CN101800982B

CN101800982B - 无线局域网切换快速认证安全性增强方法

Info

Publication number: CN101800982B
Application number: CN201010013725.6A
Authority: CN
Inventors: 姜奇; 杨超; 马建峰; 芦翔; 杨凯
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101800982A

Abstract

本发明提供一种无线局域网切换快速认证安全性增强方法，主要解决现有标准无法满足军事应用高安全性需求的问题。其实现过程是：终端与认证服务器在初始接入认证阶段协商切换密钥；认证服务器在接收到接入点发送的切换子密钥请求时，计算相应的切换子密钥，并将该切换子密钥发送给该接入点；在切换过程中终端与接入点利用切换子密钥进行快速认证，并采用基于椭圆曲线的Diffie-Hellman交换生成会话密钥。本发明所提供方法具有前向保密性，能够抵抗部分拒绝服务攻击，简化了密钥管理，并降低了密钥泄露风险的优点，可用于紧急通信、指挥所的内部互联网，城市作战网络以及野战环境下快速网络部署。

Description

无线局域网切换快速认证安全性增强方法

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，涉及无线局域网的安全性增强方法，可用于紧急通信、指挥所的内部互联网，城市作战网络以及野战环境下快速网络部署。

背景技术

无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)通过无线电波作为媒介来传输信息，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。近年来，无线局域网凭借其高速传输能力和灵活性，在民用领域取得了广泛应用。目前已应用于公司内部、政府部门、学校、医院和住宅小区。无线局域网不但面临着传统有线网络的攻击方式的挑战，还要面临无线网络的特殊性所带来的挑战。无线信道的广播特性，使得信息的窃听，截获，插入，删除十分容易。无线局域网安全问题受到了广泛关注，国内外均制定了一系列相应安全标准。

从无线局域网诞生之初，美国IEEE 802.11工作组便制定了有线等效保密WEP安全机制，但WEP早在2001年就被国际安全专家发现存在严重安全漏洞。IEEE 802.11工作组于2004年提出IEEE 802.11i弥补WEP存在的安全问题。为了解决终端快速安全切换问题，该工作组又于2008年通过了IEEE 802.11r，通过重用初始接入认证过程中建立的信任关系，并将认证交互信息叠加到认证和关联帧来减小切换过程的认证时延，从而实现快速安全切换。但是，该方法存在如下问题：切换认证过程中所协商的会话密钥不具有前向保密性；由于切换认证过程的前两条消息未采取任何安全保护机制，易受到拒绝服务攻击；密钥管理非常复杂，密钥管理开销大，使网络规模受限；此外，由于接入点AP的物理安全通常难以保障，因而将根密钥下推给AP存在风险，如果根密钥因AP被攻陷而泄露，则所有派生密钥均会泄露。

中国在无线局域网领域的第一个国家标准GB 15629.11-2003于2003年11月1日正式实施，其中的安全解决方案称为WLAN鉴别和保密基础设施WAPI。2004年3月，中国IT标准化技术委员会的国家宽带无线IP标准工作组BWIPS发布了WAPI的实施方案，对原国家标准WAPI的一些安全缺陷进行了修正。中国宽带无线IP标准工作组于2006年7月31日公布了新的国家标准GB 15629.11-2003/XG1-2006WAPI-XG1。WAPI-XG1是为了与IEEE 802.11i兼容并存，在WAPI及其实施方案的基础上提出的新的WLAN安全解决方案。到目前为止，中国还没有制定快速安全切换相关的安全标准，因此，无法满足军事应用的高安全性需求。

发明内容

本发明目的在于解决现有标准所存在的问题，提出一种无线局域网切换快速认证安全性增强方法，以完善WLAN的切换认证过程，满足军事应用对WLAN系统的高安全性需求。

为实现上述目的，本发明的无线局域网切换快速认证安全性增强方法，包括以下步骤：

(1)协商切换密钥步骤：终端STA与认证服务器AS在初始接入认证阶段，预先协商切换密钥HK；

(2)切换认证请求步骤：

2a)当终端STA决定关联到目标接入点AP时，利用切换密钥HK计算切换子密钥HK-L1，并利用切换子密钥HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK；生成用于基于椭圆曲线的Diffie-Hellman ECDH交换的终端STA的临时私钥与公钥对(a，aP)，以及终端STA的一次性随机数N₁；

2b)将切换密钥标识HKID、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA的一次性随机数N₁和终端STA的临时公钥aP进行串联连接，利用切换消息认证密钥HMAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_HMAK1；

2c)将所述的HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、aP和MIC_HMAK1作为切换认证请求消息发送给接入点AP；

