Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 3,  March 20 16, pp. 597 ~ 606   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i3.pp59 7-6 0 6        597     Re cei v ed  No vem ber 1 1 , 2015; Re vi sed  Jan uar y 25, 2 016; Accepte d  February 1 2 , 2016   Lightwe ight Communication Overhead Authentication  Scheme Using Smart Card         Ahmed Y. F. Al_Sahlani 1 , Songfen g Lu * , 2   1, 2  School of Computer Sci e n c e and T e chno log y ,    Huazh o n g  Uni v ersit y  of Sci e n c e and T e chno log y , W uha n 4 300 74, Ch ina    e-mail: cisco _a h81 @ y ah oo.co m 1 , lusongfen g @ hust.ed u .cn 2      A b st r a ct   Authentic atio n  takes its pla c e to  grant a u thori z e d  us er a remot e  ac cess to certai n onl ine   resourc e s. As w e ll, preve n t una uthori z e d  user fro m   ac cessin g  that r e sourc e s. Unf o ryun atly most  of  authe nticati on sche m es   cons i der only   sec u ri ty factors w i thout taki ng  in  c onsi derati o n  th e co mmunic a ti on   resourc e s re qu ired. R e ce ntly, Li et. a l . pro p o sed  an  en ha nced s m art ca rd bas ed r e mo te user  passw or d   authe nticati on  sche m e. W e  a naly z e d  th eir s c he me  an d w e  poi nted  o u t th at, their sc he me re quir ed  hi g h   communic a tio n  overhe ad. F u rthermore, their  scheme suffe r s  from forgery,  user impers o n a tion a nd serv er   impersonation attacks.  Throu gh this  paper t o  address  afor esaid weaknes s es, we propose a  Lightweight  communic a tio n  overh ead  auth enticati on sc he me  usi ng s m ar t card. T he sec u rity an d p e rfor ma nce  ana lysi s   show s that, ou r prop ose d  sch eme is  li ghtw e i ght co mm u n ic ation  an d co mputatio n cost  a s  w e ll sec u re  a n d   can withstand  wide spectrum   of malic io us att a cks, like forgery, insider, re play and stolen s m art c a rd  attac k .  Besid e s, our  s c he me  enc o m passes  des ire d  sec u rity attri butes. T her efo r e, it is s u itab l e  for pr actica l  use  compar ed to ot her rel a ted sch eme.     Key w ords : A u thentication,  Securit y , Key agreem ent, Sm art Card, Lightweight com m unication       1. Introduc tion  No wad a ys, internet an d  online  servi c es be co m e  very essential  as a pa rt of various  orga nization  and  huma n  d a ily activities.  Esp e cially  with  the rapid  developm ent of  internet  a n d  comm uni cati on technol ogi es. E-b a n k in g; e-shop pin g ; online  ga ming; e-l earn i ng; …etc, a r e an   example s   of online se rvice s   offe red and  acce ssed re motely  thro ug h internet. On  the othe r  ha nd,  acce ssi ng su ch se rvice s   o v er  in se cu re cha nnel   is  a subj ect of  wi de spe c tru m  of  se cu rity  ri sks.   Furthe rmo r e,  variou s a u thentication  schem es pr op ose d  to p r ov id authe ntica t ion in vari o u s  invironm ents  su ch a s  a u th enticatio n on  client-se r ver invironm ent a nd auth entica t ion on  wirele ss  sen s o r  net work  WSN inv i ronm ent [1], etc. G ene ra lly, authentication take s i t s place as  an   importa nt pro c ed ure  to ve rify the legiti macy of  the   comm uni cati on pa rtici pan ts over i n secure   environ ment s.   In 1981, Lam port propo se d first remote  use r   authe ntication p r oto c ol based pa ssword fo r  ins e c u r e  communication [2]. H i s sc heme is ins e c u re sin c e  it   re quires maintai n in g  a   verificatio n   table at se rve r  sid e  whi c h  can be  rea c he d and m odifie d  by an attacker. In 1 991,  Cha ng an d  Wu  [3] propo sed  the first passwo r d ba se d authentication schem e usin g sma r t card tech nol ogy   without u s in g  verificatio n  table. Sin c e  Then,  ma ny resea r chers prop os ed the i r auth enticati on  scheme s  u s ing  sma r t card  to imp r ove an d  a d d re ss the  secu rity probl ems of exi s ting  authenti c atio n scheme s  [4 -10].   Smart ca rd  have been  widely ado pted in mode rn authenti c at ion schem es to add   se curity facto r . Low cost, portability, and suffici ent cap a city are  the most imp o rtant re ason s  behin d  u s in g  sm art  ca rd.  Only legitim a te user who   posse sse s  a   sma r t  card a nd  kno w s val i d   password ca n gain acce ss to certai n online res ource s. Gene rall y, Tw o factors authenti c ati on  proto c ol  usin g sm art  card  can  re si st a  wide  spe c trum of attacks such a s  p a s swo r d  gue ssing  attacks, forg e r y attacks, re play attacks i n sid e r  attacks, and smart  card stole n  attacks [11 ].      Xu et al  in  20 09 p r op osed  their  sma r t  ca rd   authenti c at ion p r oto c ol  b a se d p a sswo r d [1 2].  