CN101841413B

CN101841413B - 一种端到端安全连接的建立方法及系统

Info

Publication number: CN101841413B
Application number: CN2010101782169A
Authority: CN
Inventors: 铁满霞; 曹军; 李琴; 黄振海
Original assignee: China Iwncomm Co Ltd
Current assignee: China Iwncomm Co Ltd
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: CN101841413A; WO2011143943A1

Abstract

一种端到端安全连接的建立方法，包括以下步骤：1)发送源节点N_Source发送密钥请求分组给核心交换设备SW_Center；2)核心交换设备SW_Center收到密钥请求分组后，构造密钥通告分组发送给目的节点N_Destination；3)目的节点N_Destination收到密钥通告分组后，构造密钥通告响应分组发送给核心交换设备SW_Center；4)核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，构造密钥响应分组发送给发送源节点N_Source；5)发送源节点N_Source接收密钥响应分组，建立端到端的安全连接。本发明提供了一种网络安全性更高的端到端安全连接的建立方法及系统。

Description

一种端到端安全连接的建立方法及系统

技术领域

本发明涉及通信网络安全应用领域，尤其涉及一种端到端安全连接的建立方法及系统。

背景技术

有线局域网一般为广播型网络，一个节点发出的数据，其它节点都能收到。网络上的各个节点共享信道，这给网络带来了极大的安全隐患。攻击者只要接入网络进行监听，就可以捕获网络上所有的数据包。

现有国家标准GB/T 15629.3(对应IEEE 802.3或ISO/IEC 8802-3)定义的局域网LAN并不提供数据保密方法，这样就使得攻击者容易窃取到关键信息。在国际研究领域里，IEEE所制定的IEEE 802.1AE标准为保护以太网提供数据加密协议，并采用逐跳加密的安全措施来实现网络节点之间数据的安全传达。这种安全措施给局域网中的交换设备带来了巨大的计算负担，容易引发攻击者对交换设备的攻击；且数据包从发送节点传递到目的节点的延时也会增大，降低了网络传输效率。

有线局域网的拓扑结构比较复杂，涉及到的节点(这里，终端和交换设备被统称为节点)数目也比较多，因此网络中的数据通信比较复杂。如果为局域网节点间分配静态的密钥对来建立端到端的安全连接，其分配和更新过程极为复杂。因此，静态密钥对的方式并不适合建立局域网端到端的安全连接。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种网络安全性更高的端到端安全连接的建立方法及系统。

本发明的技术解决方案是：

一种端到端安全连接的建立方法，包括以下步骤：

1)发送源节点N_Source发送密钥请求分组给核心交换设备SW_Center，所述密钥请求分组包含ID_Destination字段以及MIC1字段，其中：

ID_Destination字段：表示目的节点N_Destination的标识；

MIC1字段：表示消息完整性验证码，由发送源节点N_Source用其与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center对该密钥请求分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值。

2)核心交换设备SW_Center收到密钥请求分组后，构造密钥通告分组发送给目的节点N_Destination，所述密钥通告分组包含：ID_Source字段、E_key1字段以及MIC2字段，其中：

ID_Source字段：表示发送源节点N_Source的标识；

E_key1字段：表示密钥资料数据，由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对随机数KEY_S-D加密后的数据，其中随机数KEY_S-D是核心交换设备SW_Center生成的随机数；

MIC2字段：表示消息完整性验证码，由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值；

3)目的节点N_Destination收到密钥通告分组后，构造密钥通告响应分组发送给核心交换设备SW_Center，所述密钥通告响应分组包含：ID_Source字段以及MIC3字段，其中：

MIC3字段；表示消息完整性验证码，由目的节点N_Destination利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值；

4)核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，构造密钥响应分组发送给发送源节点N_Source，所述密钥响应分组包含：ID_Destination字段、E_key2字段以及MIC4字段，其中：

E_key2字段：表示密钥加密数据，由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对随机数KEY_S-D加密后的数据；

