聚焦安全：互联网场景的身份认证方法分析

文 / 肖新光

2011年末多家国内网站用户信息泄露，让许多人意识到安全不再是与自己无关的话题。 2012年3月《程序员》封面报道，我们分别从身份认证、数据库安全、中间平台、终端用户、云计算等几个角度为大家剖析安全所涉的方方面面。

互联网之前的身份认证

身份认证是一个古老的话题，从最早的户籍造册，到今天的2代身份证或社会保险号码，“我是谁”或“他是谁”的问题贯穿着人类社会的发展。

身份认证的历史，是辨识方式演进的历史。辨识可能是基于个体，如悬赏缉拿画影图形，也可能是针对群体，比如两军对垒，要身着不同的盔甲以做混战中的辨识。身份认证的历史，也是与仿冒和窃取对抗的历史，从兵符形状相合到盖在圣旨上的“皇帝之宝”图章，都是在与诈符矫诏进行着斗争。因此，互联网身份认证，并不是孤立新生的技术，它具有传统的特点，也具有新生的便利性，同时也带来了新的困难与挑战。

如果说网络对身份识别方式的最大挑战是身份与物理实体的脱离，那么，一个开放的互联网所带来的最大挑战就是身份的虚拟化一般来说，在现实社会中，一个合法公民的身份是唯一的、终身的，但在网络上并非如此。对于大多数网络应用，用户都可以自由拥有多个身份，并可以随时新建或废止它们，当然也包括一不小心遗失它们。

用户名/口令

最原始的用户名/口令安全模式，据说出现在1962年MIT的CTSS计算机之上。其中用户名用来保证虚拟身份唯一，口令则用于保证虚拟身份安全。用户名一经建立不可改变，而密码则可以随时更改。

没有人发现这其中的革命性意义吗？身份和凭证被区分开了，因为与现实世界一样，身份是不变的，但凭证则可以更新。互联网身份认证的威胁也与传统安全要素一脉相承，包括验证场景的安全性、传递通道的安全性、凭据的质量等。

第一波威胁

传统的用户名/口令机制遇到的威胁，多来自其围绕着早期UNIX系统那种非常明显的君子时代的痕迹，但回头来看，这些威胁实际一直演化至今。

口令猜测：早期系统可以在低权限条件下实现用户名列表的获取，而同时还有默认用户名和内建账户的存在（默认口令可能为空），这就使口令猜测成为可能。依托某些信息，进行单点的密码猜解是一直存在的安全威胁，并逐渐推演出，单用户大密码档猜测、多用户常见密码猜测和今天的拖库后的撞库攻击。

登录过程嗅探：对于Telnet 、FTP这些非常原始的远程行命令工具来说，其连接场景都不是基于加密协议的。而HUB设备本身却基于广播，Sniffer是非常容易的事情。而今天基于主机在TDI、NDIS等层次的本机Sniffer，基于ARP欺骗的监听，和针对无线信号的各种威胁都显得更加普遍。

口令文件的抓取：尽管早期的UNIX系统进行了基于MD5或DES的加密，但其权限配置经常相对薄弱，其Shadow文件易于抓取，之后就可以进行从容地猜测或者暴力破解，这也可以视为“拖库攻击”的雏形。

但在1998-2000年，随着Switch取代HUB提升了Sniffer的实施成本，随着Server系统的安全性普遍提高，随着SSL的逐步广泛应用，安全威胁呈现出走向桌面的趋势，围绕着登录场景的安全构成了对口令安全的第一轮攻击。

登录场景的安全

登录场景的安全，焦点在于攻击者通过木马等手段，对系统输入和输出信息的获取。其中包括KeyLog（键盘记录）、录屏、远程控制等手段。攻击者利用这些手段截取用户名和口令的输入过程，从而可以在另一地点冒用身份进行登录，或者在用户本机进行非用户本人的操作。