They clai med  that, their scheme  can  wit h stan d  vario u s  attacks eve n  wh en  se curity paramete r s  store d  o n  the  sma r t  card i s  disclo se d. Howeve r, in  20 10, Song  an a l yzed Xu  et al ’s  scheme  an d  sho w s that,  authori z e d  u s er  can  extra c t se curity  inf o rmatio n st ored in  his/h e r  own  sm art  card  and imp e rso nate anot her use r  logi n. Then, he  pro posed an  en han ced  sche me [13]. In Same   year, Sood e t  al sho w  tha t, Xu et al’s scheme  i s   su ffering from f o rge r y and  o ffline dictiona ry  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  597 – 606   598 attacks, and  then also p r o posed their e nhan ce d sch e me [14]. Chen et al analyzed propo sed  scheme s  [12 - 14] and foun d that, in Song’s sch e me  [ 13], use r ’s id entity and se rver’s  se cret key  are pe rma n e n t and both compo s e the  se cret  key of symmetri c  e n cryptio n . So, an attacke r  can   execute  an  of fline di ctiona ry attacks on  stolen  sm a r t card  to g u e s s  use r ’s pa ssword  and  by  pa ss  Song’s  sche me. Sood et  al’s  scheme [ 14] doe s n o t achi eve mutu al authe nticat ion bet wee n  the   remote  u s er  and th e a u th enticatio n  server. Thi s  im pl ies th at, the  use r   can  not   verify the vali dity  of the serve r  conn ecte d to. Then, Che n  et al  propo sed thei r ro b u st sm art ca rd based re m o te   use r  pa sswo rd authenti c ati on schem e [15] over  Xu et al, Sood et al and Song’s sch e me s. In  2013,  Li et  al  [16] an alyze d  Chen  et al’ s   sc heme  an d foun d that,  their  sche m e  cann ot en sure  forwa r d  se cre c y, and lo gin  password verified by  se rve r   whi c h co st unne ce ssary comm uni cati on   and waste ti me. Beside s,  the passwo r d ch ang e a c ti vity of Chen et al [15] requi re s se rve r   assista n t. Li et al propo se d their sche m e  to over co m e  the wea k ne sses in  Chen  et al’s sch e m e.  Unfortu nately ,  most of aforeme n tione d authenti c atio n scheme s  a r e still vulne r able to a wi de   s p ec trum of malic ious  attac k s .   In this p ape r, we, focus  on both  of communi catio n  re so urce s  requi re d a s   well a s   se curity funct i onality of th e prop osed schem to  ad dre ss afo r e s aid wea k n e sse s . We aim  to   prop ose a  secu re  and li ghtwei ght co mmuni cati on  overh ead  a u thentication  schem e to  save  netwo rk  co m m unication  reso urce s an d low  co mpu t ation co st. Our  pro p o s e d  sche me de tects  and p r event s  dupli c ated  re gistratio n  req u st with out  u s ing pa sswo rd  verificatio n  table  and allo ws   valid use r  to use a ne w fresh pa ssword at firs t  login attempt to ensure  that, user’s login  password o n l y  kno w n  by h i mself. To  a c hieve thi s  g o a l we o n ly u s e ha sh  fun c tion a nd Bit  wi se   XOR ope rati on.  Th en we  sho w   th at,  o u r schem e  e n com p a s ses variou s se cu rity  attributes and   withsta nd vari ous atta cks.   The re st of this pape r is organi zed a s  follows:  review  and se cu rity analysi s  of Li et al’s   scheme  in  se ction s  2  a nd  3 respe c tively. Then,  revie w  of  ou r  pro p o se d  schem e  and  its security  analysi s  in section s  4 an d 5 respe c tively. Finally,  perfo rman ce  and con c lusi on pro d u c ed  in  se ction s  6 an d 7, respectiv e ly. Table 1  Shows the not ation used through thi s  pap er.       Table 1. The  notation s  use d  in this pap e r .  U The  user   S  The authe ntication server      The identit y  of  U      Tempor ar y passw o r d of  U       The login password of U   Bio   The biometric of  U  x  The master secr et ke y  of S   T  The timestamp   ∆   The ma ximum tr ansmission delay  ,   T w o  large prime numbers     The ring of inte g e rs modulo    ∗   The multiplicative group of      .   Cr y p togra phic one wa y  h a sh funct i on  ⨁    Bitw ise XOR o p e r ation     ||     The message co ncatenation oper ator   Secure channel   Public channel      2. Rev i e w  of Li et al’s Scheme  In 2013, Li e t  al propo sed  their authe n t icat ion sch e m e [16] as a n  improvem e n t over   Che n  et al’s schem e [15]. Li et al’s sc he me con s i s ts o f  four pha ses  as follo ws:    Regi stratio n      Login     Authenticatio n      Passwo rd ch ange   At the be gin n ing, two la rge p r ime  nu mbers  p and   q sel e cted   b y   the sever such   that,  p=2 q +1. The n , the serve r  cho o ses a p r oper o n e - way cryptog r ap hi c ha sh fun c tion.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Lightweight Com m unication Ove r he ad  Authenticatio n Schem e Using Sm art Card   (Songfe ng Lu)  599 2.1. Registra tion Phase   Step 1.  Use r   U sele cts hi s/ her id entity IDu a nd logi n  password P W u. Th en, su bmits them to  th e   serve r  S via secu re chan ne l.  Step 2.  S  comp ut es  se curit y  pa ram e t e rs t o  b e   s t ored in smart c a rd, suc h  that, Au =   h(IDu||PWu) PW u  m od p, Bu = h(I D u) (x +P W u )  mod p.  Step 3.  S stores  {Au, Bu, h(.), p, q} on a sma r t ca rd an d issue s  it to  U via se cure cha nnel.     2.2. Login Phase   Step 1.  