Применение биометрии для аутентификации пользователей компьютерных систем

МГТУ «СТАНКИН»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Защита информации в компьютерных системах»

на тему

«Применение биометрии для аутентификации пользователей компьютерных систем»

Выполнил ст. гр. И-7-8            Чистов И.О.

Проверил:              Большакова Т.С.

МОСКВА

2006

Содержание:

1. Введение 3

2. Основы биометрической идентификации 4

3. Методы аутентификации 5

4. Статические и динамические методы аутентификации 6

5. Параметры производительности 8

6. Отпечатки пальцев 10

7. Геометрия лица 11

8. Геометрия руки 13

9. Радужная оболочка глаза 13

10. Сетчатка глаза 14

11. Голос и речь 16

12. Подпись 16

13. Перспективы биометрических технологий 17

14. Источники 18

Введение

По мере развития компьютерных сетей  и расширения сфер автоматизации  ценность информации неуклонно возрастает. Государственные секреты, наукоемкие ноу-хау, коммерческие, юридические и врачебные тайны все чаще доверяются компьютеру, который, как правило, подключен к локальным и корпоративным сетям. Популярность глобальной сети Интернет, с одной стороны, открывает огромные возможности для электронной коммерции, но, с другой стороны, создает потребность в более надежных средствах безопасности для защиты корпоративных данных от доступа извне. В настоящее время все больше компаний сталкиваются с необходимостью предотвратить несанкционированный доступ к своим системам и защитить транзакции в электронном бизнесе.

Практически до конца 90-х годов  основным способом персонификации пользователя было указание его сетевого имени  и пароля. Справедливости ради нужно  отметить, что подобного подхода по-прежнему придерживаются во многих учреждениях и организациях. Опасности, связанные с использованием пароля, хорошо известны: пароли забывают, хранят в неподходящем месте, наконец, их могут просто украсть. Некоторые пользователи записывают пароль на бумаге и держат эти записи рядом со своими рабочими станциями. Как сообщают группы информационных технологий многих компаний, большая часть звонков в службу поддержки связана с забытыми или утратившими силу паролями.

Известно, что систему можно  обмануть, представившись чужим именем. Для этого необходимо лишь знать некую идентифицирующую информацию, которой, с точки зрения системы безопасности, обладает один-единственный человек. Злоумышленник, выдав себя за сотрудника компании, получает в свое распоряжение все ресурсы, доступные данному пользователю в соответствии с его полномочиями и должностными обязанностями. Результатом могут стать различные противоправные действия, начиная от кражи информации и заканчивая выводом из строя всего информационного комплекса.

Разработчики традиционных устройств  идентификации уже столкнулись  с тем, что стандартные методы во многом устарели. Проблема, в частности, состоит в том, что общепринятое разделение методов контроля физического  доступа и контроля доступа к  информации более несостоятельно. Ведь для получения доступа к серверу иногда совсем не обязательно входить в помещение, где он стоит. Причиной тому - ставшая всеобъемлющей концепция распределенных вычислений, объединяющая и технологию клиент-сервер, и Интернет. Для решения этой проблемы требуются радикально новые методы, основанные на новой идеологии. Проведенные исследования показывают, что ущерб в случаях несанкционированного доступа к данным компаний может составлять миллионы долларов.

Есть ли выход из этой ситуации? Оказывается, есть, и уже давно. Просто для доступа к системе нужно применять такие методы идентификации, которые не работают в отрыве от их носителя. Этому требованию отвечают биометрические характеристики человеческого организма. Современные биометрические технологии позволяют идентифицировать личность по физиологическим и психологическим признакам. Кстати, биометрия известна человечеству очень давно - еще древние египтяне использовали идентификацию по росту.

Основы  биометрической идентификации

Главная цель биометрической идентификации  заключается в создании такой  системы регистрации, которая крайне редко отказывала бы в доступе  легитимным пользователям и в  то же время полностью исключала  несанкционированный вход в компьютерные хранилища информации. По сравнению с паролями и карточками такая система обеспечивает гораздо более надежную защиту: ведь собственное тело нельзя ни забыть, ни потерять. Биометрическое распознавание объекта основано на сравнении физиологических или психологических особенностей этого объекта с его характеристиками, хранящимися в базе данных системы. Подобный процесс постоянно происходит в мозгу человека, позволяя узнавать, например, своих близких и отличать их от незнакомых людей.

