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获戽鲁
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1 第 32 卷第 2 期 2015 年 3 月 Journal of University of Chinese Academy of Sciences Vol. 32 March No 文章编号 : (2015) 简报一种基于 Android 系统的短信息移动分级安全方法张明庆 ꎬ 张灿 ꎬ 陈德元 ꎬ 张克楠 ( 中国科学院大学电子电气与通信工程学院 ꎬ 北京 ) (2014 年 5 月 6 日收稿 ꎻ 2014 年 5 月 29 日收修改稿 ) Zhang M Qꎬ Zhang Cꎬ Chen D Yꎬ et al. A mobile classification security method for SMS based on Android system [ J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciencesꎬ 2015ꎬ32(2): 摘要针对智能手机难以全面保障短信息传输的安全 ꎬ 提出一种新的基于 Android 系统的短信息移动分级安全方法. 对一般用户短信息 ꎬ 使用计算复杂度较低的序列加密 ꎻ 对涉及商业信息安全的短信息 ꎬ 使用基于 RSA 数字签名的序列加密 ꎻ 对含有用户账号密码的重要短信息 ꎬ 使用基于数字签名的 RSA 非对称加密. 仿真实验和实际应用表明 ꎬ 这种移动分级安全方法 ꎬ 加密的密文中的 0 和 1 接近等概率分布 ꎬ 具有比特效应 ꎬ 且性能稳定 ꎬ 适合应用于资源受限的手机或其他移动终端. 关键词短信息 ꎻ 移动分级安全 ꎻ Android 系统 ꎻ 基于签名的序列加密 ꎻ RSA 中图分类号 :TP 文献标志码 :A doi: / j. issn A mobile classification security method for SMS based on Android system ZHANG Mingqingꎬ ZHANG Canꎬ CHEN Deyuanꎬ ZHANG Kenan ( School of Electronicꎬ Electrical and Communication Engineeringꎬ University of Chinese Academy of Sciencesꎬ Beijing ꎬChina) Abstract Currently smart phones can not guarantee the comprehensive security of short message service ( SMS). In this studyꎬ a mobile classification security method for SMS based on Android system is proposed. We use sequence encryption with low computational complexity to encrypt short messages of minor importance and sequence encryption based on RSA digital signature to short messages related to business information. For short messages containing account numbers or passwordsꎬ we use RSA encryption to encrypt them. The applications show that proportion of 0 or 1 in cipher text encrypted by this mobile classification security method is 0 5. This method has stable performance. The mobile classification security method is applicable to resource constrained mobile phones and other mobile devices. Key words SMSꎻ mobile classification securityꎻ Android systemꎻ sequence encryption based on digital signatureꎻ RSA 国家自然科学基金重点项目 ( ꎬ ) 和国家科技重大专项 (2010ZX ) 资助通信作者 ꎬE mail:czhang@ ucas. ac. cn

