CN102056163B

CN102056163B - 分布式mesh网络密钥管理方法和无线接入点设备

Info

Publication number: CN102056163B
Application number: CN200910235979.XA
Authority: CN
Inventors: 吴蔷
Original assignee: Hangzhou H3C Technologies Co Ltd
Current assignee: New H3C Technologies Co Ltd
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-11-03
Also published as: CN102056163A

Abstract

本发明提出一种分布式MESH网络密钥管理方法，以认证方为中心将MESH网络划分成多个MKD域，由作为认证方的MP作为MKD，由该MP和所有以该MP作为认证方的被认证方MP组成一个MKD域，每个MKD域的MKD为本MKD域中的被认证方分配MPTK-Anonce，被认证方根据本MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce与本MKD域的认证方协商各层密钥。本发明还提出了一种MP。采用本发明提出的分布式MESH网络密钥管理方法和MP，当某个MP作为被认证方加入不同的MKD域时，在不同的MKD域中根据不同的MPTK-Anonce协商密码，因此增加了密钥管理的安全性。

Description

分布式MESH网络密钥管理方法和无线接入点设备

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别涉及一种分布式MESH网络链路加密方法和无线接入点设备。

背景技术

符合IEEE802.11s标准的无线局域网称为网状（MESH）网络。目前，根据配置管理方式和安全策略应用方式的不同，MESH网络分为集中控制式和分布式两种。在分布式MESH网络中，网络中没有管理和配置中心，每一MESH网络无线接入点（Mesh Access Point，MP）独立运行，即：每一个MP独立进行配置，独立应用安全策略，独立转发数据报文。分布式MESH网络结构的一个具体实施例如图1所示，将图中所示的5个MP分别标记为MP1、MP2、MP3、MP4和MP5，图中的点线表示MESH链路，各个MP之间通过MESH链路进行通信。

MESH链路在传输数据时采用密钥对数据进行加密，即MESH链路的双方MP分别使用密钥对数据加解密，因此密钥的管理是MESH安全体系中的关键部分。MESH网络中的密钥管理方法称为MESH密钥分发者（MESHKey Distributor，MKD）分层密钥机制，在这一机制中存在MKD、认证方与被认证方。MKD是MESH网络的密钥生成和分发者，是MESH网络的安全认证中心。认证方（Authenticator）是建立MESH链路时的认证方，需要在MKD的协助下完成认证过程。能担当Authenticator的MP必须已经获得MKD的认证，已经与MKD建立了安全的通信通道，这样的MP也称为MESH认证方（Mesh Authenticator，MA）。被认证方（Supplicant）是建立MESH链路时的被认证方。在一次安全认证过程中，Supplicant既可以是未经MKD认证的MP，也可以是MA。当被认证方是MA时，虽然建立MESH链路的双方都具备MA的资格，但是在本次认证中分任认证方和被认证方的角色。

根据MKD为MESH网络划分MKD域。MKD域通过MKD域身份标识（MKDD-ID）进行标识。每一个MKD域中只有一个MKD，并且至少有一个MA。在同一MKD域内的MP执行相同的安全认证策略。目前的实现中，每个MESH网络中都只有一个MKD域，即单域的MESH网络。

MESH链路的密钥分为4个层次，图2为MESH链路密钥分层示意图，参见图2。其中第一层密钥为预共享密钥（PSK），从用户配置的共享式密码生成，由MKD和被认证方持有。第二层密钥为MKD成对主控密钥（PMK-MKD），从PSK生成，由MKD和被认证方持有，当同一个MP通过建立多条MESH链路加入同一个MKD域时，所对应的PMK-MKD只有一个，如果一个MP在同一个MKD域的不同MESH链路认证中得到的PMK-MKD不同，则该MP认为MESH链路安全出现问题，因此将当前全部MESH链路关闭。第三层密钥为MA成对主控密钥（PMK-MA），从PMK-MKD生成，由MKD、认证方和被认证方持有，与多个认证方建立MESH链路时，对应每一个认证方生成不同的PMK-MA。第四层密钥为成对临时密钥（PTK），从PMK-MA生成，由认证方和被认证方协商而得，共同持有，对于加入某一MKD域内的某一MP而言，PTK用于实际MESH链路的加解密，不同的MESH链路有不同的PTK，而且每一链路的PTK在超过设定时间之后还会自动更新，以降低破解密钥的概率。

