基于智能卡和指紋識別的電子報稅認證系統(tǒng)

文章出處：http://56733.cn 作者：沙亞清 孫宏偉 顧 明   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月01日

1 概述 

    隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，稅務(wù)系統(tǒng)實施了旨在提高稅務(wù)信息化水平的“金稅工程”項目。電子報稅系統(tǒng)作為“金稅工程”的重要組成部分，由納稅人通過Internet向稅務(wù)機關(guān)進行納稅申報，并與國庫、銀行聯(lián)網(wǎng)，將納稅人申報的稅款自動劃入國庫。由于必須直接根據(jù)納稅人申報的數(shù)據(jù)進行電子扣款，并將其作為納稅人報稅的法律依據(jù)，因此在該系統(tǒng)中對用戶進行可靠的身份認證至關(guān)重要。目前的電子報稅系統(tǒng)采用基于用戶名和口令的身份認證方案，容易受到非法用戶“假冒身份”的攻擊，同時系統(tǒng)中所保存的口令表的安全性也是難以保證的，因此該方案存在較大的安全隱患。 

    現(xiàn)有的身份認證技術(shù)可以分為3類：基于用戶知道的東西，通常指口令和個人識別碼；基于用戶擁有的東西，通常指智能卡或者令牌；基于用戶的生物特征——身體特征或人物性格的測試。單獨使用其中某一種技術(shù)均在一定程度上存在安全隱患，為此Hwang和Li等人提出了基于Elgmal算法的智能卡的口令認證方案，這些方案利用智能卡來認證用戶的身份，雖然解決了口令表的安全問題，但非法用戶仍然可以通過Chan攻擊和Chang攻擊產(chǎn)生有效的用戶名和口令。為了解決這個問題，2004年Awasthi等人提出了一種增強的基于智能卡的遠程用戶認證方案，該方案雖然能夠抵御上述攻擊，在一定程度上提高系統(tǒng)的安全性，但存在以下缺陷：首先，非法用戶可以通過盜取合法用戶的智能卡及口令進行登錄，從而依然可能受到“假冒身份”攻擊；其次，該方案僅提供了服務(wù)器對用戶身份的認證，沒有提供用戶對服務(wù)器的認證，而對于電子報稅系統(tǒng)來說，可靠的雙向認證是至關(guān)重要的。本文將指紋識別技術(shù)與智能卡相結(jié)合，利用用戶的指紋特征認證智能卡所有者的身份，同時將指紋信息作為認證方案中隨機數(shù)產(chǎn)生的種子以及密鑰和口令生成的參數(shù)，解決服務(wù)器與用戶的雙向認證問題，提高電子報稅認證系統(tǒng)的安全性。

2 相關(guān)技術(shù) 

2.1 智能卡口令認證方案 

    為了防止非法用戶通過Chan攻擊和Chang攻擊產(chǎn)生有效的用戶名和口令，Awasthi等提出了一種增強的基于智能卡的遠程用戶認證方案，該方案分為初始化、注冊、登錄和認證4個階段： 

(1)初始化階段 
系統(tǒng)管理員(SA)產(chǎn)生以下參數(shù)： 
p：一個大素數(shù)； 
h(·)：一個單向函數(shù)； 
xs：系統(tǒng)密鑰； 
Red(·)：遠程服務(wù)器所持的單向影子函數(shù)(shadow function)。 

(2)注冊階段 
用戶Ui向待訪問服務(wù)器注冊時，提交IDi給SA，SA進行以下計算：

注冊中心發(fā)給用戶口令PWi和一張包含參數(shù)[h(·)，p，SIDi]的智能卡。

(3)登錄階段 
用戶Ui插入智能卡并提供IDi和PWi，智能卡進行如下運算：

(4)認證階段 
系統(tǒng)在T′時刻收到信息C后，執(zhí)行下列操作：

    該方案雖然可以有效地抵御Chan攻擊和Chang攻 擊，但是無法對智能卡所有者進行可靠的身份認證，非法用戶依然可以通過竊取智能卡及用戶名和口令后進行登錄，同時也沒有提供用戶對服務(wù)器的認證，而對于電子報稅系統(tǒng)，可靠的雙向認證是至關(guān)重要的，因此Awasthi等的身份認證方案不能直接用于電子報稅系統(tǒng)。 

2.2 指紋識別 

    指紋識別是利用人體指紋特征進行的身份認證，在指紋識別算法中比較流行的是基于細節(jié)特征(minutiae)的指紋識別，細節(jié)是指指紋圖像中脊線的分支和末梢。由于指紋具有較高的穩(wěn)定性、獨特性以及可接受性和易獲得性，加上指紋識別技術(shù)的不斷成熟，目前指紋識別已被廣泛應(yīng)用于公安、金融、醫(yī)藥衛(wèi)生、門禁等需要身份鑒定的領(lǐng)域。 

基于細節(jié)的指紋匹配過程如圖1所示，一般包括以下幾個步驟：

(1)圖像預(yù)處理增強：對從指紋讀取設(shè)備獲得的原始圖像進行修剪以防止圖像失真。 

(2)細節(jié)抽取：提取指紋的特征。包括以下步驟： 

1) 原始圖像轉(zhuǎn)換為二進制圖像：對指紋圖像運用過濾器平滑高頻區(qū)，并運用閾值對圖像進行二進制化處理。 
2) 細化處理：通過空間域方法和細化規(guī)則，并考慮每個像素和它周圍的像素，產(chǎn)生單像素寬度的基干圖像。 
3)基干圖像的修剪和轉(zhuǎn)換：通過極限技術(shù)，去除不需要的特征并獲得基干圖像的末梢點和分支點。 
4)注冊指紋信息：從細節(jié)中選取一些特征形成指紋模板文件，該文件包括細節(jié)的位置、類型和方向。 