2 282 第 32 卷随着智能手机的普及 ꎬ 短信息已经成为人们日常交流商业往来的重要手段. 手机用户每天发送和接收的短信息中含有很多重要信息 ꎬ 例如银行账号商业数据和个人资料等 ꎬ 如何保护短信息的全面安全 ꎬ 成为手机用户日益关注的问题. 数据加密算法主要包括对称性密码算法和非对称密码算法 2 种 ꎬ 其中对称密码算法分为分组加密和序列加密. 目前应用较多的分组加密算法主要有 DES( 数据加密标准 ) SMS4 AES( 高级加密标准 ) 等 ꎻ 序列加密方法主要有 Gold 序列 SNOW2 0 等. 非对称密码算法主要有 RSA 椭圆曲线算法等 [1]. 这些加密算法都可以用于手机短信息加密. GSM( 全球移动通信系统 ) 中 ꎬ 短信息的传输大都采用 A5 加密机制. A5 是序列加密的一种 ꎬ 发送方使用 3 个级数分别是和 23 的线性移位寄存器产生会话密钥 ꎬ 明文与密钥逐位模 2 加产生密文 ꎬ 接收方采用同样的机制生成相同的会话密钥 ꎬ 与密文逐位模 2 加得到解密后的明文 [2] [3] 年 ꎬBarkan 等的研究表明 ꎬA5 机制不能保证短信息的全面安全 ꎬ 因此需要对短信息采用附加的安全保障措施. 在对称密码算法方 [4] 面 ꎬ Harb 等在 2008 年提出使用 3DES ( 三重 DES) 对短信息进行加密的方法 ꎬ 该方法主要针对涉及商业交易的短信息 ꎬ 能简单快速地实现短信的安全加密 ꎻ2013 年 ꎬHussain 和 Ajmal [5] 将 DES 和数字隐藏技术相结合 ꎬ 提出一种联合的短信息加密算法 ꎬ 通过两次握手方式保证短信息的安全传输. 在非对称密码算法方面 ꎬ 2008 年 ꎬ Lisonek 和 Drahansky [6] 对短信息进行 RSA 加密 ꎬ 并分析了 RSA 算法的效率 ꎬ 指出在 RSA 密钥长度大于 bit 时 ꎬ 将会大大增加手机的功耗和响应时间 ꎻ2009 年 ꎬAlbuja 和 Carrera [7] 在 ARM9 芯片的手机上 ꎬ 实现了短信息的 DES 3DES AES 和 RSA 等算法的加密 ꎬ 分析比较表明 RSA 加密需要更大的功耗和更长的响应时间. 综上所述 ꎬ 现存的短信息安全都没有根据用户的要求 ꎬ 采用分级安全机制. 目前短信息安全机制主要存在 2 个方面的问题 : 一是短信息加密大部分还是采用对称加密或者非对称加密中的一种算法 ꎬ 不能同时满足保密性完整性不可否认性和可靠性的全面安全要求 ꎻ 二是无法根据用户的不同要求取得强安全性和低功耗上的平衡 ꎬ 序列加密和分组加密方法的计算复杂度低 ꎬ 但加密密钥和解密密钥的安全一定程度上依赖于程序代码或密钥传输信道的安全. 非对称加密不依赖于代码实现和安全通道 ꎬ 但具有计算复杂度高功耗大的缺点 ꎬ 不适合应用于手机等资源受限的设备中. 因此 ꎬ 本文提出一种基于 Android 系统短信息的移动分级安全方法 ꎬ 根据用户的不同要求 ꎬ 对不同内容和重要性的短信息进行分级加密. 对于一般的用户短信息 ꎬ 采用 Gold 序列加密 ꎬ 保证加密的快速实现 ꎻ 对于涉及商业信息的短信息采用基于 RSA 签名的 Gold 序列加密 ꎬ 保障数据的完整性和不可否认性 ꎻ 对于含有身份信息账号密码等重要内容的短信息采用基于数字签名的 RSA 非对称加密. 实际应用表明 ꎬ 这种移动分级安全方法加密的密文中的 0 和 1 接近等概率分布 ꎬ 具有比特效应. 1 短信息通信的安全机制为了分析短信息的安全机制 ꎬ 下面简要介绍短信息通信系统 ꎬ 和在移动分级安全方法中应用的 Gold 序列加密与 RSA 非对称加密算法. 1 1 短信息通信系统短信息是移动通信提供在手机终端之间 ꎬ 或者手机与 PC 客户端之间传输文本信息的一种服务. 图 1 给出了短信息的通信框图 ꎬ 短信息通过空中接口传输到发送终端 ( 图中终端 A) 所在的基站 ꎬ 基站将短信息发送至所在的短信息中心 (SMSC)ꎬ 所有的短信息最终汇集到短信息交换中心 (GMSC). GMSC 根据短信息的目的地址 ꎬ 将短信息分发到接收终端 ( 图 1 中终端 B) 所在的短信息中心 ( SMSC). SMSC 采用存储转发的方式 ꎬ 在检测到终端 B 上线的情况下 ꎬ 将短信息通过基站发送到终端 B [8]. 图 1 短信息通信系统框图 Fig. 1 Structure diagram of SMS communication system

