CN100534037C - 一种适用于ibss网络的接入认证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于IBSS网络的接入认证方法。本发明提供的适用于IBSS网络的接入认证方法包括以下步骤：1)对两实体进行认证角色配置；2)通过WAPI认证协议或RSNA的IEEE 802.1x认证协议对执行角色配置后的认证实体A和请求实体S进行认证和密钥协商过程。本发明提供的适用于IBSS网络的接入认证方法具有安全性更强、执行效率更高的优点。

Description

一种适用于IBSS网络的接入认证方法
技术领域
本发明涉及一种适用于IBSS网络的接入认证方法。
背景技术
为了解决无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)国际标准ISO/IEC 8802-11中定义的WEP(Wired Equivalent Privacy)安全机制存在的安全漏洞，我国颁布了无线局域网国家标准及其第1号修改单，采用无线局域网认证与保密基础结构WAPI(WLAN Authentication and PrivacyInfrastructure)替代WEP，解决无线局域网的安全问题。之后，IEEE组织也颁布了IEEE 802.11i标准，在后向兼容的基础上，提出了鲁棒安全网络关联RSNA(Robust Security Network Association)技术弥补WEP存在的安全漏洞。
WAPI利用证书或共享密钥的认证及密钥管理协议，RSNA通过基于扩展认证协议EAP(Extended Authentication Protocol)的IEEE 802.1x与4步握手协议(4-way Handshake)，分别实现认证与密钥分发功能。WAPI可保障无线局域网的安全性，RSNA也缓解了原无线局域网安全机制存在的安全问题，但均在以下方面存在不足：
1、运行在IBSS网络模式下，协议执行过于复杂，而此种模式的网络中，节点资源(电源、CPU与存储能力等)通常受限；
2、WAPI单播密钥协商协议和RSNA四步握手协议的第一个消息均未采取保护措施，攻击者可通过伪造消息1实施协议阻塞与存储耗尽等DoS(Denial of Service)攻击。下面以对这两个缺点进行较详细的分析和说明。
为叙述方便，首先将WAPI和RSNA中的功能相似或相同的术语统一定义如下：
1、请求实体S(Supplicant)。WAPI的认证请求者实体ASUE(Authentication Supplicant Entity)和RSNA的请求者Supplicant的统一称谓。
2、认证实体A(Authenticator)。WAPI的认证器实体AE(AuthenticatorEntity)和RSNA的认证器Authenticator的统一称谓。
3、认证服务器AS(Authentication Server)。WAPI的认证服务实体ASE(Authentication Service Entity)和RSNA的认证服务器AS(AuthenticationServer)的统一称谓。
4、主密钥MK(Master Key)。WAPI协议的基密钥BK(Base Key)和RSNA协议的成对主密钥PMK(Pairwise Master Key)的统一称谓。
5、单播密钥UK(Unicast Key)。WAPI协议的单播会话密钥USK(UnicastSession Key)和RSNA协议的单播临时密钥PTK(Unicast Temporal Key)的统一称谓。
6、组播密钥GK(Group Key)。WAPI协议的组播主密钥MMK(MulticastMaster Key)和RSNA协议的组播主密钥GMK(Group Master Key)的统一称谓。
通常WLAN具有基本服务集BSS(Basic Service Set)和独立基本服务集IBSS(Independent BSS)两种组网模式。在BSS模式下，无线接入点AP(Access Point)驻留有认证实体A，用户终端驻留有请求实体S，通过认证服务器AS完成认证功能后，进行认证实体A和请求实体S之间的单播密钥协商与认证实体A的组播(包括多播Multicast与广播Broadcast)密钥通告过程。在IBSS模式下，所有加入网络中的每个终端用户地位对等，除两两之间存在单播数据需要传输外，每个工作站还需要发送各自的组播数据，即每个站均须担当认证实体A，与作为请求实体S的其他站点分别完成组播密钥通告过程。
同一网元既作为认证实体A又作为请求实体S，会引起密钥管理协议的反射攻击(Reflection Attack)，为此，可采用同一实体担当两种认证角色时所基于的预共享密钥不相同的方法来防止此类攻击，即同一实体作为认证实体A和作为请求实体S所执行的密钥管理协议应依赖于不同的主密钥MK和单播密钥UK，因此，在IBSS模式下，每个站点均须作为认证实体A与其他所有站点之间执行完整的认证与密钥管理协议。
参见图1，对于具有N个节点的IBSS网络而言，完整的认证与密钥管理协议需执行N(N-1)次，当节点经常移动或资源受限时，如此高的计算复杂度使协议难以在实际中得到应用。
