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基于动态口令与指纹识别的电子邮件系统
刘翠林，申永军，张桂东，肖修吉
兰州大学信息科学与工程学院，兰州（730000）
摘 要：本文针对传统电子邮件的不足，设计出一种基于动态口令与指纹识别相结合的双向
身份认证技术的高安全性电子邮件系统。用动态口令加密指纹特征值，保障了指纹信息传输
过程的安全性，二者有机结合发挥出各自技术的优势。采用了双向认证，不仅保证了服务器
对用户的认证，也保证了用户对服务器的认证，有效防止了由于假冒服务器造成的信息丢失
与篡改。
关键词：动态口令；指纹识别；电子邮件
中图分类号：T
1. 引言
随着互联网的不断发展，越来越多的人们开始使用电子邮箱来发送邮件。电子邮件成本
低、方便发送，迅速及时的优点更是前者无法比拟的。商业机构或政府机构开始用电子邮件
交换一些秘密的或是有一定价值的信息，但是网络并不是绝对安全的，主要问题包括安全和
信任:消息和附件可以在不为通信双方所知的情况下被读取、篡改或截掉；没有办法可以确
定一封电子邮件是否真的来自某人，也就是说，发信者的身份可能被人伪造。
当前比较优秀的安全电子邮件系统大部分都是基于 PKI 开发的，但在实际的应用中还
存在很多问题，如私有密钥的存储安全性。同时，PKI 系统的安全很大程度上依赖于运行
CA的服务器、软件等，如果黑客非法侵入一个不安全的 CA服务器，就可能危害整个 PKI
系统。
指纹与生俱来，不易丢失、不易受损、易于识别，在网络环境下， 可以利用它来进行
身份认证。本文设计的电子邮件系统将在 PKI 技术保障通信内容安全性的基础上，采用动
态口令与指纹识别相结合的双向身份认证技术，实现用户对服务器和服务器对用户的双向认
证，确保登录邮箱时的邮件信息安全，防止钓鱼攻击，解决通信双方的身份确认和操作权限
控制问题，使一般机密性问题得以在公网络中安全地传输。
2.系统原理和技术基础
本系统的组成主要涉及以下三个方面的技术：电子邮件技术、PKI技术、动态口令和指
纹识别相结合的身份认证技术。PKI[1]平台是保障本系统安全的基础设施，而动态口令和指
纹识别相结合的身份认证技术是本系统通信双方身份确认的关键所在。PKI技术和身份识别
技术二者有机结合在本系统的电子邮件系统中，大大提高了系统的安全性。系统的主要基本
组成如图 1所示：
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图 1安全电子邮件系统的基本组成
PKI在电子邮件系统作用
PKI就是一种基础设施，其目标就是要充分利用公钥密码学的理论基础，建立起一种普
遍适用的基础设施，为各种网络应用提供全面的安全服务。公开密钥密码为我们提供了一种
非对称性质，使得安全的数字签名和开放的签名验证成为可能，在本系统中 PKI 主要有一
下两个具体应用。
●邮件的发送方用自己的私钥加密所发邮件的摘要，接受方要用发送方的公钥解密所收
邮件的摘要，保障邮件在整个发送、传输、接受过程中的的完整性。
●邮件的发送方用接受方的公钥加密所发邮件的内容，接受方要用自己的私钥解密所收
密邮件，保障邮件在发送、传输、接受过程中的的机密性。
本系统在 PKI 技术基础上采用有自主知识产权的一次性口令与生物特征识别相结合的
双向身份认证方法[2]。此种认证方法解决了小数攻击，键盘监听的漏洞，以及单因子生物特
征识别技术存在泄漏生物特征数据的缺点。
一次性口令与生物特征识别相结合的双向身份认证方法详细介绍
客户端向服务器发送用户名，作为认证请求。服务器接收到客户端发出的认证请求后，
将与该用户名对应的种子值，当前的迭代值，上次用户成功登陆的一次性口令，作为应答信
息发送到客户端。客户端接收到服务器发出的应答信息，开始进行对服务器的认证。客户端
根据用户输入的秘密通行短语，服务器发送过来的种子值、迭代值计算出当前的一次性口令。
对当前的一次性口令再作一次哈希运算，将运算出来的结果与服务器发送过来的上次成功登
陆的一次性口令作比较，如果相同则客户端通过对服务器的认证。
客户端通过指纹识别仪采集用户的活体指纹，提取指纹特征[3]值。用计算出的当前一次
性口令对用户的指纹特征值加密，把加密后的数据发送给服务器。服务器接收到客户端发送
过来的数据，开始进行对客户端的认证。服务器利用刚才发送给客户端的种子值、当前迭代
值以及保存在数据库中的秘密通行短语，通过与客户端同样的方法计算出当前的一次性口
令，并用该口令对客户端发送过来的数据进行解密，得到登录用户的指纹特征值。将该特征
值与数据库中保存的登录用户的特征值匹配，如果匹配成功则服务器通过对客户端的认证，
与登录用户建立通信连接，保存当前计算出的一次性口令。详细认证过程见图 2，主要包括
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以下步骤：
(1) 客户端用户向服务器发出身份认证请求，请求用户身份 IDA；服务器根据客户端发
送的用户名向客户端发出应答信息：迭代值 N，种子值 S，用户上次成功登录的口令 Pi-1；
