍｐｕｔｅ（　）；　Ａｌｉｃｅ＿＋Ｂ０ｂ：Ａｌｉｃｅ—Ｓｅｎｄ（　ｌ　ｌＩｌ　）；　Ｂｏｂ：Ｂｏｂ－Ｒａｎｄｏｍ（　）；　Ｂｏｂ：Ｂｏｂ－Ｃｏｍｐｕｔｅ（　）；　Ｂｏｂ—Ａｌｉｃｅ：Ｂｏｂ－Ｓｅｎｄ（　ｌＩ　ＩＩ　）；　Ａｌｉｃｅ：ｌＡｉｃｅ—Ｃｏｍｐｕｔｅ（Ｋ）；　Ｂｏｂ：Ｂｏｂ—Ｃｏｍｐｕｔｅ（Ｋ）．　Ｒａｎｄｏｍ（）为随机数产生函数，Ｃｏｍｐｕｔｅ（）为公　钥、密钥计算函数．　为时间戳，Ⅳｎ，　分别为Ａｌｉｃｅ　和Ｂｏｂ产生的随机交互号．　２．２密钥可信性验证　如图２所描述，Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ利用Ｃｏｍｐｕｔｅ（）函　数计算出密钥后，为防止密钥协商过程遭到中间人　攻击，分别向密钥认证中心ＫＡＣ发出密钥验证　密　钥　可　信　性　（肘）　验　证　阶　段　●●●　密　钥　协　商　阶　段　图２　ＡＡＤＨ协议模型　请求．首先ＫＡＣ通过颁发的身份证书验证Ａｌｉｃｅ和　Ｂｏｂ身份的合法性，拒绝响应非法用户的密钥认证　请求．由于Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ应具有相同的密钥，ＫＡＣ在　接收到双方的密钥认证请求后，对双方发送的密钥　进行合法性验证：若Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ所持有的密钥一　致，ＫＡＣ则向双方返回合法性验证通过的消息；否　则，ＫＡＣ发出警告，告知Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ密钥协商过程　可能遭受中间人攻击，通知双方进行新的密钥协　商．同时Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ在向ＫＡＣ发送密钥认证请求　时，为免遭窃听等攻击，所发的消息带有签名信息，　ＫＡＣ可以通过签名来验证请求消息的合法性．　１）Ａｌｉｃｅ的密钥认证请求．　Ａｌｗｅ＿÷　ｃ：Ａｌｗｅ—Ｓｉｇｎｅｄ（Ｍｅｓｓａｇｅ　ｌｆ　Ｒ　ｌ１．ｓ　ｌ　Ｉｌ　Ｉ　Ｌｉｆｅ—Ｔｉｍｅ）　Ｍｅｓｓａｇｅ＝［Ｓｏｕｒｃｅ－Ａｄｄｒｅｓｓ　ｌ　ｌ　Ｐｕｒｐｏｓｅ－Ａｄｄｒｅｓｓ『ｌ　Ｋ］　其中，Ｓｏｕｒｃｅ－Ａｄｄｒｅｓｓ为Ａｌｉｃｅ的地址，Ｐｕｒｐｏｓｅ．　Ａｄｄｒｅｓｓ为与Ａｌｉｃｅ协商密钥的用户地址（即Ｂｏｂ的　地址），　为Ａｌｉｃｅ的密钥．　公式①②的计算结果Ｒ和．ｓ组成签名信息，其　中，　为时间戳，Ｌ／ｆｅ—ｉＴｅｍ为密钥认证请求消息的　生命周期．　Ｒ＝（ｇ　ｍｏｄａ）ｍｏｄｑ　①　Ｓ＝（Ｋ　（Ｈ（Ｍｅｓｓａｇｅ）＋　Ｒ））ｍｏｄｑ　②　其中，Ｈ（Ｍｅｓｓａｇｅ）为使用ＳＨＡ一１求Ｍｅｓｓａｇｅ的　散列码；ｇ，ａ和　为密钥交换过程所产生的参数，ｇ　为素数，ａ为ｇ的本原根；　，ｋ为随机数；ｇ和ｈ满　足ｈ　ｍｏｄａ且ｇ＞１．Ｂｏｂ的请求认证过程类似，　・５６・　郑州轻工业学院学报（自然科学版）　２０１１正　本文不再赘述．　２）ＫＡＣ验证请求信息的合法性．　ＫＡＣ首先通过公式③—⑥的计算验证请求信　息是否被破坏．　等，即Ｋ。＝　，要使Ｋ。＝　，则Ｄａｒｔｈ产生的随机数　Ｘｏｌ和　分别和Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ产生的随机数　和　相等，即ＸＤ。＝　，　＝ＸＢ．　