Windows操作系統(tǒng)的密碼解決方案
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諸曄 秦芳 周東1由 分享
摘 要 本文從密碼學(xué)的角度對(duì)Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行了分析，指出了Windows操作系統(tǒng)是如何通過程序來實(shí)現(xiàn)密碼安全功能的，并描述了Windows操作系統(tǒng)的安全特征及實(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證的技術(shù)細(xì)節(jié)。
關(guān)鍵詞 CSP；MS-CAPI；數(shù)字證書；ActiveX控件；COM組件；NTLM；域控制器
1 引言
在安全方面，微軟開發(fā)并免費(fèi)提供一套密碼接口API(MS-CAPI)，使用這套API能夠解決Windows操作系統(tǒng)中的密碼安全問題。
像JAVA中的JCA/JCE一樣，MS-CAPI隱藏了密碼算法本身的一些繁瑣內(nèi)容，而僅體現(xiàn)出功能上的要求。MS-CAPI同樣使用了引擎和類的方式，但它有自己的術(shù)語(yǔ)描述方法。在MS-CAPI中，提供者類等同于我們常說的CSP(Cryptographic Service Providers)。不同的廠家提供的CSP在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)代碼上可能不盡相同，但是在對(duì)外接口上按照微軟的定義都是完全一樣的。MS-CAPI提供一套通用的但需要CSP支持的外包接口，應(yīng)用程序開發(fā)者通過使用這套接口來實(shí)現(xiàn)密碼安全功能。CSP的內(nèi)部?jī)?nèi)容對(duì)于應(yīng)用程序的開發(fā)者來說是透明的。MS-CAPI自帶默認(rèn)的微軟CSP，這個(gè)CSP也可被其它第三方的CSP所替代。
圖１ MS-CAPI與CSP的關(guān)系
圖２ MS-CAPI方法與CSP
CSP實(shí)際上就是一個(gè)DLL文件，這個(gè)文件必須經(jīng)過微軟的簽名才能保證它在Windows操作系統(tǒng)中的可用性，目前，微軟免費(fèi)對(duì)第三方的CSP進(jìn)行簽名。在應(yīng)用過程中，Windows操作系統(tǒng)首先要驗(yàn)證簽名合法性后才能正常使用。
2 MS-CAPI
我們來看一段用VB寫的小程序，這是運(yùn)用MS-CAPI來生成數(shù)字簽名的例子。例子本身很簡(jiǎn)單，但筆者還是給出了一定的注解，便于閱讀。
//給需要簽名的明文分配一個(gè)變量strPlainText
strPlainText = ”明文數(shù)據(jù)”
//通過CAPICOM數(shù)字簽名類創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，給對(duì)象命名oDigSig
set oDigSig = CreateObject(“CAPICOM.SignedData”)
//在數(shù)字簽名對(duì)象和明文建立關(guān)聯(lián)
oDigSig.Content = strPlainText
//設(shè)置輸出數(shù)據(jù)僅為簽名結(jié)果而不包含明文
fDetached = TRUE
//生成明文。通過調(diào)用數(shù)字簽名對(duì)象的Sign方法，同時(shí)傳遞相應(yīng)參數(shù)到方法中，變量signature包含簽名結(jié)果
signature = oDigSig.Sign(Nothing，fDetached)
和JCA/JCE類似，MS-CAPI的最大優(yōu)點(diǎn)就在于它是完全公開的，用戶可以自由的使用。而且，它已經(jīng)成為了IE和Windows2000以上操作系統(tǒng)的一部分。在未來的日子里，依靠微軟的品牌效應(yīng)再加上Windows操作系統(tǒng)龐大的用戶群，很可能使得MS-CAPI成為相當(dāng)流行的密碼安全類軟件。 MS-CAPI另一大優(yōu)點(diǎn)在于CAPICOM。CAPICOM是一個(gè)COM客戶端，可以通過ActiveX控件或COM組件的形式進(jìn)行密碼函數(shù)的自動(dòng)調(diào)用，CAPICOM用于處理基本的密碼操作，如簽名驗(yàn)證，數(shù)字信封，解密數(shù)字信封，加解密數(shù)據(jù)，檢查數(shù)字證書的有效性等。CAPICOM可以用VB或VC 進(jìn)行調(diào)用。
3 安全與Windows操作系統(tǒng)
3.1 安全特征