(2) 客户端根据当前迭代值 N-i、种子值 S、秘密通行短语W计算出当前一次性口令。
计算如下：
Pi =HN-i(W+S)；
(3) 客户端保存当前口令 Pi，并对当前口令 Pi再进行一次哈希运算，计算如下：
P’i-1= H( Pi )；
将 P’i-1与上次成功登录的口令 Pi-1比较，如果结果一致，则认为迭代值无误，客户端通过对
服务器的验证。如果结果不同，则认为迭代值有误，系统提示存在小数攻击。
(4) 客户端通过指纹识别仪提取用户的活体指纹信息，提取出指纹特征值 T。用 Pi作为
加密密钥对 T进行加密，加密如下：
M = E( T, Pi)；
然后将加密密文M作为认证口令发送给服务器。
(5) 服务器根据该用户当前迭代值 N-i、种子值 S、秘密通行短语W,用与用户端相同哈
希函数计算出动态口令 P’i，计算如下：
P’i =HN-i(W+S)；
然后用动态口令 P’i对接收到的指纹加密信息M进行解密，解密如下：
T = D( M, P’i )；
解密后的指纹特征值 T 与当前用户保存在服务器端的指纹库中的模板指纹特征值 T’进行匹
配，按照一定的阈值决定该两个指纹是否相同，如果匹配成功则服务器通过对客户端的验证，
并保存新口令 P’i，用户成功登录。不匹配则说明用户非法。
每次成功登录后，迭代值递减，当迭代值减为 0或秘密通行短语W泄密后，必须重新
初始化迭代值和修改秘密通行短语。
图 2 双向身份认证过程图
3系统技术实现
本系统主要包括由 CA认证中心，证书管理中心、客户端、服务器四部分组成，详细工
作过程主要分为客户的注册过程和客户之间的通信两个大过程，其详细设计如图 3所示：
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图 3系统详细设计图
客户端的注册
（1）用户认证信息的注册
Step1：动态口令的注册阶段
用户选择并记忆一个秘密通行短语W，服务器为每个用户生成一个种子值 S，用户设置一次
性口令序列的最大元素个数 N，用户输入的 S和 N 通过安全通道提交给认证服务器，认证
服务器计算出初始化动态口令：P0＝Fn(W+S)。
Step2：指纹的注册阶段
客户端通过指纹识别仪提取用户的指纹特征值 T’，并将指纹特征值 T’通过安全通道传
递到认证服务器，保存在认证服务器的数据库中。
至此，数据库中用户 C的注册数据内容为：用户 IDc，种子值 S，初始序列号 N，一次
性口令 P0，秘密通行短语W，指纹特征值 T’，如表一所示：
表 1 安全电子邮件系统的数据库设计
用户名 序列号 种子值 密钥 动态口令 指纹数据 用户证书
IDc N S Key P0 T’ CertC
用户可在注册阶段通过 CA 提供的目录服务或者直接向认证服务器索取认证服务器的
公钥证书[4]。
（2）用户证书的申请
Step1：登记：用户发送一个密钥和标识给当地 CA请求认证。
Step2：批准/拒绝：验证了登记信息之后，CA 返回的结果可能是“批准”，也可能是“拒
绝”。
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Step3：签署：CA从批准的登记细节中生成一个证书。
Step4：发布：CA公布对应于该用户已签署的证书。
客户间的通信
安全电子邮件系统的通信过程，主要分为认证过程、邮件安全发送、邮件安全接收三个
过程，详细过程如图 4所示：
图 4安全电子邮件系统的通信过程
认证过程
Step1：AÆAS:ID用户通过登录页面输入自己的 ID，客户端将 ID发送给 AS。
Step2：ASÆA: EPKA(S+N-i+Pi-1);AS得到 ID，按 ID查找数据库是否有该 ID对应的记录，
若无则断开连接；若有则将该用户的种子值、序列号、上次成功登录的一次性口令 Pi-1利用
用户 A的公钥进行加密后发送给客户端。
Step3：AÆAS:EPi(T);客户端用用户 A的私钥对收到的信息进行解密，得到 S，N-i，和
Pi-1,用户输入个人密密通行短语 W，客户端计算当前动态口令 Pi=Hi(W+S)，对 Pi再进行一
次哈希运算得到 Pi-1’与 Pi-1相比，若一致则输入指纹，并由客户端将指纹特征值用 pi加密后
发送给 AS。
Step4：ASÆA: EPKA(CertB+NA);AS计算当前的动态口令 Pi’= Hi(W+S)，将指纹加密值
用 Pi’解密并与数据库中的Ｔ’匹配，如果匹配成功则通过身份认证，然后 AS 返回一个信息
要求输入邮件接受者标识根据A提供的B标识查看认证服务器数据库中是否有用户B
的证书 CertB，如果没有，则向证书发放中心 CA申请索要 B的证书 CertB，并将 CertB存
入认证服务器数据库中。.认证服务器使用随机算法为用户 A 生成一随机数 NA，并临时保
存 NA，然后使用 A的公钥对该随机数连同 B的证书 CertB加密一起发送给 A。
邮件安全发送过程