MIC4字段：表示消息完整性验证码，由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对该密钥响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值；

5)发送源节点N_Source接收密钥响应分组，建立端到端的安全连接。

上述发送源节点N_Source发送的密钥请求分组中还包含标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述标识字段用于标识此次安全连接建立过程；所述核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前接收的密钥请求分组中的标识值是否一致；所述发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致。

上述发送源节点N_Source发送的密钥请求分组中还包含一个独立的消息新鲜性标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致；所述核心交换设备SW_Center生成的密钥通告分组中还包含一个独立的消息新鲜性标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥通告分组中的标识值是否一致。

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)利用与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center验证MIC1是否正确，若不正确，则丢弃该分组；否则，执行2.2)；

2.2)生成一随机数，作为发送源节点N_Source与目的节点N_Destination之间的共享密钥KEY_S-D；

2.3)构造密钥通告分组发送给目的节点N_Destination。

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center验证MIC2是否正确，若不正确，则丢弃该分组；若正确，则执行3.2)；

3.2)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center解密E_key1字段，即得到与发送源节点N_Source之间的共享密钥KEY_S-D；

3.3)构造密钥通告响应分组发送给核心交换设备SW_Center。

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)比较ID_Source字段与之前发送的密钥通告分组中ID_Source字段值是否一致，若不一致，则丢弃该分组；若一致，则执行4.2)；

4.2)利用与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center验证MIC3是否正确，若不正确，则丢弃该分组；若正确，构造密钥响应分组发送给发送源节点N_Source。

上述步骤5)的具体实现方式是：

5.1)检查分组中的ID_Destination字段与之前发送给核心交换设备SW_Center的密钥请求分组中的ID_Destination字段值是否一致，若不一致，则丢弃该分组；若一致，则执行5.2)；

5.2)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center验证MIC4是否正确，若不正确，则丢弃该分组；若正确，则执行5.3)；

5.3)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center解密E_key2字段，得到与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_S-D。

一种端到端安全连接系统，其特征在于：所述系统包括位于局域网内的发送源节点N_Source、核心交换设备SW_Center和目的节点N_Destination；所述发送源节点N_Source用于向核心交换设备SW_Center发送密钥请求分组、接收核心交换设备SW_Center发送的密钥响应分组；所述核心交换设备SW_Center用于接收发送源节点N_Source发送的密钥请求分组、向目的节点N_Destination发送密钥通告分组、接收目的节点N_Destination发送的密钥通告响应分组、向发送源节点N_Source发送密钥响应分组；所述目的节点N_Destination用于接收核心交换设备SW_Center发送的密钥通告分组、向核心交换设备SW_Center发送密钥通告响应分组。

本发明的优点是：发送源节点N_Source和目的节点N_Destination之间的安全连接是通过核心交换设备SW_Center建立的。建立过程是由核心交换设备SW_Center在收到发送源节点N_Source发送的密钥请求分组后，临时生成一随机数作为发送源节点N_Source和目的节点N_Destination之间共享密钥，分别秘密通告给发送源节点N_Source和目的节点N_Destination。端到端的安全连接的建立和更新过程可由发送源节点N_Source发起该过程触发。该建立和更新过程灵活，无需管理员为全网节点两两之间部署共享的静态密钥。

附图说明

图1为本发明所提供的端到端安全连接建立过程示意图。

具体实施方式

本发明中的节点N(Node)是指有线局域网中的用户终端STA(STAtion)和交换设备SW(SWitch)。局域网中的集线器等物理层设备不作为节点处理。

在网络中，所有的交换设备和用户终端都与网络中的核心交换设备之间通过预分发或其他安全机制已建立安全连接，即已具有共享的密钥。本发明中对该假设中的密钥的建立机制不予限制和定义。本发明中所述核心交换设备一般是局域网中离网关最近的交换设备，可由网络管理员进行指定或配置，本发明不予限定和定义。