Биометрические технологии можно  разделить на две большие категории - физиологические и психологические (поведенческие). В первом случае анализируются такие признаки, как черты лица, структура глаза (сетчатки или радужной оболочки), параметры пальцев (папиллярные линии, рельеф, длина суставов и т.д.), ладонь (ее отпечаток или топография), форма руки, рисунок вен на запястье или тепловая картина. Психологические характеристики - это голос человека, особенности его подписи, динамические параметры письма и особенности ввода текста с клавиатуры.

На выбор метода, наиболее подходящего в той или иной ситуации, влияет целый ряд факторов. Предлагаемые технологии отличаются по эффективности, причем их стоимость в большинстве случаев прямо пропорциональна уровню надежности. Так, применение специализированной аппаратуры иной раз повышает стоимость каждого рабочего места на тысячи долларов.

Физиологические особенности, например, папиллярный узор пальца, геометрия  ладони или рисунок (модель) радужной оболочки глаза - это постоянные физические характеристики человека. Данный тип измерений (проверки) практически неизменен, так же, как и сами физиологические характеристики. Поведенческие же характеристики, например, подпись, голос или клавиатурный почерк, находятся под влиянием как управляемых действий, так и менее управляемых психологических факторов. Поскольку поведенческие характеристики могут изменяться с течением времени, зарегистрированный биометрический образец должен при каждом использовании обновляться. Биометрия, основанная на поведенческих характеристиках, дешевле и представляет меньшую угрозу для пользователей; зато идентификация личности по физиологическим чертам более точна и дает большую безопасность. В любом случае оба метода обеспечивают значительно более высокий уровень идентификации, чем пароли или карты.

Важно отметить, что все биометрические средства аутентификации в той или  иной форме используют статистические свойства некоторых качеств индивида. Это означает, что результаты их применения носят вероятностный  характер и будут изменяться от раза к разу. Кроме того, все подобные средства не застрахованы от ошибок аутентификации. Существует два рода ошибок: ложный отказ (не признали своего) и ложный допуск (пропустили чужого). Надо сказать, что тема эта в теории вероятностей хорошо изучена еще со времен развития радиолокации. Влияние ошибок на процесс аутентификации оценивается с помощью сравнения средних вероятностей соответственно ложного отказа и ложного допуска. Как показывает практика, эти две вероятности связаны обратной зависимостью, т.е. при попытке ужесточить контроль повышается вероятность не пустить в систему своего, и наоборот. Таким образом, в каждом случае необходимо искать некий компромисс. Тем не менее, даже по самым пессимистичным оценкам экспертов, биометрия выигрывает при всех сравнениях, поскольку она значительно надежнее, чем другие существующие методы аутентификации.

Кроме эффективности и цены, компаниям  следует учитывать также реакцию  служащих на биометрические средства. Идеальная система должна быть простой  в применении, быстрой, ненавязчивой, удобной и приемлемой с социальной точки зрения. Однако ничего идеального в природе нет, и каждая из разработанных технологий лишь частично соответствует всему набору требований. Но даже самые неудобные и непопулярные средства (например, идентификация по сетчатке, которой пользователи всячески стараются избежать, защищая свои глаза) приносят нанимателю несомненную пользу: они демонстрируют должное внимание компании к вопросам безопасности.

Развитие биометрических устройств  идет по нескольким направлениям, но общие для них черты - это непревзойденный на сегодня уровень безопасности, отсутствие традиционных недостатков парольных и карточных систем защиты и высокая надежность. Успехи биометрических технологий связаны пока главным образом с организациями, где они внедряются в приказном порядке, например, для контроля доступа в охраняемые зоны или идентификации лиц, привлекших внимание правоохранительных органов. Корпоративные пользователи, похоже, еще не осознали потенциальных возможностей биометрии в полной мере. Часто менеджеры компаний не рискуют развертывать у себя биометрические системы, опасаясь, что из-за возможных неточностей в измерениях пользователи будут получать отказы в доступе, на который у них есть права. Тем не менее новые технологии все активнее проникают на корпоративный рынок. Уже сегодня существуют десятки тысяч компьютеризованных мест, хранилищ, исследовательских лабораторий, банков крови, банкоматов, военных сооружений, доступ к которым контролируется устройствами, сканирующими уникальные физиологические или поведенческие характеристики индивидуума.

