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USBKEY的体系结构分析及安全策略研究
USBKEY的体系结构分析及安全策略研究
安全技术与管理
２００９２
ＵＳＢＫＥＹ的体系结构分析及安全策略研究
张锟颜学龙
桂林电子科技大学电子工程学院，桂林，５４１００４
【摘要】随着信息技术的发展，网络安全技术日益受到广泛关注。以ＰＫＩ为基础的ＵＳＢ
ＫＥＹ身份认证技术逐步成为主流安全解决方案。本文首先分析了ＵＳＢＫＥＹ技术的原理和体系结构，其次针对其存在的安全漏洞提出切实可行的安全策略，增强了ＵＳＢＫＥＹ的安全机制。
【关键词】ＵＳＢＫＥＹＰＫＩ身份识别
一、引言
随着互联网、电子商务和电子政务的发展，网络安全方面存在的问题也越来越引起重视。ＵＳＢＫＥＹ正逐渐成为网络银行等高端电子商务的的主流解决方案，在用户身份识别和数据保护方面起到的作用日益凸显。
ＵＳＢＫＥＹ从智能卡技术上发展而来，是结合了现代密码学技术、智能卡技术和ＵＳＢ技术的新一代身份认证产品，是网络用户身份识别和数据保护的良好载体
［１］
真实性、完整性和不可否认性，从而保证信息的安全传输。ＰＫＩ技术传统的实现方式是在主机端产生并且存储在主机端，计算机网络开放的应用环境给这种方式带来了巨大的安全隐患。
ＵＳＢＫＥＹ具有独立的数据处理能力和良好的安全性、易用性，使得它成为ＰＫＩ技术的完美实现方式。ＵＳＢＫＥＹ可以在内部生成私钥，实现私钥的安全存储，具有不可导出性；它可以迅速完成各种密码算法，包括对称加密算法和非对称加密算法，实现数据加解密、数字签名等多种安全功能。
三、ＵＳＢＫＥＹ技术的体系结构
ＵＳＢＫＥＹ的整个体系结构由硬件层、核心驱动层、标准中间件层和应用层构成，如下图所示。
［１］
［２］
。ＵＳＢＫＥＹ的安全性和易用性，使它具有巨大的市场
价值和社会价值。本文在对其体系结构进行分析的基础之上，着重研究了ＵＳＢＫＥＹ的安全策略。
二、ＵＳＢＫＥＹ的基本原理
ＵＳＢＫＥＹ进行身份认证的基础是ＰＫＩ技术（Ｐｕhttp://www.wendangxiazai.com/b-35a070b169dc5022aaea005e.htmlｂｌｉｃＫｅｙＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）。
ＰＫＩ技术采用证书管理公钥，通过第三方可信任机构——认证中心ＣＡ（ＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｅＡｕｔｈｏｒｉｔｙ），把用户的公钥和用户的其他标识信息（如名称、ｅ－ｍａｉｌ、身份证号等）捆绑在一起，建立数字证书。通过把要传输的数字信息进行加密和签名，保证信息传输的机密性、
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其中，与外界进行信息交换是ＣＯＳ最基本的要求。在交换过程中，ＣＯＳ所遵循的信息交换协议目前包括两类：异步字符传输的Ｔ＝０协议以及异步分组传输的Ｔ＝ｌ协议。
四、ＵＳＢＫＥＹ安全漏洞及安全策略的研究尽管ＵＳＢＫＥＹ具有比较高的安全特性，但仍然需要采取相应的安全策略才能保证整个系统的安全性。安全策略就是系统对允许什么、禁止什么做出的规定。
１、漏洞分析
数字证书是要通过网络传送的，木马程序可以轻易地获取证书。因此，攻击的关键是取得用户签名。但是木马没有必要在得到私钥后再进行签名，它只要想办法得到签名结果即可。
