智能终端用户持续认证技术的研究和开发

摘要

当前，智能终端广泛应用于日常生活、工作、学习等场合，涉及人们衣食住行等各个方面。与此同时，这些设备由于存储大量用户隐私和机密数据而逐渐成为攻击者的攻击目标。作为保护用户智能终端安全的关键防线，用户认证技术面临多种侧信道攻击威胁，如基于触摸屏残余物的攻击、基于计算机视觉技术的攻击以及基于智能终端传感器的攻击等，用户的认证凭据极易被攻击者窃取。此外，当前主流智能终端平台广泛使用的认证技术仅在用户登录系统时进行身份认证，对发生在会话期间的攻击几乎无任何防御能力，因此用户智能终端的安全难以得到全方位的有效保护。
　　针对上述问题，论文围绕用户登录和会话这两个阶段，提出一种智能终端用户持续认证方案。针对用户登录阶段提出基于设备背面(Back of Device，BoD)点击的显式安全认证技术以防御相关侧信道攻击;针对会话阶段设计基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证技术以作为登录阶段认证的补充，从而实现用户持续认证，形成对用户智能终端的全面保护机制。具体工作主要包括以下三个方面:
　　(1)研究基于BoD点击的显式安全认证技术，利用设备姿态传感器设计了一种基于设备姿态角的安全光标移动控制算法，并利用内置加速度传感器实现基于机器学习分类算法的BoD点击动作识别，最终通过光标移动控制算法和BoD点击动作识别技术的结合实现基于BoD点击的显式安全认证。
　　(2)研究基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证技术，在不改变智能终端现有硬件配置的前提下，通过引入可佩戴的磁指环，提出一种基于内置磁场传感器分析用户手指三维运动特征的方案，实现对合法用户的识别。在人机交互过程中，记录内置磁场传感器数据，在消除环境磁场的干扰后，分析用户佩戴磁指环的手指操作动作导致的智能终端周围磁场变化情况，最终实现对用户的隐式认证。
　　(3)整合用户登录阶段和会话期间安全认证技术的理论和技术研究成果，分别实现基于BoD点击的显式安全认证技术和基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证技术，通过二者的结合最终实现智能终端用户持续认证原型系统，并对原型系统的功能和性能进行测试，验证了该系统的可行性和有效性。
　　综上所述，本论文针对智能终端现有认证技术面临的多种侧信道攻击威胁研究并实现基于BoD点击的显式安全认证技术，针对智能终端现有认证技术仅在用户登录阶段进行身份认证的不足研究并设计基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证技术，并最终设计实现了一套智能终端用户持续认证原型系统，为用户智能终端安全提供较全面的保护。

目录

声明

摘要

图形目录

表格目录

第一章 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 智能终端用户认证面l临的安全威胁

1．2．2 智能终端平台显式认证技术

1．2．3 智能终端平台隐式认证技术

1．2．4 基于内置磁场传感器的终端人机交互技术

1．2．5 研究现状小结

1．3 研究目标和内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 智能终端用户持续认证总体设计

2．1 威胁模型

2．2 持续认证总体方案

2．3 本章小结

第三章 基于BoD点击的显式安全认证技术

3．1 方案设计及流程概述

3．2 基于设备姿态角的光标移动控制

3．2．1 设备姿态表示相关背景知识

3．2．2 光标移动控制基本原理

3．2．3 安全光标移动控制方案

3．3 基于分类算法的BoD点击输入动作识别

3．3．2 BoD点击数据预处理

3．3．3 BoD点击数据的特征提取

3．3．4 基于分类算法的BoD点击识别

3．4 安全性分析

3．5 实验验证

3．5．1 BoD点击识别的性能验证

3．5．2 BoD显式安全认证的可用性验证

3．5．3 BoD显式安全认证的安全性验证

3．5．4 用户问卷调查

3．6 本章小结

第四章 基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证技术

4．1 方案设计及流程概述

4．2 人机交互动作对应传感器数据的采集及预处理

4．2．1 传感器数据采集

4．2．2 异常值处理及多传感器数据时间对准

4．2．3 环境磁干扰的消除

4．2．4 磁场传感器数据切分

4．3 特征提取

4．3．1 统计量特征

4．3．2 几何量特征

4．4 特征值预处理

4．4．1 特征值标准化

4．4．2 特征子集选择

4．5 实验验证

4．6 本章小结

第五章 智能终端用户持续认证原型系统

5．1 原型系统的设计和实现

5．1．1 基于BoD点击的显式安全认证

5．1．2 基于3D磁手指运动特征的隐式安全认证

5．2 原型系统的测试

5．2．1 功能测试

5．2．2 性能测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究成果总结

6．2 未来工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间论文发表情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目

作者简介