CN101442531A - 一种安全协议第一条消息的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全协议第一条消息的保护方法，该方法包括以下步骤：1)初始化步骤；2)发起者发送第一条消息；3)响应者接收第一条消息。本发明提供的安全协议第一条消息的保护方法可以：1)使用消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数对发起者和响应者预共享的预共享主密钥PSMK和第一条消息中的安全参数进行绑定，有效地防止了安全协议中第一条消息的伪造攻击；2)在计算第一条消息的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC时，仅选择了预共享主密钥PSMK和第一条消息中的安全参数计算，有效地减少了发起者和响应者的计算规模，从而节省了计算资源。

Description

一种安全协议第一条消息的保护方法
技术领域
本发明涉及一种安全协议第一条消息的保护方法。
背景技术
随着通信网络的快速发展，安全协议变得无处不在。但是，研究者们设计安全协议时通常不考虑第一条消息的安全性，以使得攻击者可以任意地伪造、重放第一条消息来达到攻击安全协议的目的。事实上，在大多数通信网络环境下，不考虑第一条消息的安全性不会有太大的影响，最多将造成一些资源浪费。可是，对于一些特殊的通信网络环境，如：超宽带UWB(Ultra Wideband)通信网络。超宽带UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的正弦波窄脉冲传输数据。超宽带UWB通信网络中的设备大多是低功率、低能耗的设备(使用电池供电)，它们的能源、通信和存储等资源都是相当宝贵的，所以在设计适应于它们的安全协议时需要考虑第一条消息的安全性。
目前，解决安全协议第一条消息的安全性的主要方法是：利用预共享的私有信息对安全协议第一条消息计算一个消息完整性码MIC(Message IntegrityCode)或消息认证码MAC(Message Authentication Code)，两者的功能都是防止第一条消息被伪造。但是，为了防止伪造攻击，只需要利用预共享私有信息对第一条消息中安全参数计算消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC即可。因此，我们可以对上述描述的防止安全协议的第一条消息被伪造的方法进行简化，进一步地节省了资源。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供一种安全协议第一条消息的保护方法。
本发明的技术方案是：本发明是一种安全协议第一条消息的保护方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：
1)初始化步骤
发起者和响应者预共享一个私有信息预共享主密钥PSMK(Pre-sharedMaster Key)且都拥有相同的主密钥标志MKID(Master Key Indentifier)；发起者和响应者支持相同的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数；
2)发起者发送第一条消息
发起者首先利用消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数对预共享主密钥PSMK和第一条消息将要发送的安全参数进行计算，然后向响应者发送第一条消息，包括安全参数、非安全参数和计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC；
3)响应者接收第一条消息
响应者收到第一条消息后，首先验证第一条消息中的非安全参数的合法性，若不合法，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若合法，则利用第一条消息的安全参数和本地存储的预共享主密钥PSMK计算消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC并与所接收到的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若相同，则进一步验证第一条消息中的安全参数的合法性，若安全参数中存在不合法值，则丢弃该消息并设置一个状态来通告发起者或断开链接。
上述步骤1)中消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC的计算函数是单向扩展函数f(x，y‖str)，其中x为用于扩展的密钥值，y为用于扩展的安全参数，str为用于扩展的填充字符串，‖表示字符串级联。
上述步骤2)中，第一条消息为MN‖SC‖PTKID‖MKID‖I-Nonce‖f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)，其中I-MAC和R-MAC分别为发起者和响应者的MAC地址，消息序号MN＝1，状态码SC＝0，成对临时密钥标识PTKID是发起者随机选取的值，不与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK协商协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID相同，I-Nonce是发起者产生的随机数，f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)为发起者计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC，str为填充字符串。
上述步骤3)中，响应者收到第一条消息后，验证主密钥标识MKID是否为它们预共享的预共享主密钥PSMK的标志，若不是，则丢弃该消息，否则验证是否存在正在利用该主密钥标识MKID进行的成对临时密钥PTK协商协议，若存在，则丢弃该消息并设置状态码SC＝2来通知发起者，若不存在，则本地利用I-MAC和R-MAC计算f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)并与所接收到的f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝1来通知发起者，若相同，则验证成对临时密钥标识PTKID与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK协商协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID是否相同，相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝3来通知发起者，不相同，则响应者设置状态码SC＝0并构造第2条消息发送给发起者以继续执行该成对临时密钥PTK协商协议。