协议不仅在IBSS模式下运行过程复杂，而且其密钥管理协议还存在一种DoS攻击。WAPI单播密钥协商协议和RSNA的4步握手协议是安全机制中非常关键的部件，其目的就是为了验证认证实体A和请求实体S之间是否拥有认证成功协商的MK，并导出后续数据通信使用的新鲜UK。在WAPI单播密钥协商协议和RSNA的4步握手协议中，除消息1之外的其他消息均被最新协商的UK认证保护，但裸露的消息1可被攻击者利用。攻击者可通过伪造消息1，使得认证实体A和请求实体S协商的UK不一致，造成协议阻塞，或者攻击者大量伪造消息1而引入请求实体S端的存储耗尽等DoS攻击。这种伪造攻击易于实施，造成的危害也比较严重，一次成功的攻击将使得先期的对认证过程的种种努力化为泡影。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，提供一种安全性更强、执行效率更高的适用于IBSS网络的接入认证方法。
本发明的技术解决方案是：一种适用于IBSS网络的接入认证方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：
1)对两实体进行认证角色配置；
2)通过WAPI认证协议或RSNA的IEEE 802.1x认证协议对执行角色配置后的认证实体A和请求实体S进行认证；
3)认证实体A和请求实体S进行如下的密钥协商过程：
3.1)当实体认证成功后，认证实体A向请求实体S发送密钥协商请求分组，该分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A产生的NonceA及消息完整性校验MIC1；
3.2)当请求实体S收到密钥协商请求分组后，进行验证，验证其中的MIC1是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，向认证实体A回应密钥协商响应分组，密钥协商响应分组包含密钥协商标识KNID、请求实体S产生的NonceS、请求实体S端组播密钥信息E(UK，GKS)及消息完整性校验MIC2，其中UK是根据MK、NonceA和NonceS计算得到的值；
3.3)当认证实体A收到密钥协商响应分组后，进行验证，验证其中的密钥协商标识KNID，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，计算UK，通过UK验证MIC2是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到GKS，向请求实体S回应密钥协商确认分组，密钥协商确认分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A的组播密钥信息E(UK，GKA)及消息完整性校验MIC3；
3.4)当请求实体S收到密钥协商确认分组后，进行验证，验证其中的的密钥协商标识KNID和MIC3是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到GKA。
上述步骤1)的角色配置为静态配置，其配置步骤如下：将一实体配置为认证实体A，将另一实体配置为请求实体S。
上述步骤1)的角色配置为自适应配置，其配置步骤如下：某实体采用自适应角色配置策略时，该实体的认证角色自适应对端实体，若对端实体为认证实体A，则该实体自适应配置为请求实体S；若对端实体为请求实体S，则该实体自适应配置为认证实体A。
上述步骤1)的角色配置为动态配置，其配置步骤如下：根据优先级和物理地址来进行配置。
上述步骤1)中优先级高的实体配置为认证实体A，而另外一个实体配置为请求实体S；
上述步骤1)中若两实体的优先级相同，则物理地址大的实体配置为认证实体A，物理地址小的实体将配置为请求实体S。
上述3.1)中MIC1为认证实体A利用已协商的MK对MIC1字段之前的所有字段计算的杂凑值。
上述3.2)中MIC2是请求实体S利用此次协商的UK对MIC2字段之前的所有字段计算的杂凑值。
上述3.3)中MIC3为认证实体A利用UK对MIC3字段之前的所有字段计算的杂凑值。
上述步骤3)中，若为首次密钥协商过程，则KNID为认证实体A产生的随机数；若为密钥更新过程，则KNID为上次密钥协商过程中认证实体A和请求实体S分别在本地根据UK、NonceA、NonceS、GKA、GKs计算得到的值。
若为密钥更新过程，上述步骤3.2)中请求实体S还要验证KNID是否正确，不正确，则直接丢弃；否则，向认证实体A发送密钥协商响应分组。
本发明具有以下优点：
1、执行效率高。本发明为了降低协议在IBSS模式下执行的复杂度，提出一种认证实体A的角色配置方法，即对每个工作站担当的认证角色静态配置，或根据网络运行情况自适应动态选择。当认证实体A采用自适应角色策略后，在一对工作站之间，完成认证与密钥管理功能时，每个工作站所扮演的认证角色相对确定，要么为请求实体S，要么为认证实体A，即一对工作站之间只需执行一次完整的协议过程，就可完成双向身份认证与所需的密钥分发。对于具有N个节点的网络，完成两两之间的认证功能，协议执行的次数降低了一半，为N(N-1)/2次。