3 第 2 期张明庆 ꎬ 等 : 一种基于 Android 系统的短信息移动分级安全方法 283 在终端与基站之间的空中接口中 ꎬ 短信息通常采用 A5 数据加密机制 [2] ꎬ 在核心网中的短信息通常采用明文通信. 研究表明 ꎬA5 加密难以实现短信息的全面安全 [3]. 此外 ꎬ 由于短信息在核心网中采用明文通信 ꎬ 因此重要短信息存在安全风险. 1 2 Gold 序列加密产生序列加密密钥的最简单的方法为 m 序列 ꎬ 又称为最大长度线性反馈移位寄存器序列. 如果 2 个 m 序列 ꎬ 它们的互相关函数的绝对值有界 ꎬ 且满足以下条件 : { R (τ) = 2 n ꎬn 为奇数 ꎻ 2 n ꎬn 为偶数 ꎬn 不是 4 的倍数. 则这 2 个 m 序列为一个优选对. Gold 码是由构成一个优选对的 2 个码长相等码时钟速率相同的 m 序列模 2 加构成 ꎬ 其产生方法如图 2 所示. 每改变 2 个 m 序列相对位移 ꎬ 可以得到一个新的 Gold 序列. Gold 序列具有序列多相关值低的优点. 通过控制时钟周期 ꎬ 可以获得一定长度 ( 一般与明文长度相同 ) 的 Gold 序列作为密钥 ꎬ 然后与明文进行模 2 加即得到密文. 1ꎬ 则 (e A ) 作为 A 的公钥. 计算 Euclid 扩展算法计算私钥 d A ꎬ 满足 d A e A = 1 mod (φ(n A ))ꎬ 然后将公钥 (e A ) 上传到中心服务器 ꎬ 服务器进行存储. 而私钥 (d A ) 则本地保存. 终端 B 以同样的方式产生公钥 (e B ꎬn B ) 和私钥 (d B ꎬn B ). 2) 加密和解密终端 A 产生明文的短信息 ꎬ 向服务器请求 B 的公钥 (e B ꎬn B )ꎬ A 使用 B 的公钥进行短信息加密. 首先 A 将短信息拆分为 t 个分组 ꎬ 每个分组长度小于 log 2 nꎬ 使用加密方法 : c i = m i e B mod n B (1 i t)ꎬ 得到密文 C = c 1 c 2 c 3 c t. 终端 B 收到密文短信息之后 ꎬ 使用自身的私钥 d B 进行解密 ꎬ m i = c i d B mod n B (1 i t)ꎬ 从而获取明文 M = m 1 m 2 m 3 m t. 3) 签名和验证假设终端 A 待签名的短信息为 mꎬ 利用一个安全的 Hash 函数 h 来产生消息的摘要 h(m)ꎬ 然后利用终端 A 的私钥 d A ꎬ 计算得到签名 s 为 s = h (m) d A mod n A. 终端 B 接收到 m 和签名 s 后 ꎬ 首先利用上述 Hash 函数 h 产生消息的摘要 h (m)ꎬ 同时利用终端 A 的公钥 (e A )ꎬ 验证下式是否成立 h (m) mod n A = s e A mod n A ꎬ 若上式成立 ꎬ 可确定该短信息由终端 A 发出 ꎬ 并且信息在传输过程中没有被篡改 ꎬ 从而可以确保短信息的身份认证完整性和不可否认性. 2 短信息的移动分级安全方法图 2 Gold 序列发生器框图 Fig. 2 Structure diagram of Gold sequence generator 1 3 RSA 非对称加密算法 RSA 非对称加密算法由 Rivest 等提出 [9]. RSA 不仅可以进行数据加密 ꎬ 还具备数字签名的功能 ꎬ 已经广泛应用于邮件等系统. 假设终端 A 向终端 B 发送短信 ꎬ 采用 RSA 加密或者数字签名步骤如下. 1) 密钥产生终端 A 随机选择 2 个大素数 p 和 qꎬ 计算 n A = p qꎬ 和 φ(n A ) = (p - 1)(q - 1)(Euler 函数 ) ꎬ 随机选取整数 e A (1 < e < φ(n A )) 且 gcd(e A ꎬφ(n A )) = 本文提出的移动分级安全方法 ꎬ 综合利用序列加密和非对称加密的优点 ꎬ 根据用户短信息的内容和重要性进行分级安全加密. 2 1 一般用户短信息的序列加密对于一般的用户短信息 ꎬ 采用计算复杂度低的序列加密. 一般用户短信息加解密如图 3 所示 ( 不含虚线框部分 ). 该安全方法主要分为以下几个步骤 : 1) 由先验信息 ꎬ 产生通信的密钥种子利用短信息明文通信双方地址等先验知识 ꎬ 通过双方约定的规则产生密钥种子 ꎻ 2) Gold 序列产生密钥发送端根据密钥种子设置 Gold 序列的 2 个 m 序列的状态 ꎬ 通过时钟

