CN1503525A

CN1503525A - 实现安全性认证的ip网络系统及其方法

Info

Publication number: CN1503525A
Application number: CNA021531951A
Authority: CN
Inventors: 郑志鹏; 顾勤丰; 高江海; 孔涛
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: CN1260927C

Abstract

本发明公开了一种实现安全性认证的IP网络系统及其方法，该系统包括认证鉴权服务器，通过IP网络与该认证鉴权服务器连接的接入服务器和客户端，以及与客户端连接的读卡装置及用于该装置的SIM卡，所述SIM卡作为用户身份识别。当客户端请求接入而进行认证时从SIM中获取信息传送至接入服务器处理，处理后的信息发送至所述的认证鉴权服务器进行认证。本发明将SIM卡的安全性与Internet的开放性结合，实现了internet信用支付体系，具有方便用户移动、降低运营成本和方便扩展业务等优点。

Description

实现安全性认证的IP网络系统及其方法

技术领域

本发明涉及通信网络安全技术，尤其涉及一种实现安全性认证的IP网络系统及其方法。

背景技术

现有网络身份的识别一般通过用户名加密码的方式来解决。虽然此种方式对一般的安全性要求已经足够，但对于安全敏感性较高和需要建立具有不可抵赖性应用情况下，这种方式就无法满足需求。

为解决上述问题，业界采用数字证书技术，该技术通过第三方的CA(请给出英语全称及中文解释)认证来鉴别用户身份，使交易双方能够建立信用关系，且通过数字签名来保证记录的不可抵赖性。数据证书通过国际电信联盟的标准来保证互通性。但数字证书通常需要保留在PC机的硬盘上，这样如果黑客通过木马程序就有可能盗用；而且保留在硬盘上的数据证书的可移动性比较差，如果想通过公用设备来将其接入网络，则存在较大不便。

在现有技术中，智能卡不但能保护证明用户身份的私有密钥，而且还能保护保存密钥的物理介质。具体地讲：一方面，智能卡可以为私有密钥提供更好的防护手段，因为保存在智能卡里的私有密钥是不可读的，需要用到私有密钥进行加解密的过程--数字签名和解密公共密钥加密的数据--都由卡上的处理器来完成，自始至终私有密钥都不会离开智能卡；另一方面，要使用卡里的私有密码还需要知道卡的密码(PIN)，防止智能卡丢失。这种双重的验证机制比起密码口令来要安全得多，它可以确保只有合法的所有者才可以使用他的数字证书。同时，智能卡还易于使用、便于携带并且难以复制，而且在使用智能卡时，还要先输入密码，如果不知道密码，那么在连续输错若干次后，卡便会自动加锁，防止对他人智能卡的盗用。

可见如何将现有技术中的智能卡应用在INTERNET上以解决用户身份识别的安全问题，是业界目前需要解决的一个重要问题。

发明内容

本发明提供一种实现安全性认证的IP网络系统及其方法，以解决现有技术中INTERNET网络上用户身份识别安全认证技术移动性较差、安全性较低的问题。

为解决上述问题，本发明提供如下的技术方案：

一种IP网络实现安全性认证系统，包括认证鉴权服务器，通过IP网络与该认证鉴权服务器连接的接入服务器和客户端，其特征在于所述的客户端还连接有读卡装置及用于该装置的SIM卡，所述客户端通过应用程序接口模块驱动所述读卡装置，经读卡装置与所述SIM交互信息，客户端将SIM卡中的用户信息传送至接入服务器处理，处理后的信息发送至所述的认证鉴权服务器进行认证。

一种在IP网络上实现安全性认证的方法，该方法包括下述步骤：

A、服务器产生一个随机数下发给客户端；

B、客户端将所述随机数传送给SIM卡，SIM卡依据该随机数至少计算出SRES，同时读出SIM卡的IMSI码，并将该SRES和IMSI码传送给客户端；

C、客户端将从SIM卡得到的信息发送给接入服务器；

D、接入服务器处理从客户端得到的信息，向认证鉴权服务器发送认证请求消息，并在该消息中至少包含所述的随机数、SRES和IMSI码；

E、认证鉴权服务器根据请求消息中IMS I码判断该用户是否属于SIM卡认证的用户，如果判断结果为否，则回应认证失败消息，转步骤G；

F、如果步骤E的判断结果为是，认证鉴权服务器则按照SIM卡中相应的算法，利用所述随机数计算出SRES，并比较该SRES与从请求消息中接收到的SERS是否一致，如果一致，则给接入服务器回应鉴权通过消息，否则回应鉴权失败消息；