2、安全性更高。针对密钥管理协议存在DoS攻击问题，本发明将采用模块化和可组合化的方法进行协议的改进设计，通过在消息中添加消息验证码协议同步锁字段，增强协议的安全性和健壮性，解决了目前无线局域网WAPI与RSNA安全机制中密钥管理协议存在的DoS攻击问题。
附图说明
图1为u1、u2、u3三个站点组成的IBSS网络中原始协议的运行示意图；
图2为3个站点组成的IBSS网络中接入认证协议运行示意图。
具体实施方式
针对密钥管理协议存在DoS攻击问题，本发明将采用模块化和可组合化的方法进行协议的改进设计。改进后的协议由两部分构成：第一部分为原来的WAPI认证协议或基于EAP的IEEE802.1x协议，完成认证实体A和请求实体S之间的身份认证和主密钥MK的协商；第二部分为新设计的密钥管理协议，替代WAPI中的密钥管理协议或者RSNA中的4步握手过程，完成单播密钥UK的协商和组播密钥GK的通告。基于WAPI协议的改进协议称为WAPI’，基于RSNA协议的改进协议称为RSNA’。
本发明的具体方法流程如下：
1)对两实体进行认证角色配置；
该角色配置可以是静态配置、自适应配置或者动态配置。
静态配置时，其配置步骤如下：将一实体配置为认证实体A，将另一实体配置为请求实体S。
自适应配置时，其配置步骤如下：某实体采用自适应角色配置策略时，该实体的认证角色自适应对端实体，若对端实体为认证实体A，则该实体自适应配置为请求实体S；若对端实体为请求实体S，则该实体自适应配置为认证实体A。
动态配置时，其配置步骤如下：根据优先级和物理地址来进行配置，将优先级高的实体配置为认证实体A，而另外一个实体配置为请求实体S，若两实体的优先级相同，则物理地址大的实体配置为认证实体A，物理地址小的实体将配置为请求实体S，本发明也可采用其它的动态配置策略。
2)通过认证协议对执行角色配置后的认证实体A和请求实体S进行认证；
该认证协议指的是WAPI认证协议或RSNA的IEEE 802.1x协议。
3)当认证协议完成后，认证实体A和请求实体S进行密钥协商过程，具体步骤如下：
3.1)当实体认证成功后，认证实体A向请求实体S发送密钥协商请求分组，该分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A产生的NonceA及消息完整性校验MIC1；其中MIC1为认证实体A利用已协商的MK对MIC1字段之前的所有字段计算的杂凑值。
3.2)当请求实体S收到密钥协商请求分组后，进行验证，验证其中的MIC1是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，向认证实体A回应密钥协商响应分组，密钥协商响应分组包含密钥协商标识KNID、请求实体S产生的NonceS、请求实体S端组播密钥信息E(UK，GKS)及消息完整性校验MIC2。其中MIC2是请求实体S利用此次协商的UK对MIC2字段之前的所有字段计算的杂凑值，而UK是根据MK、NonceA和NonceS计算得到的值。
3.3)当认证实体A收到密钥协商响应分组后，进行验证，验证其中的密钥协商标识KNID，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，根据MK、NonceA和NonceS计算UK，通过UK验证MIC2是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到GKS，向请求实体S回应密钥协商确认分组，密钥协商确认分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A的组播密钥信息E(UK，GKA)及消息完整性校验MIC3。其中MIC3为认证实体A利用UK对MIC3字段之前的所有字段计算的杂凑值。
3.4)当请求实体S收到密钥协商确认分组后，进行验证，验证其中的的密钥协商标识KNID和MIC3是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到GKA。
需说明的是：认证成功后的首次密钥协商协议中的KNID为认证实体A产生的随机数，而在密钥更新过程中的KNID为上次密钥协商协议成功后，认证实体A和请求实体S分别在本地根据UK、NonceA、NonceS、GKA、GKS计算得到的值。因此，在密钥更新过程中，请求实体S对密钥协商请求分组的验证还应包含对KNID的验证。KNID的这种设计使认证实体A和请求实体S能够实现同步功能，杜绝了攻击者对密钥协商请求分组的伪造和重放。
图2为3个站点组成的IBSS网络中改进协议的运行示意图，假设3个站点均采用认证角色的自适应配置，其优先级相同，MAC地址分别为00:90:4b:00:90:01、00:90:4b:00:90:02、00:90:4b:00:90:03，则利用本发明根据3个站点的MAC地址通过3次认证过程就可实现3个站点之间的认证。
名词解释：
Nonce：实体产生的一次性随机数；
GK：实体的组播密钥，为实体产生的随机数；
KNID：密钥协商过程标识(Key Negotiation Identifier)；
MIC：消息完整性校验(Message Integrity Check)；