4 284 第 32 卷控制 Gold 序列的产生 ꎬ 使得 Gold 序列生成的密钥长度等于短信息内容的长度 ꎻ 3) 加密明文和密钥进行简单的逐位模 2 加得到密文 ꎬ 密文的长度与明文长度一致 ꎻ 4) 解密接收端收到密文之后 ꎬ 根据 1) 和 2) 同样的规则产生密钥 ꎬ 密钥与密文模 2 加得到解密后的明文. 利用计算复杂度低的序列加密 ꎬ 可以快速地实现短信息的加密和解密 ꎬ 能够满足短信息的实时性要求. 2 2 基于 RSA 数字签名的序列加密对于涉及商业信息等内容的用户短信息 ꎬ 采用基于 RSA 数字签名的序列加密. 首先对短信息内容进行数字签名 ꎬ 然后采用 Gold 序列产生的密钥进行序列加密. 基于 RSA 数字签名的序列加密如图 3 所示 ( 含虚线框部分 ). 该方法与 2 1 节方法不同的是 ꎬ 在序列加密之前先对明文进行数字签名. 主要分为以下几个步骤 : 1) 由先验信息 ꎬ 产生通信的密钥种子利用短信息明文通信双方地址等先验知识 ꎬ 通过双方约定的规则产生密钥种子 ꎻ 2) 通信双方各自产生 RSA 密钥对 ꎬ 并将公钥上传到中心服务器 ꎻ 3)RSA 签名发送端使用约定好的散列函数计算短信息的散列值 ( 信息摘要 )ꎬ 然后用自身的私钥对摘要进行加密 ꎬ 生成签名 SꎬS 嵌入短信息内容中 ꎬ 作为明文的一部分 ꎻ 4) 序列加密发送端利用密钥种子 ꎬ 通过 Gold 序列产生密钥 ꎬ 密钥和明文逐位模 2 加生成密文 ꎻ 5) 序列解密接收端通过 1) 和 4) 同样的规则 ꎬ 产生密钥 ꎬ 密钥与密文逐位模 2 加得到解密后的密文 ꎻ 6) 签名验证接收端取出签名 Sꎬ 利用发送端的公钥进行解密 ꎬ 如果能解密 ꎬ 则证明短信息是发送端加密并发送的. 通过基于 RSA 签名的序列加密 ꎬ 对短信息进行安全加密 ꎬ 充分利用序列加密计算复杂度低的优点 ꎬ 又采用了 RSA 数字签名 ꎬ 能够满足保密性完整性和身份认证等安全要求. 图 3 移动分级安全 Gold 序列加密框图 Fig. 3 Structure diagram of Gold sequence encryption 2 3 基于数字签名的 RSA 非对称加密 2 1 节和 2 2 节中序列加密的关键在于加密端 ( 发送端 ) 和解密端 ( 接收端 )ꎬ 需根据同样的规则产生相同的密钥. 密钥产生规则通过代码实现 ꎬ 因此序列加密的安全在一定程度上 ꎬ 取决于程序代码的安全 ꎻ 另一方面 ꎬ 密钥种子的产生利用短信息明文作为先验信息 ꎬ 而账号密码等短信息内容 ꎬ 一般都比较短 ꎬ 使用其作为先验信息 ꎬ 会降低序列加密的对穷举攻击的抵抗性. 因此对于账号密码身份信息等用户短信息 ꎬ 本文使用基于数字签名的 RSA 非对称加密. RSA 算法的密钥产生过程是随机的 ꎬ 对于代码安全性的要求较低 ꎬ 即使获取到密钥产生规则的代码 ꎬ 仍然难以生成同样的 RSA 算法的公钥和私钥 ꎬ 且 RSA 密钥的产生与短信息明文无关. 具体实现框图如图 4 所示. 基于数字签名的 RSA 非对称加密 ꎬ 主要包括以下几个步骤 : 1) 通信双方各自产生 RSA 密钥对 ꎬ 并将公钥上传到中心服务器 ꎬ 由 1 3 节可知 ꎬ 大素数 p 和 q 的选择是随机的 ꎬ 因此 RSA 密钥对是随机产生的 ꎬ 且公钥是可以让其他人获取到的 ꎬ 因此公钥的

