章紅琴1,張文盛2
(1.安徽繼遠軟件有限責任公司,安徽 合肥 230088;2.安徽廣播電視大學,安徽 合肥 230022) 摘要：針對傳統URL保護算法存在暴露實現細節的問題，提出一種采用MD5和AES保護URL的改進算法。首先將原始URL和密鑰key1按規定順序裝配，計算MD5檢驗和，并將檢驗和嵌入原始URL得到防篡改URL；其次使用密鑰key2對防篡改URL執行AES加密得到加密URL；最后對加密URL進行編碼，得到受保護URL。解析過程逆向操作，期間驗證檢驗和，丟棄無效請求。在PHP中測試兩種保護算法的性能，結果表明改進算法與傳統算法相比，生成速度變為原來的2倍，解析速度變為原來的0.8倍。而相比傳統算法，改進算法具有保密性特點，能夠提高Web應用的安全性。
0引言
URL是Web應用的重要組成部分，不重視URL的保護會造成不良后果。一些Web應用將用戶名和密碼等敏感信息嵌入URL實現特定功能，而瀏覽器都有記錄訪問歷史功能，將用戶訪問的敏感URL記錄下來，一旦黑客有機會掃描和分析該記錄,就會造成信息泄露［1］。此外在大量的Web應用中，數據庫使用自增id作為記錄的鍵值，并在URL的請求參數直接嵌入該鍵值，生成類似于show.php?id=9的URL，惡意用戶據此可推測出數據庫實現方式，偽造其他請求參數，例如id=10對數據庫進行語義攻擊，訪問到應該受限的資源［2］。URL保護是對URL進行適當的處理，杜絕此類不良后果，提高Web安全性。
URL保護內容包括結構、編碼和算法等多方面，重點是保護算法。在設計URL保護算法時，需要考慮多個因素，包括保護強度、解析效率和編程接口復雜度等。URL保護算法越復雜，保護強度也就越高，而每次訪問都需要進行URL解析，相應的開銷也就越大，特別對于訪問量較大的應用，更是需要慎重設計，要在幾個因素之間找到一個平衡點。本文遵從該設計原則，提出一種URL保護算法，在盡量降低解析開銷的同時，實現URL的保密性和抗篡改特性。
1相關研究
目前URL保護算法研究主要采用MD5算法［35］。MD5是一種散列算法，能夠將任意長的字符串計算成為一個128 bit的值，具有很強的抗碰撞攻擊能力［6］。這類URL保護算法的處理過程是：首先將原始URL字符串s1和一個密鑰字符串key拼接形成字符串s2；其次計算s2的MD5檢驗和；最后將檢驗和嵌入s1成為字符串s3，s3是供用戶訪問的最終URL。用戶訪問最終URL時，系統完成驗證檢驗和的工作。其工作原理如圖1和圖2所示。
傳統URL保護算法的核心是密鑰key，由于MD5是不可逆算法，想要反推出密鑰key，是極其困難的。沒有圖2傳統URL保護算法解析URL過程
密鑰key, 想要計算出含攻擊意圖的s1且能夠通過驗證，即碰撞攻擊，也是極其困難的。因此MD5能夠有效保護URL不被篡改，保證用戶訪問的URL都是合法的。但是這些研究未考慮明文請求參數的信息泄漏問題，還需要完善。本文提出一種URL保護算法，既能防篡改，又能保密，可以大幅提升Web應用安全。
2改進URL保護算法
改進URL保護算法采用MD5和AES共同保護URL。AES是一種對稱加密算法，屬于分組密碼，具有很強的抗分析能力［78］。規定雙引號為字符串定界符，雙引號之間的字符為字符串內容，“+”為字符串拼接運算符，則改進算法的具體執行過程是：
?。?）將請求參數s1和密鑰key1按規定順序裝配成字符串s2=key1+s1；
（2）計算s2的MD5檢驗和v=md5(s2)；
?。?）將檢驗和v嵌入s1成為新請求字符串s3="v="+v+"&"+s1；
?。?）對s3使用密鑰key2執行AES加密得到字符串s4=aes(s3,key2)；
?。?）對s4使用改進base64編碼成為字符串s5=base64_encode_ex(s4)，得到最終URL。
?。?）解析過程逆向操作，期間驗證檢驗和，丟棄無效請求。
其工作原理如圖3、圖4所示。
本算法的改進之處在于，在MD5實現防篡改特性基礎之上，使用AES加密算法加強信息泄露保護，從而實現保密特性。在算法設計上，做如下幾點說明：
?。?）雖然AES已經可以很好地保護URL，但是為了強化保護能力，繼續保留key1用于MD5計算；