E(K，m)：采用密钥K对消息m进行加密。

Claims (8)

1、一种适用于独立基本服务集IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)对两实体进行认证角色配置；
2)通过无线局域网认证与保密基础结构WAPI认证协议或鲁棒安全网络关联RSNA的IEEE 802.1x认证协议对执行角色配置后的认证实体A和请求实体S进行认证；
3)认证实体A和请求实体S进行如下的密钥协商过程：
3.1)当实体认证成功后，认证实体A向请求实体S发送密钥协商请求分组，该分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A产生的一次性随机数NonceA及消息完整性校验MIC1，所述MIC1为认证实体A利用已协商的主密钥MK对MIC1字段之前的所有字段计算的杂凑值；其中，所述MK是所述的WAPI协议的基密钥BK和所述的RSNA协议的成对主密钥PMK的统一称谓；
3.2)当请求实体S收到密钥协商请求分组后，进行验证，验证其中的MIC1是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，向认证实体A回应密钥协商响应分组，密钥协商向应分组包含密钥协商标识KNID、请求实体S产生的一次性随机数NonceS、请求实体S端的采用密钥UK对消息GKS进行加密的组播密钥信息E(UK，GKS)及消息完整性校验MIC2，所述MIC2是请求实体S利用此次协商的密钥UK对MIC2字段之前的所有字段计算的杂凑值；其中，所述的密钥UK是所述的WAPI协议的单播会话密钥USK和所述的RSNA协议的单播临时密钥PTK的统一称谓，是根据所述的MK、认证实体A产生的一次性随机数NonceA和请求实体S产生的一次性随机数NonceS计算得到的值；
3.3)当认证实体A收到密钥协商响应分组后，进行验证，验证其中的密钥协商标识KNID，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，计算其中的UK，通过该UK验证所述的MIC2是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到其中的GKS，向请求实体S回应密钥协商确认分组，密钥协商确认分组包含密钥协商标识KNID、认证实体A的采用所述的密钥UK对消息GKA进行加密的组播密钥信息E(UK，GKA)及消息完整性校验MIC3，所述MIC3为认证实体A利用所述的UK对MIC3字段之前的所有字段计算的杂凑值；
3.4)当请求实体S收到密钥协商确认分组后，进行验证，验证其中的的密钥协商标识KNID和MIC3是否正确，若不正确，则直接丢弃该分组；否则，解密得到所述的消息GKA。
2、根据权利要求1所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)的角色配置为静态配置，其配置步骤如下：将一实体配置为认证实体A，将另一实体配置为请求实体S。
3、根据权利要求1所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)的角色配置为自适应配置，其配置步骤如下：任一实体采用自适应角色配置策略时，该实体的认证角色自适应对端实体，即若对端实体为认证实体A，则该实体自适应配置为请求实体S；若对端实体为请求实体S，则该实体自适应配置为认证实体A。
4、根据权利要求1所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)的角色配置为动态配置，其配置步骤如下：根据优先级和物理地址来进行配置。
5、根据权利要求4所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)中优先级高的实体配置为认证实体A，而另外一个实体配置为请求实体S。
6、根据权利要求5所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)中若两实体的优先级相同，则物理地址大的实体配置为认证实体A，物理地址小的实体将配置为请求实体S。
7、根据权利要求1至6中任一权利要求所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤3)中，若为首次密钥协商过程，则KNID为认证实体A产生的随机数；若为密钥更新过程，则KNID为上次密钥协商过程中认证实体A和请求实体S分别在本地根据所述的密钥UK、认证实体A产生的一次性随机数NonceA、请求实体S产生的一次性随机数NonceS、消息GKA、GKS计算得到的值。
8、根据权利要求7所述的适用于IBSS网络的接入认证方法，其特征在于：所述步骤3.2)中，若为密钥更新过程，所述的请求实体S还要验证密钥协商请求分组的KNID是否正确，若其中的KNID不正确，则直接丢弃所述的密钥协商请求分组；否则，向所述的认证实体A发送密钥协商响应分组。
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