(3)切换认证响应步骤：

3a)接入点AP接收到切换认证请求消息后，检查是否缓存有HKID对应的切换子密钥HK-L1，若已缓存，转入步骤3b)，否则，接入点AP向认证服务器AS请求对应的切换子密钥HK-L1；

3b)检查缓冲区中是否已缓存终端STA的一次性随机数N₁，若已缓存，则该一次性随机数N₁有效性验证失败，否则，验证通过；接入点AP利用切换子密钥HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK，并对消息完整性验证码MIC_HMAK1进行验证；若验证通过，生成用于ECDH交换的接入点AP的临时私钥与公钥对(b，bP)，以及接入点AP的一次性随机数N₂；

3c)将切换密钥标识HKID、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP一次性随机数N₂和接入点AP临时公钥bP进行串联连接，利用切换消息认证密钥HMAK计算该连接结果消息完整性验证码MIC_HMAK2；

3d)将所述的HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、bP和MIC_HMAK2作为切换认证响应消息发送给接入点AP；

(4)切换认证确认步骤：

4a)终端STA接收到切换认证响应消息后，检查缓冲区中是否已缓存接入点AP的一次性随机数N₂，若已缓存，则该一次性随机数N₂有效性验证失败，否则，验证通过；对消息完整性验证码MIC_HMAK2进行验证；若验证通过，终端STA利用切换子密钥HK-L1计算切换会话密钥HSK；

4b)将切换密钥标识HKID、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA的一次性随机数N₁、接入点AP的一次性随机数N₂、终端STA的临时公钥aP和接入点AP的临时公钥bP进行串联连接，利用消息认证密钥MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK1；

4c)将所述的HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、N₂、aP、bP和MIC_MAK1作为切换认证确认消息发送给接入点AP；

(5)切换认证通告步骤：

5a)接入点AP接收到切换确认请求消息后，对消息完整性验证码MIC_MAK1进行验证，若验证通过，接入点AP利用切换子密钥HK-L1计算切换会话密钥HSK；

5b)将切换密钥标识HKID、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP的一次性随机数N₂、终端STA的一次性随机数N₁、接入点AP的临时公钥bP和终端STA的临时公钥aP进行串联连接，利用消息认证密钥MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK2；

5c)将所述HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、N₁、bP、aP和MIC_MAK2作为切换认证通告消息发送给接入点AP；

(6)切换认证通告验证步骤：终端STA接收到切换认证通告消息后，对消息完整性验证码MIC_MAK2进行验证；若验证通过，则切换认证成功，终端STA使用切换会话密钥HSK进行安全数据通信。

本发明由于采用了基于椭圆曲线的Diffie-Hellman ECDH交换协商切换会话密钥，对切换认证请求消息和切换认证响应消息进行了消息完整性保护，密钥层次中增加了切换子密钥层，增强了切换认证的安全性，因而具有如下优点：

1)切换会话密钥具有前向保密性，在切换密钥和切换子密钥泄露时，切换会话密钥依然是安全的；

2)能够抵抗部分拒绝服务攻击；

3)简化了密钥管理，接入点AP只需要维护与认证服务器AS的安全关联；

4)降低了密钥泄露的风险，在接入点AP被攻陷时，只会泄露自己的切换子密钥，不会对切换密钥和其他AP的切换子密钥的安全性造成影响。

附图说明

图1是本发明切换快速认证流程。

具体实施方式

结合上述附图，对本发明作进一步详述：

步骤1、终端STA初始接入WLAN网络时，假定该STA与接入点AP1发生关联，该STA与认证服务器AS在初始接入认证阶段预先协商切换密钥HK和切换密钥标识HKID，预先协商方法包括IEEE 802.1X和改进的WAPI。

步骤2、当STA决定关联到接入点AP2时，STA利用切换密钥HK计算对应于AP2的切换子密钥HK-L1，并利用HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK。

STA利用切换密钥HK计算对应于AP2的切换子密钥HK-L1的方式如下，但不限于如下方式：

HK-L1＝KD-HMAC-SHA256(HK，“Handover key level 1”|ADD_AP2|ADD_STA)；

其中，KD-HMAC-SHA256为密钥推导算法，ADD_AP为AP2的媒体访问控制地址，ADD_STA为STA的媒体访问控制地址。

STA利用HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK的方式如下，但不限于如下方式：

HMAK＝KD-HMAC-SHA256(HK-L1，“Handover MAK”|ADD_AP|ADD_STA)。

步骤3、STA生成用于基于椭圆曲线的Diffie-Hellman ECDH交换的临时私钥与公钥对(a，aP)，以及一次性随机数N₁；将切换密钥标识HKID、STA身份标识ID_STA、AP2身份标识ID_AP、N₁和aP串联连接，利用HMAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_HMAK1；将HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、aP和MIC_HMAK1作为切换认证请求消息发送给AP2。

