认证技术在P2P网络中的应用研究

第22卷第6期 计算机应用与软件

Vo l 22,No .6

2005年6月 Co m puter Applicati o ns and Soft w are Jun .2005

收稿日期:2004-02-16。孙鹏,硕士生,主研领域:网络安全与分布式计算。

认证技术在P2P 网络中的应用研究

孙 鹏 黄 鑫 庄 雷

(郑州大学信息工程学院软件理论研究所 河南郑州450052)

摘 要 本文首先简要描述了传统客户服务器模式下的身份认证概念和身份认证机制,综合分析现有认证机制的缺点,提出了一

种改进的身份认证机制;然后结合P2P 网络的特点,分析了P 2P 技术三种基本应用实例的安全需求;最后给出了认证机制在P2P 网络中的应用。

关键词 身份认证 对等网 认证中心

A S TUDY ON THE I DENTIFI CATI ON AUTHENTI CATI ON TECHNOLOGY OF P2P

Sun Peng H uang X in Zhuang Lei

(C olle ge of Informa tion Eng i neeri ng,Zheng zhou Un i v e rsit y,Z hengzhou H enan 450052,Ch i na )

Abstrac t T his tex t has described the concept o f i den tity authenticati on and identity au t hen ti cation mechan i s m briefl y firstly ,analyzed ex isti ng authentica ti on sho rtcom i ng o f mechan i s m syntheti ca lly ,and put for w ard a k i nd o f authenti ca tion m echanis m of i m proved i dentity in cli ent/server conditi on .Secondl y comb i ng the cha racte ristic o f P2P net w ork ,analyzi ng secur ity requ irements o f t hree app licati on cases for P2P syste m.A t l ast t he aut hor publi shed t he app licati on i n P2P net work o f mechan i s m s o f aut henti cation fi na ll y .K eywords

Iden tificati on aut henti cation Peer to peer(P 2P) Certificate au t hor it y (CA )

1 引 言

P2P 也称之为对等网,是一种不同于C /S 模式的网络模型。自1999年美国的肖恩 范宁(Shawn Fann i ng )开发N apster ,提供服务允许音乐迷们交流M P3文件,从而被五大唱片商以侵犯版权推上被告席而成为世界的焦点之时,P2P 网络结构便开创了新的革命。即时讯息系统,譬如IC Q 、AOL Instant M essenger 、Y ahoo P ager 、微软的M SN M essenge r 以及国内的O I CQ,都是最流行的P2P 应用。用一句话概括:现在这个小软件改变了整个世界。P2P 不是新概念,P2P 是互联网整体架构的基础,互联网最基本的协议TCP /IP 并没有客户机和服务器的概念,只是后来采用了客户机/服务器的结构;但是对于服务器而言,它们之间仍然是对等联网的。是不是C /S 模式的安全问题在P2P 中也存在,有哪些相同点,需要采取哪些措施来解决?本文正是基于这种考虑,讨论了传统的安全认证技术和P2P 的安全需求,重点给出了认证技术在P2P 中的应用。诚如古希腊的三位一体图解释,安全不是技术,不是静态的,不是能通过安全设备或保证安全运行所能一劳永逸的,而是一个动态的、变化的过程[1];所以只要网络中存在双方通信,就要考虑安全问题。

2 认证技术

认证技术是信息安全理论与技术的一个重要方面,在安全的网络通信中,涉及通信的各方必须通过某种形式的身份验证机制来证明他们的身份。它包含身份识别和身份认证两项工作,身份识别是指用户向系统出示自己的身份证明过程;身份认

证是系统查核用户的身份证明过程。通俗的讲就是出示身份证

明和验证身份的过程。

2 1 认证类型

计算机网络中的认证主要包括用户认证和信息认证两方

面。前者用于鉴别用户身份,后者用于保证通信双方的不可抵赖性和信息的完整性。而信息认证又分为信息源认证和信息内容认证。

2 2 认证方法

所有的认证都包含一个标识 验证的过程,即身份声明和对身份声明的验证过程。通常验证身份是基于回答以下三个基本问题中的一个或几个的基础之上:

