生物识别在消费电子产品中的应用(上)
http://www.secu.com.cn 中国安防产品网 时间:2005-05-09 16:48
随着网络的普及和人们对电脑依赖性的增强,信息安全问题越来越受到人们重视,而利用生物特征技术来保障信息安全的设计也越来越多地出现在消费电子产品中…… 在不少大片中,我们都可以看到这样的镜头:黑客或电脑专家通过各种破解手段进入防范严密的电脑系统,成功地拿到了绝密的文件。虽然电影中的情节是虚构的,但在现实生活中,随着网络的普及和人们对电脑依赖性的增强,信息安全已成为我们需要面对的一个非常严峻的问题。 网上银行和商业机密自不必说,有关国家安全的方面更是如此:上网被严格禁止,储存有机密信息的电脑被设置了重重密码,还有专人负责保管。不过,虽然设置密码看起来还是一个行之有效的安全手段,但是这种方法也存在问题:设置太简单容易被猜出来,设置太复杂又容易忘记,而且无论是谁获得这个密码,他都会被认为是合法授权的。对于一个需要很好保护的系统来说,由于密码设置过于简单或者被人得知而造成损失的例子简直不胜枚举,最著名的可能就是我们每个人都知道的“阿里巴巴和四十大盗”的故事。虽然四十大盗拥有功能先进的声控锁,但由于这把锁只能识别简单的口令,所以当阿里巴巴得知“芝麻开门”是正确的口令之后,四十大盗的财产的命运就可想而知了。那么,有没有一种行之有效的手段,既能够有效地保护信息,又能够让使用者感到方便呢?答案就是开发基于使用者生物特征的安全系统,这些特征是惟一的、不可复制的,并且不会丢失。它们包括指纹、虹膜、DNA、音调、相貌甚至气味等等。 生物特征技术揭秘 密码学与生物 指纹识别系统 很多朋友可能感觉生物指纹识别系统是很神秘的东西,实际上,基于指纹的密码系统的原理与常见的信息安全体系是一样的,都包含密钥的生成、密钥的传递和密钥的验证和解密这几大步骤。所不同的仅仅是用人的指纹代替了原来的密码而已。 我们目前的信息安全体系最常用的是非对称密码体制。在这个体系中,加密密钥与解密密钥不同,用其中一个密钥加密的结果,可以用另一个密钥来解密,形成一个密钥对。这两个独立的密钥,一个可以公开,称为公钥,另一个不能公开,称为私钥。加密算法和解密算法也都是公开的。用公钥对明文加密后,用与之对应的私钥解密,才能恢复出明文,反之亦然。通过对公钥的穷举攻击找出私钥仅仅存在理论可能性:我们登录网上银行、电子邮箱或者论坛的密码实际上并不是简单地转换成ASCII码就能在网络上传递,而是通过一系列算法将这些口令或密码变成很长的密钥,然后经过传递、验证和解密等步骤,才能正确地登录。对于一个128位的密钥来讲,仅仅使用穷举攻击的话,最沮丧的结果是即使全世界的计算机一起展开计算,也要等到我们的宇宙毁灭之后很长很长一段时间才能算出来。但对于攻击者来说,最经济的办法显然不是去想方设法地破解密钥,而是获得原始的密码或者口令——买通一个机要员所花的钱远远少于造一台目前还是天方夜谭的破译电脑的钱。现在有很多弱口令破解或者字典攻击破解软件可以对口令或密码进行尝试性破解,成功率也相当惊人。因此在整个的信息安全体系中,我们的密码或者口令的安全性是最差的——一旦口令为别人得知,即使算法再好,密钥再长,也都是形同虚设。这是国家安全等敏感领域所无法忍受的。所以,普通的密码和口令的替代品——基于生物特征的识别系统就应运而生了。 基于生物特征的识别系统可以说是我们目前拥有的最先进的信息安全手段之一,与传统的口令相比,它们能够做到随身携带、永不遗失,而且对每个人都是惟一的。目前最常见的生物指纹识别系统最早应用在军用领域,直到近年,随着指纹识别技术的完善和成本的下降,它才逐渐被民用领域所接受,并且以飞快的速度进入各行各业。目前在消费类电子产品中,装备生物指纹识别系统的有手机、移动硬盘和闪存、台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑以及专用的指纹识别器等等。在生活中还有指纹考勤系统、指纹锁以及很多各式各样的产品。 指纹识别:从古老到现代 很早以前人们就注意到每个人的指纹都不相同,应用指纹来证明人的身份已经有六七千年的历史了,无论是田契还是租约,人们常常会在签字画押之后再按上指印。在刑事侦查中,指纹还是侦破案件的重要线索。不过,无论指纹系统应用于什么领域,指纹的识别都是一个关键的步骤。早期那种依靠专家+放大镜的指纹识别模式显然不能应用在电脑中,目前的指纹识别主要有三种办法:一种是利用光学扫描技术获得指纹的形态,一种是利用硅芯片传感器感知指纹的形貌,第三种是利用超声波等手段获得指纹的特征。 相对而言,光学扫描在技术实现方面比较简单:光线照到压有指纹的玻璃表面并且反射,反射光线由CCD获得,反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂层。光学扫描技术的优点很多,如成本低廉、相当耐用,可以做成较大的模板等等。不过,因为光学设备耗电量大,成像时间长,因此不便在诸如掌上电脑、笔记本电脑、手机等轻便设备上使用。 