ＵＳＢＫＥＹ是连接于ＰＣ上的公共设备，其设备文件对于ＰＣ上的进程来说是开放的。这为木马进行中间人攻击提供了可能。ＣＳＰ可以向ＵＳＢＫＥＹ发送签名命令，木马可截获、修改命令或者直接发送虚假命令。ＵＳＢＫＥＹ无法识别命令的来源，因此无法阻挡木马获得私钥的签名。
２、安全策略研究
通过上述分析可以看出要从以下两个方面弥补漏洞：建立ＣＳＰ和ＵＳＢＫＥＹ的加密信道；保证ＵＳＢＫＥＹ能够识别发送命令的实体是否合法。
可以从以下两个思路考虑：一种是基于对称密钥的互认证机制，另一种是基于破译ＲＳＡ能力的零知识证明＋数字信封机制。
（１）基于对称密钥的互认证机制
［５］
［４］
［２］
１）应用层是指针对ＵＳＢＫＥＹ开发的各类应用，如网络登陆软件或者文件加密器等。
２）标准中间件层处于应用层和设备驱动http://www.wendangxiazai.com/b-35a070b169dc5022aaea005e.html之间，包括基于具有跨平台特性的ＰＫＣＳ＃１１（公钥密码标准，ＰｕｂｌｉｃＫｅｙＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃＳｔａｎｄａｒｄ）标准接口和ＷＩＮＤＯＷＳ平台的ＣＳＰ（加密服务提供商，ＣｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃＳｅｒｖｉｃｅＰｒｏｖｉｄｅｒ）接口，应用开发者无需移植，可方便使用。ＰＫＣＳ是公钥密码体系的互操作标准，能实现不同系统、不同应用对公钥密码操作的兼容性。ＣＳＰ是微软为ＷＩＮＤＯＷＳ平台提供的最底层加解密接口。
３）核心驱动层指主机端的ＵＳＢ驱动程序。是依据微软定义的ＰＣ／ＳＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ／ＳｍａｒｔＣａｒｄ）标准开发的驱动接口，使得上层可以通过Ｗｉｎ３２标准函数集访问ＫＥＹ。该层负责协调用户主机与硬件层之间的数据交互操作和处理上层应用对ＫＥＹ的访问请求。
４）硬件层
硬件层包括硬件电路、固化在芯片里的芯片操作系统ＣＯＳ（ＣｈｉｐＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）和设备端的ＵＳＢ驱动程序。硬件层与用户主机之间以ＵＳＢ标准协议通信，使用标准ＵＳＢ通信协议交换ＣＯＳ的ＡＰＤＵ（应用协议数据单元，ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｒｔｏｃｏｌＤａｔａＵｎｉｔ）。
①ＵＳＢＫＥＹ的硬件结构图如下：
②ＵＳＢＫＥＹ的操作系统ＣＯＳ的主要功能是控制智能卡和外界的信息交换，管理智能卡内的存储器并在卡内部完成各种命令的处理。
从信息传输的过程来看，我们可以把从主机发出命令到ＫＥＹ给出响应的一个完整过程划为四个阶段：传输管理、安全管理、命令管理和文件管理。
ＣＯＳ逻辑结构图如下：
［３］
１）ＵＳＢＫＥＹ在个人化阶段预装２个对称密钥ＫＥＮＣ和ＫＭＡＣ。其中，ＫＥＮＣ用于加密运算，ＫＭＡＣ用于计算报文鉴别码ＭＡＣ（ＭｅｓｓａｇｅＡｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎＣｏｄｅ）。同样的密钥也在开发ＣＳＰ时存到程序中；
２）ＵＳＢＫＥＹ内部产生一个随机因子ＲＮＤ＿Ｕ并发送给ＣＳＰ；
３）ＣＳＰ也产生一个随机因子ＲＮＤ＿Ｃ和一个过程密钥因子ＫＥＹ＿Ｃ，对序列Ｓ＝ＲＮＤ＿Ｃ｜｜ＲＮhttp://www.wendangxiazai.com/b-35a070b169dc5022aaea005e.htmlＤ＿Ｕ｜｜ＫＥＹ＿Ｃ（其中“｜｜”表示连接）进行加密得到：Ｅ＿Ｃ＝Ｅ［ＫＥＮＣ］（Ｓ），并计算其ＭＡＣ：Ｍ＿Ｃ＝ＭＡＣ［ＫＭＡＣ］（Ｅ＿Ｃ），将Ｅ＿Ｃ｜｜Ｍ＿Ｃ发送给ＵＳＢＫＥＹ；