5 第 2 期张明庆 ꎬ 等 : 一种基于 Android 系统的短信息移动分级安全方法 285 Fig. 4 图 4 基于数字签名的 RSA 非对称加密框图 Structure diagram of RSA encryption based on digital signature 传输过程是安全的 ꎻ 2)RSA 签名发送端使用约定好的散列函数和自身的私钥生成签名 SꎬS 嵌入短信息内容中 ꎬ 作为明文的一部分 ꎻ 3)RSA 加密把短信息内容和生成的签名共同作为明文 ꎬ 利用接收端的公钥对明文进行加密 ꎬ 密文通过信道传输到接收端 ꎻ 4)RSA 解密接收端使用自身的私钥对接收到的密文进行解密 ꎬ 得到解密后的明文 ꎻ 5) 验证签名接收端取出签名 Sꎬ 利用发送端的公钥进行解密 ꎬ 如果能够解密 ꎬ 则证明短信息是发送端加密并发送的. 基于数字签名的 RSA 非对称加密 ꎬ 不仅具有数字签名的作用 ꎬ 还克服了代码反编译和先验信息不足的问题 ꎬ 可以为账号密码等特别重要的短信息提供更强的安全保障. 3 实验结果与分析仿真实验在 Android 系统版本为的 MOTOROLA ME811 手机上进行. 通常一条短信息英文字符不超过 160 个 ꎬ 中文字符不超过 70 个. 为了分析短信息的分级安全方法 ꎬ 本实验随机抽取了 5 种不同内容的短信息 ꎬ 即 100 个数字字符 100 个标点字符 50 个中文字符 100 个英文字符和 50 个随机生成的混合字符 ꎬ 作为仿真实验的明文样本序列. 本文中 Gold 序列加密采用 64 位的初始密钥长度. RSA 签名采用 SHA1 散列算法和 512 位签名密钥. 为了保证 RSA 加密的安全性不低于序列加密 ꎬ 选取 RSA 加密的密钥长度为位 [10]. 为了分析和比较各种移动分级安全方法的安全性稳定性和响应时间等性能 ꎬ 做了如下实验. 3 1 分级加密安全性分析本文的 5 条短信息明文样本 ꎬ 通过 UTF - 8 编码将明文转换成比特流 ꎬ 统计明文中 0 的分布概率. 采用本文提出的序列加密基于 RSA 签名的序列加密 ꎬ 以及基于数字签名的 RSA 非对称加密等 3 种分级加密方式对短信息进行加密 ꎬ 统计生成的密文中 0 的分布概率. 不同短信息样本明文和密文中 0 的比例见图 5 所示. 实验结果表明 ꎬ 统计 5 条短信息明文中 0 的分布概率最小为 ꎬ 最大为经过加密之后 ꎬ 密文中 0 的分布概率在 0 5 左右. 本文提出的 3 种分级加密方法生成的密文具有随机性 ꎬ 加密密文中的 0 和 1 接近等概率分布 ꎬ 熵最大 ( 不确定性最大 )ꎬ 具有分级安全性. 3 2 分级加密稳定性分析为了测试短信息的移动分级安全方法的稳定性 ꎬ 选用明文 0 的分布概率为的短信息 ꎬ 采用一次一密方法 ꎬ 利用 3 种分级安全方法进行 50 次加密. 测试结果表明 ꎬ3 种分级安全方法 50 次加密后的密文随机性保持稳定 ꎬ 密文中 0 的分布概率在 0 5 左右. 图 6 表明 ꎬ 该方法具有良好的稳定性. 3 3 分级加密响应时间分析手机是内存和计算能力受限的设备. 因此 ꎬ 手机上短信息分级安全要求实现在低计算复杂度和良好安全性上折中 ꎬ 通常用加解密的响应时间来衡量. 为了分析移动分级安全的响应性能 ꎬ 本文在 Android 手机上编写程序 ꎬ 测试不同分级安全方法的响应时间 ꎬ 响应时间包括密钥产生数据加密和数据解密. 采用含有 50 个随机中文英文数字和标点字符混合的短信息 ꎬ 作为加密短信息样本 ꎬ 进行

6 286 第 32 卷 Fig. 5 图 5 明文与密文随机性对照图 Control chart of randomness of plain text and cipher text Fig. 6 图 6 移动分级安全方法的稳定性测试结果 Results of stability test of the mobile classification security method 50 次实验 ꎬ 计算平均值得到如表 1 所示的测试结果. 表 1 移动分级安全方法的响应时间 Table 1 Response time of the mobile classification security method 移动分级安全方法响应时间 / ms 列加密 9 3 基于 RSA 签名的序列加密基于数字签名的 RSA 非对称加密针对短信息内容的重要程度 ꎬ 采用不同的加密方法 ꎬ 可以实现加密效率和加密性能上的平衡. 该方法适合应用到手机等资源受限的设备上. 4 结论本文针对目前手机难以保障短信息的全面安全的问题 ꎬ 提出一种新的基于 Android 系统短信息的移动分级安全方法. 该方法根据用户的不同要求 ꎬ 对不同内容和重要性的短信息采用不同的加密方法 ꎬ 对一般的用户短信息 ꎬ 使用计算复杂度较低的序列加密 ꎻ 对涉及商业信息的短信息 ꎬ 使用