U in serts hi s/he r smart ca rd into  a prope r card read er, an d  inputs hi s / her IDu, PWu.   Step 2.  The  s m art c a rd com putes  Au’ =  h(IDu||PWu) PW u  mod p.  Then comp are it with alre ady  store d  Au. If they are  not  match ed, se ssi on te rmina t ed, sin c e th e ente r ed I D u or P W u  were  inco rrect. On  the cont rary, if Au’ equals to  Au, the smart ca rd pe rfo r ms n e xt step .  Step 3.  Ra nd om numb e r  α∈ ∗  choo se by a smart ca rd. Th en com pute s :  Cu =Bu/ h(IDu ) PW u  mod p,    Du = h(IDu) α   mod p,  Mu=  h(IDu||Cu|| Du||Tu),  where T u  is the  current time  stamp of U.   Step 4.  The smart ca rd  sen d s {IDu, Du, Mu, Tu} to S as logi n req u e st me ssage.     2.3. Auth enti cation Pha s e   Step 1.  Upon  receiving U’ s login req u e s t  message, S validates IDu and ch eck Tu’   – Tu  ∆ T,  whe r e Tu’ i s  the cu rrent S’s timestam p. S reject s logi n requ est if either or b o th a r e invalid.   Step 2.  S co mputes:   C u ’ =  h( ID u) x   mod p,  Mu’=  h(IDu|| C u’||Du||Tu)  Step 3.  S  co mpares  co mp uted Mu’  with  re ceived M u ,  if they are e qual, U i s  a u thenticated a n d   login re que st is acce pted b y  S. Otherwise, S rejects lo gin req u e s t.  Step 4.  Ran d o m  num be r        ∈ ∗    ch oo se s by  S. Then, com putes V u  =  h(IDu) β   m od p,  SK=Du β     mod p , whe r e SK is the share d  se ssio n key.  Step 5. S computes  Ms=  h(IDu|| C u’||Vu||SK||Ts) wher e T s  is the  current S’s timestam p . Then,  {IDu, Vu, Ms , Ts }  s ent to U  by S  as a mutual authe ntication messa g e .  Step 6.  Upo n  receivin g the  mutual authe ntication me ssag e, U validates IDu a nd  che c ks T s ’ – Ts  ∆ T whe r e T s ’ i s  the current  timestamp  of U. if ei ther o r   both are inval i d, U termin ates  se ssio n .  Otherwise, U  contin ue to n e xt step.  Step 7.  U co mputes:   SK’ =  Vu α  mo d p ,  Ms ’ =   h(IDu||Cu||Vu||SK’|| Ts ), U c o mp ares  Ms ’  with the received Ms  . if they  are  equal , S  is   authenti c ated  and m u tual  a u thenticat ion  achi eved. On  the contra ry,  the sessio n i s  terminated   by  U. At the end, both of U an d  S shared a  se ssi on key SK= h(IDu)   α   β  mod p.    2.4. Pass w o r d  Chang e  Phase    U ca n ch ang e his/he r logi n password PWu a s  follows:  Step 1.  U in serts a  sma r t card into a p r o per card rea d e r. Then, inp u ts his/ he r   IDu, PWu.  Step 2.  Th e smart card  co mputes A u * =h(IDu||PWu) PW u   mod  p and  comp ares it  with sto r ed A u . If  they are  not  equal, the  re que st is  reje cted.  Otherwi se. U in puts  a  new pa sswo rd PWne w a nd  contin ue to n e xt step.  Step 3.  A sm art ca rd comp utes   Au_new  = h(IDu|| PWne w) P W new  mod p,  Bu_ne w = Bu  . h(IDu) P W new  / h(IDu) PW u  mod p.  Step 4.  A sm art ca rd repla c e s  both Au, Bu with Au_n ew, Bu_ne w resp ectively.      3. Cr y p tanaly s i s of Li et al’s Scheme  In this sectio n, we a nalysi s  Li et al’ s   sc heme.  We  sh ow that, thei r scheme  suff er fro m   forge r y and u s er & serve r  imperso nation  attacks.    3.1. Forger y   Attac k s   Suppo se an  attacker inte rcept U’ s valid  login me ssa ge <IDu, Du,  Mu, Tu>, an  attacker  can  ea sily a c hieves U’ s id entity IDu  wh ich  se nt  in a  plain f o rm.  Since, S  doe s n o t che c k  U’s  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  597 – 606   600 identity before pro c e ssi ng  regist ration  reque s t, an attacker  can  send both inte rce p ted IDu  and  attacker’ s  pa sswo rd PW*  < IDu, PW*> to S  as a regi stratio n  reque st. S comp utes Au *=  h(IDu||PWu*) PW u *  mod p,  and Bu*= h ( IDu) (x +P W u *)  mod p, S stores the se cu rity parameters  {Au*,Bu*, h ( .), p, q}  on  the   sma r t  card   a nd i s sue s  it t o  attacke r . T hen, a n   attacker a c hi eves  U’s  se cret   key   C u ,  whe r e  Cu =  B u */  h(I D u) PW u *  mod  p  =  h(IDu ) x  mod  p. intuitively, an atta cker  u s ing  intercepted I D u ,and  com puted U’ s secret key Cu  ca n easily forg e  a valid login messag e.    3.2. User Imperson ation  Attac k s   An attacke r can masque ra des a s  a legitimate  U. since, he/she can  easily achi eves U’ s  identity IDu and  se cret  key Cu a s  m entione d in  forge r y attacks sectio n  (3. 1 .). An attacker  sele ct s ra ndo m  numb e r  r∈ ∗    and  cal c ulate s  Du* =  h ( IDu ) r   mo d p, a nd Mu* =   h(I D u||Cu||   Du*||Tu* ), wh ere Tu* i s  attacker’ s  curre n t timest amp.  Then, se nds  <IDu, Du*, Mu*,Tu*> to S.   S verifies attacker’ s  logi n messag e, the verification h o lds, sin c e b o th Tu* and Mu* are   valid. Then,  S selects  ∈ ∗  a nd calculate s  Vu = h(IDu) β  mod p.  