摘 要 本文在研究身份認(rèn)證技術(shù)、uKey技術(shù)及Windows系統(tǒng)登錄原理基礎(chǔ)上，提出了基于數(shù)字證書的uKey身份認(rèn)證與安全登錄方案，設(shè)計了自定義登錄模塊，從而實現(xiàn)了使用uKey進行主機安全登錄的功能。
關(guān)鍵詞 uKey；安全登錄；身份認(rèn)證
1 引言
用戶在訪問安全系統(tǒng)之前，首先經(jīng)過身份認(rèn)證系統(tǒng)識別身份，然后訪問監(jiān)控模塊，系統(tǒng)根據(jù)用戶身份和授權(quán)情況決定用戶是否能夠訪問某個資源。因此系統(tǒng)安全登錄與身份認(rèn)證是安全系統(tǒng)中的第一道關(guān)卡，也是實施訪問控制的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)安全領(lǐng)域具有十分重要的作用。本文提出了基于數(shù)字證書的uKey安全登錄與身份認(rèn)證方案，采用將第三方開發(fā)的uKey與用戶身份信息相結(jié)合的認(rèn)證方式，保證每個用戶在登錄時具有證明其身份的唯一標(biāo)志，從而使系統(tǒng)通過這個惟一標(biāo)志驗證用戶身份合法性。
2 身份認(rèn)證技術(shù)
身份認(rèn)證是網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的一個重要方面。用戶在訪問安全系統(tǒng)之前，首先經(jīng)過身份認(rèn)證系統(tǒng)識別身份，然后訪問監(jiān)控模塊，系統(tǒng)根據(jù)用戶身份和授權(quán)情況決定用戶是否能夠訪問某個資源，常用的口令認(rèn)證方式有以下幾種：
1）基于口令的認(rèn)證方式
基于口令的認(rèn)證方式是目前在互聯(lián)網(wǎng)和計算機領(lǐng)域中最簡單、最容易實現(xiàn)的一種身份認(rèn)證技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣泛的認(rèn)證方法。例如：操作系統(tǒng)及諸如郵件系統(tǒng)等一些應(yīng)用系統(tǒng)的登錄和權(quán)限管理都基于口令[1]，當(dāng)用戶登錄計算機網(wǎng)絡(luò)時，需要輸入口令。計算機系統(tǒng)將其認(rèn)證機制建立在用戶名和口令的基礎(chǔ)上，如果用戶將用戶名和口令告訴其它人，則計算機也將給予那個人以訪問權(quán)限[2]。
2）基于智能卡的認(rèn)證方式
智能卡（Smart Card）是法國人Roland Moreno于1970年發(fā)明的[3]。法國BULL公司首創(chuàng)智能卡產(chǎn)品，并將這項技術(shù)應(yīng)用到金融、交通、醫(yī)療、身份認(rèn)證等多個方面?；谥悄芸ǖ纳矸菡J(rèn)證屬于通過物理設(shè)備進行身份認(rèn)證的機制，該機制結(jié)合電子技術(shù)和現(xiàn)代密碼學(xué)知識，大大提高了基于物理設(shè)備機制的安全性。每個用戶持有一張智能卡，智能卡存儲用戶秘密信息，同時在驗證服務(wù)器中也存放該秘密信息。進行認(rèn)證時，用戶輸入PIN碼（個人身份認(rèn)證碼），服務(wù)器認(rèn)證PIN碼，成功后即可讀出智能卡中的秘密信息，進而利用該秘密信息與主機之間進行認(rèn)證?；谥悄芸ǖ恼J(rèn)證方式是一種雙因素認(rèn)證方式（PIN+智能卡），即使PIN碼或智能卡單獨被竊取，合法用戶的身份仍不會被冒充（即不能獲得訪問權(quán)）。
3）基于生物特征的認(rèn)證方式
生物特征識別是一種根據(jù)人體自身所固有的生理特征和行為特征來識別身份的技術(shù)，即通過計算機與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計學(xué)原理等高科技手段的密切結(jié)合，利用人體固有生理特征（如手形、指紋、面部特征、虹膜、視網(wǎng)膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進行個人身份鑒定[4]。