而随着主流桌面系统日趋复杂，更容易遭到相关手段的威胁，根据不完全整理，上述威胁点如表1所示。

表1 常见登录场景威胁

从场景安全的角度出发，安全工作者和应用开发者想到了很多方法来改善场景安全，除了主机检查、主机加固和反病毒软件外，也对登录过程的安全做了有针对性的尝试。

软键盘：用以对抗Keylog，通过鼠标点击进行密码输入，其主要问题是不能抵御远程录屏。

加扰：在输入过程加入扰动和解码两部分内容，使原始的Keylog获取不到真正的键盘记录信息，其主要问题在于扰动和解码代码本身难以有效对抗逆向分析，同时攻击者总能实现更底层的获取，实现在加扰前或者解码后获得真实的信息。

前置检查：用以在登录过程之间进行安全检查，包括环境检查（一般是针对Keylog的各个挂接点）和病毒检查两部分。而病毒检查有独立检查和外调反病毒软件两种。对于独立检查，由于不能挂载完整的反病毒引擎和库，一般都采用的是有针对性的小规则集或者采用云检测技术。

尽管有很多产品，声称已经彻底解决了登录过程的安全问题，但多数安全研究者依然倾向认为，在主机环境安全无法有得到效保障的前提下，很难实现这样一种安全登录方案—其过程是高安全等级的，并能与其他应用良好的兼容。

因此，安全工作者开始寻找其他方法，从双因数的思想出发，寻觅不依赖于主机场景的安全机制。

密保卡/矩阵卡

密保卡/矩阵卡作为一度在网游保护中普遍应用的产品，显然是受到了传统密码本思路的启发。

其基本思想是，服务商建立若干组不同的位置+信息数据，每组数据对应唯一ID，这个ID与位置+信息的数据以印刷的方式制成物理介质分发给用户，用户将相关ID与自身账号建立关联绑定。之后，服务商则不仅要求用户登录过程中输入用户名和密码，亦会要求用户输入在该介质上的一些位置信息。

这是一种典型的双因数安全思想。其密钥分发通过传统的销售渠道来进行，从而不具备在网络上监听的可能。而其自身又通过了刮刮卡等方式保护ID信息，来避免在分发渠道中遭遇翻拍记录等威胁。

但该机制很快遭遇到了安全挑战，那就是所谓的位置累计攻击。由于用户登录场景安全难以保证，每次位置询问的信息均难以避免不被获取，特别是为了避免对单个位置信息的猜测式破解，一般该机制都是同时生成多个位置，要求用户输入对应信息。因此，攻击者可以对相关位置信息进行累计。当信息累计到一定程度，攻击者就可能进行多次登录试探，当全部位置都落入攻击者之手，攻击者就进入系统，取消用户账户与密保/矩阵卡的关联。

这其实反映出了矩阵卡面临的主要问题，就是其口令空间明显受到了“工艺”和纸张大小的约束，使其为有限集。为了对抗这种攻击，服务商只能通过增加张数的方式来增加密码本的厚度，比如每月一张甚至每周一张。

如果我们从传统密码学的角度看待这种问题，亦能找到原因。目前只有一种密码机制具备者理论证明级的安全，那就是一次一密。但这一机制由于受到密码空间的限制，因此显然是“伪一次一密”。完全是民用级别的安全性。当然由于成本、易于携带等因素，其应用依然十分广泛。

有人认为由于矩阵卡基于印刷技术，因而成本低廉，但实际并非完全如此。与一般印刷不同，任何两张密保卡的内容都不同，同时还需要在印刷后准确切割。因此密保卡都需要特制设备印刷。在密保卡刚刚兴起的时期，相关印刷设备均价值百万。只有在印量足够大的情况下，相对电子令牌才有成本优势。

当然，作为一种频繁更换的产品，它也为网游厂商创造了一种增值服务的形式。

手机动态口令

对采用一次一密思路的体系来说，最大的困难不只在于大量密钥的生成和管理，如何低成本安全地传递密钥也是关键。

在PKI体系中，公钥算法被作为在同一个信道下可以实施安全会话密钥传递的方案。但落实到目前的节点安全场景来看，无论是Private Key本身，还是用以保护它的Passphrase，都可能被入侵者非常容易地获取。因此，PKI除非依托专用硬件，保证Private Key不被获取，否则在解决登录场景不安全条件下的登录安全的问题方面，并无优势可言。