S sends the  mutual  authenti c atio n messag e to U. Again, an  atta cke r intercept s the me ssage  <IDu,  Vu, Ms, Ts>  and  comp utes SK = (Vu) r  mo d p = (IDu) r  β  mo d p. From the analysis a b o v e, we sho w  that, an attacker  can  pe rform   use r  im perso nation  attacks. Fu rthe rmo r e, the  se ssi o n  key SK al so a c hieve d  b y  an   attac k er.     3.3. Ser v er Impersona tio n  Attack s   An attacker can perfo rm  server imp e rsonati on atta cks u s in g U’ s identity IDu and se cret  para m eter Cu=  h ( IDu ) x   mod p a s  mentione d in forge r y attacks se ction  (3. 1 ). An attacker  intercept U’s  login messa g e  <IDu, Du, Mu, Tu> and  generate s  ra ndom r  ∈ ∗   and compute s   SK*=  (Du) r   mod p; V u * =  h ( IDu ) r  m od p; T s *  i s  atta cker  current time stamp; an d M s *=  h(IDu|| C u||Vu*||SK*||Ts*). Then, an att a cker s ends  mutual authentication  message {I Du, V u *,  Ms*, T s *}  to  U. Upon  re ceiving atta cker’s me ssag e ,  U valid ates IDu  and  Ts* ,  sin c e  both  are  valid, the verification h o ld s. Then,  U  compute s  SK’=(Vu* ) α  mod  p whi c h  equ als to SK*; Ms’=  h(IDu|| C u||Vu*||SK’||Ts * ). Thus , Ms ’ is  equal to Ms *.   This b r ief di scu ssi on  sho w s that, Li et  al’s  scheme suffers  fro m  serve r   imp e rson ation  attacks an d session  key ca n be ea sily ca lculate d  by an attacker.       4. The Propo sed Scheme    In this sect ion, we p r opo se  our  se cure lig ht weig ht com m unication   overhe ad   authenti c atio n schem e ba sed  user’ s  pa sswo rd a nd b i ometri c with  se ssi on  key a g ree m ent u s i ng  sma r t ca rd. O u r propo se d schem e co nsi s t of four phases a s  follows:    Regi stratio n   pha se    Login  p h a s e    Authenticatio n  pha se    Passwo rd  ch ange  p h a s e   In the beginni ng of our p r o posed sch e m e , serve r  S select s key x as its secret  key with   prop er len g th  like 1024 bit s , and on e way cryptog r ap hic ha sh fun c tion h(.):{0,1 } *              {0,1} n  .  The regi strati on, and l ogin  & authenti c a t ion pha se s  of our  schem e sh own in F i gure s  1  and  2   r e spec tively.     4.1. Registra tion   Step 1 . U ch ooses hi s/her identity IDu,  tempo r a r y p a ssword  TP Wu  and  rand om n u mbe r   b .  U  comp utes EI D=h(IDu||b). Then, se nd s regist ra tion  reque st <EID, TPWu > to S via secure  cha nnel.   Step 2 . Upo n  re ceiving  registration m e ssag e, S  c o mputes  SI D=h(EID || x). S c h eck s  SID  and  reje cts t h is re que st if it is a l ready  re giste r ed to  p r even t dupli c ated  registration fo r sa me id entity.  Otherwise, S  upd ates re gistered  use r  li s t  with S I D. Then, computes  Au= S ID  ⨁  TP Wu,  Bu= h (SID  ⨁   EID). S sto r e d  se cret pa ra meters {Au,  Bu,  h(.)} into  s m art card and iss u es it to U  via secure  ch annel.   Step 3 .  U in sert  a sm art  card into a  p r ope r  card re ader  and i n p u ts IDu, TP Wu. a  sma r t card  c o mputes  EI D=h(IDu||b), SID =  Au  ⨁  TPWu , and  comp ares Bu ’= h(SID  ⨁  EID) with  Bu w h ich   store d  in sm a r t card. If Bu’  not equal to  Bu, U termina t es the se ssio n.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Lightweight Com m unication Ove r he ad  Authenticatio n Schem e Using Sm art Card   (Songfe ng Lu)  601 Step 4 . U ch ooses an d  submits hi s/he r fre s h  logi n  password P W u  and  imp r i n ts bi ometri c Bio   like fin ger print. A sma r t ca rd  co mpu t es Au’ =  Au   ⨁  TPWu  ⨁  h(P W u||Bio), Bu’=  h(S I D ||  h(PWu||Bio)).  Then, replaces Au, Bu wit h  Au’, Bu ’ respectively and stores  b i n to smart card.  At  the end of su ccessful re gistration  process, se cret  parameters {Au,  Bu, h(.) b}  st ored in a  sm art  car d .     4.2. Login Phase   Step 1 . U in sert s  his/he r  sma r t card i n to a  pro p e r  ca rd  re ade r, and  inp u ts  U’s ide n tity IDu,  password P W u, a n d  im print  biomet ric Bio.  The n , a  sma r t  ca rd  comp utes SI D=Au   ⨁   h(PWu||Bio),  Bu’= h(SID ||  h(P W u ||Bio)) and checks  whether B u ’ i s   equal to st ored Bu, if they  are e qual, session h o ld s. Otherwise, se ssi on  term inated be ca u s e at lea s t one of ente r ed   para m eters {I Du, PWu, Bio }  is incorre c t.  Step 2 . Smart card g ene ra tes ra ndom  α , and com put es EID=h(I D u ||b) , M 1 = h (SID||Tu)  ⨁   α , M 2 =  h(M 1 || α ).  The n , sm art  ca rd send s l ogi n me ssage   <EID, M 1 , M 2 , Tu  >  to S.  Where Tu is U’s   c u rrent times t amp.    4.3. Auth enti cation Pha s e   Step 1 .  Up o n  re ceivin g l ogin m e ssa g e , S ch ecks t he validity of  SID=h ( EID | |  x) co mpa r e d  to   both regi stered u s e r  data base an d a c tive  use r  li st. Then, valid ates T u ’- T u   ∆ T, whe r e  Tu’ i s   S’s current ti mestam p at  receivin g logi n  messa ge. If  either  or  both  are  invalid, t he logi n atte mp t  is rejected.   Step 2 . S co mputes,  α = M 1   ⨁  h(SID||Tu) , M 2 ’= h(M 1 || α ). If M 2 ’ is e qual to M 2 ,  se ssi on h o ld s a n d  U is auth enticated. Otherwi se, se ssion te rminate d .  Step 3 . S  g enerates ran dom  β , and comp utes  M 3 = h (SI D ||Ts )   ⨁   β , wh ere  Ts i s  S’ s  current  timestamp,   M 4 =h( M 3 ||  β ), SK= h( α ||  β ).  