(1)你知道些什么?知识是进入安全系统中的传统密钥,计算机间的通信也是从验证一些对以前达成共识信息的知识开始的。他是身份识别的!社会?方法。

(2)你有些什么?较低级的密钥,从古时起就是安全措施的基础,是一种所有权问题的形式,任何拥有密钥的人都可能打开那个锁。它是身份识别的!物质?方法。

(3)你的特性是什么?一般来说,用相对不变的物理特性作为标识符(生物测定学)是最古老的标识符形式。它是身份识别的!生物?方法。

通过知识和拥有的东西来证明可以应用于所有类型的认证需要,而通过特性来证明则仅限于人的认证。通常鉴于处理高危险系统的原因,我们往往采取三种方法的交叉结合,图1给出安全措施的级别[3]。

116 计算机应用与软件

2005年

图 1

2 3 认证协议

在计算机网络中,认证通常由认证协议来实现。一个认证协议是一个精确定义的通信和计算步骤的序列。其中通信步骤把消息从发送方传到接受方,计算步骤更新通信方内部的状态。在协议完成时,两个截然不同的状态便可确定 验证成功和验证失败。

认证协议使用密码体制来实现,它们的基本设计原则也与使用的密码体制的类型紧密结合。

2 3 1基于对称加密的认证

对称加密,只有一个私人密钥,它具有如下数学形式:

被加密数据=F (数据,密钥)

明文数据=F -1(被加密的数据,密钥)

对称密码体制下,使用S YM 原则来设计:如果一个用户能用一个密钥正确地加密一个消息,且验证者认为这个密钥仅为被声称的身份的那个人所知道,则这件事包含足够的身份证明。

(1)我们用下述协议(k 是密钥源中通过安全通道共享的密钥)描述:

P :产生m =!我是P ? :计算m #={m }k P ->Q :m,m #

Q

:验证{m }k =?m #

:相等则接受,否则拒绝

此认证的缺点是:攻击者A (attacker )截获m 、m #,冒充P,获得本应是对P 的服务。为了防止重现攻击,通过使用现时(nonce),也就是通过挑战 响应(C H AP )机制,利用新鲜的nonce 挫败重现攻击,协议修改成:

P ->Q :产生m =!我是P ?Q ->P :n(nonce )P :计算n #=n{k }P ->Q :n #

Q

:验证{n }k =?n #

:相等则接受,否则拒绝

此认证的缺点是:攻击者A 通过多次对n 、n #的分析破解了

k ;另外,由于缺乏可信任第三方的参与,k 的分发也很困难,对于大规模网络更是不切实际的,因为通信各方必须存储它想认证的所有人的秘密密钥。这个问题可通过设立一个认证服务中心CA 来解决。

(2)我们用下述协议(认证中心CA 共享信源和信宿的k x ,也即k p 、k q )描述:

P ->Q :!我是P ?

Q ->P :n(nonce )

P :计算n #={n }k p P ->Q :n # 前四步与上同因为k p 不为Q 所知(k p 、k q 分别为CA 共享),故通过CA,Q 来认证P 。Q

:计算n ?={p,n #}、k q

Q ->CA :n ?

CA :用k q 解密n ?从而恢复(p,n #):计算m #={{n #}k p }k q

CA ->Q

:m #

Q

:验证{n}k q =?m

:相等则接受,否则拒绝

此认证的缺点是:由于仍是基于S YM 原则,本质上没有解决密码强度较弱的缺点;故此,下面讨论基于非对称加密的认证。

2 3 2基于非对称加密的认证

非对称加密使用两把密钥(一把公开密钥,由全部想给密钥的拥有者发送数据的人使用;另一把私人密钥,只有密钥的拥有者知道)。非对称加密的概念依赖于如下的假设:寻找由两个素数(公钥和私钥)相乘而得到的大数的因子是极其困难的。通常非对称加密[5]采用如下加密方式(可逆的,见图2):