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４）ＵＳＢＫＥＹ首先用ＫＭＡＣ验证安全报文Ｍ＿Ｃ，以验证发送命令的实体是否合法，如果ＭＡＣ正确则用ＫＥＮＣ解密Ｅ＿Ｃ得到原始数据序列Ｓ＝ＲＮＤ＿Ｃ｜｜ＲＮＤ＿Ｕ｜｜ＫＥＹ＿Ｃ，验证ＲＮＤ＿Ｕ是否与ＵＳＢＫＥＹ中产生的随机因子相同，如果相同则说明加密过程是正确的。ＵＳＢＫＥＹ产生一个过程密钥因子ＫＥＹ＿Ｕ，并重组数据序列Ｒ＝ＲＮＤ＿Ｕ｜｜ＲＮＤ＿Ｃ｜｜ＫＥＹ＿Ｕ。以同样的方法产生密文Ｅ＿Ｕ和报文鉴别码Ｍ＿Ｕ，将ＥＵ｜｜Ｍ＿Ｕ返回给ＣＳＰ；
５）ＣＳＰ同样验证Ｍ＿Ｕ并解密Ｅ＿Ｕ得到原始数据序列Ｒ，从Ｒ中提取随机因子ＲＮＤ＿Ｃ，验证加密过程是否正确。这时ＵＳＢＫＥＹ和ＣＳＰ均获得了双方的过程密钥因子Ｋ＿Ｕ和Ｋ＿Ｃ，将两个密钥因子做异或运算得到过程密钥ＫＳ＝Ｋ＿ＵＫ＿Ｃ。
（２）基于破译ＲＳＡ能力的零知识证明＋数字信封机制
１）ＵＳＢＫＥＹ在个人化阶段预装一个ＲＳＡ公钥｛ｅ，ｎ｝，在ＣＳＰ程序代码中包含ＲＳＡ私钥｛ｄ，ｎ｝；
２）由ＵＳＢＫＥＹ产生随机数Ｃ，并发送给ＣＳＰ；３）ＣＳＰ用私钥ｄ计算：Ｍ＝Ｃｄｍｏｄｎ，并将Ｍ发送给ＵＳＢＫＥＹ；
４）ＵＳＢＫＥＹ验证Ｍｅｍｏｄｎ＝Ｃ，则说明通信对象为ＣＳＰ。
由于木马不知道ＲＳＡ私钥，因而也就不能通过认证。在此基础上ＵＳＢＫＥＹ与ＣＳＰ可以通过数字信封机制建立加密信道。具体分析如下：
１）ＵＳＢＫＥＹ内部产生一个用于加密的对称密钥
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Ｋ，用ＲＳＡ公钥加密Ｋ＇＝Ｋｅｍｏｄｎ，将Ｋ＇发送给ＣＳＰ；
２）ＣＳＰ再用ＲＳＡ私钥对密文进行解密得到过程密钥Ｋ＝Ｋ＇ｄｍｏｄｎ。
通过上述两种机制，ＣＳＰ与ＵＳＢＫＥＹ实现了认证，保证了发送命令的实体的合法性，同时产http://www.wendangxiazai.com/b-35a070b169dc5022aaea005e.html生的过程密钥使得ＵＳＢＫＥＹ与ＣＳＰ间可以建立起加密信道。
五、总结
信息系统的安全性并不仅仅依靠安全技术，还需要实施相应的安全策略做配合，建立起完整的安全机制才是保护系统安全的关键。然而随着信息技术的发展，安全攻击手段也会越来越多，完全地避免攻击是不可能的。安全系统要不断提高攻击的难度和成本，使得系统在一定时间和空间内难以被攻破。
【参考文献】
［１］杨帆．ＵＳＢＫＥＹ体系研究与技术实现［Ｄ］．武汉：武汉大学计算机系，２００４．
［２］ＭａｔｔＢｉｓｈｏｐ．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＣｏｍｐｕｔｅｒＳｅｃｕｒｉｔｙ［Ｍ］．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：ＡｄｄｉｓｏｎＷｅｓｌｅｙｐｕｂｌｉｓｈｅｒ，２００３．
［３］ＷｏｌｆｇａｎｇＲａｎｋｌ，ＷｏｌｆｇａｎｇＥｆｆｉｎｇ．智能卡大全－智能卡的结构、功能、应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．
［４］张轶辉，王昭顺．ＵＳＢ密码钥匙漏洞分析及防御策略的研究［Ｊ］．航空计算技术，２００７（４）．
［５］ＤａｖｉｄＳａｌｏｍｏｎ．数据保密与安全［Ｍ］．北京：清华
大学出版社，２００５．
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