Then, S  sen d s  mutu al auth enticatio n me ssage  < M 3 , M 4 ,  Ts  >  to U.   Step 4 . Upo n  receiving  mutual authe ntication me ssage at time Ts’, Smart  card  che ck the   validity of Ts  Ts’ – Ts  ∆ T, if i t  is invalid, smart card term inates sessi on. Otherwi se, smart card  comp utes  β = M 3   ⨁  h(SID||Ts), M 4 ’= h(M 3 ||  β ). If  M 4 ’ n o t equal to M 4 , sessi on terminated. On the   contrary, if M 4 ’ is eq ual to  M 4 , S is a u thenticated a nd mutu al au thenticatio n a c hieve d . The n ,   sma r t ca rd  compute s  SK=h( α ||  β ). At the end  of succe ssful  mu tu al authe nticat ion, both  use r  U  and server S  share the same se ssion  key SK=h( α || β ), whe r e  α  and  β  have random valu e  for   each se ssion.     4.4. Pass w o r d  Chang e  Phase   Whe never  au thorized user want s  to cha nge hi s/he r  p a ssword  PWu to a  ne w p a s swo r d P W u ne w ,  this  phas e  is  invok e d.  Step 1 . U in serts hi s/he r smart ca rd int o  a pro per  card read er, a nd input s ide n tity IDu, current  password PWu, impri n ts biometri c Bio.  Then, Smart ca rd com putes SID=A u   ⨁  h(PWu|| B io),  Bu’= h(SID||h(PWu||Bio)). If  Bu’ is   not equal to  Bu  whic h  s t ored in smart card, pas s word  c h ange  is reje cted d u e  to invalid informatio n. Otherwi se  sma r t card co ntinue  to next step.    Step 2 . U inp u ts hi s/he r n e w  p a ssword  PWu new , Smart card  comp utes A u ’=Au   ⨁  h(P W u||Bio)  ⨁   h(PWu new | |Bi o), Bu’= h(SID||h(PWu new ||B io)).   Step 3 . Smart c a rd replaces  Au, Bu with Au’, Bu ’ respectively. Which  su cc es sf ully  complet e s   password ch ange at U’ s si de witho u t ne ed to S’s assi stan ce.                              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  597 – 606   602 User U                                                                                  Ser v er  S   Cho o ses IDu, TPWu, b                                               choose s  x, h(.)  EID= h(IDu||b)                                       <  EID, TP Wu >                                                                                                  SID= h(EID || x)    Che c ks S I D   Au= S ID  ⨁  TPW u                                                                                                  Bu= h (SID  ⨁  EID)                                                                                                 Smart c a rd              {Au,  Bu, h(.)}                                              Smart c a rd     SID =  Au  ⨁  TPWu    Verifies Bu = ? h(SID  ⨁  EID)  Cho o ses PWu, imprints Bi o   Au’=  Au  ⨁  TPWu  ⨁  h(P W u||Bio)   Bu’=  h(SID || h(PWu||Bio))  Replaces  Au,  Bu with Au’,  Bu’ respec tively   Store b into smart ca rd     Figure 1. Reg i stration p h a s e of propo se d  sch eme       User U                                                                                  Ser v er  S    Inputs IDu, P W u, impri n ts  Bio   SID= Au  ⨁  h(PWu||Bio),    Bu= ?  h(SI D || h(PWu||Bio))  EID= h(IDu||b)   Gene rate s ra ndom  α     M 1 = h (SID||Tu)  ⨁   α    M 2 = h(M 1 || α )                                       < E ID, M 1 , M 2 , Tu >                                                                                 Verifies  Tu, SID=h(EID || x)                                                     α = M 1   ⨁  h(SID||Tu)                                                                                  M 2 = ? h(M 1 || α ).                                                                                Generate s  rand om  β                                      M 3 = h (SI D ||Ts)  ⨁   β                                                                  M 4 =h(M 3 ||  β )                                                                                SK = h ( α ||  β ).                                         <  M 3 , M 4 , Ts  >     Verifies  Ts  β = M 3   ⨁  h(SID||Ts )    M 4 = ? h(M 3 ||  β ).  SK= h( α ||  β ).      Shared  se ssi on key SK=h ( α ||  β ).    Figure 2. Logi n and Authen ticati on ph ases of propo se d scheme       5. Securit y  A n aly s is of Pr oposed Sch e me  In this se ctio n, we analy s is the se cu ri ty  of our pro posed light weight authe ntication   scheme, with  a brief discu s sion.     5.1. User An on y m it y   To p r ote c t user a nonymity in the  pro p o s ed   sche me,  plain text  U’ s id entity IDu  neithe r   saved  in  sma r t ca rd  no r tra n smitted  over ch annel  thro ugh lo gin  me ssage. In stea d, ha she d  val ue  of con c ate nat ed IDu  and p a ram e ter b,  say EID, s ent  to S. an attacker h a s to  b r ea k on e way  cryptog r a phi c hash fu nctio n  and h e  mu st kn ow b to   extract IDu. I n tuitively, an attacker h a s  no   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Lightweight Com m unication Ove r he ad  Authenticatio n Schem e Using Sm art Card   (Songfe ng Lu)  603 way to extra c t U’s i dentity by con s id eri n g one   way property of h a sh functio n . So, our  propo sed   scheme can achi eve  user anonymity.    