生物特征認(rèn)證技術(shù)的主要應(yīng)用有辨識和驗證兩種。辨識（Identification）指的是確定用戶身份，通常是在生物特征模版庫中進行一對多匹配（One-to-Many Matching）或基于知識判別；驗證（Verification）指的是驗證用戶是否為他所聲明的身份，通常是用單模板進行一對一匹配[5]（One-to-One）。
4） 基于數(shù)字證書的認(rèn)證方式
數(shù)字證書（Digital Certificate）是標(biāo)志一個用戶身份的一系列特征數(shù)據(jù)，其作用類似于現(xiàn)實生活中的身份證[6]。國際電信聯(lián)盟的X.509建議定義了一種提供認(rèn)證服務(wù)的框架。采用基于X.509證書的認(rèn)證技術(shù)依賴于共同信賴的第三方來實現(xiàn)認(rèn)證，所不同的是其采用非對稱密碼體制，實現(xiàn)上更加簡單明了。這里的第三方是指稱為CA（Certificate Authority）的認(rèn)證機構(gòu)，該認(rèn)證機構(gòu)負(fù)責(zé)認(rèn)證用戶身份并向用戶簽發(fā)數(shù)字證書。數(shù)字證書遵循X.509標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的格式，因此稱為X.509證書。持有此證書的用戶就可以憑此證書訪問那些信任的CA服務(wù)器，通過CA服務(wù)器實現(xiàn)用戶身份的驗證。
3 基于數(shù)字證書的uKey安全登錄與身份認(rèn)證
Windows 2000操作系統(tǒng)以及微軟后續(xù)的操作系統(tǒng)，如Windows XP都內(nèi)置了對智能卡用戶認(rèn)證的支持，計算機用戶可以選擇使用傳統(tǒng)的用戶名、口令驗證方式進行域內(nèi)用戶身份驗證，也可使用智能卡來自動完成用戶身份驗證。
3.1 uKey技術(shù)
uKey又名智能電子密碼鑰匙，既完全繼承了已有智能卡技術(shù)的安全性，又結(jié)合了新型USB接口的數(shù)據(jù)傳輸能力。
1）uKey簡介
uKey是集智能卡與讀卡器于一體的USB設(shè)備，支持熱插熱拔和即插即用，體積小、重量輕、便于攜帶[7]。uKey本身作為密鑰存儲器，自身硬件結(jié)構(gòu)決定了用戶只能通過廠商編程接口訪問數(shù)據(jù)，這就保證了保存在uKey中的數(shù)字證書無法被復(fù)制，并且每一個uKey都帶有PIN碼保護，這樣uKey的硬件與PIN碼就構(gòu)成了使用uKey進行身份認(rèn)證的雙因子。如果用戶uKey丟失，獲得者由于不知道該硬件的PIN碼，就無法冒充合法用戶身份；如果用戶PIN碼泄露，只要保存好uKey硬件就可以保證自己的身份不被冒充。
安全性是眾多應(yīng)用（特別是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）的基礎(chǔ)，而實現(xiàn)安全性的手段一般都是通過加密算法來達到，因為加密算法可以更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性、身份可鑒別性以及交易不可抵賴性。加密算法安全性主要取決于密鑰的秘密性，而不必對算法保密。智能卡作為一種有效的安全保障設(shè)備，是保存密鑰信息的最可靠手段。傳統(tǒng)智能卡的封裝形式需要額外的讀卡器設(shè)備，因為設(shè)備體積較大且不便于攜帶，所以使用很不方便，另外讀卡器設(shè)備也增加了整體的成本[8]。如表1所示：uKey系列產(chǎn)品在完全繼承智能卡優(yōu)點的同時很好地解決了傳統(tǒng)封裝形式的諸多不足。
表1 uKey與傳統(tǒng)智能卡的比較
比較項目uKey
讀卡器+PK卡
成本遠低于讀片器+PK卡的成本之和。雖然PK卡成本較低，但讀卡器成本通常很高。