ＤＨ协议中ｇ为素数，随机整数　。，　，　和　Ｗ＝（Ｉｓ　）　ｍｏｄｑ　Ｕ１＝［Ｈ（Ｍｅｓｓａｇｅ　）Ｗ］ｍｏｄｑ　ｖ２＝（Ｒ　）Ｗｍｏｄｑ　＝③　④　⑤　⑥　分别满足ＸＤ１＜ｑ，ＸＡ＜ｑ，　＜ｇ，ＸＢ＜ｑ，假设用Ｊ７、ｒ　表示小于ｇ的所有整数的个数，用Ｐ（　：　）表示随机　整数　等于ｙ的概率，即有Ｐ　ｎ＝１／Ｎ．则有ＸＤ。＝　，　［（ｇＵｌｙＵ２）ｍｏｄａ］ｍｏｄｑ　＝ＸＢ的概率分别为：　＝ＸＤ。＝１／Ｎ和　。＝　Ｓ　，Ｍｅｓｓａｇｅ　和Ｒ　表示接收到的Ｓ，Ｍｅｓｓａｇｅ和　．　通过检验　与Ｒ　是否相等来判断请求信息是否遭　到破坏．　若一方的请求先到，则将其在ＫＡＣ的缓存区中　等待一段时间：该段时间内，对方的请求到达，ＫＡＣ　进行验证；否则请求超时，本次验证失败，即公式⑦　成立时请求验证超时，ＫＡＣ通知双方进行新的密钥　协商．　Ｉ当前时钟一Ｔｉｍｅｌ＞△Ｔ１＋△　＋Ｌｉｆｅ—Ｔｉｍｅ⑦　其中，Ｔｉｅｍ为请求到达时间，△　为时钟误差，△　为网络时延，Ｌｉｆｅ—Ｔｉｅｍ为请求的生命周期．　３）密钥真实性验证．　当ＫＡＣ接收到密钥交换双方完整的请求信息　后，对双方的密钥进行一致性验证，并向双方通知　相应的验证结果．ＫＡＣ的验证算法为　Ｉｆ（ＩＮｏｗ－Ｔｉｍｅ—ＴｉｅｍＩ＞△　＋△　＋Ｌｉｆｅ－ｒｉｅｍ）　ＫＡＣ—＋　ｉｃｅ：ＫＡＣ－Ｎｏｔｉｃｅ（Ｆａｌｓｅ　ｌｌ　ＩＮＦ－Ｔｙｐｅ－１）；　Ｅｌ８ｅ　ｆＩ（（Ａｌｉｃｅ－－－￣Ｖ＝＝Ａｌｉｃｅ　）＆＆（Ｂｏｂ－－－Ｗ＝＝Ｂｏｂ　—　））　ｆＩ（Ａｌｉｃｅ－－－￣Ｋ＝＝Ｂｏｂ　）　ＫＡＣ－＋　ｉｃｅ：ＫＡＣ－Ｎｏｔｉｃｅ（Ｚ－兀　）；　Ｅｌｓｅ　ＫＡＣ－＋＾Ｊｉｃｅ：ＫＡＣ－Ｎｏｔｉｃｅ（Ｆａｌｓｅ　ｆＩ　ＩＮＦ－Ｔｙｐｅ一２）；　Ｅｎｄ　Ｉｆ　Ｅｌｓｅ　ＫＡＣ．＋　ｃｅ：ＫＡＣ－Ｎｏｔｉｃｅ（Ｆａｌｓｅ　ｌｌ　ＩＮＦ－Ｔｙｐｅ－３）；　Ｅｎｄ　Ｉｆ　ＥｎｄⅡ　其中，１ＮＦ－Ｔｙｐｅ为认证失败返回消息类型．　３　ＡＡＤＨ协议的性能分析　３．１中间人攻击分析　由图ｌ所知，ＡＡＤＨ协议若被中间人攻击成功，　即双方协商的密钥通过ＫＡＣ的验证，则应有Ｄａｒｔｈ　与Ａｌｉｃｅ间的密钥　和Ｄａｒｔｈ与Ｂｏｂ间的密钥Ｋ。相　Ｘｗ＝１／Ｎ，Ｄａｒｔｈ攻击成功的概率为　Ｐ（ｘａ＝ＸＤ！）蚰ｄ（　：　）＝１／Ⅳ２．　当素数ｇ的值越大时，Ⅳ值越大，即当ｇ＿＋∞时　１　Ⅳ　∞，则有　Ｐ（　：　。）ａｎｄ（ＸＢ：　）　１＝０；当ｇ　为大素数时，Ｄａｒｔｈ攻击成功的概率为Ｏ，如图３所　示．所以说ＡＡＤＨ协议能够抵抗中间人攻击．　１　Ｏ．９　Ｏ．８　０．７　Ｏ．６　Ｏ．５　０．４　Ｏ．３　０．２　Ｏ．１　Ｏ　５　ｌＯ　ｌ５　２Ｏ　２５　３Ｏ　３５　４０　４５　５Ｏ　Ⅳ　图３　ＡＡＤＨ协议中间人攻击成功的概率仿真图　３．２功能分析　ＡＡＤＨ协议保证了ＤＨ协议原有的功能，没有　因为方案的改动发生变化．ＡＡＤＨ协议弥补了ＤＨ　协议易受到中间人攻击和重放攻击的缺陷，ＡＡＤＨ　协议通过用户向密钥认证中心ＫＡＣ发送认证请求　信息的方式，达到抵制中间人攻击的目的．改进后　的ＤＤＡＨ协议在完成密钥交换的同时可确保该过　程的可信性及密钥的可靠性．　３．３安全性分析　ＤＨ协议本身具有安全性能高的优点，在ＤＨ协　议中　和　是保密的，敌对方可以利用的参数只　有ｑ，ａ，　和　，因而敌对方被迫取离散对数来确定　密钥．如要获知用户Ｂｏｂ的秘密密钥，敌对方必须　先计算：　＝ｄｌｏｇ　（　），然后再使用用户Ｂｏｂ采用　的方法计算其秘密密钥Ｋ．