认证方和被认证方之间通过4次握手的方式协商PTK。其过程是：MKD为被认证方随机分配一个数值，称为MESH PTK A随机数（MPTK-Anonce），每一MP一次只会分配一个MPTK-Anonce。然后MKD为被认证方生成对应的PMK-MKD和PMK-MA，将PMK-MA和MPTK-Anonce发送给认证方，通知认证方开始4次握手，与被认证方协商对应链路的PTK。4次握手中，认证方向被认证方发送第1个报文，该报文携带MPTK-Anonce，被认证方通过第1个报文携带的MPTK-Anonce计算出PMK-MKD、PMK-MA，并为对应的MESH链路随机分配的随机数，称为MESH PTK S随机数（MPTK-Snonce），进而根据MPTK-Snonce计算出PTK。与MPTK-Anonce不同，MP每次生成MPTK-Snonce都不同，而且在PTK自动更新时也会变化。被认证方向认证方发送第2个报文，该报文携带MPTK-Snonce，认证方通过第2个报文携带的MPTK-Snonce计算PTK。通过第3个和第4个报文，认证方发送组播密钥，并且双方验证计算的PTK的一致性，最终认证方和被认证方获得一致的PTK。

采用上述MESH链路密钥管理方法，在分布式MESH网络中，由于不存在安全认证和管理中心，每一个MP上都同时存在作为MKD和作为认证方的两种功能。在建立MESH连接时，两个MP分别为认证方和被认证方，这一结构的示意图如图3所示。在图1所示的分布式MESH网络中，以MP2与MP3建立MESH连接为例，MP2为认证方，MP3为被认证方，则位于MP3上的MKD功能部分作为上述MESH链路密钥管理方法中的MKD，负责完成对该链路的MESH安全处理，生成PMK-MKD和PMK-MA、分配MPTK-Anonce，而MP2上的认证方功能部分则作为上述MESH链路密钥管理方法中的认证方，根据PMK-MA和MPTK-Anonce等，与MP3协商和计算出PTK。同样的，如果以MP3与MP5建立MESH链路为例，MP5为认证方，MP3为被认证方，则MP5上的MKD功能部分作为上述MESH链路密钥管理方法中的MKD，为MP3生成PMK-MKD和PMK-MA、分配MPTK-Anonce。在目前单域MESH网络的情况下，在上述两次建立MESH链路过程中，因为MP3、MP2和MP5位于同一个MKD域中，因此要求这两次认证过程中MP3获得的PMK-MKD必须相同，因而要求MP2与MP5为MP3生成的MPTK-Anonce必须相同。否则，如果MP3在同一MKD域内的不同MESH链路认证中收到不同的MPTK-Anonce，则MP3认为MKD不一致，MESH链路安全出现问题，因此MP3会关闭当前全部MESH链路。为了保证同一MP在同一MKD域内的不同MESH链路认证中收到的MPTK-Anonce相同，目前分布式MESH网络在为被认证方分配MPTK-Anonce时，以MESH网络的标识符（MESH ID）和被认证方的物理（MAC）地址作为MPTK-Anonce生成函数的种子，因为同一个MKD域的MESH ID和某一MP的MAC地址均固定不变，因此MPTK-Anonce固定不变的，同一MP在同一MKD域内的不同MESH链路认证中收到的MPTK-Anonce相同。