?。?）使用AES解密偽造的URL時，可能不會出錯，但會得到亂碼字符串，對后續步驟的執行造成干擾，為了更好地檢測這種攻擊，在將檢驗和嵌入s3時，特意增加"v="標識，便于驗證和丟棄無效的請求；
?。?）AES加密生成的是二進制字符串，需要用base64編碼成為可以傳輸的字符串。但是base64編碼中存在+/字符，不是URL兼容的，本算法采用改進base64 算法，將+/替換為_*。
?。?）為了支持AJAX，允許在保護URL后面拼接其他請求參數，但是不允許覆蓋保護URL中的參數。
3算法實現
下面給出改進算法的PHP實現。改進算法需要多個參數，將其封裝成配置參數對象，結構如下：
$cfg = new stdClass();
$cfg->key1 = 123456;//md5密鑰
$cfg->aes= aes128;//aes加密標準
$cfg->key2 = 111111;//aes密鑰
$cfg->iv = kl3j42;l4j2;lkj4;
//aes iv值，初始向量
3.1生成算法
//$s1為請求參數串，$cfg為配置參數對象
function createLink($s1, $cfg)
{
$v = md5($cfg->key1 . $s1);//生成檢驗和
$s2 = v= . $v .& . $s1;
$s3 = openssl_encrypt($s2, $cfg->aes, $cfg->key2, true, $cfg->iv);//加密
$s4=strtr(base64_encode($s3), +/,_*);;
//使用改進base64編碼處理
return $s4;
}
3.2解析算法
//$s5為安全URL串,$cfg為配置參數對象
function parseLink($s5, $cfg)
{
$s4 = base64_dencode(strtr($s5,_*,+/));//解碼
if($s4 === false) return false;//解碼失敗
$s3 = openssl_decrypt($s4, $cfg->aes, $cfg->key2, true, $cfg->iv);
if($s3 === false) return false;//解密失敗
$i = strpos($s3,&);
if($i === false) return false;//未找到&
$v=substr($s3, 0, $i);
//$i是長度,解析嵌入的檢驗和
if($i <> 34 || substr($v, 0, 2) <>v=) return false;//長度或標識不符
$v = substr($v, 2);//取檢驗和
$s1 = substr($s3, $i + 1);//解析s1
$s2 = $cfg->key1 . $s1;
$v2 = md5($s2);//計算檢驗和
if($v <> $v2) return false;//比較檢驗和
return $s1;
}
4性能測試
分別測試傳統算法和改進算法的性能開銷。測試環境硬件為Intel(R) Core(TM)2 Quad CPU Q9400 @ 2.66GHz CPU,軟件為Windows 2003(x86_32,企業版) + PHP 5.3.13(nts,x86_32)。采用兩組s1輸入，每次測試3次，取平均值，測試結果如表1所示。
從表1可以看出，改進算法生成時間比傳統算法生成時間增加(a2-a1)/a1=2倍左右，改成算法解析時間比傳統算法解析時間增加(a4-a2)/a2=0.8倍左右。此外解析時間比生成時間都要長，傳統算法解析時間是傳統算
法生成時間的(a2-a1)/a1=1.8倍左右,改進算法解析 時間是改進算法生成時間的(a4-a3)/a3=0.7倍左右。還可以分析出當字符串長度從10增加到100時，相應的處理時間增加不到10%，說明字符串長度增加對算法性能的影響不是很大。
5結論
保護URL能提高Web應用的安全性，傳統URL保護算法存在信息泄漏問題，為此本文設計了一種改進URL保護算法，既能防篡改，又能防止信息泄漏，能夠全面保護URL。在給出實現代碼的同時，測試了兩種算法的性能，結果表明改進算法性能并沒有大幅下降，可以滿足大多數Web應用的需求。
參考文獻
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