Методы  аутентификации

Как известно, аутентификация подразумевает  проверку подлинности субъекта, которым  в принципе может быть не только человек, но и программный процесс. Вообще говоря, аутентификация индивидов возможна за счет предъявления информации, хранящейся в различной форме. Это может быть:

• пароль, личный номер, криптографический ключ, сетевой адрес компьютера в сети;
• смарт-карта, электронный ключ;
• внешность, голос, рисунок радужной оболочки глаз, отпечатки пальцев и другие биометрические характеристики пользователя.

Аутентификация позволяет обоснованно  и достоверно разграничить права  доступа к информации, находящейся  в общем пользовании. Однако, с  другой стороны, возникает проблема обеспечения целостности и достоверности этой информации. Пользователь должен быть уверен, что получает доступ к информации из заслуживающего доверия источника и что данная информации не модифицировалась без соответствующих санкций.

Поиск совпадения "один к одному" (по одному атрибуту) называется верификацией. Этот способ отличается высокой скоростью и предъявляет минимальные требования к вычислительной мощности компьютера. А вот поиск "один ко многим" носит название идентификации. Реализовать подобный алгоритм обычно не только сложно, но и дорого. Сегодня на рынок выходят биометрические устройства, использующие для верификации и идентификации пользователей компьютеров такие индивидуальные характеристики человека, как отпечатки пальцев, черты лица, радужную оболочку и сетчатку глаза, форму ладони, особенности голоса, речи и подписи. На стадии тестирования и опытной эксплуатации находятся системы, позволяющие выполнять аутентификацию пользователей по тепловому полю лица, рисунку кровеносных сосудов руки, запаху тела, температуре кожи и даже по форме ушей.

Любая биометрическая система позволяет  распознавать некий шаблон и устанавливать  аутентичность конкретных физиологических  или поведенческих характеристик  пользователя. Логически биометрическую систему можно разделить на два модуля: модуль регистрации и модуль идентификации. Первый отвечает за то, чтобы обучить систему идентифицировать конкретного человека. На этапе регистрации биометрические датчики сканируют необходимые физиологические или поведенческие характеристики человека и создают их цифровое представление. Специальный модуль обрабатывает это представление с тем, чтобы выделить характерные особенности и сгенерировать более компактное и выразительное представление, называемое шаблоном. Для изображения лица такими характерными особенностями могут стать размер и относительное расположение глаз, носа и рта. Шаблон для каждого пользователя хранится в базе данных биометрической системы.

Модуль идентификации отвечает за распознавание человека. На этапе идентификации биометрический датчик снимает характеристики человека, которого нужно идентифицировать, и преобразует эти характеристики в тот же цифровой формат, в котором хранится шаблон. Полученный шаблон сравнивается с хранимым, чтобы определить, соответствуют ли эти шаблоны друг другу.

Например, в ОС Microsoft Windows для аутентификации пользователя требуется два объекта - имя пользователя и пароль. При  использовании в процессе аутентификации отпечатков пальцев имя пользователя вводится для регистрации, а отпечаток пальца заменяет пароль (рис. 1). Эта технология использует имя пользователя в качестве указателя для получения учетной записи пользователя и проверки соответствия "один к одному" между шаблоном считанного при регистрации отпечатка и шаблоном, ранее сохраненным для данного имени пользователя. Во втором случае введенный при регистрации шаблон отпечатка пальца необходимо сопоставить со всем набором сохраненных шаблонов.

При выборе способа аутентификации имеет смысл учитывать несколько  основных факторов:

• ценность информации;
• стоимость программно-аппаратного обеспечения аутентификации;
• производительность системы;
• отношение пользователей к применяемым методам аутентификации;
• специфику (предназначение) защищаемого информационного комплекса.

Очевидно, что стоимость, а следовательно, качество и надежность средств аутентификации должны быть напрямую связаны с важностью  информации. Кроме того, повышение  производительности комплекса, как  правило, также сопровождается его  удорожанием.

Статические и динамические методы аутентификации

В настоящее время существует множество  методов биометрической аутентификации, которые делятся на  две группы, рассмотренные ниже.

