《電子技術(shù)應(yīng)用》
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移動(dòng)IPv6中安全認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

2009-08-19
作者：劉建華，游 紅，曾 進(jìn)

??? 摘? 要： 分析了移動(dòng)環(huán)境下移動(dòng)IP認(rèn)證方案的不足，提出一種高效的移動(dòng)IPv6安全認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)，并使用BAN邏輯方法對其進(jìn)行了形式化分析。
??? 關(guān)鍵詞： 移動(dòng)IPv6? 授權(quán)? 認(rèn)證? BAN邏輯

?

??? 在移動(dòng)IPv6研究領(lǐng)域中，對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證是保證網(wǎng)絡(luò)安全和有效管理網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容。
1? 移動(dòng)IPv6中的認(rèn)證
??? 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）經(jīng)常會(huì)跨域移動(dòng)，本屬于管理域（Home Domain，HD）A的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)移動(dòng)到另一管理域(Foreign Domain，F(xiàn)D)B中，申請使用網(wǎng)絡(luò)資源。這時(shí)就需要對資源申請者的身份進(jìn)行認(rèn)證。授權(quán)和計(jì)費(fèi)（Authentication Authorization and Accounting）AAA實(shí)體依靠安全關(guān)聯(lián)（Security Association，SA）傳輸敏感信息，相互協(xié)作，共同完成對客戶的認(rèn)證和授權(quán)。
??? 通過對幾種常見認(rèn)證協(xié)議(RADIUS、IEEE802.1X和EAP方法等）的分析考察，可以發(fā)現(xiàn)以下不足：
??? (1)客戶端的身份認(rèn)證基本都依賴證書體制?；谧C書的密鑰管理方案通常要依賴PKI模型中的通用可信任第三方。要建立這樣一個(gè)所有管理域都認(rèn)可的第三方難度很大，涉及很多非技術(shù)因素。認(rèn)證中心(Certification Authorities，CA)難以對AAA實(shí)體的所有證書進(jìn)行有效管理。所有證書都公開，每個(gè)用戶都可以訪問，要真正使可信任第三方符合這個(gè)前提實(shí)際上很難完全做到。(2)大多數(shù)協(xié)議主要考慮了如何在跨域情況下實(shí)現(xiàn)AAA數(shù)據(jù)的安全傳輸，而對認(rèn)證協(xié)議自身的效率和性能考慮得較少。(3)每次移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，都需要進(jìn)行一次認(rèn)證，極大降低了認(rèn)證系統(tǒng)的使用效率。
??? 在設(shè)計(jì)移動(dòng)IPv6 AAA認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮移動(dòng)漫游這個(gè)特性，至少要滿足以下要求：①家鄉(xiāng)AAA服務(wù)器(AAA Home，AAAH)和本地AAA服務(wù)器（AAA Local，AAAL）之間通過Internet交換消息所需要的傳輸時(shí)間占了AAA協(xié)議處理時(shí)間的相當(dāng)大部分。這就要求盡量減少消息往返次數(shù)，以提高AAA性能。②能夠使用IP地址以外的方法來標(biāo)識(shí)用戶身份，對所有的AAA信息都要提供不可否認(rèn)性服務(wù)，并能夠抵御一些常見的攻擊。③AAA服務(wù)器除了認(rèn)證以外還要具備注冊、密鑰分配等其他功能，在進(jìn)行轉(zhuǎn)交地址注冊同時(shí)完成密鑰分配。
2? 移動(dòng)IPv6中安全認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
??? 設(shè)計(jì)改進(jìn)安全認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是盡量少地使用證書體制，保證各管理域中系統(tǒng)的安全通信，并盡量提高認(rèn)證系統(tǒng)的使用效率。本文在以下幾個(gè)方面對AAA體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：(1)在服務(wù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中增加訪問控制模塊，使服務(wù)點(diǎn)不僅僅只轉(zhuǎn)發(fā)消息和授權(quán)AAA客戶端使用網(wǎng)絡(luò)資源，還可以用來過濾MN和服務(wù)點(diǎn)之間的通信，防止惡意站點(diǎn)進(jìn)行拒絕服務(wù)(Denial of Service，DoS)攻擊，以進(jìn)一步保證AAA系統(tǒng)的安全。(2)采用了基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)識(shí)（Network Access Identifier，NAI）的密碼體制。改進(jìn)的AAA體系結(jié)構(gòu)把可以惟一標(biāo)識(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)身份的NAI（通常采用電子郵件格式，如mobilenode@cqu.edu.cn）作為公鑰來減少對證書的使用和對可信任第三方實(shí)體的依賴，簡化密鑰管理。(3)充分考慮到MN進(jìn)行小范圍移動(dòng)時(shí)可能需要進(jìn)行多次認(rèn)證的情況，通過“一次認(rèn)證、多次使用”來減少AAA信息交換次數(shù)，以提高認(rèn)證系統(tǒng)的使用效率和性能。
??? 改進(jìn)后的移動(dòng)IPv6安全認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)認(rèn)證過程可以分為以下3個(gè)階段。