以发送源节点N_Source与目的节点N_Destination之间的安全连接建立为例进行说明，SW_Center为网络中的核心交换设备。发送源节点N_Source与核心交换设备SW_Center之间已建立安全连接，具有的共享密钥记为KEY_S-Center；目的节点N_Destination与核心交换设备SW_Center之间已建立安全连接，具有的共享密钥记为KEY_D-Center。

图1以发送源节点N_Source和目的节点N_Destination之间建立安全连接的步骤为例来说明本发明端到端安全连接建立的具体方案如下：

1)发送源节点N_Source发送密钥请求分组给核心交换设备SW_Center；

该密钥请求分组主要包含：

ID_Destination

MIC1

其中：

ID_Destination字段：表示目的节点N_Destination的标识；

2)核心交换设备SW_Center发送密钥通告分组给目的节点N_Destination；

核心交换设备SW_Center收到密钥请求分组后，进行如下处理：

2.3)构造密钥通告分组发送给目的节点N_Destination。

该密钥通告分组中主要包含：

ID_Source

E_key1

MIC2

其中：

ID_Source字段：表示发送源节点N_Source的标识；

E_key1字段：表示密钥资料数据，由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对生成的随机数KEY_S-D加密后的数据；

MIC2字段：表示消息完整性验证码，由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值。

3)目的节点N_Destination发送密钥通告响应分组给核心交换设备SW_Center；

目的节点N_Destination收到密钥通告分组后，进行如下处理：

3.1)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center验证MIC2是否正确，若不正确，则丢弃该分组；否则，执行3.2)；

3.3)构造密钥通告响应分组发送给核心交换设备SW_Center。

该密钥通告响应分组主要包含：

ID_Source

MIC3

其中：

ID_Source字段：表示发送源节点N_Source的标识，其值同收到的密钥通告分组中的ID_Source字段的值；

MIC3字段；表示表示消息完整性验证码，由目的节点N_Destination利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值。

4)核心交换设备SW_Center发送密钥响应分组给发送源节点N_Source；

核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，进行如下处理：

4.1)比较ID_Source字段与之前发送的密钥通告分组中ID_Source字段值是否一致，若不一致，则丢弃该分组；否则，执行4.2)；

4.2)利用与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center验证MIC3是否正确，若不正确，则丢弃该分组；否则，构造密钥响应分组发送给发送源节点N_Source；

该密钥响应分组中主要包含：

ID_Destination

E_key2

MIC4

其中：

ID_Destination字段：表示目的节点N_Destination的标识；

E_key2字段：表示密钥加密数据，由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对生成的随机数KEY_S-D加密后的数据；

MIC4字段：表示消息完整性验证码，由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对该密钥响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值。

5)发送源节点N_Source接收密钥响应分组；

发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，进行如下处理：

5.1)检查分组中的ID_Destination字段与之前发送给核心交换设备SW_Center的密钥请求分组中的ID_Destination字段值是否一致，若不一致，则丢弃该分组；否则，执行5.2)；

5.2)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center验证MIC4是否正确，若不正确，则丢弃该分组；否则，执行5.3)；

5.3)利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center解密E_key2字段，即得到与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_S-D，即完成发送源节点N_Source和目的节点N_Destination之间安全连接的建立过程。此后，发送源节点N_Source和目的节点N_Destination之间可通过密钥KEY_S-D进行保密通信。

当对上述方案进行具体实施时，发送源节点N_Source还可生成一个数值，作为此次安全连接建立过程的标识，该标识可为时钟、顺序号或随机数，且在每个消息中进行携带，相应地核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前接收的密钥请求分组中的标识值是否一致；发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，也需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致。

当利用上述方案进行具体实施时，也可以由发送源节点N_Source和核心交换设备SW_Center在发送密钥请求分组和密钥通告分组时，各自独立生成一个数值(可为时钟、顺序号或随机数)作为消息新鲜性标识分别携带在上述分组中。对应地，核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥通告分组中的标识值是否一致；发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，也需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致。