Статические методы

Статические методы биометрической аутентификации основываются на физиологической (статической) характеристике человека, то есть уникальной характеристике, данной ему от рождения и неотъемлимой от него;

Рассмотрим методы аутентификации этой группы:

• По отпечатку пальца. В основе этого метода лежит уникальность для каждого человека рисунка паппилярных узоров на пальцах. Отпечаток, полученный с помощью специального сканера, преобразуется в цифровой код (свертку), и сравнивается с ранее введенным эталоном. Данная технология является самой распространненой по сравнению с другими методами биометрической атунтификации;
• По форме ладони. Данный метод, построен на геометрии кисти руки. С помощью специального устройства, состоящего из камеры и нескольких подсвечивающих диодов (включаясь по очереди, они дают разные проекции ладони), строится трехмерный образ кисти руки по которому формируется свертка и распознается человек;
• По расположению вен на лицевой стороне ладони. С помощь инфракрасной камеры считывается рисунок вен на лицевой стороне ладони или кисти руки, полученная картинка обрабатывается и по схеме расположения вен формируется цифровая свертка;
• По сетчатке глаза. Вернее этот способ идентификации по рисунку кровеносных сосудов глазного дна. Для того, чтобы этот рисунок стал виден – человеку нужно посмотреть на удаленную световую точку, и таким образом подсвеченное глазное дно сканируется специальной камерой.
• По радужной оболочке глаза. Рисунок радужной оболочки глаза также является уникальной харатеристикой человека, причем для ее сканирования достаточно портативной камеры со специализированный программным обеспечением, позволяющим захватывать изображение части лица, из которого выделяется изображение глаза, из которого в свою очередь выделяется рисунок радужной оболочки, по которому строится цифровой код для идентификации человека;
• По форме лица. В данном методе идентификации строится трехмерный образ лица человека. На лице выделяются контуры бровей, глаз, носа, губ и т.д., вычисляется расстояние между ними и строится не просто образ, а еще множество его вариантов на случаи поворота лица, наклона, изменения выражения. Количество образов варьируется в зависимости от целей использования данного способа (для аутентификации, верификации, удаленного поиска на больших территориях и т.д)
• По  термограмме лица.  В основе данного способа аутентификации лежит уникальность распределения на лице артерий, снабжающих кровью кожу, которые выделяют тепло. Для получения термограммы, используются специальные камеры инфракрасного диапазона. В отличие от предыдущего – этот метод позволяет различать близнецов.
• По ДНК. Преимущества данного способы очевидны, однако используемые в настоящее время методы получения и обработки ДНК – работают настолько долго, что такие системы используются только для специализированных экспертиз.
• Другие методы. На самом деле в данной статье описаны только самые распространенные методы, существуют еще такие уникальные способы – как идентификация по подногтевому слою кожи, по объему указанных для сканирования пальцев, форме уха, запаху тела и т.д.

Динамические методы

Динамические методы биометрической аутентификации основываются на поведенческой (динамической) характеристике человека, то есть построенны на особенностях, характерных для подсознательных движений в процессе воспроизведения какого-либо действия.

Рассмотрим методы аутентификации этой группы:

• По рукописному почерку. Как привило для этого вида идентификации человека используется его роспись (иногда написание кодового слова). Цифровой код индентификации формируется, в зависимости от необходимой степени защиты и наличия оборудования (графический планшет, экран корманного компьютера Palm и т.д.), двух типов:
1. По самой росписи, то есть для идентификации используется просто степень совпадения двух картинок;
2. По росписи и динамическим характеристикам написания, то есть для идентификации строится свертка, в которую входит информация по непосредственно подписи, временным характеристикам нанесения росписи и статистическим характеристикам динамики нажима на поверхность.
• По клавиатурному почерку. Метод в целом аналогичен вышеописанному, но вместо росписи используется некое кодовое слово (когда для этого используется личный пароль пользователя, такую аутентификацию называют двухфакторной) и не нужно никакого специального оборудования, кроме стандартной клавиатуры. Основной харатеристикой по которой строится свертка для идентификации – динамика набора кодового слова;
• По голосу. Одна из старейших технологий, в настоящее время ее развитие ускорилось – так как предполагается ее широкое использование в построении «интеллектуальных зданий». Существует достаточно много способов построения кода идентификации по голосу, как правило это различные сочетания частотных и статистических  характеристик голоса;
• Другие методы. Для данной группы методов также описаны только самые распространенные методы, существуют еще такие уникальные способы – как идентификация по движению губ при воспроизведении кодового слова, по динамике поворота ключа в дверном замке и т.д

Общей характеристикой, используемой для сравнения различных методов  и способов биометрической идентификации – являются статистические показатели – ошибка первого рода (не пустить в систему «своего») и ошибка второго рода (пустить в систему чужого).