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2.1 準(zhǔn)備階段
??? 該階段的主要目標(biāo)是使MN獲知服務(wù)點(diǎn)的地址，為后續(xù)通信奠定基礎(chǔ)。
??? (1)當(dāng)MN移動(dòng)到異地管理域中時(shí)，通過無狀態(tài)或者有狀態(tài)的地址配置協(xié)議得到一個(gè)轉(zhuǎn)交地址，并使用區(qū)域局部多播地址向服務(wù)點(diǎn)發(fā)送Attendant-request報(bào)文。
??? (2)服務(wù)點(diǎn)返回attendant-reply報(bào)文響應(yīng)MN節(jié)點(diǎn)，MN得到服務(wù)點(diǎn)地址。
??? 服務(wù)點(diǎn)地址也可以通過服務(wù)點(diǎn)的定期通告獲知。訪問控制模塊在該階段允許所有未認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的報(bào)文通過。
2.2 認(rèn)證注冊階段
??? 在該階段，改進(jìn)的認(rèn)證方案通過使用基于NAI的密碼體制實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證，其中AAAH、家鄉(xiāng)代理(Home Agent，HA)和MN都擁有與其NAI相對應(yīng)的私鑰。整個(gè)認(rèn)證注冊過程如圖2所示。

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??? (1)MN使用與自己NAI相對應(yīng)的私鑰Smn@計(jì)算數(shù)字簽名<>Smn@，并附加在RRQ（Registration Request Message）報(bào)文M1后，然后把整個(gè)M1，<>Smn@一起發(fā)送給服務(wù)點(diǎn)。其中M1包含了MN的NAI mn@和隨機(jī)數(shù)N1。<>Smn@表示使用Smn@對M1進(jìn)行數(shù)字簽名。數(shù)字簽名算法使用了橢圓曲線加密算法(Elliptic Curve Cryptography，ECC)。
??? (2)服務(wù)點(diǎn)檢查MN的NAI，用mn@對數(shù)字簽名<>Smn@進(jìn)行解密以驗(yàn)證報(bào)文發(fā)送者的身份，并啟動(dòng)AAA協(xié)議，將報(bào)文轉(zhuǎn)化為AAA協(xié)議格式的AMR(AA-Mobile-Node-Request)報(bào)文，轉(zhuǎn)發(fā)給AAAH。
??? (3)AAAH使用mn@對數(shù)字簽名<>Smn@進(jìn)行解密以驗(yàn)證報(bào)文發(fā)送者的身份，對MN進(jìn)行認(rèn)證，并且生成移動(dòng)IP會(huì)話密鑰KMN-HA、KMN-attendant和KHA-attendant，同時(shí)構(gòu)造HAR（Home-Agent-MIP-Request）報(bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)給HA。