一种端到端安全连接的建立系统，该系统包括向核心交换设备SW_Center发送密钥请求分组、接收核心交换设备SW_Center发送的密钥响应分组的发送源节点N_Source；接收发送源节点N_Source发送的密钥请求分组、向目的节点N_Destination发送密钥通告分组、接收目的节点N_Destination发送的密钥通告响应分组、向发送源节点N_Source发送密钥响应分组的核心交换设备S_WCenter；接收核心交换设备SW_Center发送的密钥通告分组、向核心交换设备SW_Center发送密钥通告响应分组的目的节点N_Destination。

Claims

1.一种端到端安全连接的建立方法，其特征在于，其包括以下步骤：

ID_Destination字段：表示目的节点N_Destination的标识；

ID_Source字段：表示发送源节点N_Source的标识；

2.根据权利要求1所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述发送源节点N_Source发送的密钥请求分组中还包含标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述标识字段用于标识此次安全连接建立过程；所述核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前接收的密钥请求分组中的标识值是否一致；所述发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致。

3.根据权利要求1所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述发送源节点N_Source发送的密钥请求分组中还包含一个独立的消息新鲜性标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述发送源节点N_Source收到密钥响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥请求分组中的标识值是否一致；所述核心交换设备SW_Center生成的密钥通告分组中还包含一个独立的消息新鲜性标识字段，该标识为时钟、顺序号或随机数，所述核心交换设备SW_Center收到密钥通告响应分组后，需验证该分组中的标识值与其之前发送的密钥通告分组中的标识值是否一致。

4.根据权利要求1或2或3所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述步骤2)的具体实现方式是：

2.3)构造密钥通告分组发送给目的节点N_Destination。

5.根据权利要求1或2或3所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述步骤3)的具体实现方式是：

3.3)构造密钥通告响应分组发送给核心交换设备SW_Center。

6.根据权利要求1或2或3所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述步骤4)的具体实现方式是：

7.根据权利要求1或2或3所述的端到端安全连接的建立方法，其特征在于，所述步骤5)的具体实现方式是：

8.一种端到端安全连接系统，其特征在于：所述系统包括位于局域网内的发送源节点N_Source、核心交换设备SW_Center和目的节点N_Destination；所述发送源节点N_Source用于向核心交换设备SW_Center发送密钥请求分组以及接收核心交换设备SW_Center发送的密钥响应分组；所述核心交换设备SW_Center用于接收发送源节点N_Source发送的密钥请求分组、向目的节点N_Destination发送密钥通告分组、接收目的节点N_Destination发送的密钥通告响应分组以及向发送源节点N_Source发送密钥响应分组；所述目的节点N_Destination用于接收核心交换设备SW_Center发送的密钥通告分组以及向核心交换设备SW_Center发送密钥通告响应分组。

其中：

所述密钥请求分组包含表示目的节点N_Destination的标识的ID_Destination字段以及由发送源节点N_Source用其与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_S-Center对该密钥请求分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值MIC1字段；

所述密钥通告分组包含：表示发送源节点N_Source的标识的ID_Source字段、由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对核心交换设备SW_Center生成的随机数KEY_S-D加密后的数据E_key1字段以及由核心交换设备SW_Center用其与目的节点N_Destination之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值MIC2字段；

所述密钥通告响应分组包含：ID_Source字段以及由目的节点N_Destination利用与核心交换设备SW_Center之间的密钥KEY_D-Center对该密钥通告响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值MIC3字段；

所述密钥响应分组包含：ID_Destination字段、由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对随机数KEY_S-D加密后的数据E_key2字段以及由核心交换设备SW_Center用其与发送源节点N_Source之间的密钥KEY_S-Center对该密钥响应分组中本字段外的其他字段通过杂凑函数计算得到的杂凑值MIC4字段。