基于智能卡和指紋識別的電子報稅認證系統

文章出處：http://5052h112.com 作者：沙亞清 孫宏偉 顧 明   人氣： 發表時間：2011年12月01日

1 概述 

    隨著計算機和網絡技術的發展，稅務系統實施了旨在提高稅務信息化水平的“金稅工程”項目。電子報稅系統作為“金稅工程”的重要組成部分，由納稅人通過Internet向稅務機關進行納稅申報，并與國庫、銀行聯網，將納稅人申報的稅款自動劃入國庫。由于必須直接根據納稅人申報的數據進行電子扣款，并將其作為納稅人報稅的法律依據，因此在該系統中對用戶進行可靠的身份認證至關重要。目前的電子報稅系統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。 

    現有的身份認證技術可以分為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器對用戶身份的認證，沒有提供用戶對服務器的認證，而對于電子報稅系統來說，可靠的雙向認證是至關重要的。本文將指紋識別技術與智能卡相結合，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產生的種子以及密鑰和口令生成的參數，解決服務器與用戶的雙向認證問題，提高電子報稅認證系統的安全性。

2 相關技術 

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 
系統管理員(SA)產生以下參數： 
p：一個大素數； 
h(·)：一個單向函數； 
xs：系統密鑰； 
Red(·)：遠程服務器所持的單向影子函數(shadow function)。 

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

注冊中心發給用戶口令PWi和一張包含參數[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 
系統在T′時刻收到信息C后，執行下列操作：

    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器的認證，而對于電子報稅系統，可靠的雙向認證是至關重要的，因此Awasthi等的身份認證方案不能直接用于電子報稅系統。 

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特征(minutiae)的指紋識別，細節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定性、獨特性以及可接受性和易獲得性，加上指紋識別技術的不斷成熟，目前指紋識別已被廣泛應用于公安、金融、醫藥衛生、門禁等需要身份鑒定的領域。 

基于細節的指紋匹配過程如圖1所示，一般包括以下幾個步驟：

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

(2)細節抽取：提取指紋的特征。包括以下步驟： 

1) 原始圖像轉換為二進制圖像：對指紋圖像運用過濾器平滑高頻區，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則，并考慮每個像素和它周圍的像素，產生單像素寬度的基干圖像。 
3)基干圖像的修剪和轉換：通過極限技術，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：從細節中選取一些特征形成指紋模板文件，該文件包括細節的位置、類型和方向。 

(3)細節匹配：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。
 
    現有的大部分指紋識別系統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上，結合指紋識別技術，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產生的種子以及密鑰和口令生成的參數，解決電子報稅系統中服務器與用戶的雙向認證問題。基于智能卡和指紋特征的電子報稅認證方案中存在納稅人、系統管理員(SA)、智能卡和稅務機關服務器 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 

    系統管理員(SA)產生以下參數： 
    p：一個大素數； 
    h(·)：一個單向函數； 
    xs：系統密鑰； 
    Red(·)：稅務機關服務器所持的單向影子函數。

(2)注冊階段 

    納稅人Ui想注冊成為電子報稅系統用戶時，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想登錄稅務機關服務器進行電子報稅時，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比對，驗證是否為真正的持卡人。如果驗證成功，則執行以下操作： 
    2)用新獲得的指紋細節產生隨機數r；


(4)認證階段 

    稅務機關服務器在T′時刻收到信息C后，執行下列步驟：


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，實現了動態密鑰和動態口令，并實現了雙向認證，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。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機關的服務器上申報數據。
 
    (2)實現了雙向認證。在稅務機關服務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機關服務器，只有雙方的認證都通過，納稅人才能登錄到稅務機關的服務器。 

    (3)將指紋特征作為隨機數產生種子。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，因此根據每次登錄時提供的指紋信息來產生隨機數可以保證該隨機數是一次性的。 

    (4)實現了動態密鑰和動態口令。在注冊階段根據納稅人提供的指紋模板信息和系統密鑰產生了納稅人和服務器的會話密鑰，這樣每個納稅人與服務器會話的密鑰都是不同的。在登錄階段，根據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生本次會話的密鑰，這樣實現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合，產生本次與稅務機關服務器的口令，從而實現了動態口令。 

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

5 結論 

    本文將智能卡和指紋識別技術相結合，將指紋特征作為認定智能卡擁有者的依據，解決了傳統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產生的種子以及密鑰和口令生成的參數，從而實現了動態密鑰、動態口令、納稅人和稅務機關的雙向認證，提高了電子報稅系統的安全性。下一步的工作將進一步研究電子報稅系統中數據傳輸的安全性和完整性問題。