Сортировать и сравнивать описанные  выше биометрические методы по показаниям ошибок первого рода очень сложно, так как они сильно разнятся для одних и тех же методов, из-за сильной зависимости от оборудования на котором они реализованы.

По показателям ошибок второго  рода общая сортировка методов биометрической аутентификации выглядит так (от лучших к худшим):

• ДНК;
• Радужная оболочка глаза, сетчатка глаза;
• Отпечаток пальца, термография лица, форма ладони;
• Форма лица, расположение вен на кисти руки и ладони;
• Подпись;
• Клавиатурный почерк;
• Голос.

Отсюда становится видно, что, с  одной стороны статические методы идентификации существенно лучше динамических, а с другой стороны существенно дороже.

Параметры производительности

Существует два вида биометрических систем: идентификационные и верификационные.

В идентификационных системах для  анализа предоставляется биометрическая подпись неизвестного человека. Система сравнивает новую биометрическую подпись с информацией, хранящийся в базе данных биометрических подписей известных лиц. После сравнения система сообщает (или оценивает) личность неизвестного человека на основе информации из своей базы данных. К системам, которые используют идентификацию, относятся системы, применяемые полицией для идентификации людей по отпечаткам пальцев и фотографиям. В гражданских целях подобные системы могут применяться для проверки многочисленных приложений при получении конкретным человеком социальных пособий и при выдаче водительских прав.

В верификационных системах пользователь предоставляет биометрическую подпись  и утверждает, что эта биометрическая подпись принадлежит конкретному человеку. Алгоритм или принимает, или опровергает это утверждение. С другой стороны, алгоритм может возвращать индекс уверенности в правильности отождествления. К приложениям верификации относятся приложения, которые проверяют подлинность личности во время транзакций или для управляемого доступа к компьютерам, а также для управления защитой зданий.

Параметры эффективности верификационных  приложений существенно отличаются от параметров идентификационных систем. Основной параметр – это способность  системы идентифицировать владельца биометрической подписи. Более точно, параметр эффективности – это процент запросов, корректный ответ на которые находится среди нескольких найденных соответствий.

К примеру, правоохранительные органы часто используют электронный альбом с фотографиями подозреваемых и результатом является список наиболее вероятных соответствий. Зачастую полицейские проверяют лишь первые двадцать фамилий получаемого списка. Для таких приложений важный параметр эффективности – это процент запросов, при которых корректный ответ находится среди первых двадцати найденных соответствий.

С другой стороны, эффективность верификационной  системы традиционно характеризуется  двумя параметрами ошибки: уровнем  ошибочных отказов (false-reject rate) и уровнем  ошибочных подтверждений (false-alarm rate). Эти параметры ошибки связаны друг с другом; каждому уровню ошибочных отказов соответствует уровень ошибочных подтверждений. Ошибочный отказ возникает тогда, когда система не подтверждает личность легитимного пользователя; ошибочное подтверждение происходит в случае подтверждения личности нелегитимного пользователя.

В совершенной биометрической системе  оба параметра ошибки должны быть равны нулю. К сожалению, биометрические системы не совершенны, поэтому вы должны чем-то пожертвовать. Если вы будете всем отказывать в доступе, уровень ошибочных отказов будет равен единице, а уровень ошибочных подтверждений – нулю. Другая крайность: если вы всем разрешаете доступ, то уровень ошибочных отказов будет равен нулю, а уровень ошибочных подтверждений – единице.

На  самом деле, система поддерживает некоторое промежуточное состояние  между этими двумя крайностями. В большинстве случаев системный  параметр настраивается так, чтобы  добиться требуемого уровня ошибочных  подтверждений, что определяет соответствующий уровень ошибочных отказов. Установка параметра зависит от приложения. Для сети банкоматов, где в первую очередь необходимо избежать гнева легитимных пользователей, уровень ошибочных отказов должен быть установлен более низким за счет увеличения уровня ошибочных подтверждений. С другой стороны, у системы, которая предоставляет доступ в защищенную область, приоритетным является уровень ошибочных подтверждений.