STA利用HMAK计算消息完整性验证码MIC_HMAK1的方式如下，但不限于如下方式：

MIC_HMAK1＝HMAC-SHA256(HMAK，HKID|ADD_STA|ADD_AP|N₁|aP)；

其中HMAC-SHA256为消息认证码算法。

步骤4、AP2接收到切换认证请求消息后，检查是否缓存有HKID对应的切换密钥；若已缓存，则转入步骤8，否则，AP2向AS请求对应的切换子密钥。

步骤5、AP2向AS发送HKID，ID_STA，ID_AP作为切换密钥请求消息。

步骤6、AS接收到切换密钥请求消息后，验证HKID的有效性，若AS未缓存切换密钥标识HKID，则验证失败，并返回错误信息，否则，验证通过，AS利用切换密钥HK计算对应于该AP的切换子密钥HK-L1，并通过预先建立的安全信道发送HKID、HK-L1和有效期作为切换密钥响应消息。AS计算HK-L1的方式与STA计算HK-L1的方式相同。

步骤7、AP2接收到切换密钥响应消息后，将HKID、HK-L1和有效期保存起来。

步骤8、AP2检查缓冲区中是否已缓存终端STA的一次性随机数N₁，若已缓存，则该一次性随机数N₁有效性验证失败，否则，验证通过；AP2利用切换子密钥HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK，验证消息认证码MIC_HMAK1的有效性。AP2计算HMAK的方式与STA计算HMAK的方式相同。

步骤9、验证通过后，AP2生成用于ECDH交换的临时私钥与公钥对(b，bP)，以及一次性随机数N₂；将切换密钥标识HKID、ID_AP、ID_STA、N₂和bP串联连接，利用HMAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_HMAK2；将HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、bP和MIC_HMAK2作为切换认证响应消息发送给STA。

步骤10、STA接收到切换认证响应消息后，检查缓冲区中是否已缓存接入点AP2的一次性随机数N₂，若已缓存，则该一次性随机数N₂有效性验证失败，否则，验证通过；对消息完整性验证码MIC_HMAK2进行验证；若验证通过，STA计算切换会话密钥HSK，包括单播加密密钥UEK、单播完整性校验密钥UCK、消息认证密钥MAK和密钥加密密钥KEK四部分。

STA将自己的临时私钥a与接入点AP的临时公钥bP相乘得到乘积abP，利用HK-L1和abP计算切换会话密钥HSK的方式如下，但不限于如下方式：

HSK＝KD-HMAC-SHA256(HK-L1，“Handover Session Key”|ADD_AP|ADD_STA|N₁|N₂|abP)，

在计算完成之后，STA安全擦除自己的临时私钥a。

步骤11、STA将切换密钥标识HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、N₂、aP和bP串联连接，利用MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK1；将HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、N₂、aP、bP和MIC_MAK1作为切换认证确认消息发送给AP2。

STA利用MAK计算消息完整性验证码MIC_MAK1的方式如下，但不限于如下方式：

MIC_MAK1＝HMAC-SHA256(MAK，HKID|ADD_STA |ADD_AP|N₁|N₂|aP|bP)；

步骤12、AP2接收到切换确认请求消息后，验证切换确认请求消息中MIC_MAK1的有效性；若验证通过，AP2将自己的临时私钥b与终端STA的临时公钥aP相乘得到乘积baP，利用HK-L1和乘积baP计算切换会话密钥HSK，并在计算完成之后安全擦除AP2的临时私钥b，AP2计算HSK的方式与STA计算HSK的方式相同。

步骤13、AP2将切换密钥标识HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、N₁、bP和aP串联连接，利用MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK2；将HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、N₁、bP、aP和MIC_MAK2作为切换认证通告消息发送给AP2。