G、接入服务器收到认证鉴权服务器回应消息后，根据鉴权结果向客户端发送相应的回应消息。

本发明的有益效果：

1、将SIM卡的安全性与Internet的开放性结合，实现了internet信用支付体系；

2、SIM读卡器采用USB接口，且读卡器体积小，容易携带，方便用户移动；

3、用户密钥无需用户自己管理，能够保证智能卡的安全性和易用性，降低运营成本；

4、将SIM卡与WEB认证结合，方便扩展业务，但不需要升级客户端。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2本发明采用CHAP实现PPPoE SIM认证流程；

图3本发明采用EAP-MD5实现802.1xSIM卡认证流程图；

图4本发明采用CHAP实现WEB SIM卡认证流程图；

图5本发明采用BAS终结EAP报文；

图6本发明采用BAS透传EAP报文；

图7本发明采用802.1x实现标准EAP流程；

图8本发明采用WEB实现标准EAP认证流程。

具体实施方式

参考图1，认证系统包括认证鉴权服务器，通过IP网络与该认证鉴权服务器连接的接入服务器和PC客户端，在客户端连接有读卡装置及用于该装置的SIM卡，客户端通过应用程序接口模块驱动所述读卡装置，经读卡装置与所述SIM交互信息，客户端将SIM卡中的用户信息传送至接入服务器处理，处理后的信息发送至所述的认证鉴权服务器进行认证。

读卡器和SIM卡：根据驱动程序API进行相应的处理；主要功能是计算SRES(Signed RES ponse calculated by a SIM，字面意思为“SIM卡计算的签名响应”)和Kc(Cryptographic key，简称Kc，用于A5密码)，读出IMSI和其他保存的信息。

PC客户端：执行认证客户端，调用S IM读卡器的的驱动程序API，与接入服务器或者Portal服务器交互。

认证门户服务器(Portal)：在WEB认证的情况下才有用，提供认证页面，CHAP认证方式下可以提供随机数，转发客户端和接入服务器之间的认证报文。

接入服务器：进行认证报文处理，控制PC客户端的接入。

鉴权认证服务器：根据认证请求，进行相应的认证处理；控制接入服务器是否允许PC终端接入。

协议说明：

Portal协议：为实现WEB认证，Portal服务器和接入服务器之间的私有协议。

PPPoE/EAPoL/IP：接入服务器与PC终端认证报文的PPPoE/EAPoL/IP承载协议。

Radius协议：接入服务器与认证服务器之间的协议；包括标准Radius协议和EAPoRadius。

驱动程序API：认证客户端调用读卡器功能的接口。

SIM卡是由微处理器和存储单元组成，通过标准的接口可以驱动SIM卡中的微处理器，对存储单元进行操作。SIM卡提供双重的安全保护：个人识别码(PIN)和SIM卡本身。

PIN码是对SIM卡本身的保护方式。非法用户在输入三次错误的PIN码后，SIM卡将加锁；SIM卡中有永远无法读出的内置共享密钥Ki，保证了SIM卡的无法复制，而对SIM卡的攻击是十分困难的。SIM卡物理上的唯一性也保证了不可抵赖性。

USB/SIM卡的解决方案中需要两个部分：用户的SIM卡、方便携带的USB接口读卡器。SIM卡作为用户身份的识别，已经广泛应用于移动通信中，其安全性已经得到验证。USB接口的读卡器体积小，方便携带，移动性强。USB/SIM有效解决了网络应用的用户身份识别和信用关系问题，在未来网络应用中具有很强的竞争力。

在USB/SIM认证方式中，可采用基于802.1x和WEB方式承载SIM卡的认证；使用802.1x认证需要特殊的客户端来控制认证流程；使用WEB方式是通过下载的Applet作为客户端，扩充Portal协议来实现用户认证。

在使用的认证方法方面，可以有两种方式：

1)使用原有的CHAP认证流程和字段来承载SIM卡的信息。即802.1x通过EAP-MD5的流程和字段实现SIM卡信息的承载，在BAS端经过转换成CHAP的RADIUS请求形式进行认证；WEB方式就是通过原来的CHAP方式，认证流程无须改变；

2)使用标准的扩展认证协议(Extensible Authentication Protocol：简称EAP)方式。这需要BAS和RADIUS Server都支持标准EAP认证的流程，BAS时间完成的是EAP报文的封装和重传功能，提供认证的通道，而无须关心传递的EAP报文；认证由客户端和RADIUS Server实现端到端的认证。(EAP认证方法可以使用Nokia提供的草案，也可自己定义)。