移動辦公體積小、重量輕，方便隨身攜帶，非常適用于移動辦公。讀卡器體積大，也比較重，不便隨身攜帶。
通訊速率連接電腦主機的USB 口，通訊速率為12M bps，是高速設(shè)備。通訊速率一般在9600bps～115200bps之間。
多用戶USB設(shè)備，共享方式，支持多用戶訪問。USB級聯(lián)設(shè)備，通過級聯(lián)方式，一臺電腦可以接多個uKey。對于串口讀寫器，串口資源是獨占的且主機串口數(shù)量有限，如果串口已經(jīng)被其它設(shè)備占用，將不能使用讀卡器。USB接口讀寫器可支持多用戶。
操作方便性直接插在電腦主機的USB口或延長線接口上，操作極為簡單。熱插拔設(shè)備，可以隨時插/拔uKey而不必?fù)?dān)心損壞。對于串口讀寫器，電腦主機串口不支持熱插拔，經(jīng)常插拔、操作不當(dāng)時容易燒壞主機串口。USB讀寫器操作方便性同uKey。
2） uKey特點
（1）高安全性。uKey通過了國家安全管理權(quán)威部門—國密辦的技術(shù)鑒定和認(rèn)可，支持國密辦認(rèn)證的分組算法SSF33，也是國內(nèi)唯一能同時支持ECC、RSA密碼算法的同類產(chǎn)品。使用基于硬件RSA算法的uKey比單純軟件實現(xiàn)RSA的應(yīng)用更加安全可靠。敏感數(shù)據(jù)都被保存在uKey的安全存儲區(qū)域中，未授權(quán)用戶將無法接觸到這些信息。uKey的安全性還在于uKey所使用的加密算法都是被廣泛公開、業(yè)界公認(rèn)并經(jīng)受了多年考驗的算法。
（2）靈活易用。使用uKey無需任何附加外部設(shè)備。用戶只需簡單地將uKey插入任何帶有USB接口的設(shè)備就可以使用uKey，使用完畢后直接拔下uKey就可以了。
（3）造價低廉。uKey比任何傳統(tǒng)基于硬件的安全系統(tǒng)都節(jié)省開支。由于使用uKey無需任何附加設(shè)備，因此很適合大范圍發(fā)行。uKey能夠?qū)崿F(xiàn)智能卡提供的所有功能，但是不需要智能卡讀卡器。
（4）攜帶方便。uKey體積小，重量輕，精美時尚，可以隨身攜帶。
（5）無縫集成。uKey提供符合業(yè)界廣泛認(rèn)可的PKCS#11和Microsoft CryptoAPI兩種標(biāo)準(zhǔn)接口。任何兼容這兩種接口的應(yīng)用程序，都可以立即集成uKey進行使用。uKey內(nèi)置大容量智能卡安全芯片，可以同時存儲多個數(shù)字證書和用戶私鑰及其它數(shù)據(jù)。也就是說，多個PKI應(yīng)用程序可以共用同一個uKey。
（6）高可靠性。uKey使用嚴(yán)格工藝制造，可長期安全的保存用戶數(shù)據(jù)。
3.2 Windows登錄原理
Windows 2000的登錄方式分為兩種：一種是交互式登錄（Interactive Logon），另一種是遠程登錄[9] （Remote Logon）。交互式登錄是最典型的登錄方式，并且由大部分訪問域的用戶所使用。當(dāng)用戶第一次登錄到某臺計算機時將發(fā)生交互式登錄，該過程使用登錄用戶的用戶名和密碼來確切驗證用戶真實身份。
Windows操作系統(tǒng)的身份認(rèn)證機制可以用Windows登錄模塊體系圖來說明。如圖1所示，Winlogon進程是Windows 2000及以上版本提供的一個支持交互式操作的組件，用于負(fù)責(zé)管理與承擔(dān)登錄相關(guān)的安全工作，包括處理用戶的登錄與注銷、啟動用戶SHELL、輸入密碼、更改密碼、鎖定與解鎖計算機等。GINA（Graphical Identification and Authentication）是一個圖形動態(tài)鏈接庫，在Winlogon進程中運行，用于提供可定制的登錄界面并對用戶進行身份驗證。LSA（Local Security Authority，本地安全認(rèn)證）是在用戶模式下運行/Winnt/ System32/Lsass.exe映像的進程，負(fù)責(zé)本地系統(tǒng)安全策略。