但是采用上述密钥管理方法，由于同一个MP加入同一网络的MPTK-Anonce固定不变，并且在上述4次握手协商PTK的过程中，第1个报文携带的MPTK-Anonce并未加密，因此同样的数值在4次握手的报文中反复出现，增大了MPTK-Anonce被监听和获取的可能性，因而增大了密钥被破解的可能性，从而降低了MESH链路的安全性。

发明内容

本发明实施例提供一种分布式MESH网络密钥管理方法，以增大MESH链路密钥管理的安全性。

本发明实施例提供一种MP设备，以增大MESH链路密钥管理的安全性。

针对第一个目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种分布式网状MESH网络密钥管理方法，包括以下步骤：

MESH网络中的无线接入点MP在与其它MP建立MESH链路时，由作为认证方的MP作为MESH密钥分发者MKD，由该MP和所有以该MP作为认证方的被认证方MP组成一个MKD域，将MESH网络划分成多个MKD域；

每个MKD域的MKD分别为本MKD域中作为被认证方的MP分配MESH成对临时密钥A随机数MPTK-Anonce，属于多个MKD域的MP接收到不同的MPTK-Anonce；

在每个MKD域中，被认证方根据本MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce与本MKD域的认证方通过4次握手的方式协商成对临时密钥PTK。

上述方案中，所述将MESH网络划分成多个MKD域之后进一步包括：

为每个MKD域配置不同的MKD域身份标识MKDD-ID，所述通过4次握手的方式协商成对临时密钥PTK时，每个MKD域内的认证方和被认证方根据本MKD域的MKDD-ID计算MKD成对主控密钥PMK-MKD。

为同一MESH网络中的所有MKD域配置相同的MKDD-ID，所述通过4次握手的方式协商成对临时密钥PTK时，每个MKD域内的认证方和被认证方根据认证方的指定参数计算MKD成对主控密钥PMK-MKD。

上述方案中，所述认证方的指定参数为认证方的物理MAC地址。

上述方案中，该方法进一步包括：

所述MESH网络中的无线接入点MP在与其它MP建立MESH链路时，作为被认证方的MP在建立每一个初始MESH连接的同时，记录该连接对应的MKD域；

当MP接收到MPTK-Anonce时，根据发送该MPTK-Anonce的认证方MP确定该MPTK-Anonce对应的MKD域；

如果MP接收到两个或两个以上的MPTK-Anonce对应相同的MKD域，则MP断开在该MKD域内自身的所有MESH链路；否则，不断开现有的MESH链路。

针对第二个目的，本发明实施例是这样实现的：

一种无线接入点MP设备，该MP设备包括：

MKD功能模块，用于为作为被认证方的MP随机分配并发送MPTK-Anonce，计算生成PMK-MKD和MA成对主控密钥PMK-MA并发送给认证方功能模块；

认证方功能模块，根据MKD功能模块发来的PMK-MKD和PMK-MA与作为被认证方的MP通过4次握手的方式协商PTK；

被认证方功能模块，接收作为MKD的MP发来的MPTK-Anonce，根据MPTK-Anonce与作为认证方的MP通过4次握手的方式协商PTK；

控制模块，确定本MP所在的MKD域以及本MP的角色，如果本MP为认证方，将本MP确定为MKD，将本MP和以本MP为认证方的被认证方MP确定为一个MKD域，启动MKD功能模块和认证方功能模块；如果本MP为被认证方，将本MP作为被认证方的认证方MP确定为MKD，并将该MP和以该MP为认证方的被认证方MP确定为一个MKD域，启动被认证方功能模块。

上述方案中，

所述认证方功能模块或被认证方功能模块为每个MKD域配置不同的MKDD-ID，所述通过4次握手的方式协商PTK时，根据本MKD域的MKDD-ID计算PMK-MKD。

上述方案中，

所述认证方功能模块或被认证方功能模块为同一MESH网络中的所有MKD域配置相同的MKDD-ID；

所述通过4次握手的方式协商PTK时，如果所述控制模块确定本MP为认证方，则所述认证方功能模块提供认证方指定参数并发送给被认证方；如果所述控制模块确定本MP为被认证方，则所述被认证方功能模块根据从认证方接收的认证方指定参数计算PMK-MKD。