由于手机的普及，使用文字短信作为动态口令分发的方法，成为一种可行的方案。它的优点是不需要增加其他动态口令设备的成本，而只依托现有电信服务就可以解决问题。

但这样的问题，也是明显的：

• 第一，如果短信有一定滞后，用户等待的体验并不理想，开玩笑地说，手机动态口令最普遍的场景是运营商的网上营业厅，因为只有运营商能保证自己的短信及时到达；
• 第二，对GSM网络来说，其监听成本日趋低廉，在定向攻击中，采用GSM动态口令的安全性，可能反而不如PC+静态口令安全。
• 第三，相对更大而更尴尬的问题出在手机上，传统手机的安全性在一定程度上来自于其简单。当它不再是那个只能进行语音通话和文字短信的无线终端，而变成一个掌上平台，当各种木马开始捆绑进入官方和非官方的App Store或电子市场，当越来越多的预装和复制的应用难以确定其安全性和真实来源时，手机安全性已经明显呈现出比PC更差的趋势。

动态口令卡/令牌/电子密保

能否建立一种机制，既能保证动态口令的一次性，同时又不产生密钥传递的成本呢？如果动态口令的体验能不依赖于第二信道的实时性，就更为理想。这就要求，在服务器和登录者之间或者存在一个巨大的共有码表，或者拥有一个具有随时一致的元素。显然，后者最理想的，就是时间。

为此，基于随机数种子+时间的动态口令/令牌机制产生了，其工作机理为，服务商为用户分发一个带有口令生成机制+显示屏的电子设备。该设备在交付给用户时完成初始化，生成用于与时间结合生成动态口令的唯一参数，该参数在服务端保存，从而完成一个依赖于时钟的动态口令机制。

有趣的是，这样一个动态口令机制在历史上依然出现过问题。由于考虑到时钟误差、用户操作时间等因素，这个机制必须能保证在一个较短时差之内（默认一般为五分钟）的登录有效，而攻击者则利用某厂商设计上的疏漏，即允许五分钟之内采用相同凭据重复登录，来获取用户输入内容，之后登录进去取消与动态口令卡的关联，或者窃取用户虚拟物品、修改密码等。

这是一个有趣的违反基本原则的设计案例，动态口令卡的设计初衷是保证登录凭据向一次一密的思想靠拢，具有一次性，但这种问题却明显违背了这一原则。

动态口令卡的安全性遇到的最大危机是2011年RSA公司被入侵后，计划召回全球超过3000万个电子令牌。

USB KEY

USB KEY显然是从加强场景安全的角度来入手的。它利用了USB接口设备内置的算法芯片，实现对数字的加密和签名，通过电路控制，确保凭证不可被远程获取。

攻击者即使获得了用户名和密码，也无法在其他位置登录。USB KEY目前的主要问题是，攻击者可能是通过远程控制在被害者主机上进行操作的，而此时对于USB KEY体系来说，则无能为力。

这一问题不仅对USB KEY存在，在用户已经完成登录过程的情况下，远端系统都无法识别出操作来自用户还是来自Backdoor。
而我们必须严肃指出的是，目前最大的风险是一部分USB KEY并不是真正的带有加密芯片的设备，而是所谓的隐藏数据U盘，但这种伪安全没有得到足够的揭露和警示。

生物识别

在传统的物理安全领域，无论我们是否情愿，都不得不遇到一些生物识别的场景。比如我们在办理某些国家签证时，必须留下掌纹；有很多单位使用指纹打卡；电影里那些要害部门更是使用虹膜作为入门凭证。