圖1 Windows登錄模塊體系結(jié)構(gòu)圖
在Windows登錄過程中，如果用戶在Windows系統(tǒng)啟動后按下“Ctrl+Alt+Del”組合鍵，則會引起硬件中斷，該中斷信息被系統(tǒng)捕獲后，操作系統(tǒng)立即激活Winlogon進程。Winlogon進程通過調(diào)用GINA.DLL將登錄窗口（賬戶名和口令登錄提示符）展示在用戶面前。GINA.DLL在收集好用戶登錄信息后，就調(diào)用LSA的LsaLogonUser命令，將用戶登錄信息傳遞給LSA。實際上認(rèn)證部分的功能是通過LSA來實現(xiàn)的，這三部分相互協(xié)作實現(xiàn)了Windows的登錄認(rèn)證功能。
缺省狀態(tài)下，Windows系統(tǒng)提供微軟公司自己實現(xiàn)的GINA.DLL—msgina.dll供Winlogon進程調(diào)用。用戶登錄前后計算機的狀態(tài)有3個，分別是LOGGED_OFF（未登錄）、LOGGED_ON（已登錄）、LOCKED（鎖定）。
3.3 msgina.dll的狀態(tài)流程
msgina.dll的狀態(tài)流程如圖2所示，圖中部分英文是調(diào)用的函數(shù)名稱。
圖2 msgina.dll狀態(tài)流程圖
（1）系統(tǒng)啟動后，首先調(diào)用WlxNegotiate函數(shù)確認(rèn)該DLL是否支持當(dāng)前版本的Winlogon.exe，接著調(diào)用函數(shù)WlxInitialize進行相關(guān)函數(shù)初始化。完成初始化工作后，Winlogon進程調(diào)用函數(shù)WlxDisplaySASNotice顯示歡迎用戶登錄界面，該函數(shù)還會檢測是否有自定義的SAS（Secure Attention Sequence，安全提示碼序列）出現(xiàn)。如果出現(xiàn)則通知Winlogon進程有登錄請求發(fā)出。SAS在Windows 2000下缺省為“Ctrl+Alt+Del”，用戶也可以定義自己的SAS。
（2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)有SAS事件發(fā)生時，Winlogon進程調(diào)用WlxLoggedOutSAS函數(shù)，并向下調(diào)用WlxDialogBoxParam顯示用戶登錄對話框，然后調(diào)用LSA進行驗證，如果驗證通過，Winlogon進程調(diào)用函數(shù)WlxActivateUserShell啟動用戶外殼程序。
（3）當(dāng)系統(tǒng)處于登錄成功且沒有鎖定狀態(tài)（LOGGED_ ON state）時，Winlogon進程接收到SAS事件時，就調(diào)用函數(shù)WlxLoggedOnSAS。
（4）當(dāng)系統(tǒng)處于鎖定的狀態(tài)（LOCKED state）時，Winlogon進程則調(diào)用函數(shù)WlxDisplayLockedNotice顯示一些信息，如鎖定者、鎖定時間等。當(dāng)其接收到SAS事件時就調(diào)用函數(shù)WlxWkstaLockedSAS，該函數(shù)的返回值將確定工作站的狀態(tài)：仍然鎖定、解鎖或用戶注銷。
（5）當(dāng)用戶注銷時，Winlogon進程調(diào)用函數(shù)WlxLogoff，通知msgina.dll用戶的注銷操作，msgina.dll做出相應(yīng)處理。當(dāng)用戶需要關(guān)閉計算機時，Winlogon進程調(diào)用函數(shù)WlxShutdown，允許msgina.dll進行系統(tǒng)關(guān)閉前的處理。