上述方案中，所述认证方指定参数为认证方的MAC地址。

上述方案中，所述被认证方功能模块在建立每一个初始MESH连接的同时记录该连接对应的MKD域，每当接收到作为MKD的MP发来的MPTK-Anonce时，根据发送该MPTK-Anonce的认证方MP确定该MPTK-Anonce对应的MKD域，如果接收到两个或两个以上的MPTK-Anonce对应相同的MKD域，则断开在该MKD域内自身的所有MESH链路；否则，不断开现有的MESH链路。

由上述的技术方案可见，本发明以认证方为中心将MESH网络划分成多个MKD域，由作为认证方的MP作为MKD，由该MP和所有以该MP作为认证方的被认证方MP组成一个MKD域，每个MKD域的MKD为本MKD域中的被认证方分配MPTK-Anonce，被认证方根据本MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce与本MKD域的认证方通过4次握手的方式协商PTK。由于根据认证方将MESH网络划分为多个MKD域，每个MKD域独立为域内被认证方分配MPTK-Anonce，因此，当某个MP作为被认证方加入不同的MKD域时，在不同的MKD域中获得的MPTK-Anonce不同，而在密钥管理过程中根据MPTK-Anonce协商获得各层密钥，因此增加了密钥管理的安全性和可靠性，降低了密钥被破解的概率。

附图说明

图1为分布式MESH网络结构示意图；

图2为MESH链路密钥分层示意图；

图3为分布式MESH网络MP功能示意图；

图4为本发明实施例分布式MESH网络密钥管理方法流程图；

图5为本发明实施例分布式MESH网络中多MKD域划分的示意图；

图6为本发明实施例MP内部结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

目前的MESH标准中并未限制同一个MESH网络只能存在一个MKD域，在本发明实施例中，根据认证方将MESH网络划分成多个MKD域，每个MKD域独立计算MESH链路的各层密钥。

采用本发明实施例提出的划分多个MKD域的方法，分布式MESH网络链路密钥的管理方法的流程如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤401：根据认证方将MESH网络划分成多个MKD域。

本步骤中根据认证方将MESH网络划分成多个MKD域的具体方法是：MESH网络中的MP在与其它MP建立MESH链路时，由作为认证方的MP作为MKD，由该MP和所有以该MP作为认证方的被认证方MP组成一个MKD域。因此，按照上述划分方法，同一个MP可以处于多个MKD域中，但只能在其中一个MKD域中担当MKD角色，即只能在该MP作为认证方的MKD域中作为MKD。

步骤402：每个MKD域的MKD分别为本MKD域中作为被认证方的MP分配MPTK-Anonce。

因此，如果某一个MP在多个MKD域中均作为被认证方，该MP将会分别接收来自不同MKD域的多个MPTK-Anonce，上述多个MPTK-Anonce可能并不相同，与现有方法不同的是，本发明实施例中该MP在接收到多个不同的MPTK-Anonce时，不再将所有MESH链路断开。为实现MP在收到来自不同的MKD域的不同的MPTK-Anonce时不断开MESH链路，作为被认证方的MP在建立每一个初始MESH连接的同时，记录该连接对应的MKD域，每当MP接收到一个MPTK-Anonce时，根据发送该MPTK-Anonce的认证方MP确定该MPTK-Anonce对应的MKD域。当MP接收到多个不同的MPTK-Anonce时，分别确定每个MPTK-Anonce对应的MKD域，如果它们分别对应不同的MKD域，则不断开现有的MESH链路；如果它们对应同一个MKD域，则MP断开在该MKD域内自身的所有MESH链路。

步骤403：在每个MKD域中，被认证方根据本MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce与本MKD域的认证方通过4次握手的方式协商PTK。

