基于混合加密體制的手機支付系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

1 手機支付和混合加密算法

手機支付，又稱移動支付。它是利用STK技術(shù)在SIM卡上開發(fā)的通過手機進行消費的功能。主要基于銀行帳號和手機號碼的惟一性，將銀行賬戶和手機號碼進行綁定，使用戶可以通過手機短信息、語音、WAP、GPRS等多種方式對自己的銀行帳戶進行操作，實現(xiàn)查詢、轉(zhuǎn)帳、繳費、消費等功能，并可以通過短信息等方式得到交易結(jié)果和帳戶變化通知。

用橢圓曲線加密體制生成對稱加密算法AES的隨機會話密鑰K，使用隨機會話密鑰K和AES加密算法來加密消息。這樣構(gòu)造的混合密碼體制可以獲得較快的加密速度和較大的加密強度。選擇基于橢圓曲線的數(shù)字簽名，通常是一個二維向量，記為(r，s)。

2 手機支付系統(tǒng)模型

帳戶管理是銀行的強項，如果沒有銀行的參與，則不能處理高額支付。本文的支付模型是手機用戶、銀行、商家及無線運營商四者都參與的系統(tǒng)，與參考文獻的支付模型相比，具有較強的實用性。整個交易過程按系統(tǒng)模型中的標號順序依次進行，如圖l所示。

3 參與者的初始設(shè)置

商家S通過橢圓曲線密碼體制，選定IDS作為自己的身份標識，密鑰對是(ds，Qs)，其中ds是私鑰，Qs是公鑰，保留ds，公開Qs和IDs。與商家的初始設(shè)置過程一樣，無線運營商T的身份標識是IDT。密胡對是(dT，QT)；銀行B的身份標識是IDB，密鑰對是(dB，QB)。通過橢圓曲線密碼體制選擇(d1，Q1)作為與商家通信時的密鑰對。選擇同無線運營商通信時的密鑰對(d2，Q2)；將Q2與手機開戶的消息(包括手機充值)發(fā)送給無線運營商；無線運營商進行物理鑒定(包括身份證等)并驗證用戶提交的消息后，生成用戶的手機號碼IDU發(fā)送給用戶，同時在手機帳號的數(shù)據(jù)庫中儲存新用戶(IDU，Q2)。選擇同銀行通信時的密鑰對(d3，Q3)；將Q3、IDU及初始存款的相關(guān)消息遞交給銀行；銀行進行物理鑒定(包括身份證等)以確信手機號碼IDU的合法性后，生成用戶的銀行帳號IDBU發(fā)送給用戶，同時在銀行帳號的數(shù)據(jù)庫中儲存新用戶(IDBU，IDU，Q3)。

4 手機支付系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

(1)手機用戶生成購買指令m1(包含購買物品的名稱、數(shù)量及轉(zhuǎn)帳銀行的名稱等)，用密鑰d1生成m1的簽名(r1，s1)；生成核實手機權(quán)限的指令m2(不涉及交易的具體細節(jié))，用密鑰d2生成m2的簽名(r2，s2)；用同商家通信時的會話密鑰，對m1、r1和s1進行加密處理得到密文c1；用同無線運營商通信時的會話密鑰，對m2、r2、s2和IDS進行加密處理得到密文c2，將c1和c2合并后發(fā)送給商家。

(2)商家開啟用戶遞交的指令c1，如果用戶的數(shù)字簽名是錯誤的，則交易過程到此結(jié)束。否則生成驗證手機權(quán)限的指令m3，用私鑰dS生成m3的簽名(r3,s3)；將m3、r1、s3和IDU進行加密處理得到密文c3，將c3和c2合并后發(fā)送給無線運營商。

(3)無線運營商開啟商家遞交的指令c3和c2，如果下面四種情況中有一種存在，則通知商家本次交易是非法的：①商家或用戶的數(shù)字簽名是錯誤的；②根據(jù)IDU查找不到用戶在無線運營商處的記錄Q2；③比較用戶和商家遞交的指令后，發(fā)現(xiàn)兩組指令中的IDS,和IDU不相同；④查找用戶的信用記錄后，發(fā)現(xiàn)用戶的信用度很低。否則通知商家用戶擁有手機號碼IDU的使用權(quán)限，交易可以繼續(xù)下去。生成指令m4將驗證的結(jié)果反饋給商家，用私鑰dT生成m4的簽名(r4，s4)，將m4和簽名加密后發(fā)送給商家。