5.2. Pass w o r d  Guessing  Attac k s   Our  propo se d   sche me ca n withsta nd offline  g u e ssi ng  attacks. T o   prove that, a n  a ttacke r  who  attempts to gue ss  U’ s logi n p a ssword, c ann ot verify gue ssed pa ssword  from Au =SI D   ⨁   h(PWu||Bio); Bu=  h(SID||h(PWu||Bio)); and  i n te rcept ed login m e ssage,  because SID and Bi o  are requi red.    To comp ute SID, secret param eter x (1 024 bi ts) is required which is only kno w n by S.  Furthe rmo r e,  U’s Biometri c value is u n kn own  to the attacker a nd only auth o rized u s er  can  imprint s  a vali d biometri c. T herefo r e, ou r  prop os ed  sch e me can resi st off line pa ssword gu essin g   at t a ck s.     5.3. Stolen Smart Ca rd Attack s   Our p r op os e d  sc heme  ca n re sist  st ol e n  sma r t  ca rd  at t a ck.  S u p p o se a n  at t a c k e r ex t r a c t  all paramete r s sto r ed i n  th e stole n  sm art card  {Au,  Bu, b} by po wer an alysi s  at tack [1 7] Kocher  et al in 1999. Then, the attacker trie s to initiate  a valid login messa ge. An attacker uses hi s/ her  curre n t time stamp T u *. Althoug h, he/ sh e cann ot  succe ssfully com putes  EID = h(IDu||b ) with out   kno w in g  U’s i dentity IDu  which  neith er stored  in  sm art ca rd  no r tra n smitted  over ch ann el. In t he  same  way, computes M1=h(SI D ||Tu*)  ⨁   α   is infeasible  without kno w in g SID. To comp ute SID  an attacke r  e i ther comput es SID= Au  ⨁  h(PWu||Bio) or SID  =  h(EID || x). Obvious l y, he/s he  can not gen erates U’ s pa sswor d and bi o m etric info rm ation.  From the di scussion a bove ,  we prove th at,  our pro p o s e sch e me  can re si st stol en sm art  c a rd attacks .    5.4. Repla y   Attac k s   Our  pro p o s e d  sche me forbids  repl ay a ttacks u s ing t i mestam p T.  sup p o s e a n   attacker  tries to resend prev iously i n tercepted login me ssage,  this attempt will  be  rejected by the  server  S after che cking me ssage  fresh n e ss b a se d on Tu. i f  the attacke r repla c e s  the  U’s time sta m p   with attacke r ’ s  timesta m p  Tu*, this attemp t also  rejecte d  by S base d  on  condition M 2 ’=?  h(M1|| α ) =  h(h(SID||Tu)  ⨁   α )||  α ). The ot her p o ssible  cha n ce for th e attacker i s  to gene rate b o th  Tu*an d  M1* =  h (SID||Tu*)  ⨁   α . This  attempt also rej e cted  be cau s e there i s  no  way to co mp ute  valid SID without kno w ing  U’s p a ra mete rs {IDu, PWu,  b, x}. This brief discussio n  sho w s that, our  prop osed sch e me forbi d s replay se ssion  attacks.    5.5. Mutual Authen ticati on  Our p r o p o s ed  scheme  achi eves mutu al  authenti c atio n. Both use r   and  serve r  p r ove their   legitimacy to  each othe r whe r e M 2 , U’s tim e sta m p and  M4,  S’s timesta m p are u s e d  to  authenti c ate use r  to serve r , serve r  to user  re sp e c tively as mentio ned in authe ntication ph a s e in   se ction (4.3).  Furthe rmo r e,  only authori z ed user  a nd  serve r  can p r ove their aut henticity to e a ch   other.      5.6. Forger y   Attac k s   An attacke r h a s to forge a  valid login messag e {EID,M1,M2,Tu }  which ca n b e  verified  and a c cepte d  by the aut hentication  server, a n  a ttacker  ha s n o  way to ext r act o r  g ene rate  para m eters  {IDu, x, b} to  compute  M1 =h(SID||Tu)  ⨁   α   =  h(h(EI D|| x)||Tu)  ⨁   α    =  h(h(h(I D u||b) ||   x)||Tu)  ⨁   α  . I n tuitively, our s c h eme res i s t  forgery attac k s .     5.7. Kno w n   Ke y  Secrec y    Our p r op ose d  schem e me ets known ke y se cre c y pro perty. If sessi on key SK=  h ( α || β ) i s   comp romi se d  by an attacker,  previo usl y  captu r ed  communi catio n  ca nnot b e   reveale d  du e  to   rand om  α  and   β . Since bo th have new  rand om value  in each  ne w se ssi on an d there i s  no  wa y  to derive pre v ious session  key fr om the  current key. Hen c e, there is no way to  reveal p r evio us  comm uni cati ons. Thi s  b r i e f discu ssio n  sho w s that, our p r op ose d  schem e re sist s kno w n  key  se cre c y  at t a c ks.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  597 – 606   604 5.8. Session Ke y  Agreement  In ou r p r op o s ed  sch e me   durin g a u the n tication  ph a s e, u s e r   and  se rver comp ute thei r   se ssi on k e y  S K =  h( α  || β ). Furthe rmo r e ,  M2’=? h ( M1 || α ), M4’=? h(M3||  β ) these  two co nditio n s  are u s e d  to verify the esta blish ed sessi on key.  