上安全参数指与第一条消息安全相关的参数，包括所有变量参数和部分非变量参数，如：部分非变量参数可以为发起者和响应者的MAC地址级联值。
上述变量参数指响应者验证时不是使用惟一基准值判定的参数，如：第一条消息中发起者随机产生的成对临时密钥标识PTKID和发起者产生的随机数I-Nonce。
上述非变量参数指响应者验证时使用惟一基准值判定的参数，如：第一条消息中MN＝1，SC＝0，MKID为发起者和响应者之间预共享主密钥PSMK的主密钥标识。
当预共享主密钥PSMK为多个设备共享时，则发起者和响应者的MAC地址级联值为变量参数；当预共享主密钥PSMK为两个设备共享时，则发起者和响应者的MAC地址级联值为非变量参数。
本发明提供的安全协议第一条消息的保护方法，其安全协议的发起者和响应者预共享私有信息和拥有相同的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数，发起者发送安全协议第一条消息之前首先利用消息完整性码MIC和消息鉴别码MAC计算函数对预共享私有信息和第一条消息中的安全参数进行计算，然后向响应者发送第一条消息，包括非安全参数，安全参数和计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC。响应者收到该条消息后，首先验证第一条消息的非安全参数，若验证不通过，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，否则在本地重新计算消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC并与所接收到的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC进行比较，若两者不相同，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，否则验证第一条消息中的其他安全参数，若验证不通过，则丢弃该消息并设置一个状态来通告发起者或断开链接，否则继续执行该安全协议。
本发明具有以下优点：
1)使用消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数对发起者和响应者预共享的预共享主密钥PSMK和第一条消息中的安全参数进行绑定，有效地防止了安全协议中第一条消息的伪造攻击；
2)在计算第一条消息的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC时，仅选择了预共享主密钥PSMK和第一条消息中的安全参数计算，有效地减少了发起者和响应者的计算规模，从而节省了计算资源。
具体实施方式
本发明的具体实现方法如下：
1)初始化步骤
发起者和响应者预共享一个私有信息预共享主密钥PSMK且都拥有相同的主密钥标识MKID；发起者和响应者支持相同的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数；例如：消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC的计算函数可以为：单向扩展函数f(x，y‖str)，其中x为用于扩展的密钥值，y为用于扩展的安全参数，str为用于扩展的填充字符串，‖表示字符串级联；
2)发起者发送第一条消息
发起者首先利用消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数对预共享主密钥PSMK和第一条消息将要发送的安全参数进行计算，然后向响应者发送第一条消息，包括非安全参数、安全参数和计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC；例如：若要利用该方法改进ECMA368标准中成对临时密钥PTK四步握手协议(欧洲电脑厂商协会，European Computer Manufacturers Association，ECMA)，则第一条消息可以为：MN‖SC‖PTKID‖MKID‖I-Nonce‖f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)，其中I-MAC和R-MAC分别为发起者和响应者的MAC地址，消息序号MN＝1，状态码SC＝0，成对临时密钥标识PTKID是发起者随机选取的值(不与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK四步握手协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID相同)，I-Nonce是发起者产生的随机数，f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)为发起者计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC，str为填充字符串。
3)响应者接收第一条消息