(1)安全登錄與反欺騙措施：安全登錄要求管理員為所有用戶設(shè)置一個(gè)口令用于登錄。黑客會(huì)開發(fā)一個(gè)能夠給用戶顯示登錄界面的程序，然后通過某種方式在用戶終端上運(yùn)行，而不加懷疑的用戶往往會(huì)認(rèn)為這個(gè)登錄界面就是系統(tǒng)的登錄界面，并在其中輸入自己的用戶ID和口令，攻擊者以此方式輕易地就能夠截獲用戶ID和密碼，并顯示一個(gè)登錄失敗的錯(cuò)誤信息給用戶。Windows2000以上操作系統(tǒng)通過要求用戶使用CTRL-ALT-DEL結(jié)合的方式進(jìn)行登錄來防止上述攻擊。鍵盤驅(qū)動(dòng)程序在捕捉到CTRL-ALT-DEL的序列以后，會(huì)通知系統(tǒng)調(diào)用正確的登錄顯示界面。在Windows中，是沒有辦法屏蔽CTRL- ALT-DEL三鍵組合消息的，因此，使得黑客欺騙變得無(wú)機(jī)可乘。
(2)任意訪問控制：這種機(jī)制允許資源如文件的擁有者能夠決定誰(shuí)并且能夠以哪種方式來訪問資源。
(3)權(quán)限訪問控制：這種機(jī)制允許系統(tǒng)管理員在出現(xiàn)問題的情況下，超越任意訪問控制的范圍。
(4)地址空間保護(hù)：Windows2000以上操作系統(tǒng)給每個(gè)進(jìn)程提供獨(dú)立的受保護(hù)的虛擬地址空間，這樣就有效地防止了惡意的進(jìn)程攻擊。
(5)新頁(yè)歸零：這種機(jī)制保證了任何新頁(yè)都是從內(nèi)存地址二進(jìn)制０開始的，這樣一來，一個(gè)進(jìn)程就無(wú)法知道它前面的那個(gè)進(jìn)程到底做了些什么。
(6)安全審計(jì)：利用這個(gè)機(jī)制，系統(tǒng)管理員能夠通過查詢系統(tǒng)產(chǎn)生的日志了解系統(tǒng)的相關(guān)安全事件。
每個(gè)Windows2000的用戶和用戶組會(huì)被分配一個(gè)惟一的SID，這個(gè)SID由一個(gè)隨機(jī)數(shù)和一個(gè)短的二進(jìn)制的頭標(biāo)志組成。每個(gè)SID在全世界惟一。進(jìn)程和線程只有在用戶的SID下才能運(yùn)行。每個(gè)進(jìn)程在Windows2000下都有一個(gè)包含SID和其它信息的可訪問令牌。系統(tǒng)中的每個(gè)資源(如文件)又都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的安全描述符，該描述符描述了哪個(gè)SID允許做哪些操作。
3.2 用戶認(rèn)證
Windows 2000使用Kerberos協(xié)議來完成用戶身份認(rèn)證。同時(shí)系統(tǒng)也支持Windows NT的挑戰(zhàn)／響應(yīng)機(jī)制，這種機(jī)制又被稱之為NTLM。NTLM以挑戰(zhàn)／響應(yīng)機(jī)制為基礎(chǔ)，同時(shí)避免明文口令的簡(jiǎn)單傳遞。NTLM的工作原理如下：
(1)用戶在登錄界面上輸入用戶ID和口令。用戶的計(jì)算機(jī)計(jì)算出口令的摘要值，同時(shí)在內(nèi)存中銷毀用戶輸入的口令。
(2)客戶端將用戶ID的明文傳遞到服務(wù)端。
(3)服務(wù)器傳送１６字節(jié)的隨機(jī)數(shù)到客戶端。
(4)客戶端用口令計(jì)算出的摘要加密隨機(jī)數(shù)，客戶端將加密結(jié)果(客戶端響應(yīng)值)傳送到服務(wù)器端。
(5)服務(wù)器將用戶ID、傳給客戶端的隨機(jī)數(shù)、客戶端響應(yīng)值(即客戶端加密結(jié)果)傳遞給一臺(tái)特殊的機(jī)器，我們稱之為域控制器。在域控制器上保留著所有的用戶ID和口令的消息摘要值。
(6)域控制器接收到從服務(wù)器端傳來的上述數(shù)據(jù)以后，從數(shù)據(jù)庫(kù)(SAM)中可以得到當(dāng)前用戶對(duì)應(yīng)的口令消息摘要值，并且用它來加密從服務(wù)器端傳來的隨機(jī)數(shù)。
(7)域控制器通過比較從服務(wù)器端傳來隨機(jī)數(shù)加密結(jié)果(第５步)和自身計(jì)算得到的結(jié)果(第６步)的一致性，來判斷用戶的身份是否合法。
圖3 Windows NTLM 的認(rèn)證過程
4 結(jié)論
從安全性的角度來說，Windows系統(tǒng)本身還有諸多方面值得我們進(jìn)行深入的研究，因?yàn)閃indows系統(tǒng)的安全性被集成到了操作系統(tǒng)的方方面面，大多數(shù)安全決策被本地的安全頒發(fā)策略所控制，本文的側(cè)重點(diǎn)僅在于關(guān)于密碼安全基礎(chǔ)的概念方面，力圖使讀者對(duì)于系統(tǒng)的安全特性有所了解，以便日后再進(jìn)行深入研究。
參考文獻(xiàn)
[1]Steve Burnett & Stephen Paine著，馮登國(guó)，周永彬，張振峰，李德全等譯．《密碼工程實(shí)踐指南》．清華大學(xué)出版社，2001.10
[2]Bruce Schneier著，吳世忠等譯．應(yīng)用密碼學(xué)——協(xié)議、算法與C源程序．機(jī)械工業(yè)出版社，2000
[3]張世永．《網(wǎng)絡(luò)安全原理與應(yīng)用》．科學(xué)出版社
[4]尹傳勇，劉壽強(qiáng)，陳嬌春．《基于PKI/CA身份認(rèn)證體系的應(yīng)用研究》．計(jì)算機(jī)安全