步骤14、STA接收到切换认证通告消息后，验证切换认证通告消息中MIC_MAK2的有效性；若验证通过，认证成功，将使用HSK进行安全数据通信。

符号说明

|：串联连接

(a，aP)、(b，bP)：分别是STA和AP的临时私钥与公钥对

ADD_AP、ADD_STA：分别是AP和STA的媒体访问控制地址

AP：接入点

AS：认证服务器

ECDH：基于椭圆曲线的Diffie-Hellman

HK：切换密钥

HKID：切换密钥标识

HK-L1：切换子密钥

HMAK：切换消息认证密钥

HMAC-SHA256：消息认证码算法

HSK：切换会话密钥

ID_AP、ID_STA：分别是STA和AP的身份标识

IEEE：电气电子工程师协会

IEEE 802.11i：IEEE制定的无线局域网安全标准

IEEE 802.11r：IEEE制定的无线局域网快速切换标准

IEEE 802.1X：IEEE制定的认证框架标准

KD-HMAC-SHA256：密钥推导算法

KEK：密钥加密密钥

MAK：消息认证密钥

MIC：消息完整性验证码

N₁、N₂：分别是STA和AP的一次性随机数

STA：终端

UEK：单播加密密钥

UCK：单播完整性校验密钥

WAPI：WLAN鉴别和保密基础设施，中国无线局域网安全标准

WAPI-XG1：中国无线局域网安全标准第一号修改单

WEP：有线等效保密

WLAN：无线局域网。

Claims

1.一种无线局域网切换快速认证安全性增强方法，包括如下步骤：

(2)切换认证请求步骤：

(3)切换认证响应步骤：

3a)接入点AP接收到切换认证请求消息后，检查是否缓存有HKID对应的切换子密钥HK-L1，若已缓存，转入步骤3b)，否则，接入点AP按如下步骤向认证服务器AS请求对应的切换子密钥HK-L1：

3a1)接入点AP将切换密钥标识HKID、终端STA身份标识ID_STA和接入点AP的身份标识ID_AP，作为切换密钥请求消息发送给认证服务器AS；

3a2)认证服务器AS对接收到的切换密钥请求消息中的切换密钥标识HKID的有效性进行验证，若认证服务器AS未缓存切换密钥标识HKID，则验证失败，并返回错误信息，否则，验证通过；认证服务器AS利用切换密钥HK计算对应于接入点AP的切换子密钥HK-L1，并通过预先建立的安全信道将HKID、切换子密钥HK-L1和有效期作为切换密钥响应消息发送给接入点AP；

3a3)接入点AP接收到切换密钥响应消息后，将切换密钥标识HKID、切换子密钥HK-L1和有效期保存起来；

3b)接入点AP检查缓冲区中是否已缓存终端STA的一次性随机数N₁，若已缓存，则该一次性随机数N₁有效性验证失败，否则，验证通过；接入点AP利用切换子密钥HK-L1计算切换消息认证密钥HMAK，并对消息完整性验证码MIC_HMAK1进行验证；若验证通过，生成用于ECDH交换的接入点AP的临时私钥与公钥对(b，bP)，以及接入点AP的一次性随机数N₂；

3c)接入点AP将切换密钥标识HKID、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP一次性随机数N₂和接入点AP临时公钥bP进行串联连接，利用切换消息认证密钥HMAK计算该连接结果消息完整性验证码MIC_HMAK2；

3d)接入点AP将所述的HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、bP和MIC_HMAK2作为切换认证响应消息发送给终端STA；

(4)切换认证确认步骤：

4b)终端STA将切换密钥标识HKID、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA的一次性随机数N₁、接入点AP的一次性随机数N₂、终端STA的临时公钥aP和接入点AP的临时公钥bP进行串联连接，利用消息认证密钥MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK1；

4c)终端STA将所述的HKID、ID_STA、ID_AP、N₁、N₂、aP、bP和MIC_MAK1作为切换认证确认消息发送给接入点AP；

(5)切换认证通告步骤：

5b)接入点AP将切换密钥标识HKID、接入点AP身份标识ID_AP、终端STA身份标识ID_STA、接入点AP的一次性随机数N₂、终端STA的一次性随机数N₁、接入点AP的临时公钥bP和终端STA的临时公钥aP进行串联连接，利用消息认证密钥MAK计算该连接结果的消息完整性验证码MIC_MAK2；

5c)接入点AP将所述HKID、ID_AP、ID_STA、N₂、N₁、bP、aP和MIC_MAK2作为切换认证通告消息发送给终端STA；

2.根据权利要求1所述的无线局域网切换快速认证安全性增强方法，其中步骤4a)和5a)所述的切换会话密钥，包括单播加密密钥UEK、单播完整性校验密钥UCK、消息认证密钥MAK和密钥加密密钥KEK四个部分。

3.根据权利要求1所述的无线局域网切换快速认证安全性增强方法，其中步骤4a)所述的终端STA利用切换子密钥HK-L1计算切换会话密钥HSK，是终端STA将自己的临时私钥a与接入点AP的临时公钥bP相乘得到乘积abP，将切换子密钥HK-L1和乘积abP作为参数代入密钥推导函数中，得到切换会话密钥HSK，并在计算完成之后安全擦除终端STA的临时私钥a。

4.根据权利要求1所述的无线局域网切换快速认证安全性增强方法，其中步骤5a)所述的接入点AP利用切换子密钥HK-L1计算切换会话密钥HSK，是接入点AP将自己的临时私钥b与终端STA的临时公钥aP相乘得到乘积baP，将切换子密钥HK-L1和乘积baP作为参数代入密钥推导函数，得到切换会话密钥HSK，并在计算完成之后安全擦除接入点AP的临时私钥b。