此步骤中，认证方与被认证方通过4次握手的方式协商PTK的方法与背景技术中所述的相同，在此不再赘述。如果某一个MP在多个MKD域中均作为被认证方，该MP根据某一个MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce，与该MKD域的认证方通过4次握手的方式协商PTK，并且采用同样的方法完成该MP所在的不同MKD域中的4次握手。

下面以图1所示的分布式MESH网络为例，对图4所示的分布式MESH网络链路密钥管理方法进行详细说明。

首先，根据认证方将MESH网络划分成多个MKD域。以图1所示分布式MESH网路为例，对其进行MKD域划分的示意图如图5所示。参见图5，以认证方为中心，将该网络划分为3个MKD域，分别标记为MKD域1、MKD域2和MKD域3，具体划分方法为：在建立MESH链路时，以MP2作为认证方的被认证方包括MP1和MP3，则MP2为认证方和MKD，由MP2、MP1和MP3三者组成MKD域1。在建立MESH链路时，以MP4作为认证方的被认证方仅包括MP2，则MP4为认证方和MKD，由MP4和MP2二者组成MKD域2。在建立MESH链路时，以MP5为认证方的被认证方仅包括MP2，则MP5为认证方和MKD，由MP5和MP2二者组成MKD域3。按照上述多域划分方法，MP2位于多个MKD域中，但只有在MP2作为认证方的MKD域1中作为MKD，在其它的MKD域中，MP2仅作为被认证方。

然后，每个MKD域的MKD分别为本MKD域中作为被认证方的MP分配MPTK-Anonce。按照图5所示进行MKD域划分的MESH网络，在MKD域1中，MP2作为MKD，为MP1和MP3分别分配MPTK-Anonce。在MKD域2和MKD域3中，MP2作为被认证方，分别接收MP4和MP5分配的MPTK-Anonce，因为来自MP4和MP5的MPTK-Anonce属于不同的MKD域，因此在本发明实施例中当MP2接收到来自MP4和MP5的不同的MPTK-Anonce时，不断开MESH链路。

最后，在进行4次握手协商PTK时，在MKD1域中，MP1与MP3分别根据MP2分配的MPTK-Anonce与MP2通过4次握手的方式协商PTK。在MKD域2中，MP2根据MP4分配的MPTK-Anonce与MP4通过4次握手的方式协商PTK。在MKD域3中，MP2根据MP5分配的MPTK-Anonce与MP5通过4次握手的方式协商PTK。

进一步地，在采用上述将MESH网络划分为多MKD域的链路密钥管理方法的基础上，本发明实施例还提出对多MKD域的MKDD-ID进行更优化的改进。

与现有的密钥管理方法相同的是，MKD域通过配置的MKDD-ID进行标识，在MP相互认证过程中，通过MP的信标（Beacon）报文和探测（Probe）报文发送给其它MP。根据MESH标准802.11s-draft1.06，在4次握手协商PTK过程中的计算PMK-MKD时，需要用到MKDD-ID。因此，可以为每个MKD域配置不同的MKDD-ID，也可以采取一种更优化的方法，其具体如下所述。

分布式MESH网络中，在建立MESH链路时，通过建立MESH链路的双方MP协商确定某个MP担任认证方或被认证方角色，并且，当某一MP在实际组网中不断移动时，对端MP在不断变化，因此该MP所担任的角色也会不断变化，因此，如果不同MKD域配置不同MKDD-ID，配置工作量巨大，而且网络规模的扩展性差。为此，本发明实施例提出，不区分MP所属的MKD域，为同一MESH网络中的所有MP配置相同的MKDD-ID，在Beacon报文和Probe报文中对应的MKDD-ID中也填写该MKDD-ID；但是，在实际计算PMK-MKD时，用认证方的指定参数替换MKDD-ID进行计算，一种较优的方法是采用认证方的MAC地址作为该指定参数，也可以采用其它可以认证方的相关参数作为指定参数。因此，既不必在每个MP上根据不同的MKD域配置大量的MKDD-ID，也能够实现在多MKD域的划分的MESH网络中各个MKD域独立计算PMK-MKD，进而独立计算MESH链路的各层密钥。