以下根据不同的流程对本发明进行详细说明：

在本实施例中接入服务器为宽带接入服务器(简称BAS)。

参阅图2所示以CHAP实现PPPoE SIM卡认证流程：

1、先由BAS产生一个16字节的随机数RAND1，由PPPoE/PPP/CHAP/CHALLENGE下发给客户端。

2、客户端在收到BAS下发的报文之后，会调用读卡器提供的API，将解析出的RADN1传给SIM卡，由SIM卡内的算法程序根据内置的共享秘钥Ki和RAND1，依据A4算法得出SRES(Signed RESponse calculated by a SIM，字面意思为“SIM卡计算的签名响应”)；依据A8算法得出密钥Kc(Cryptographic key，简称Kc，用于A5密码)。再将SRES填充成16字节(SERS为4字节，而CHAP算法中如果为MD5算法，RESPONSE应该为16字节，所以可以在SRES的后面填充12字节)，同时读出SIM卡的IMSI，组合成一个用户名如IMSI@SIM的格式，由PPPoE/PPP/CHAP/RESPONSE报文发送给BAS。

3、BAS在收到域名为一个特定名称的(如@SIM)用户名之后，会将认证信息通过标准的RADIUS报文传给后台的RADIUS SERVER进行认证。RADIUS SERVER在分析用户的用户名时，根据域名判断是否是SIM卡认证的用户，如果是，则解析出由BAS产生的随机数RAND1，根据和客户端SIM卡中一样的算法，得出(SRES，Kc)，比较SRES与接收到的SERS是否一致，如果一致，则给BAS回应一个RADIUS/ACCESS-ACCEPT消息，同时带上一些标准的RADIUS属性，否则回应一个RADIUS/ACCESS-REJECT消息。

4、BAS在收到RADIUS SERVER发送过来的报文之后，如果是成功消息，则向客户端发送PPPoE/PPP/CHAP/SUCCESS消息，通知客户端认证已经成功，可以进行下阶段的工作，如进行IPCP的过程；否则则向客户端发送PPPoE/PPP/CHAP/FAILUE的消息，告诉客户端失败，并且根据具体的策略决定是否启动下线的流程。

参阅图3所示以EAP-MD5实现802.1xSIM卡认证流程：

1、EAP-Start：Client发起(可选)，表示EAP过程的开始；

2、EAP-Req/ID：BAS询问Client的身份；

3、EAP-Resp/ID：Client通过从卡中读出IMSI，并从卡中读出域名(Domain字段可以存放在SIM卡的某个文件中)，组合成IMSI@Domain的格式，发送给BAS。

4、EAP-Challenge：BAS生成Rand(随机数)，发送给Client；

5、EAP-Resp/sres：Client调用SIM卡的加密算法，生成验证字sres，回送给BAS；

6、Radius-Auth-Req：BAS设备将sres和rand按照CHAP的方式，向RADIUSServer发送认证请求(IMSI@Domain作为用户名；sres作为CHAP密码)；

7、Radius-Accept/Reject：RADIUs Server通过相同的算法使用rand生成sres和用户生成的sres比较，判断用户是否合法，给出认证结果；

8、EAP-Success/Failure：BAS给Client认证结果；

参阅图4以CHAP实现WEB SIM卡认证流程：

WEB认证的流程和802.1x认证基本相同。不同的是驱动SIM卡的是下载的Applet客户端(下文详细说明)。IMSI和sres在Portal协议中，可以使用原来定义的CHAP字段，BAS无须解释，由RADIUS Server通过域名来区分并验证。

以PPPoE实现标准EAP的SIM卡认证流程：

BAS终结EAP的流程如图5所示：

这种方式，对BAS要求支持PPP/EAP的方式，并且能够解析EAP的报文。客户端要求是和CHAP认证方式差不多，要求客户端也支持PPP/EAP的方式。其接入流程如下：

1、在PPP的LCP阶段协商确定在认证阶段BAS对终端的认证采取EAP的认证方式。BAS向客户端发出PPPoE/PPP/EAP-Request/Identity的报文。

2、客户端在收到BAS发送过来的报文之后，通过读卡器提供的函数从SIM卡获得IMSI，按照特定的格式生成Identity，如IMSI@SIM，通过PPPoE/PPP/EAP-Response/Identity发送给BAS。