Отпечатки пальцев

В последние годы процесс идентификации  личности по отпечатку пальца обратил на себя внимание как биометрическая технология, которая, вполне вероятно, будет наиболее широко использоваться в будущем. По оценкам Gartner Group (http://www.gartnergroup.com), данная технология доминирует на корпоративном рынке и в ближайшее время конкуренцию ей может составить лишь технология опознавания по радужной оболочке глаза.

Правительственные и гражданские организации во всем мире уже давно используют отпечатки  пальцев в качестве основного метода установления личности. Кроме того, отпечатки - это наиболее точная, дружественная к пользователю и экономичная биометрическая характеристика для применения в компьютерной системе идентификации. Данной технологией в США пользуются, например, отделы транспортных средств администраций ряда штатов, MasterCard, ФБР, Секретная служба, Агентство национальной безопасности, министерства финансов и обороны и т.д. Устраняя потребность в паролях для пользователей, технология распознавания отпечатков пальцев сокращает число обращений в службу поддержки и снижает расходы на сетевое администрирование.

Обычно  системы распознавания отпечатков пальцев разделяют на два типа: для идентификации - AFIS (Automatic Fingerprint Identification Systems) и для верификации. В первом случае используются отпечатки всех десяти пальцев. Подобные системы находят широкое применение в судебных органах. Устройства верификации обычно оперируют с информацией об отпечатках одного, реже нескольких пальцев. Сканирующие устройства бывают, как правило, трех типов: оптические, ультразвуковые и на основе микрочипа.

Преимущества доступа по отпечатку  пальца - простота использования, удобство и надежность. Известны два основополагающих алгоритма распознавания отпечатков пальцев: по отдельным деталям (характерным точкам) и по рельефу всей поверхности пальца. Соответственно в первом случае устройство регистрирует только некоторые участки, уникальные для конкретного отпечатка, и определяет их взаимное расположение. Во втором случае обрабатывается изображение всего отпечатка. В современных системах все чаще используется комбинация этих двух способов. Это позволяет избежать недостатков обоих и повысить достоверность идентификации. Единовременная регистрация отпечатка пальца человека на оптическом сканере занимает немного времени. Крошечная CCD-камера, выполненная в виде отдельного устройства или встроенная в клавиатуру, делает снимок отпечатка пальца. Затем с помощью специальных алгоритмов полученное изображение преобразуется в уникальный "шаблон" - карту микроточек отпечатка, которые определяются имеющимися в нем разрывами и пересечениями линий. Этот шаблон (а не сам отпечаток) затем шифруется и записывается в базу данных для аутентификации сетевых пользователей. В одном шаблоне хранится от нескольких десятков до сотен микроточек. При этом пользователи могут не беспокоиться о неприкосновенности своей частной жизни, поскольку сам отпечаток пальца не сохраняется и не может быть воссоздан по микроточкам.

Преимущество ультразвукового  сканирования - возможность определения  требуемых характеристик на грязных  пальцах и даже через тонкие резиновые  перчатки. Стоит отметить, что современные  системы распознавания нельзя обмануть даже свежеотрубленными пальцами (микрочип измеряет физические параметры кожи). Разработкой подобных систем занимаются более 50 различных производителей.

Использование отпечатка пальца для идентификации  личности - самый удобный из всех биометрических методов. Вероятность ошибки при идентификации пользователя намного меньше в сравнении с другими методами биометрии. Качество распознавания отпечатка и возможность его правильной обработки алгоритмом сильно зависят от состояния поверхности пальца и его положения относительно сканирующего элемента. Различные системы предъявляют разные требования к этим двум параметрам. Характер требований зависит, в частности, от применяемого алгоритма. К примеру, распознавание по характерным точкам дает сильный уровень шума при плохом состоянии поверхности пальца. Распознавание по всей поверхности лишено этого недостатка, но для него требуется очень точно размещать палец на сканирующем элементе. Устройство идентификации по отпечатку пальца (сканер, рис. 2) не требует много места и может быть вмонтировано в указательный манипулятор (мышь) или клавиатуру.