（6）缺省狀態(tài)下，Winlogon進程在注冊表中查找鍵值HKEY_LOCAL_MACHINE /Software/ Microsoft/Windows NT/CurrentVersion/Winlogon，如果存在GINA.DLL鍵，則Winlogon使用該鍵；如果不存在GINA.DLL鍵，則Winlogon就使用默認(rèn)值msgina.dll。由于GINA動態(tài)鏈接庫可以替換，因此只要通過一個自定義GINA來替換GINA.DLL，即可實現(xiàn)用其它認(rèn)證方式代替Windows所默認(rèn)的登錄方式，例如：eKey、指紋識別等[10]。
3.4 安全登錄實現(xiàn)原理
利用uKey提供的安全機制，將數(shù)字證書存儲在uKey中，以實現(xiàn)用戶登錄及身份認(rèn)證。由Windows系統(tǒng)登錄原理可知，要實現(xiàn)基于數(shù)字證書的uKey安全登錄及身份驗證，需要完成兩項工作：一是編寫自定義GINA，二是與uKey進行交互。
1） 自定義GINA—Ginamy.dll的實現(xiàn)
在GINA中，由Winlogon進程進行函數(shù)調(diào)用，通過自定義SAS可以實現(xiàn)對uKey設(shè)備的登錄支持。GINA中有兩個地方需要驗證用戶身份：一是系統(tǒng)啟動時需要驗證用戶身份；二是系統(tǒng)鎖定后解除鎖定時需要驗證用戶身份，其對應(yīng)函數(shù)分別是WlxLoggedOutSAS和WlxWkstaLocked SAS。
系統(tǒng)在沒有用戶登錄之前，Winlogon進程接收到SAS事件時調(diào)用函數(shù)WlxLoggedOutSAS，因此可在該函數(shù)中對uKey的存在與否進行判斷。
當(dāng)插入uKey時，uKey檢測窗口發(fā)現(xiàn)后向Winlogon進程發(fā)出登錄SAS事件，調(diào)用LogonUser函數(shù)登錄系統(tǒng)。在返回幾個必要的參數(shù)后，Winlogon進程調(diào)用WlxActivateUserShell函數(shù)激活用戶桌面，這樣用戶就可成功登錄到Windows系統(tǒng)中進行正常操作。
在Windows使用過程中，如果用戶有事需要離開現(xiàn)場而拔下uKey，則應(yīng)用系統(tǒng)獲得uKey斷開的消息，通過調(diào)用WlxSasNotify函數(shù)發(fā)送一個自定義的SAS事件；隨后Winlogon進程就調(diào)用WlxLoggedOnSAS函數(shù)進行相應(yīng)的處理，通過發(fā)送返回值：WLX_SAS_ACTION_LOCK_ WKSTA實現(xiàn)對Windows系統(tǒng)桌面的鎖定。
系統(tǒng)鎖定后，如果用戶重新插入uKey時，則系統(tǒng)通過調(diào)用WlxSasNotify函數(shù)發(fā)出一個自定義解除鎖定的SAS事件；Winlogon進程調(diào)用WlxWkstaLockedSAS函數(shù)，在驗證PIN正確后通過發(fā)送返回參數(shù)：WLX_SAS_ACTION_UNLOCK_ WKSTA即可對Windows系統(tǒng)桌面解鎖，允許用戶重新登錄。
2） 與uKey進行交互
如圖3所示，在辦公局域網(wǎng)中可以采用集中式的管理方案，集中配置一個身份驗證服務(wù)器，客戶端所有登錄請求都將被發(fā)送到驗證服務(wù)器進行驗證。
圖3 身份驗證的集中式管理方案
使用uKey進行身份認(rèn)證與安全登錄主要包括以下步驟：
1）初始化uKey
當(dāng)新用戶提出登錄申請時，管理員根據(jù)用戶需求生成數(shù)字證書，同時將數(shù)字證書和對應(yīng)的密鑰對寫入一個全新的uKey中，然后將此uKey發(fā)放給用戶。密鑰存儲在uKey中特殊的文件分區(qū)里，不能向外讀出，以保證其私密性，但可以使用該私鑰進行加密或簽名。用戶獲得自己的uKey后就可以登錄指定的機器。
2）用戶注冊