3、BAS收到客户端发送过来的报文之后，产生一个16字节的随机数RAND1，由PPPoE/PPP/EAP-Request/MD5-Challenge下发给客户端。

4、客户端在收到BAS下发的报文之后，会调用读卡器提供的API，将解析出的RADN1传给SIM卡，由SIM卡内的算法程序根据内置的共享秘钥Ki和RAND1，依据A4算法得出SRES；依据A8算法得出Kc。再将SRES填充成16字节(SERS为4字节，而如果为MD5算法，RESPONSE应该为16字节，所以可以在SRES的后面填充12字节)，同时读出SIM卡的IMSI，组合成一个用户名如IMSI@SIM的格式，由PPPoE/PPP/EAP-Response/MD5-Challenge报文发送给BAS。

5、BAS在收到域名为一个特定名称的(如@SIM)用户名之后，会将认证信息通过标准的RADIUS报文传给后台的RADIUS SERVER进行认证。RADIUS SERVER在分析用户的用户名时，根据域名判断是否是SIM卡认证的用户，如果是，则解析出由BAS产生的随机数RAND1，根据和客户端SIM卡中一样的算法，得出(SRES，Kc)，比较SRES与接收到的SERS是否一致，如果一致，则给BAS回应一个RADIUS/ACCESS-ACCEPT消息，同时带上一些标准的RADIUS属性，否则回应一个RADIUS/ACCESS-REJECT消息。

6、BAS在收到RADIUS SERVER发送过来的报文之后，如果是成功消息，则向客户端发送PPPoE/PPP/EAP-SUCCESS消息，通知客户端认证已经成功，可以进行下阶段的工作，如进行IPCP的过程；否则则向客户端发送PPPoE/PPP/EAP-FAILUE的消息，告诉客户端失败，并且根据具体的策略决定是否启动下线的流程。

BAS透传EAP流程如图6所示：

这种方式，对BAS要求支持PPP/EAP的方式，不需要解析EAP的报文，只有做EAP报文的重封装和监视最终的结果。客户端要求是和CHAP认证方式差不多，要求客户端也支持PPP/EAP的方式。其接入流程描述如下所示：

3、BAS将从客户端收到的报文中的Identity解析出来，根据域名来判断是否做透传给后台服务器处理，(要在BAS上做相应的配置)。如果是SIM卡的认证方式，则封装RADIUS/Access-Request/EAP-Message/EAP-Response/Identity的报文发送给RADIUS SERVER。

4、RADIUS SRVER在收到BAS发送过来的报文之后，根据用户的IMSI从后台的服务器里生成一组鉴权集(SRES，RAND，Kc)，并封装报文RADIUS/Access-Challenge/EAP-Message/EAP-Request/MD5-Challenge将RAND1发送给BAS。该随机数一般在找到IMSI对应的合法用户后产生，也可以在收到BAS发送过来的请求报文后产生，该随机数用来和用户的Ki一起计算出SRES和Kc，RADIUS只会将RAND发送给设备。

5、BAS在收到RADIUS SERVER发送过来的报文之后，将其中的EAP报文进行重封装成PPPoE/PPP/EAP-Request/MD5-Challenge下发给客户端。

6、客户端在收到BAS下发的报文之后，会调用读卡器提供的API，将解析出的RADN1传给SIM卡，由SIM卡内的算法程序根据内置的共享秘钥Ki和RAND1，依据A4算法得出SRES；依据A8算法得出Kc。再将SRES填充成16字节(SERS为4字节，而如果为MD5算法，RESPONSE应该为16字节，所以可以在SRES的后面填充12字节)，同时读出SIM卡的IMSI，组合成一个用户名如IMSI@SIM的格式，由PPPoE/PPP/EAP-Response/MD5-Challenge报文发送给BAS。

7、BAS在收到客户端发送过来的EAP报文之后，剥离PPoE/PPP的头，将EAP报文封装成RADIUS/Access-Request/EAP-Message/EAP-Response/MD5-Challenge报文，传给后台的RADIUS SERVER进行认证。RADIUS SERVER在分析用户的用户名时，根据域名判断是否是SIM卡认证的用户，并解析出客户端生成的SRES，和后台数据库里的SRES进行比较。如果一致，表示该认证用户为合法用户，向BAS回应一个RADIUS/ACCESS-ACCEPT/EAP-Message/EAP-SUCCESS消息，同时带上一些标准的RADIUS属性，否则回应一个RADIUS/ACCESS-REJECT/EAP-Message/EAP-FAILURE消息。