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AÆAS：EPAS(EPKB(Mail,SignA)+NA) 客户端用 A 的私钥解密获得证书 CertB 和随机数
NA,客户端 A首先验证 B的证书 CertB的合法性，然后从证书中读取 B的公钥，用 B的公
钥加密邮件及对邮件的签名 SignA=ESKA(H(Mail))，最后连同随机数NA用将EPKB(Mail,SignA)
部分暂时存储在服务器的邮件系统中等待 B的读取。
邮件安全接收过程
ASÆB：{EPKB(Mail,SignA),SignAS}客户端 B在经过与客户端 A同样的认证过程之后，
开始读取邮件。服务器将 A发送给 B的加密信件转发给 B，同时附加上认证服务器对该信
件的签名 SignAS以向 B表明该信件的发送方已经过服务器的安全认证，B可以相信该信件
的来源。其中 SignAS= ESKASH(EPKB(Mail,SignA))，故 B 收到的内容为{EPKB(Mail,SignA)，
SignAS}，B 客户端首先验证签名，计算如果 H(EPKB(Mail,SignA))=DPKAS(SignAS)则信任该
邮件并用 B的私钥解密 EPKB(Mail,SignA)获得邮件内容Mail和 A对邮件的签名，验证 A的
签名计算 H（Mail）=DPKA(SignA),签名无误则确认信件来源于 A 且未被篡改，开始读取信
件Mail。
4结语
本系统对现有的 PKI 体系认证过程进行了强化，采用动态口令与指纹相结合的双向身
份认证方案，认证服务器对邮件的发送方和接收方分别进行指纹身份认证，确保用户登录邮
箱时的邮件信息安全，防止钓鱼攻击。支持使用客户端个人数字证书用于 Web 方式登录的
用户身份认证；支持接收服务器 POP3 和发送服务器 SMTP 的 SSL 安全连接；支持WEB
方式的加密电子邮件和数字签名； 指纹识别设备采用 USB接口，易于插拔，方便使用。
对指纹使用动态口令进行加密，确保指纹在传输过程中不会被泄漏；对邮件内容的摘要
使用私钥进行签名后作为特殊的附件进行传送，用于邮件的接收者验证邮件完整性，确保邮
件在传输过程中不会被篡改；邮件内容使用接收者的公钥进行了加密，确保除了邮件发送者
和接收者之外的任何第三方（包括邮件服务器）不会知道邮件的内容，与普通邮件系统相比
大大提高了安全性。
参考文献
[1]吴晶晶. PKI关键理论与应用技术研究 合肥:中国科技大学 2008年 11月.
[2]陈文江. 一种一次性口令和多生物特征相结合的身份认证系统的研究和设计.兰州:兰州大学 2009年5月.
[3]高 屹，齐东元，李 雷.指纹加密的电子邮件系统的研究与实现.计算 机 工 程. 2006 年,32 卷第 10
期:149-150.
[4]Debbabi M, Saleh M. Security Evaluation of JAVAME CLDC Embeded Java Platform[J]. Journal of Object
Technology, 2006,5(2): 125-154.
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E-mail System based on Dynamic Password and Fingerprint
Recognition
Liu Cuilin, ShenYongjun, Zhang Guidong, Xiao Xiuji
School of Information Sciencre&Engineering, LanzhouUniversity, LanZhou（730000）
Abstract
In this paper, in order to solve the shortages of traditional e-mail，we design a high-security e-mail
system using dynamic password and fingerprint recognition. Dynamic password encryptes values of
the fingerprint to protect the security of the information transfer process .Using a two-way authernticat-
ion,not only guarantee the user recognizes the server, but also ensure that the server recognizes the user,
effectively prevent lost information from counterfeiting and tampering .
Key words: Dynamic password; Fingerprint recognition; E-mail
作者简介：刘翠林 ，女，硕士生，主要研究方向是网络信息安全和公共信息安全。