ＤＨ密钥交换算法的安全　性依赖于这样一个事实：虽然计算以１个素数为模　的指数相对容易，但计算离散对数却很困难．对于　第３期　张珂：一种改进的抗攻击密钥协商协议研究　・５７・　大的素数，计算出离散对数几乎是不可能的．　性验证，并没有进行其他复杂操作，同时由于指数　运算　ｍｏｄａ不依赖于被签名的消息，可以提前计　算，所以ＡＡＤＨ协议在改进ＤＨ协议的同时基本保　留了ＤＨ协议原有的效率．　在ＡＡＤＨ协议中引入密钥认证中心ＫＡＣ机制　来对用户协商的密钥进行合法性的验证，确保密钥　协商过程的可信性，密钥协商阶段引入时间戳和随　机的通信标号能够防止重放攻击．因此ＡＡＤＨ协议　能够弥补ＤＨ协议所存在的易受重放攻击和中间人　攻击的缺陷．　首先，ＡＡＤＨ协议解决了ＤＨ协议易受到中间　４结语　密钥交换是实现网络安全通信的第一步，也是　最重要的环节．本文提出了一种对ＤＨ协议的改进　人攻击的缺陷．ＤＨ协议有这个缺陷是因为该协议　协议——ＡＡＤＨ协议，该协议通过引入密钥认证、时　只能保证协商密钥的双方协商得到共享密钥，却不　间戳和随机的通信标号等技术来抵抗中间人攻击　能保证协商密钥的双方都具有合法身份，攻击者就　和重放攻击，可弥补ＤＨ协议的不足．下一步研究方　可以冒充另一方分别与原双方进行密钥协商，从而　向是基于可信计算理论研究ＫＡＣ的安全性保护，以　实现中间人攻击．ＡＡＤＨ协议引入密钥认证中心　防止ＫＡＣ由于遭受到攻击而报告虚假的验证信息．　ＫＡＣ机制对用户协商密钥的合法性及其真实性进　行验证，这样就克服了ＤＨ协议易受到中间人攻击　参考文献：　这一缺陷．　［１］　Ｃｌａｅｓｓｅｎｓ　Ｊ，Ｄｉａｚ　Ｃ。Ｇｏｅｎｌａｎ８　Ｃ．Ｒｅｖｏｃａｂｌｅ　ａｎｏｎｙｍｏｕｓ　其次，ＡＡＤＨ协议解决了ＤＨ协议易受重放攻　ａｃｃｅｓｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｍｅｔ［Ｊ］．Ｉｍ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｅｌｅｃｔｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　击的缺陷，在密钥协商阶段，ＡＡＤＨ协议中通信过程　Ａｐｐｌｉ　ａｎｄ　Ｐｏｌｉｃｙ，２００３（２）：１３．　引入时间戳和随机的通信标号机制，通过时间戳防　［２］　Ａｔｕｌ　Ｋａｈａｔｅ．密码学与网络安全［Ｍ］．２版．金名译．北　京：清华大学出版社，２００９．　止重放攻击．但鉴于用户间时间系统同步的难以实　［３］Ｓｔａｌｌｉｎｇｓ　Ｗ．密码编码学与网络安全——原理与实践　现性，ＡＡＤＨ协议中又引入随机的通信标号，因为标　［Ｍ］．４版．孟庆树，王丽娜，傅建明，等译．北京：电子　号的随机性及对对方的不可预知性，更能抵抗重放　工业出版社，２００８．　攻击．　［４］　方俊．一种基于Ｄｉｌｆｌｅ．ＨｅＲｍａｎ密钥交换协议的ＯＴＰ　由此可见，ＡＡＤＨ协议在继承ＤＨ协议优点的　方案［Ｊ］．计算机时代，２０ｏ９（１１）：２４．　同时，能够解决ＤＨ协议易受到中间人攻击和重放　［５］　张世勇．网络安全原理与应用［Ｍ］．北京：科学出版　攻击的问题．　社，２００３．　３．４效率分析　［６］　尹少平，董丹．Ｄｉｆｉｅ—ｆｌｅｌｌｍａｎ密钥交换协议设计与实　由于ＫＡＣ只是对用户的密钥进行简单的一致　现［Ｊ］．电力学报，２００６，２４（１）：９．