8、BAS在收到RADIUS SERVER发送过来的报文之后，如果是成功消息，则向客户端发送PPPoE/PPP/EAP-SUCCESS消息，通知客户端认证已经成功，可以进行下阶段的工作，如进行IPCP的过程；否则则向客户端发送PPPoE/PPP/EAP-FAILUE的消息，告诉客户端失败，并且根据具体的策略决定是否启动下线的流程。

另外，还可以802.1x实现标准EAP认证流程，如图7所示。802.1x标准本身定义了需要实现标准的EAP流程。SIM认证作为EAP认证的一种，可以直接应用于EAP认证流程，所涉及的只是认证客户端和认证服务器间端对端的交互。因为802.1x认证是标准的EAP的应用，所以不做详细的解释。

参考图8，WEB认证实现EAP需要扩充Portal协议，使用Portal协议来传递EAP的认证报文。

对EAP流程中的重传处理：

客户端的重传：在RFC2284中规定，客户端的响应是必须受到Authenticator的请求后才能够发送(也必须发送)，无须设置定时器重传。重新发送的EAP请求报文通过报文中的Identifier来区分是否是重发的请求报文。

BAS设备的重传处理：BAS设备作为Authenticator和RADIUS Client，必须在两个方向上实现请求报文的重发：对认证客户端的报文重发和对RADIUSServer的报文重发。

在RFC2869中关于报文重发的描述是：因为BAS设备是无法知道对EAP报文的重传参数的，所以可以通过session-Timeout(重传超时时长)和Password-Retry(重传最大次数)属性来实现对于EAP Request的重传控制。如果RADIUS-Access-Challenge中同时有EAP-Message属性和Session-Timeout属性的话，Session-Timeout用来控制BAS对EAP Request报文的重传超时时长(单位Second)；报文中如果同时带有Password-Retry属性并没有说明如何使用，考虑是用来控制重传的次数。

Portal Server的重传处理：在WEB实现EAP认证中，涉及到Portal Server对报文的重发。考虑Portal Server重发机制如下：

1)Portal-EAP-Start(在Portal协议中新定义)需要Portal Server实现重发，在发送N次得不到响应后，认为认证失败；

2)对于EAP的Response报文，重发机制和EAP规定的相同，即在收到EAPRequest报文后再响应；

3)Portal Server和认证客户端Applet有一个统一的关系，所有PortalServer对于EAP认证的超时应该是可知的，由Portal Server自己控制对认证的超时；

4)Portal Server和Applet间消息传递是实现相关的，由具体实现控制；

5)Portal Server对于收到的EAP Request报文必须要回应。

Claims

1、一种实现安全性认证的IP网络系统，包括认证鉴权服务器，通过IP网络与该认证鉴权服务器连接的接入服务器和客户端，其特征在于所述的客户端还连接有读卡装置及用于该装置的SIM卡，所述客户端通过应用程序接口模块驱动所述读卡装置，经读卡装置与所述SIM交互信息，客户端将SIM卡中的用户信息传送至接入服务器处理，处理后的信息发送至所述的认证鉴权服务器进行认证。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于还进一步包括与所述接入服务器连接的认证门户服务器(Portal)服务器，用于在采用Web方式认证时提供认证页面。

3、如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述的读卡装置经通用串行口(USB)与所述的客户端连接。

4、一种在IP网络上实现安全性认证的方法，其特征在于包括下述步骤：

A、服务器产生一个随机数下发给客户端；

C、客户端将从SIM卡得到的信息发送给接入服务器；

E、认证鉴权服务器根据请求消息中IMSI码判断该用户是否属于SIM卡认证的用户，如果判断结果为否，则回应认证失败消息，转步骤G；

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于对客户端采用CHAP方式进行认证。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于对客户端采用EAP方式进行认证，该认证在步骤A之前还进一步包括对客户端的SIM卡进行检测，检测通过则继续步骤A，否则拒绝接入。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于所述检测包括步骤：

a、客户端向接入服务器发送EAP开始请求

b、接入服务器向请求接入的客户端发送身份识别请求消息；

c、客户端通过读卡器从SIM卡中得到IMSI码和域名，并组成特定的用户名返回给接入服务器。

8、如权利要求6或7所述的方法，其特征在于通过重传超时时长和重传最大次数属性来实现对于EAP请求的重传控制。

9、如权利要求4所述的方法，其特征在于对客户端采用WEB方式进行认证。