ECC算法對Kerberos協議安全性能的改進分析論文

　　隨著數字化校園網的蓬勃發展，基于網絡應用的多種校園網應用系統應運而生，為了實現統一、安全、便利的身份認證過程，可以選用Kerberos網絡的認證協議來為統一身份認證系統服務。然而，在實際的身份認證應用中，基于安全性能的考慮，單純的Kerberos認證協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議進行改進，以保證身份認證系統安全高效地運行。

　　Kerberos認證協議，是眾多認證協議中比較成熟的一種認證協議，這項技術一直在麻省理工學院的帶領下不斷地推動和發展。它的主要認證原理是利用對稱密鑰的加密技術，在網絡中設置一個密鑰系統，通過這個系統為客戶機和服務器中的應用程序提供安全認證服務，另外，它還可以實現跨域和遠距離的認證。目前，Kerberos協議中所使用的更多的是公鑰加密方式。

　　在校園網這種特殊的多應用系統環境下，Kerberos認證方式和單點登錄技術的結合使用己成為當前數字化校園網建設中主要采用的技術。

　　但是Kerberos認證協議在安全應用方面，也存在著一些缺陷，很多攻擊者可以利用這些漏洞進行攻擊，給網絡帶來了很多不安全的隱患。因此，需要研究Kerberos認證中的缺點，補充一些新的加密算法，輔助補充一些新的認證機制，使其在具體的應用中更加安全。

　　一、ECC算法

　　1. ECC算法介紹。

　　Kerberos協議的弱點之處在于常用的AES/DES算法無法具有抗否認性，密鑰更換困難，數字簽名和認證難于實現。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Kerberos協議。ECC算法具有處理速度、計算量小、安全性能高、存儲空間小、單位安全強度高、帶寬要求低等優點，應用前景廣泛。

　　2. ECC加密原理。

　　ECC橢圓曲線加密算法是根據橢圓曲線離散對數問題ECDLP定義的，給定素數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k。可以證明，己知k和P計算Q比較容易，而由Q和P計算k則比較困難，至今沒有有效的方法來解決這個問題，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，私鑰擁有者隨機地選取一個整數k(k根據求出的整數d，計算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送方的密文后，計算d*Q二d x }l} P)二l} }dx P)，計算明文Pm二Pm+dx Q一dx Q。

　　3. ECC算法性能分析。

　　對于Kerberos認證協議中，采用的是公開對稱密碼體制來傳輸數據的，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，找出最優算法。下面從三類密碼的安全性、計算負載能力、密鑰大小和帶寬幾個方面來分析比較。

　　(1)安全性。

　　RSA的優點是原理較簡單，易于使用。隨著整數因子分解方法的技術進步，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導致解密速度的降低，實現起來難度也加大了。

　　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表示每秒執行百萬條指令的計算機運行一年，目前一般認為破譯時間為1012 MIPS年可以看做比較安全)

　　在保證相同的安全性的基礎上，ECC所需的密鑰模長遠遠小于RSA和DSA。如果攻擊者攻擊有限域上離散對數問題可以有指數積分法，而對橢圓曲線上的離散對數問題是無法奏效的。對于RSA和DSA}都存在指數時間算法，而ECC至今沒有改算法。可見，ECC算法的抗攻擊性最強，安全性能最高。

　　(2)計算負載。

　　所謂計算負載，是指公鑰密碼和私鑰密碼完成一次交換所需要的計算量。根據具體的操作，比較所需的時間。與ECC算法相比較，其他密鑰系統的計算較復雜，而ECC則能在較短的時間內產生符合要求的密鑰。在加密解密及數字簽名方面，160位的ECC的運算速度比用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中，存儲密鑰對和系統參數

　　時所占的比特數。 ECC在密鑰大小方面，優勢還是很明顯的。它在系統參數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算法的密鑰量要遠遠小于其他密鑰系統，這樣，ECC算法所占的存儲空間就比較小，降低了實現難度，無需通過增加密鑰長度而提高系統安全性。

　　(4)帶寬。

　　帶寬是指在網絡中傳輸數據包或數字簽名時所產生的通訊量。根據分析比較，當對字長超過64位的長消息進行加密解密時，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，可以節省帶寬。

　　另外，ECC算法中的橢圓曲線，隨著參數的變化，可以得到不同的曲線，可見，ECC的算法具有較強的靈活性，橢圓曲線可以形成多種結構和選擇性。

　　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勢，提供了一種安全強度高、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算法改進后的認證過程

　　改進后的Kerberos基本模型與原來的Kerberos協議模型是類似的，改進后的協議流程具體說明如下。

　　1.客戶機隨機產生會話密鑰，將加密后的密鑰發送給認證服務器，申請許可證頒發服務器的票據。

　　2.認證服務器用私鑰將密鑰解密，在其數據庫中查找客戶機并驗證客戶機的簽名，為客戶機生成許可證頒發服務器的公鑰加密的票據，其中關鍵數據加上認證服務器的簽名，并產生會話密鑰，用第一步中產生的會話密鑰加密發送給客戶機。

　　3.客戶機解密得到套話密鑰，將第二步得到的票據和用會話密鑰加密的本機名字、地址以及隨機數，發送許可證頒發服務器申請訪問特權服務器的憑據。

　　4.許可證頒發服務器用私鑰解密并驗證服務器發送的票據，然后為客戶機生成去特權服務器的票據，票據用特權服務器的公鑰加密并加上許可證頒發服務器的簽名，并隨機產生會話密鑰，并將會話密鑰和隨機數用第二步產生的會話密鑰加密回傳給客戶機。

　　5.客戶機解密得到會話密鑰和隨機數，與自己發送給許可證頒發服務器的隨機數相比，若相等則確定是新消息，將許可證頒發服務器發送的票據、用會話密鑰加密的本機名字、地址和新的隨機數，發送給應用服務器。

　　6.應用服務器用私鑰解密許可證頒發服務器發送的票據，同時驗證并確認許可證頒發服務器的簽名，得到以后加密通信用的會話密鑰，還可將第五步客戶機發送的隨機數加密發給客戶機，供客戶機驗證新消息，防止重放攻擊。

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