當(dāng)客戶端第一次使用uKey進行登錄時，需要向身份認(rèn)證服務(wù)器進行注冊?？蛻舳俗x出uKey中的數(shù)字證書，同時在本地創(chuàng)建本地賬戶名（機器名+硬盤序列號）和密碼，經(jīng)過私鑰加密后一起發(fā)送給身份驗證服務(wù)器。服務(wù)器接收到后，驗證證書的合法性，如果合法，就認(rèn)為此用戶是合法用戶，然后檢查身份信息數(shù)據(jù)庫。如果沒有此賬戶名，服務(wù)器則認(rèn)為這臺機器是第一次被登錄，需要進行注冊，就把此賬戶名和密碼加入身份信息數(shù)據(jù)庫，接著服務(wù)器向客戶端發(fā)回確認(rèn)信息，客戶端收到后則認(rèn)為注冊成功。
3）安全登錄
用戶登錄客戶端時，首先插入uKey并將用戶信息提交到身份驗證服務(wù)器，服務(wù)器生成隨機數(shù)發(fā)回到客戶端；然后客戶端利用uKey對隨機數(shù)進行簽名并發(fā)回服務(wù)器端；最后服務(wù)器利用對應(yīng)的用戶公鑰進行驗證，如果有效就認(rèn)為是合法用戶，否則拒絕登錄。具體登錄驗證流程如圖4所示。
圖4 基于uKey的安全登錄與身份認(rèn)證流程
a．用戶登錄客戶端，開啟計算機。
b．Winlogon進程調(diào)用自定義的Ginamy.dll替換默認(rèn)的msgina.dll，實現(xiàn)自己的身份驗證過程。
c．Ginamy.dll通過調(diào)用uKey的API函數(shù)來檢測uKey是否插上，如未發(fā)現(xiàn)uKey，則提示用戶插入uKey，并拒絕登錄。
d．一旦檢測到uKey，則彈出自定義對話框，要求用戶輸入個人PIN碼，這一過程是對持卡人身份的確認(rèn)。
e．如果驗證PIN碼正確，則可啟動認(rèn)證過程（如圖4中虛線框中的認(rèn)證算法）。
f．自定義的Ginamy.dll模塊將根據(jù)認(rèn)證結(jié)果返回允許或禁止用戶登錄系統(tǒng)。
g．若用戶有事暫時離開而拔下uKey，則計算機被鎖定，直到用戶重新插入合法的uKey，輸入正確PIN碼，經(jīng)過驗證成功后就可以重新登錄系統(tǒng)。
3.5 安全性分析
安全系統(tǒng)自身的安全性是首先要考慮的問題，以下從四個方面對采用uKey實現(xiàn)身份認(rèn)證的安全性進行分析：
1）用戶私鑰的雙重保護
用戶數(shù)字證書及個人密鑰保存在uKey中。身份驗證時，使用對稱加密算法對用戶私鑰進行加密處理。由于私鑰不通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此攻擊者不可能從截獲的數(shù)據(jù)中獲得用戶私鑰。此外，uKey的訪問密碼只在客戶端出現(xiàn)，也不通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。
2）認(rèn)證過程的安全性
由于對隨機數(shù)進行簽名在uKey內(nèi)部完成，用于簽名的私鑰保存在卡內(nèi)固定區(qū)域，并且在簽名過程中私鑰不會被讀出到內(nèi)存，任何人都無法獲得uKey私鑰，因此保證了認(rèn)證過程的安全性。
3）能抵抗重放攻擊
由于每次身份驗證時，服務(wù)器都要發(fā)送不同的隨機數(shù)給客戶端，因此，如果攻擊者將以前截獲的簽名信息重放，則不可能認(rèn)證成功；如果服務(wù)器發(fā)送的隨機數(shù)被截獲，由于攻擊者不能得到用戶私鑰也不可能將隨機數(shù)正確簽名，因此也不可能認(rèn)證成功。
4）能抵抗假冒攻擊
由于攻擊者無法獲取用戶私鑰以及用戶uKey的PIN碼，因此無法向服務(wù)器端發(fā)送驗證請求，從而無法通過服務(wù)器的認(rèn)證。
4 小結(jié)
本文論述了身份認(rèn)證技術(shù)，在研究uKey技術(shù)及Windows系統(tǒng)登錄原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字證書的uKey安全登錄與身份認(rèn)證方案，完成了自定義GINA的開發(fā)，實現(xiàn)了基于uKey的身份認(rèn)證與系統(tǒng)安全登錄功能。經(jīng)調(diào)試運行，系統(tǒng)達到了對安全登錄與身份認(rèn)證的目標(biāo)要求。