(3)細節(jié)匹配：將新獲得的指紋信息進行處理得到指紋特征，然后將該特征與存儲的指紋模板進行匹配。
 
    現(xiàn)有的大部分指紋識別系統(tǒng)將指紋特征模板保存在計算機中，當用戶登錄時，將新采集到的指紋信息與在計算機中儲存的指紋特征模板進行比較，來認證用戶的身份。在這樣的系統(tǒng)中，入侵者很容易對指紋特征模板進行竊取和攻擊，為了保證模板的安全，可以將指紋特征模板存儲在智能卡中，同時將指紋的匹配過程在卡內(nèi)進行，從而保證了指紋信息不外泄。  

3 基于智能卡和指紋特征的電子報稅認證方案 

    為了提高電子報稅認證系統(tǒng)的安全性，本文在Awasthi等提出的基于智能卡的遠程用戶認證方案基礎(chǔ)上，結(jié)合指紋識別技術(shù)，利用用戶的指紋特征認證智能卡所有者的身份，同時將指紋信息作為認證方案中隨機數(shù)產(chǎn)生的種子以及密鑰和口令生成的參數(shù)，解決電子報稅系統(tǒng)中服務(wù)器與用戶的雙向認證問題?；谥悄芸ê椭讣y特征的電子報稅認證方案中存在納稅人、系統(tǒng)管理員(SA)、智能卡和稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器 4個實體，分為初始化、注冊、登錄和認證4個階段，如圖2所示。

(1)初始化階段 

    系統(tǒng)管理員(SA)產(chǎn)生以下參數(shù)： 
    p：一個大素數(shù)； 
    h(·)：一個單向函數(shù)； 
    xs：系統(tǒng)密鑰； 
    Red(·)：稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器所持的單向影子函數(shù)。

(2)注冊階段 

    納稅人Ui想注冊成為電子報稅系統(tǒng)用戶時，提交自己的指紋信息和IDi給注冊中心的SA，SA進行以下計算：


(3)登錄階段 

    當納稅人Ui想登錄稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器進行電子報稅時，必須首先插入智能卡并提供指紋信息，并輸入IDi和PWi，智能卡執(zhí)行以下 操作： 
    1)將新獲得的指紋信息與存儲在智能卡中的指紋模板在卡內(nèi)比對，驗證是否為真正的持卡人。如果驗證成功，則執(zhí)行以下操作： 
    2)用新獲得的指紋細節(jié)產(chǎn)生隨機數(shù)r；


(4)認證階段 

    稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器在T′時刻收到信息C后，執(zhí)行下列步驟：


4 安全分析與討論 

    本文提出的基于智能卡和指紋識別的電子報稅方案中，將指紋特征運用到了口令認證方案中，實現(xiàn)了動態(tài)密鑰和動態(tài)口令，并實現(xiàn)了雙向認證，具有以下特點和安全性：
 
    (1)將指紋特征作為判斷智能卡所有者的依據(jù)。即便非法用戶獲得了合法用戶的智能卡和口令，由于缺少必需的指紋信息，因此非法用戶也不能假冒合法用戶登錄到稅務(wù)機關(guān)的服務(wù)器上申報數(shù)據(jù)。
 
    (2)實現(xiàn)了雙向認證。在稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器驗證了納稅人的登錄請求后，必須向納稅人傳送認證信息，由納稅人來判斷是否為合法的稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器，只有雙方的認證都通過，納稅人才能登錄到稅務(wù)機關(guān)的服務(wù)器。 

    (3)將指紋特征作為隨機數(shù)產(chǎn)生種子。在納稅人進行登錄時，必須提供指紋信息，而每次登錄采集到的指紋信息是不完全相同的，因此根據(jù)每次登錄時提供的指紋信息來產(chǎn)生隨機數(shù)可以保證該隨機數(shù)是一次性的。 

    (4)實現(xiàn)了動態(tài)密鑰和動態(tài)口令。在注冊階段根據(jù)納稅人提供的指紋模板信息和系統(tǒng)密鑰產(chǎn)生了納稅人和服務(wù)器的會話密鑰，這樣每個納稅人與服務(wù)器會話的密鑰都是不同的。在登錄階段，根據(jù)納稅人在登錄時提供的指紋信息與存儲在智能卡中的密鑰產(chǎn)生本次會話的密鑰，這樣實現(xiàn)了每次會話的密鑰都是不同的。同時在登錄階段又將指紋信息和納稅人的口令結(jié)合，產(chǎn)生本次與稅務(wù)機關(guān)服務(wù)器的口令，從而實現(xiàn)了動態(tài)口令。 

    綜合以上分析，該方案結(jié)合智能卡口令認證方案和指紋識別技術(shù)，有效地解決了稅務(wù)機關(guān)和納稅人之間的相互認證問題，提高了電子報稅系統(tǒng)的安全性。 

5 結(jié)論 

    本文將智能卡和指紋識別技術(shù)相結(jié)合，將指紋特征作為認定智能卡擁有者的依據(jù)，解決了傳統(tǒng)口令認證方式中口令表的安全性得不到保證的問題，同時把指紋信息作為認證方案中隨機數(shù)產(chǎn)生的種子以及密鑰和口令生成的參數(shù)，從而實現(xiàn)了動態(tài)密鑰、動態(tài)口令、納稅人和稅務(wù)機關(guān)的雙向認證，提高了電子報稅系統(tǒng)的安全性。下一步的工作將進一步研究電子報稅系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾詥栴}。