??? (4)HA使用mn@作為密鑰，把移動(dòng)IP會(huì)話密鑰KMN-HA和KMN-attendant使用ECC進(jìn)行加密，得到{KMN-HA，KMN-attendant}mn@，并產(chǎn)生RRP（Registration Reply）報(bào)文M2，且使用與自己NAI相對應(yīng)的私鑰Sha@計(jì)算數(shù)字簽名<>Sha@，附加在注冊應(yīng)答報(bào)文M2后，最后把整個(gè)M2，<>Sha@發(fā)送給AAAH。其中M2中含有一個(gè)隨機(jī)數(shù)N2。
??? (5)AAAH把包含M2，<>Sha@的AMA(AA-Mobile-Node-Answer)報(bào)文M3，使用與自己NAI相對應(yīng)的私鑰SAAAH@計(jì)算M3的數(shù)字簽名，然后把包含M2，<>Sha@和<>SAAAH@的AMA報(bào)文通過AAAL發(fā)送給服務(wù)點(diǎn)。
??? (6)服務(wù)點(diǎn)使用AAAH@來驗(yàn)證<>SAAAH@，把M2，<>Sha@轉(zhuǎn)發(fā)給MN。MN使用ha@驗(yàn)證<>Sha@，實(shí)現(xiàn)對HA的驗(yàn)證，并使用與自己NAI相對應(yīng)的私鑰Smn@對{KMN-HA，KMN-attendant}進(jìn)行解密，從而得到KMN-HA和KMN- attendant，最終完成密鑰分配。
??? (7)如果MN成功通過了驗(yàn)證，MN就向AAAL發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)組RAND[0..n-1]，其中n的大小和具體的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)。如果希望認(rèn)證結(jié)果保留時(shí)間長些，就增大n；否則減小n。AAAL生成并儲(chǔ)存認(rèn)證向量（Authentication Vector，AV）。AV在經(jīng)過一定的生存期后就會(huì)被刪除。AV的格式如下：
??? AV∷==
????? ??{MN′S? NAI}
????? ??{RAND[i]}/*0<=i<=n-1*/
? ???? {HASH0MD5(RAND[i]| mn@)}/*算法使用MD5*/
??? 當(dāng)?shù)谝淮纬晒φJ(rèn)證后，服務(wù)點(diǎn)就向MN提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并修改訪問控制模塊中的訪問控制列表配置，只允許成功通過認(rèn)證的MN節(jié)點(diǎn)的流量通過，以阻止旨在竊取合法服務(wù)的非法訪問企圖。
2.3 后續(xù)認(rèn)證階段
??? 當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在異地管理域B中跨越服務(wù)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)（如從當(dāng)前服務(wù)點(diǎn)的管轄范圍移動(dòng)到了同一管理域中另一服務(wù)點(diǎn)的管轄范圍），按照一般認(rèn)證方案，需要重新認(rèn)證，有可能再次和家鄉(xiāng)管理域通信。為提高AAA系統(tǒng)的使用效率，本文進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的后續(xù)認(rèn)證過程如圖3所示。

?