利用硅芯片传感器的指纹识别器是目前消费类电子产品中应用最多的。这些传感器可以测量诸如温度、压力和电容的微小变化。电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列,其外面是一层绝缘的表面,当用户的手指放在上面时,金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊(近的)和沟(远的)与金属导体之间的距离不同而变化。压感式传感器表层是具有弹性的压感介质材料,可以把指纹的凹凸转化为相应的电子信号。温度感应传感器感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同,再把这些转化为图像。目前最常用的是电容式传感器,也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低,成像精度高,而且耗电量很小,因此非常适合在消费类电子产品中使用。 利用超声波进行指纹识别与光学扫描的原理类似,不过超声波受油脂、灰尘的影响小,得到的指纹图像更加精确。但是它同样也受到体积和耗电量的限制,成本也相当高,因此目前还没有进入消费类电子产品领域。 指纹识别代表作 皮肤的结构相当复杂:表面覆盖着一层薄薄的油脂,油脂下面是死皮层(表皮层),再下面才是活皮肤层(真皮层)。油脂和死皮层的电导率都相当低,可以被认为是绝缘体,而活皮肤层是半导体。如果采用光学手段扫描指纹,则灰尘和油脂对扫描质量的影响将非常大,精心复制的指模也可以骗过光学扫描系统。电容式指纹识别系统受灰尘和油脂的影响较小,而且真皮层是有生物活性的,精致的指模不具备这样的特征,甚至犯罪分子砍下用户的手指这些特征也将不复存在!因此相对于光学扫描系统,电容式指纹识别技术可以说是一个飞跃。 传统使用直流电的电容式指纹识别系统工作原理如图所示:当指纹接触像素天线平台表面的时候,在活动的像素天线上产生一定的电荷,电容传感器可以测量到指纹脊部和指纹凹部中的空气之间的介电常数差异,并转化成指纹图像。但由于产生的是一个半球状的电场,实际上指纹要紧贴传感器表面才可能得到清晰的图像。 传统使用直流电的电容式指纹识别系统工作原理图:皮肤只能紧贴传感器指纹才能被正确感知。 TruePrint技术是AuthenTec公司开发的指纹识别技术,它也是第一个投入大规模商业应用的指纹识别技术。迄今为止基于该技术的传感器已经售出数百万颗之多。目前最新的TruePrint技术是TruePrint RF成像(TruePrint tiny Radio Frequency Imaging)技术。众所周知,如果在两块平行金属板之间用交流信号发生器连接,当交流信号发生器发出的电磁波的波长远远大于两块金属板的尺寸时,两块金属板之间是纯电场,可以作出很多平行的等电位线。如果其中一块板是波纹状凹凸不平的,那么等电位线的形状与它相似。在TruePrint RF Imaging指纹识别系统中,像素天线阵列就相当于很多个小金属板,导电的手指真皮层则相当于波纹状的金属板。当手指放在TruePrint RF Imaging指纹识别器的半导体基板表面上的时候,得到的等电位线。 也应该与真皮层的纹理相似。像素天线阵列的阻抗是亥欧姆级别,由超高输入阻抗传感器测定不同像素天线的电压,再由处理芯片把它们转化为指纹的图像。当然,仅仅简单扫描一次还不能得到清晰的指纹图像。TruePrint技术中的动态优化(Dynamic Optimization)可以让指纹识别器更加适应不同使用者的手指。它每隔0.5秒依次摄取数帧指纹图像,每帧都比前一帧更好地优化,直到系统能够可信地允许或者拒绝访问为止。 TruePrint RF Imaging与传统的电容式指纹识别技术相比,好处有几个方面:首先,它的工作原理并不依赖于指纹凹处的空气,即使凹处受伤,或者粘着泥土或者油污,甚至皮肤非常干燥,它都能够得到清晰的图像。其次,在指纹和传感器之间电场是连贯的,减少了传感器之间的相互干扰,使用TruePrint技术的指纹识别器每英寸拥有250个传感器,能够得到真正的250ppi的图像。最后,它能够适应更厚实和有老茧的皮肤,甚至在皮肤外面包裹一层覆盖物都能够正常工作,这是传统的电容式指纹识别技术所做不到的。 TruePrint RF成像系统原理图: 以交流信号发生器连接时,平行的波纹状金属板和天线阵列之间的电场。等电位线形状与波纹状金属板类似。 同样,把波纹状金属板换成指纹,天线阵列也能够感应指纹的形状。 实际上,天线阵列感知到的是能够导电的真皮层的形貌。 对于凹凸不平的指纹表面,传感器给出不同的信号。 TruePrint RF成像技术总原理图:由于电场是连续的,因此不需要紧密接触就可以正确地反映真皮层的形貌。 动态优化:通过多次快速扫描,得到清晰的指纹。
来源:CHIP《新电脑》杂志社 轶名 编缉:baoxiuli
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