(4)如果反饋的消息表明本次交易是非法的，則交易過程到此結(jié)束。否則商家生成請求轉(zhuǎn)帳指令m5，用私鑰ds生成m5的簽名(r5，s5)，money表示交易所付金額，nnm為交易序列號，IDBS是商家的銀行帳號，將m5、r5、s5、money、num、IDU：和IDBS加密處理后遞交給銀行。 

(5)銀行開啟商家遞交的指令，如果下面三種情況中有一種存在，則交易過程到此結(jié)束：①商家的數(shù)字簽名是錯誤的；②根據(jù)IDU查找不到用戶在銀行的記錄仉和IDBU；③用戶的銀行帳戶上余額不足(小于交易所需的金額money)。否則生成確認購買指令m6，用私鑰dB生成m6的簽名(r6，s6)，將num、m6和(r6，s6)加密處理后發(fā)送給用戶。 

(6)如果用戶認為本次交易是非法的，則拒絕給銀行回復(fù)消息；否則生成回復(fù)指令m7．用私鑰d3生成m7的簽名(r7，s7)，將m7及簽名(r7，s7)加密處理后遞交給銀行。 

(7)如果銀行沒有得到用戶的回復(fù)指令，則購買過程到此終止；否則驗證用戶的數(shù)字簽名的合法性，進行轉(zhuǎn)帳繳費操作，并作相應(yīng)的轉(zhuǎn)帳記錄。生成轉(zhuǎn)帳成功的指令m8，用私鑰dB生成m8的簽名(r8，s8)，將m8及(r8，s8)加密處理后發(fā)送給商家；生成用戶的信用記錄消息m9，用私鑰dB生成m9的簽名(r9，s9)，將m9及(r9，s9)加密處理后發(fā)送給無線運營商。 

(8)商家驗證銀行的數(shù)字簽名合法后，將產(chǎn)品或服務(wù)交付給用戶，并保留交易記錄。 

(9)無線運營商驗證銀行的數(shù)字簽名合法后，增加手機用戶IDU的信用度。 

5 系統(tǒng)的安全性和有效性分析 

系統(tǒng)的安全性主要基于有限域上橢圓曲線加法群的離散對數(shù)問題和AES加密算法的安全強度。銀行在進行轉(zhuǎn)帳前，必須給用戶發(fā)送確認購買指令。若商家或無線運營商企圖對同一訂單向銀行發(fā)送兩次轉(zhuǎn)帳指令，銀行便向用戶發(fā)送兩次確認購買指令，用戶根據(jù)交易序列號num等信息很容易得知商家或無線運營商有一方在進行重復(fù)消費。當有人冒充用戶進行支付時，由于私鑰d2和d3是未知的，所以無法通過無線運營商和銀行的驗證。每次傳送指令時都進行了加密處理，如果攻擊者選擇攻擊密文c，則需直接攻擊128位的AES，這在現(xiàn)有的技術(shù)條件下是極其困難的；若選擇攻擊會話密鑰K，則面臨棘手的ECDLP數(shù)學難題，且會話密鑰K只使用一次，此后不再有效，即使得到密鑰K也沒有多大的實用價值。當雙方發(fā)生爭執(zhí)時，任何第三方都可以用通常的方式驗證簽名。手機用戶發(fā)送兩次指令便可完成整個交易?；跈E圓曲線加密體制和AES加密算法的混合加密算法，大大減少了計算和通信的負荷，所以本系統(tǒng)運算量小，易于在計算機的硬件和軟件上實現(xiàn)。 

用戶通過手機支付交易時，無需使用現(xiàn)金，即可實現(xiàn)輕松購物。隨著手機的日益普及，手機支付將有很大的市場潛力和良好的發(fā)展前景。本文結(jié)合混合加密體制的理論和手機通信的的特點，設(shè)計了一個可以處理高額交易的手機支付系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有較高的安全性和實用性。