响应者收到第一条消息后，首先验证第一条消息中的非安全参数的合法性，若不合法，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若合法，则利用第一条消息的安全参数和本地存储的预共享主密钥PSMK计算消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC并与所接收到的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若相同，则进一步验证第一条消息中的安全参数的合法性，若安全参数中存在不合法值，则丢弃该消息并设置一个状态来通告发起者或断开链接。例如：若利用该方法改进ECMA368标准中成对临时密钥PTK四步握手协议，则响应者收到第一条消息后验证主密钥标识MKID是否为它们预共享的预共享主密钥PSMK的标识，若不是，则丢弃该消息，若是则验证是否存在正在利用该主密钥标识MKID进行的成对临时密钥PTK四步握手协议，若存在，则丢弃该消息并设置状态码SC＝2来通知发起者，若不存在，则本地利用I-MAC和R-MAC计算f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)并与所接收到的f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝1来通知发起者，若相同，则验证成对临时密钥标识PTKID与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK协商协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID是否相同，相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝3来通知发起者，不相同，则响应者设置状态码SC＝0并构造第2条消息发送给发起者以继续执行该成对临时密钥PTK四步握手协议。

Claims (7)

1、一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)初始化步骤
发起者和响应者预共享一个私有信息预共享主密钥PSMK且都拥有相同的主密钥标识MKID；发起者和响应者支持相同的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数；
2)发起者发送第一条消息
发起者首先利用消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC计算函数对预共享主密钥PSMK和第一条消息将要发送的安全参数进行计算，然后向响应者发送第一条消息，包括非安全参数、安全参数和计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC；
3)响应者接收第一条消息
响应者收到第一条消息后，首先验证第一条消息中的非安全参数的合法性，若不合法，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若合法，则利用第一条消息的安全参数和本地存储的预共享主密钥PSMK计算消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC并与所接收到的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置一个状态来通知发起者或断开链接，若相同，则进一步验证第一条消息中的安全参数的合法性，若安全参数中存在不合法值，则丢弃该消息并设置一个状态来通告发起者或断开链接。
2、根据权利要求1所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述步骤1)中消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC的计算函数是单向扩展函数f(x，y‖str)，其中x为用于扩展的密钥值，y为用于扩展的安全参数，str为用于扩展的填充字符串，‖表示字符串级联。
3、根据权利要求2所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述步骤2)中，第一条消息为MN‖SC‖PTKID‖MKID‖I-Nonce‖f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)，其中I-MAC和R-MAC分别为发起者和响应者的MAC地址，消息序号MN＝1，状态码状态码SC＝0，成对临时密钥标识PTKID是发起者随机选取的值，不与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK协商协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID相同，I-Nonce是发起者产生的随机数，f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAG‖str)为发起者计算的消息完整性码MIC或消息鉴别码MAC，str为填充字符。
4、根据权利要求3所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述步骤3)中，响应者收到第一条消息后，验证主密钥标识MKID是否为它们预共享的预共享主密钥PSMK的标识，若不是，则丢弃该消息，是则验证是否存在正在利用该主密钥标识MKID进行的成对临时密钥PTK协商握手协议，若存在，则丢弃该消息并设置状态码SC＝2来通知发起者，若不存在，则本地利用I-MAC和R-MAC计算f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)并与所接收到的f(PSMK，PTKID‖I-Nonce‖I-MAC‖R-MAC‖str)进行比较，若不相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝1来通知发起者，若相同，则验证成对临时密钥标识PTKID与本地存储的或正在进行的成对临时密钥PTK协商协议或成组临时密钥GTK分发协议中使用的临时密钥标识TKID是否相同，相同，则丢弃该消息并设置状态码SC＝3来通知发起者，不相同，则响应者设置状态码SC＝0并构造第2条消息发送给发起者以继续执行该成对临时密钥PTK协商协议。
5、根据权利要求1或2或3或4所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述安全参数指与第一条消息安全相关的参数，包括所有变量参数和部分非变量参数。
6、根据权利要求5所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述变量参数指响应者验证时不是使用惟一基准值判定的参数。
7、根据权利要求5所述的一种安全协议第一条消息的保护方法，其特征在于：所述非变量参数指响应者验证时使用惟一基准值判定的参数。
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