??? (1)MN把NAI和隨機(jī)數(shù)RAND[i](i從小到大使用，RAND[i]使用后就從數(shù)組RAND中刪除)和HASH1MD5(RAND[i]|mn@)一同發(fā)送給AAAL。
??? (2)AAAL根據(jù)MN的NAI和RAND[i]檢索出HASH0MD5(RAND[i]|mn@)，并和HASH1MD5(RAND[i]|mn@)進(jìn)行比較。如果二者相等就表明MN不久前已通過了認(rèn)證，返回肯定信息，并刪除AV中的RAND[i]和對應(yīng)的HASH0MD5(RAND[i]|mn@)。新的服務(wù)點(diǎn)相應(yīng)地修改訪問控制模塊中的訪問控制列表配置以允許MN的通信量通過。如果二者不相等，就返回否定信息，表明距離上次成功認(rèn)證已經(jīng)過去很長時(shí)間，MN需要重新發(fā)起認(rèn)證。
3? 認(rèn)證方案的形式化分析
??? BAN邏輯方法使用基于知識(shí)和信念的邏輯來建立分析認(rèn)證協(xié)議的安全需求模型和跟蹤認(rèn)證過程，是目前為止分析認(rèn)證協(xié)議使用最廣泛的一種方法。本文使用BAN邏輯方法對提出的認(rèn)證方案進(jìn)行如下分析：
??? (1)建立初設(shè)集合ａ
??? ①|(zhì)≡mn@|→MN；|≡ha@|→HA；|≡AAAH@|→AAAH
??? ②服務(wù)點(diǎn)|≡#(N1)；AAAH|≡#（N1）；服務(wù)點(diǎn)|≡#（N2）；MN|≡#（N2）
??? ③MN|≡#（N1）；HA|≡#（N2）
??? (2)理想化協(xié)議模型
??? ①M(fèi)N→服務(wù)點(diǎn)：N1，<>Smn@
??? ②服務(wù)點(diǎn)→AAAH：N1，<>Smn@
??? ③HA→AAAH：N2，<>Sha@
??? ④AAAH→服務(wù)點(diǎn)：N2，<>Sha@，<>SAAAH@
??? ⑤服務(wù)點(diǎn)→MN：N2，<>Sha@
??? (3)建立協(xié)議預(yù)期目標(biāo)集合Y
??? Y={AAAH|≡MN；MN|≡HA}
??? (4)利用初設(shè)和邏輯法則分析認(rèn)證過程
??? 服務(wù)點(diǎn)N1，<>Smn@
??? 因?yàn)榉?wù)點(diǎn)|≡#（N1），所以服務(wù)點(diǎn)|≡#（<>Smn@）
??? 因?yàn)榉?wù)點(diǎn)|≡mn@|→MN，服務(wù)點(diǎn)<>Smn@，所以服務(wù)點(diǎn)|≡MN|～<>Smn@
??? AAAHN1，<>Smn@
??? 因?yàn)?AAAH|≡#（N1），所以 AAAH|≡#（<>Smn@）
??? 因?yàn)锳AAH|≡mn@|→MN，AAAH<>Smn@，所以 AAAH|≡MN|～<>Smn@
??? AAAH|≡MN
??? 服務(wù)點(diǎn)N2，<>Sha@，<>SAAAH@
??? 因?yàn)?服務(wù)點(diǎn)|≡#（N2），所以服務(wù)點(diǎn)|≡#（<>Sha@，<>Saaah@）
??? 因?yàn)?服務(wù)點(diǎn)|≡aah@|→AAAH，服務(wù)點(diǎn)?茳<>Saaah@，所以 服務(wù)點(diǎn)|≡AAAH|～<>Saaah@
??? MNN2，<>Sha@
??? 因?yàn)?MN|≡#（N2），所以 MN|≡#（<>Sha@）
??? 因?yàn)?MN|≡ha@|→AAAH，MN<>Sha@? 所以MN|≡HA|～<>Sha@
??? MN|≡HA
??? (5)推導(dǎo)出最終目標(biāo)集合ｒ
??? ｒ：{AAAH|≡MN，MN|≡HA}??ｒ=Y。
??? 可見，該協(xié)議通過使用NAI密碼體制和隨機(jī)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了MN和家鄉(xiāng)管理域的雙向認(rèn)證，達(dá)到了身份鑒別和預(yù)防重放攻擊的基本目標(biāo)。
4? 結(jié)? 論
??? 在移動(dòng)IPv6和AAA之間如何進(jìn)行高效、安全的認(rèn)證必將越來越重要。下一步將具體結(jié)合移動(dòng)終端的計(jì)算能力對AAA體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究。
參考文獻(xiàn)
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