采用本发明所述的划分多个MKD域的分布式MESH网络链路密钥的管理方法，需要相应地对MP进行改进，本发明实施例中MP的内部结构如图6所示。参见图6，MP内部包括MKD功能模块601、认证方功能模块602和被认证方功能模块603，在本发明实施例中，为实现多MKD域划分的MESH网络链路密钥管理方法，在MP中加入控制模块604。

MKD功能模块601，用于为作为被认证方的MP随机分配并发送MPTK-Anonce，计算生成PMK-MKD和PMK-MA并发送给认证方功能模块602。

认证方功能模块602，根据MKD功能模块601发来的PMK-MKD和PMK-MA与作为被认证方的MP通过4次握手的方式协商PTK。

被认证方功能模块603，接收作为MKD的MP发来的MPTK-Anonce，确定该MPTK-Anonce对应的MKD域，根据MPTK-Anonce与作为认证方的MP通过4次握手的方式协商PTK；为实现MP在收到来自不同的MKD域的不同的MPTK-Anonce时不断开MESH链路，被认证方功能模块603在建立每一个初始MESH连接的同时记录该连接对应的MKD域，每当接收到一个MPTK-Anonce时，根据发送该MPTK-Anonce的认证方MP确定该MPTK-Anonce对应的MKD域，分别确定每一个MPTK-Anonce对应的MKD域，如果不同的MPTK-Anonce对应不同的MKD域，则不断开现有的MESH链路，如果两个或两个以上的MPTK-Anonce对应同一个MKD域，则断开本MP在该MKD域内的MESH链路。

控制模块604，确定本MP所在的MKD域以及本MP的角色，如果本MP为认证方，将本MP确定为MKD，将本MP和以本MP为认证方的被认证方MP确定为一个MKD域，启动MKD功能模块601和认证方功能模块602；如果本MP为被认证方，将本MP作为被认证方的认证方MP确定为MKD，并将该MP和以该MP为认证方的被认证方MP确定为一个MKD域，启动被认证方功能模块603。

由以上实施例可见，本发明根据认证方将MESH网络划分成多个MKD域，由作为认证方的MP作为MKD，由该MP和所有以该MP作为认证方的被认证方MP组成一个MKD域，每个MKD域的MKD为本MKD域中的被认证方分配MPTK-Anonce，被认证方根据本MKD域的MKD分配的MPTK-Anonce与本MKD域的认证方通过4次握手的方式协商PTK。由于根据认证方将MESH网络划分为多个MKD域，每个MKD域独立为域内被认证方分配MPTK-Anonce，因此，当某个MP作为被认证方加入不同的MKD域时，在不同的MKD域中获得的MPTK-Anonce不同，而在密钥管理过程中根据MPTK-Anonce协商获得各层密钥，因此增加了密钥管理的安全性和可靠性，降低了密钥被破解的概率。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式网状MESH网络密钥管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将MESH网络划分成多个MKD域之后进一步包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将MESH网络划分成多个MKD域之后进一步包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述认证方的指定参数为认证方的物理MAC地址。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

6.一种无线接入点MP设备，其特征在于，该MP设备包括：

7.如权利要求6所述的MP设备，其特征在于，

8.如权利要求6所述的MP设备，其特征在于，

9.如权利要求8所述的MP设备，其特征在于，所述认证方指定参数为认证方的MAC地址。

10.如权利要求6至9中任意一项所述的MP设备，其特征在于，

所述被认证方功能模块在建立每一个初始MESH连接的同时记录该连接对应的MKD域，每当接收到作为MKD的MP发来的MPTK-Anonce时，根据发送该MPTK-Anonce的认证方MP确定该MPTK-Anonce对应的MKD域，如果接收到两个或两个以上的MPTK-Anonce对应相同的MKD域，则断开在该MKD域内自身的所有MESH链路；否则，不断开现有的MESH链路。