生物识别的最大意义，在于其与实体身份先天具备的不可脱离的对应关系。从这个意义上，生物识别与互联网基本匿名原则存在某些对立。但包括Fackbook等互联网巨头在内，也莫不对脸部识别兴趣十足。对生物识别的崇尚和批判，在安全领域一直都没有停止过。一些反对者认为，至少对于脸部识别和指纹识别来说，这是更容易在完全无知觉、也无法追溯条件下套取的凭据。这比传统口令只在输入过程中才有被Keylog或者Sniffer的风险相比，要高得多。当然，复制这些凭据的成本自然也高得多，无论是制作指模，还是对面部的3D打印。

而我认为，生物识别技术不适用于互联网场景的最关键原因，在于它是一种可能被获取，但却不可废止的凭据。我们只有两个虹膜、两个掌纹和十个指纹，而这使生物识别与上述任何一种安全机制相比，都处于明显的劣势。

传统的物理安全场景，基本保证了我们的指纹打卡机、虹膜检验仪是可靠的（即使只生成签名数据，不保留原始数据）的，但如果这些手段泛化到一般性的应用，则这种保障就不复存在。而同时，由于生物识别是在高等级的安全部门普遍采用的，如果互联网普遍使用，也就加大了敏感人员的个人生物信息被通过钓鱼等方式获取的风险。当然，虹膜、骨像等认证基本不太可能出现在互联网的日常应用中，而尽管一些笔记本本身已经默认带有指纹识别，但摄像头肯定是最普适的生物识别设备。因此，脸部识别的争论和博弈，就会成为焦点。

但实际上，露一面就上网，或者像刷一下指纹就进电脑一样，其实就是一个登录过程的Agent，充其量是解决了方便性问题而已。如果真的采用这个信息完成登录过程，那么无疑还是要生成相关的签名数据传递过去，只要有这个生成和传递过程，就有被获取的可能，因此并不需要用3D打印再造一张脸，只要实现一个签名数据的重放即可。

巨头们真正对脸部识别感兴趣的原因，绝不是其安全性，而是其巨大商业图谋。当图像识别出登录者脸上的雀斑时，就能定向投放祛斑霜的广告，这是多么精准的投放！

尾声

安全威胁就像一个永远不能被抓获的流窜犯，只能被我们赶来赶去，当我们认为随着动态口令卡、USB KEY等的广泛使用，基于PC的关键性互联网业务安全开始获得一定保障时，安全威胁仿佛又转入到了对Server端的威胁。

而同时在终端上我们亦无法解决一切问题，尽管登录过程已经有了保护，但信息交互的全程并不是仅靠加密就能保护的。五年前，当我们分析一个并不盗号的网银木马时，惊诧地发现，它就是截获用户转款操作，把目标账户改为预设的账户。显然这是上述任何机制都不能绝对解决的问题，即使USB KEY是基于公钥签名算法的，也无法判定让其签名的数据是否合法。因此，我们当时提出，带有显示屏幕并能进行确认操作的“专用安全交易终端”才是终极解决方案。

五年过去了，尽管类似设备多次昙花一现，但终未能形成气候，因为这是对应用和便利性的反动，同时，也不可能有绝对的安全端点。如果设备的一点有Bug，其修补显然比在PC上更困难。安全界与应用界的差距就是这样拉开的，而当算法界正在零知识和同态加密中钻之弥坚时，却发现整个应用领域，还处在是否加密，以及如何正确使用散列算法的原始困扰之中。而对攻击阵营，当然也包括白帽研究者，其研究资源和能力却在不断地增长，他们安享算法分析领域的最新成果，他们从软件到硬件的纵深，都在我们这些纯种的防御者之上。

安全存在的价值不是为了给应用的发展设置这样或者那样的屏障，因为我们完全无力约束应用的野蛮生长。安全的价值更不是为了让用户穿着50斤重的盔甲和防毒面具去上班和晨练，因为99%的用户都拒绝为应对小概率威胁，却受到持续的困扰。这就是互联网场景的安全特点。

作者肖新光，网名江海客，安天实验室首席技术架构师，研究方向为反病毒和计算机犯罪取证等。微博：weibo.com/seak

本文选自《程序员》杂志2012年03期，更多精彩内容敬请关注03期杂志

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