7 第 2 期张明庆 ꎬ 等 : 一种基于 Android 系统的短信息移动分级安全方法 287 基于 RSA 签名的序列加密 ꎻ 对用户账号密码等重要信息 ꎬ 使用基于数字签名的 RSA 非对称加密. 仿真实验和实际应用表明 ꎬ 本文提出的移动分级安全方法 ꎬ 可以全面保障短信息的安全 ꎬ 并可以推广到其他操作系统手机和移动终端. 参考文献 [ 1 ] 谷利泽 ꎬ 郑世慧 ꎬ 杨义先. 现代密码学教程 [ M]. 北京 : 北京邮电大学出版社 ꎬ2013: [ 2 ] Briceno Mꎬ Goldberg Iꎬ Wagner D. Apedagogical implementation of the GSM A5 / 1 and A5 / 2 voice privacy encryption algorithms [ EB / OL ]. ( 1999 ) [ ]. http: cryptome. org / gsm a512. htm. [ 3 ] Barkan Eꎬ Biham Eꎬ Keller N. Instant ciphertext only cryptanalysis of GSM encrypted communication [ J]. Lecture Notes in Computer Science ꎬ 2003: [ 4 ] Harb Hꎬ Farahat Hꎬ Ezz. SecureSMSPay: secure SMS mobile payment model[ C] 2nd International Conference on Anti counterfeitingꎬ Security and Identificationꎬ ASID. Guiyangꎬ Chinaꎬ 2008: [ 5 ] Hussain I Mꎬ Ajmal A. SMS Security based on 2 way handshaking method using data hiding algorithm [ J ]. International Journal of Electronicsꎬ Computer and Communications Technologiesꎬ 2013ꎬ 3(4): [ 6 ] Lisonek Dꎬ Drahansky M. SMS encryption for mobile communication [ C] International Conference on Security Technology. Hainan Islandꎬ 2008: [ 7 ] Albuja J Pꎬ Carrera E V. Trusted SMS communication on mobile devices[ C] 11th Brazilian Workshop on Real Time and Embedded Systems. Pernambucoꎬ Brazilꎬ 2009: [ 8 ] 隋爱芬 ꎬ 杨义先. 第三代移动通信系统的安全 [ J]. 世界电信 ꎬ 2004ꎬ 16(5): [ 9 ] Rivest Rꎬ Shamir Aꎬ Adleman L. A method for obtaining digital signatures and public key cryptosystems [ C ] Proceedings of the 16th ACM Conference on Computer and Communications Security. 1978ꎬ 21(2): [10] William S. Cryptography and network security: principles and practice [ M]. Prentice Hallꎬ2010:

強化信用卡電子交易安全之研究

強化信用卡電子交易安全之研究 a b c / (Electronic Data Interchange) (1) a b c 1 2 (2) ) 2001-03-09 (FBI) Windows NT 100 2001-03-10. Metromedia John Kluge (ID) Abraham 32 Abdallah 47 Michael Puglisi 2003-02-20 800 2003-03-07 2002 817