图 2

在非对称密码体制下,每个用户P 公布他的公开密钥k p 并把他

的私人密钥k -1p 保密。这样对任何消息m,仅P 能用k -1

p 签名

来产生{m }k -1p ,这个消息可被任何知道k p 的用户验证。这里的基本设计原则(A S YM )是:如果一个用户能够用他所声明的身份的私人密钥正确地给一个消息签名,那么这个行为足以证明他的身份。和基于对称加密的认证相似,使用A S YM 也可以得到纯认证系统[4]下和CA 认证模型下的认证协议。

使用A S YM 较之S YM 加密强度好得多,但A S YM 的运算速度较慢,为此提出了一种两者结合的认证模型。

2 3 3一种改进的认证

图 3

如图3所示,对明文采用对称加密,加密所采用的对称密钥k SY M 通过非对称密钥加密传输,解密过程则相反。对应此模型,得到下述协议:

P ->Q :产生m =!我是P ?

:计算m #={m }k p SY

M

计算k #pSY M ={k pSY M }k -1

pASY M

Q ->P :m,m #,k #p SY M

Q

:计算k pSY M ={k #p }k pASY M :验证m =?{m #}k p SY M

:相等则接受,否则拒绝

虽然认证过程中加密的速度变快了,强度加大了,对于模拟试探攻击更有效,但仍免不了重放攻击;另外非对称密钥的分发随着网络规模的扩大也变得越来越困难,故而对应于上述模型还存在变体。

3 认证技术在P2P 中的应用

安全问题永远能跟上互联网的发展节奏,像美国在线的!即时信使?AOL 和眼下的几种P2P 软件ICQ 对源代码的加密并不可靠,很容易就会被反编译得出源代码,任黑客加以利用。另外由于P2P 这种不同于C /S 的独特的网络模型所具有的特性,使它面临着一些新的安全问题,但共性总是存在的。

第6期 孙鹏等:认证技术在P2P网络中的应用研究117

3 1 P2P的安全需求

P2P,称为对等网或点对点技术,这种网络模型中的所有节点是对等的。P2P网络环境的构建是基于同一协议共同遵守的原则,加入网络的各节点具有相同的责任与能力并协同完成任务,它无需依赖于集中式服务器或资源。单个P eer可以是服务器也可以是客户机。P2P在分布式计算、搜索功能、信息共享、协作计算和交互操作上都有着独特的广泛的应用。下面我们从各应用所含成员的角度,分析P2P对安全的需求。

3 1 1分布式计算

分布式计算,体现了互联网!协作与奉献?的传统精神,充分联合了网络系统中的富裕计算能力,使用积累的能力执行超级计算机的任务,为计算机用户提供灵活、安全、可靠的计算资源(计算、存储和网络)。一个分布式计算包括:

1)计算用户,访问和消费分布式资源,将指定工作提交给网络,经确认后,这些工作成为分布式计算。

2)管理员,管理分布式计算资源和计算策略,具有最高决策。

3)桌面用户,组成计算资源的机器的前段用户。

为了防止非授权用户使用计算资源,需要对计算用户进行识别和认证;为了防止伪管理员的欺诈,也需要用户对其认证;为了保证应用程序代码和数据的完整性和机密性,在计算用户的通信之间也需认证。

3 1 2交互应用

交互应用,在P2P系统中创建一个共享的虚拟空间,使任何两个peer之间可建立实时联系。一个交互应用包括:

1)管理员,根据对访问内容的控制要求设置系统。

2)消费者,从交互应用中接收信息内容。

3)制作者,主动访问共享白板或发布信息。

交互应用中,多个用户同时访问共享工具,发放提取信息。安全隐患存在于通信过程中的被窃听、被篡改和伪装欺骗。对等用户必须建立远程的身份认证。

3 1 3搜索功能

P2P技术的搜索引擎可以完全不受服务器的限制,同时向多台计算机发出搜索指令,按照P2P网络交叉互连的网络拓扑结构,搜索范围将在极短时间内以几何级数增长。成员包括:

1)搜索发布者。

2)资源共享提交者是资源搜索的前提。通常这种应用存在一个广泛的认证基础,服务是基于信任的前提。P eer点通过认证,按特定的需求或兴趣,加入到一个逻辑组内以获取服务。