Thi s  clea rly sho w s that, our sch e me a c hieve s   se ssi on key agree ment.     5.9. Insider Attac k s   Our p r opo se d sch eme p r events insi de r attack,  si nc e sec u rity  pa ramete rs {I D u , PWu,  Bio, b, x}  cannot be obta i ned by an attacker. Fo r instance, U’ s biometri c i m print s  only by  authori z e d  u s er a s  well a s  login pa ssword. Be side s,  serve r   se cre t  key x is onl y kno w n to t h e   serve r . Furth e rmo r e, all secret value s  prote c ted u s ing  crypto graphi c ha sh functio n . With out  kno w in g these paramete r s, an atta cker  can not pe rform insid e r atta cks. Thi s  sho w s  our  sche me   resi st s in sid e r  at t a ck s.     5.10. Friendly  User Passw o r d  Ch ang e   The  user i s  free  to  cha n g e  hi s/he r lo gi n pa ssword   without  nee d  to  comm uni c ate th e   serve r . Efficie n t and  secure  step s  are u s ed to  han dle  password  ch ange  a s  me ntioned  in  se cti o n   (4.4). Furth e rmore, wron g entere d  password ca n b e  dete c ted  qui ckly. O n  th e  other ha nd,  an  attacker ha s  no  way to  ch ange  u s e r ’s  password,  si nce  he/ she  h a s  no  sufficie n t inform atio n to   perfo rm thi s  cha nge. T h us, ou r p r o p o se d sch e m e  achieve s  f r iendly  and  se curely u s e r ’s   password ch ange.        6. Performan ce Analy s is  In this se ction. We eval uate our  pro posed sch e m e and  co mpare it with related   scheme s , Xu  et al  [12]; S ong [1 3]; So od et  al [1 4]; Ch en  et al  [ 1 5]; Li  et al  [16]. We fo cu s o n   Login a nd a u thentication  phases  sin c e both are  more freque nt and req u ired in ea ch l o gin  attempt. The comp ari s o n  b a se d on  com m unication o v erhea d  and  comp utation  compl e xity.  We   assume th at, the output of hash fun c tion is 160  bits; timesta m p 32 bits;  use r ’s id ent i ty,  password, bi ometri c, an d  rand om  non ce a r e  160  bi t s ; serve r  se cret key  x  i s  1 024 bits to avoid  gue ssi ng attacks. Accordin g to this assu mption, we  fo und that, sing le login attempt in Li et al’s   scheme   re q u ired  275 2 bi ts as commu nicatio n  overhead i n  two   messag es, first me sseag e  for  login re que st  and scond o ne for mutual  verifica tion. Whe r ea s, ou r propo se d scheme requi re d   only 864  bi ts co mmuni cation  overh ead u nde r  same  co ndit i ons. Fig u re  3 sh ows  the   comm uni cati on ove r he ad  com p a r iso n  of rel a ted  schem es.  Furt herm o re, th e  com p a r iso n  o f   comp utation  compl e xity of various  op eration s  us ed  in  me n t ione d  sc he mes s u c h  as  h a s h   function; exp onential; mult iplicatio n/ division; an d exclusive XOR  o peratio ns a r e  sho w n in tab l e   2. To a c hi eve lo we st co mputation ti me comp l e xity, our p r op ose d   schem e u s e s  o n ly ha sh   function a nd  exclu s ive XOR ope ration s.           Figure 3. Co mmuni cation  overhe ad co mpari s o n  bet wee n  pro p o s ed and relate d scheme s           2752 2400 864 1728 2752 864 0 1000 2000 3000 No.   of   bits   required Schemes Communica tion   ov erhea d   co m p a r is o n Xu   et.   al. Sood   et.   al. Song Chen   et.   al. Li   et.   al. Our   sc heme Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Lightweight Com m unication Ove r he ad  Authenticatio n Schem e Using Sm art Card   (Songfe ng Lu)  605 Table 2. Co m putation cost  comp ari s o n s  betwe en prop ose d  and rela ted scheme s   Schem e   L ogin phase   Authentication pha se  T o tal  Xu et al   3T 2 T 4T 2 T 7T 4 T   Sood et al  3T 3 T 2 T 3T 2 T 1 T 6T 5 T 3 T   Song   2T 1 T 6T 1 T 1 T 8T 1 T 2 T   Chen et al   2T 2 T 2 T 6T 1 T 1 T 8T 3 T 3 T   Li et  al    4 3 1   5 4   9 7 1   Our sche m e   5T 2 T    9T 3 T    14T 5 T      T  : complexit y  of h a sh function  T  : complexit y  of e x ponential ope rat i on  T  : complexit y  of  multiplicat ion/division operation   T   : complexit y  of  sy mm etric encr y ption-decr y ption  operation    T   : complexit y  of e x clusive XOR op eration     Additionaly, Table 3. Briefly sho w s the  co mpari s o n   re sults for securi ty attributes o f  our pro p o s e d   and rel a ted schem es.   This pe rform ance analy s is sho w s that, our p r op osed  sch eme en compa s ses th e desi r ed  se curity  attributes a n d  resi st wide  spectrum of m a licio us atta cks. Be side s, our p r op osed  sch eme is  efficient and li ghtwei ght co mmuni cation  overhe ad.  Th us, it is se cu re and mo re suitable to  pra c tical u s e  comp ared to other related  scheme s .       Table 3. Security attribute s  co mpa r ison  betwee n  pro posed an d rel a ted schem e s   Security attributes  Xu et al  Song  Sood et al  Chen et al   Li et al  O u r  sch em e  Resist smar t car d  stolen attacks   Y e s   No  Y e s   Y e s   Y e s   Y e s   Re s i s t  f o rg e r y   a t t a c k s   No   Ye s   Ye s   Ye s   No   Ye s   Resist impersonation attacks  No  No  No  No  No  Y e s   Resist insider attacks  No  No  No  No  No  Yes   Resist offline passw or d guessing attacks  No  No  No  No  No  Y e s   Achieve mutual authentication  No  Y e s   No  Y e s   Y e s   Y e s   Support session-key agre e ment   Y e s   Y e s   No  Y e s   Y e s   Y e s   Quickly  det ect  w r ong password   No  No  No  No  Y e s   Y e s   Friendl y  p a ssw o r d change   No  No  No  No  Y e s   Y e s   Using temporar y  registration passw o r d   No  No  No  No  No  Y e s   Prevent duplicated registration   No  No  No  No  No  Y e s        7. Conclusio n   Comm uni cati on re sou r ce s is a cru c ial i s sue to be consi dered in  mode rn auth enticatio n   proto c ol s. In this pape r, we sho w  mo re interestin g  in commu ni cation resou r ce s as  well  as   se curity fun c tionality of the pro p o s ed  authenti c atio n schem e. We redu ce  communi catio n  and   comp utation  co st req u ired  to achi eve secu re  a nd m u tual auth ent ication  betwe en re mote u s er  and serve r . We p r op ose  our secure  Lightwe i ght  commu nication overhea d authenti c at ion   scheme  usi n g sma r t card.  Thro ugh  cry p tanalysi s  a n d  perfo rma n ce evaluatio n  comp ari s o n , we  sho w  that, o u r propo se d scheme  achi eves de si re d  security attri butes a nd  withstand va rio u s  malicio us att a cks  whi c h o t her sche me s suffe r from.  Our propo se d scheme  re quire d only 8 6 4   bits totally communi catio n  overh ead  also  req u ires low  com put ation co st  co mpared to ot her  related  sch e m es  and  sup porting  mutu al authe nticat ion an d  se ssi on  key ag re e m ent u s ing  smart  c a rd tec h nology. Thus , our sc heme is  more suit able f o r   pr ac tical us e to secure  r e mote ac cess  over publi c  e n vironm ent.      Referen ces   [1]    Yu X, F a n g  JJ , Z hang Z L . A  Securit y  Mec han ism bas ed  on Auth entic ated Diffie  Hel l m an for W S N.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (6): 3 349 - 33 54.    [2]    Lamp o rt L. Pa ss w o rd  auth e n t ication  w i th  in secure c o mmu nicati on.  C o mmu n ic ations  of  the ACM .  198 1; 24(1 1 ): 770-7 72.   [3]    Chang CC, Wu  T C .  Remote p a ssw ord  auth entic atio n w i th s m art   card . C o mput ers a n d  Di git a l   T e chniques. IE EE Proceed in g s . 1991; 13 8(3) : 165-16 8.    [4]    Sun HM. An  efficient remote use  a u the n tication sc heme  usin g smart cards.  IEEE Transactions o n   Cons u m er Ele c tronics . 200 0; 46(4): 95 8-9 6 1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 3, March 20 16 :  597 – 606   606 [5]    Ku W C , Chen  SM.  W eakne sses and impr oveme n ts of an efficient pas s w o r d bas ed r e mote user   authe nticati on scheme   usi ng smart  cards.  I EEE  Transactions on Consum er   Electronic s . 200 4; 5 0 (1):   204- 207.   [6]    Cha n  CK,  Ch e ng  LM. Cr ypt a nal ysis  of  a r e mo te us er  auth enticati o n  sche m e us ing  smar t cards.  IEEE   T r ansactio n s o n  Cons u m er El ectronics . 20 00 ; 46(4): 992-9 9 3 .  [7]    Chie n HY, Ja n  JY,  T s eng YM. An efficient a nd pr ac tical s o l u tion to r e mote  authe nticatio n:  smart card.  Co mp uters & Security . 200 2; 21(4): 37 2-3 7 5 .   [8]    Hsu CL. S e cur i t y  of C h ie n et  al.' s remote  u s er auth enticat ion sc heme  us ing smart car d s.  Computer   Standar ds & Interfaces . 200 4; 26(3): 167- 16 9.  [9]    H w an g MS, Li  LH. A ne w   re mote user  aut hentic atio n sch eme us ing sm art cards.  IEEE Transactions   on Co nsu m er  Electron ics . 20 00; 46(1): 2 8 -3 0.  [10]    W e i Chi KU,  Cha ng ST . Imperso natio n attack on  a d y n a m ic ID-base d  remote user  a u thentic atio n   scheme us ing  smart cards.  IEICE T r ansactio n s on Co mmun i catio n s . 200 5; 88(5): 21 65- 21 67.   [11]    Devi T ,   Ganesan R.  Platform-as-a-Servic e (PaaS):  Model and Sec u rit y  Issues.  TEL K OMNIKA   Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2015; 1 5 (1): 1 51 – 16 1.   [12]    Xu J, Z hu W T , F eng DG.  An improv ed  smart  card ba sed p a ss w o r d  authe nticatio n  scheme  w i t h   prova b le sec u ri t y .  Co mp uter Standar ds & Interfaces . 2009; 3 1 (4): 723- 72 8.  [13]    Song R. Adva nced smart c a rd  bas ed p a s s w o r d a u the n t ication pr otoc ol.  Co mp uter Standar ds &  Interfaces.  201 0; 32(5): 32 1-3 25.   [14]    Sood SK, Sarj e AK, Singh K.   An improv e m e n t of Xu et al.' s aut he nticatio n  sche m e us ing  smart car d s .  Procee din g s of  the  T h ird Ann ual ACM Ba ng alor e Confer en ce.   Banga lor e .  201 0.  [15]    Che n  BL, Ku o  W C , W uu LC.  Rob u st smart-card -b ased  rem o te user  pass w ord a u the n ticat i on sc hem e.  Internatio na l Journ a l of Co mmu n ic ation Sys t ems . 20 14; 27 (2): 377-3 89.   [16]    Li  X, Ni u J,  Khurram K h a n  M, Lia o  J. A n  en ha nce d  s m art card  bas ed rem o te us er pass w o r d   authe nticati on scheme.  Jour n a l of Netw ork and Co mputer A pplic atio ns . 20 13; 36(5): 1 365 -137 1.  [17]    Kocher P, Jaffe J, Jun B.   Differenti a l po w e r an al ysis.  In: Advances  in cr yptol o g y   CRYPT O99.  Sprin ger. 19 99 : 388-39 7.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.