3 2 P2P中的认证

从上面我们对P2P安全需求的分析得出,虽然P2P在身份建立、安全运行、集中管理和对等用户交互控制上存在着不同于C/S的安全问题,但是在用户的识别和认证、通信与数据的完整性上还是和C/S的需求是一致的,也就是说:不管系统模式如何,只要建立通信,就存在认证需求。换句话,C/S环境中的认证同样也适于P2P环境。此外,由于P2P特性与演变,在此也给出了其它的一些认证模型应用。

3 2 1基于零知识的认证

P2P网络具有高度的动态性,对等点可以随意加入或退出网络,且没有固定的IP地址,可常常从网络上断开;另外由于缺乏中心服务器的组织,管理松散。考虑基于对称和非对称加密的认证,认证过程中双方存在共享信息(n,n#),毫无疑问尽管用新鲜的nonce挫败了重放攻击,但只要这种共享的认证信息的存在,就不可避免的存在窃取、篡改、伪认的可能,故我们也可采用零知识的认证方式。

零知识[4]的基本思想是:称为证明者的一方试图使被称为验证者的另一方相信某个论断是正确的,却又不向验证者提供任何有用的信息。采用交互式协议实现如下:

P->Q:满足一定条件的承诺随机数

Q->P:满足一定条件的询问随机数

P->Q:按一定的算法计算后,将相关信息传送给Q

Q:接受P的信息后按一定的算法验证P的身份,P欺骗Q 的概率是2-k(k=1,2,%)。协议重复执行t次,P欺骗Q的概率为2-tk(k=1,2,%)。

3 2 2基于CA的认证

C/S模式的依赖于中心服务器的过于集中化和P2P的削弱甚而抛弃服务器的过于边缘化,走了两个极端,能否有一个折衷的办法,Jxta[7,8]这种新型的P2P模式给出了一个解决,并使得基于C A的多级多点认证得以实现。

Jx ta技术是Sun公司主导的开放源代码工程,有望成为p2p 网络应用开发的统一平台。它来源于英文单词Jux tapose(并列并置),意为未来客户/服务器计算模式仍会有其应用环境,不会消失,不会被取代,将与P2P计算模式并存,在功能上互补,共同促进网络计算模式的巨大变革。

重要的是Jxta采用了对等实体群和聚集节点的概念。对等实体群由一些有共同兴趣的共享资源和服务的对等实体(包含聚集节点)所构成的集合团体。对物理网络的逻辑划分会产生对等实体工作、交互的集合对等实体群。聚集节点通过捕获已知对等点发布的广告,专门存储它所知道的有关其它对等实体的信息,以便帮助对等发现;功能上类似于认证中的CA,在对等点的交互过程中起!握手?作用,相当于桥梁,但地位和对等点相同。

按照组内成员和组外成员的划分,可分为下述认证:

1)组内成员点对点认证,可以通过第三方进行点对点的认证,这里的第三方可以是聚集节点,也可以是单个peer点(自己作为CA,发放自己的信任链);也可以直接认证。

2)组内与组外点对点的认证,可以通过第三方认证;也可直接认证。

3)组外成员与组内点对群认证,基于安全因素考虑的目的加入到一个组内的peer必须得到该组的认证,由于聚集节点的特殊性,通常作为第三方CA,一旦认证通过,则获得了组内各成员对其的信任。

4 结 语

P2P这种新型的网络计算模型,对网络的安全问题提出了新的要求,我们所要做的不仅仅是身份认证问题,在身份建立、用户管理和资源交互等等方面的安全问题还很多。另外,Jx ta 这种基于XM L标准的统一的、简单的、便利的、通用的底层平台为P2P的进一步发展提供了契机。可以断言,P2P必将导致一股新的旋风,席卷网络。

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650960~1300

(上接第96页)

表1 最小二乘法求得椭球的参数

轴线矢量方向

椭球中心长 轴短 轴第三轴

X:1325 118563X:-0 03571X:-0 97634X:0 21331 Y:-1096 982938Y:0 99890Y:-0 02823Y:0 03730 Z:-388 198949Z:-0 03036Z:0 21440Z:0 97627轴线长度194 44750181 18352183 53383

由率匹配算法求得椭球方程如(4 2),椭球参数如表2所示。

1 080536x2+1 013901y2+1 068763z2+0 016974xy+

0 058959yz-0 007392zx-2846 223037x+2252 937133y+

915 139764z+3282616 029771=0(4.2)表2 曲率匹配算法求得椭球的参数

轴线矢量方向

椭球中心长 轴短 轴第三轴

X:1324 422400X:-0 11410X:0 11474X:0 98682 Y:-1110 686528Y:0 91087Y:-0 38445Y:0 15007 Z:-392 914399Z:-0 39660Z:-0 91599Z:0 06062轴线长度182 ******** 00000175 00000

由偏差平方和可知,在不完备数据的情况下,即当测量点分布在椭球表面很小的某个区域上时,偏差平方和不能作为最佳判定标准。

实测中,曲率匹配算法运算速度由于计算复杂度的增加比最小二乘法降低了10%,但从求出的椭球参数可以看出,其匹配精度是最小二乘法无法比拟的。该算法在卫星接收天线加工生产的实际使用中效果非常理想。在特征点覆盖整个测试面的情况下,该算法的拟合精度尤其高。该算法在大地测量、精密工程测量、广播电视工程、应用光学、无线电通讯、工业制造等经常用到椭球形体的领域内有应用前景。

参考文献

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评价?,&计算机学报?,2002.10.

(上接第109页)

HTTP都不能提供保护个人传送信息的加密方法。客户使用HTTP页发送信息,而HTTP是明文文本协议,这样黑客就有机会获得明文,比如账单信息、信用卡号等。

所以要增加一个加密模块,来保障我们传输的内容的安全性,采用SSL协议的公开实现O penSSL提供安全的传输机制,完成通信握手后,应用程序数据的传输过程为:

?应用程序把数据提交给本地的SSL代理;

+客户端的SSL代理先用对应连接的散列算法对应用数据进行散列,得到一个应用数据的散列值,然后将其和应用数据一起用加密算法加密;

,密文通过网络传给服务器端;

?服务器端SSL用相同的解密算法对密文解密,得到明文,再用相同的散列算法对明文中的应用数据散列;

.计算得到的散列值与明文中的散列值比较,如果一致,则明文中的应用数据有效,SSL把应用数据上交给接收方的应用层;否则就丢弃数据,并向对方发出报警信息。严重的错误有可能引起再次的协商或连接中断。

4 2 使用硬件安全模块和SSL加速器

验证网络服务器身份所使用的数字证书可能会被偷窃或复制,而且驱动SSL会话所需的任务繁重的密码计算会影响网络服务器的性能。为了解决这个问题,硬件安全模块HS M(H a rd wa re Secur it y M odu les)为数字证书提供了保护,SSL加速器则卸载了计算密集型的密码计算,从而为依赖SSL的应用增强了安全和性能。由于私钥安全事关重大,HS M的目的就是提供更安全的基于硬件的环境,以便保存私钥,并利用私钥执行密码操作。H S M通过物理和逻辑方式,把密钥材料与使用它们的计算机和应用相隔离,以此来降低利用易受攻击的软件方式来保存私钥相关的风险。在许多情形下,同时需要HS M的安全及SSL 加速器提升的性能。在这种情形下,为了提高SSL身份保护,以及处理大流量的硬件加速功能,就需要同时使用SSL加速和硬件密钥管理的混合产品。真正安全的SSL加速器应该同时重视性能和安全,这样才能保证SSL会话免受攻击和欺骗。

5 结束语

总的来说,SSL仍不失为电子商务中一种比较完善的安全策略。然而,与网络安全的其它工具软件一样,仅使用单一的防护软件都是难以奏效的。所以现在对SSL的过高评价有可能带来安全风险。它仅是网络安全工具的一种,必须和其它网络安全中的软硬件工具紧密结合,才能构造出全面、完善、安全可靠的网络。

进一步研究的重点是在服务器端也设置代理,这样浏览器就直接向代理服务器发出请求,信号会先送到代理服务器,由代理服务器来取回浏览器所需要的信息并传送给浏览器。这样不仅能加强服务器处理能力,而且便于加载和应用其它安全协议。

参考文献

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