一種改進(jìn)的適用于空間網(wǎng)絡(luò)的密鑰交互協(xié)議

張亞航 龐波 程博文

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

在保密通信系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的安全性，加密密鑰在使用過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常更換。密鑰交換是密鑰管理中最棘手的環(huán)節(jié)，核心問(wèn)題是如何保證密鑰在交換中的安全。

因特網(wǎng)密鑰交互協(xié)議（Internet Key Exchange，IKE）作為請(qǐng)求評(píng)論（Request for Comments，RFC）文檔推薦的互聯(lián)網(wǎng)密鑰交互協(xié)議，已經(jīng)成為世界上最著名、最廣泛使用的密鑰交互協(xié)議之一。雖然協(xié)議本身過(guò)于龐雜和有一些安全漏洞，引來(lái)大量批評(píng)和攻擊。但是該協(xié)議的安全性和效率經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，IKE 協(xié)議是個(gè)成功的協(xié)議。

因特網(wǎng)交互安全小組（IETF）在IKEv1[1-2]的基礎(chǔ)上，對(duì)原先的漏洞和缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)展出了IKEv2，并在2005年12月推出詳細(xì)文檔[3]。之后，因特網(wǎng)安全小組再次對(duì)IKEv2 進(jìn)行了改進(jìn)，并在2010年9月推出改進(jìn)版本文檔[4]。相對(duì)于IKEv1，IKEv2系統(tǒng)性更完整，效率更高，安全性更好。在IKEv2 的基礎(chǔ)上發(fā)展出適用于空間信息鏈路的安全協(xié)議是一個(gè)比較可行的方法，理由如下：

（1）空間通信安全協(xié)議由于應(yīng)用范圍較小，因此無(wú)法像地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議一樣接受大量的分析和考驗(yàn)，協(xié)議容易在構(gòu)建甚至實(shí)現(xiàn)之后仍然存在難以發(fā)覺(jué)的漏洞[5]，而IKE協(xié)議經(jīng)歷了世界上大量安全專家的分析和攻擊，其安全性和包容性經(jīng)受了考驗(yàn)[6-9]；

（2）相對(duì)于IKEv1，IKEv2系統(tǒng)性更完整，效率更好，安全性更好[7-8]；

（3）IKEv2協(xié)議繼承了IKEv1協(xié)議由ISAKMP、Oakley 和SKEME三種協(xié)議組成的模式，條例清晰，便于修改[3-4]。

本文通過(guò)對(duì)IKEv2的分析和改進(jìn)，可以產(chǎn)生一種報(bào)文負(fù)載更加簡(jiǎn)潔，報(bào)文頭更加少，更加適用于空間網(wǎng)絡(luò)鏈路的密鑰交互協(xié)議，稱之為IKESal協(xié)議。

2 IKEv2

IKEv2協(xié)議中，協(xié)商分為兩個(gè)階段，第一階段稱為初始交換（Initial Exchange），第二階段稱為產(chǎn)生子安全關(guān)聯(lián)交換（CREATE＿CHILD＿SAExchange），這兩個(gè)階段的交換分別協(xié)商安全關(guān)聯(lián)（IKE SA）和子安全關(guān)聯(lián)（CHILD SA），CHILD SA則主要是用于IP報(bào)文安全協(xié)議（IPSec）[10-11]或空間鏈路數(shù)據(jù)包安全協(xié)議（SCPS-SP）協(xié)議[12-13]。另外還有信息交換（INFORMATIONAL Exchange），用來(lái)向?qū)Ψ酵ㄖ恍┏鲥e(cuò)、配置、刪除等消息。IKEv2中定義了自己的各種載荷，是在IKE 協(xié)議中載荷的基礎(chǔ)上做了刪減和增加。大部分載荷的作用和IKE協(xié)議中的相同，某些載荷的形式有所變化。

2.1 IKEv2協(xié)議頭格式分析

IKEv2協(xié)議頭的消息格式同IKEv1 消息格式基本類似，其主要格式如圖1所示。

圖1 IKEv2協(xié)議頭消息格式Fig.1 IKEv2 Message header

對(duì)IKEv2各個(gè)字段的分析如下：

（1）發(fā)起者安全參數(shù)索引（SPI），8byte，表示發(fā)送者用于標(biāo)記IKE的唯一安全關(guān)聯(lián)，值不為零。在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，通信雙方密鑰交互頻率相對(duì)地面較低，安全關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)量可以消減且不會(huì)影響安全性，因此建議簡(jiǎn)化其SPI長(zhǎng)度。

（2）響應(yīng)者安全參數(shù)索引，8byte，在IKE 初始化的第一條消息中，包含消息重發(fā)的值均為零，除此之外的值均為非零。建議簡(jiǎn)化。

（3）下一載荷（Next Payload），1byte，表示連著IKE 頭的下一載荷類型。對(duì)下一載荷的分析如表1所示。

（4）主版本號(hào)，4bit，IKEv2協(xié)議設(shè)置為2，IKEv1協(xié)議設(shè)置為1，建議保留。

（5）副版本號(hào)，4bit，IKE 協(xié)議的副版本，一般設(shè)置為0，忽略，建議刪除。

（6）交互類型，1byte，表示當(dāng)前交互類型，包含消息中的載荷和一次交互中的消息次序，對(duì)交互類型的分析如表2所示。

（7）旗標(biāo)，1byte，代表一些特殊的操作，旗標(biāo)由1byte碼來(lái)表示的，其中，每個(gè)位對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的選項(xiàng)。比較有用的是發(fā)起方第4bit位的值設(shè)置為1，接收方第5bit位的值設(shè)置為1。為了降低空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜性，建議刪除。

（8）消息標(biāo)志，4byte，用于控制消息丟失后重發(fā)，并用于防止重放攻擊，建議保留。

（9）消息長(zhǎng)度，4byte，空間數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)相對(duì)較短，建議簡(jiǎn)化。

表1 下一載荷類型值分析表Table1 Next Payload value analysis

表2 交互類型值分析表Table2 Exchange type value analysis

2.2 IKEv2通用頭字段分析

IKEv2協(xié)議規(guī)定的通用頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IKEv2通用頭消息格式Fig.2 IKEv2generic payload header

（1）下一載荷，1byte，如果當(dāng)前為最后載荷，則其值為0。因此，如果是一個(gè)加密的載荷，那么它必是最后一個(gè)載荷。

（2）關(guān)鍵字，1bit，主要用于接收方無(wú)法理解當(dāng)前載荷的情況。如果值為0，則接收方忽略當(dāng)前載荷，如果值為1，則接收方拒收當(dāng)前的整個(gè)消息，保留。

（3）保留域，7bit，建議刪除。

（4）載荷長(zhǎng)度，2byte，建議簡(jiǎn)化。

3 IKESal協(xié)議

根據(jù)第二節(jié)中對(duì)IKEv2的分析，在本文中，對(duì)IKEv2進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要是包括內(nèi)容和載荷的縮小、刪減。對(duì)于IKESal協(xié)議的主要構(gòu)架（包括初始化階段和子安全關(guān)聯(lián)生成階段）不進(jìn)行改變。

因?yàn)楫?dāng)前階段，直接進(jìn)行加密信道的安全關(guān)聯(lián)交互的安全協(xié)議負(fù)載過(guò)重，采用兩層階段交互的方式，可以將大量的認(rèn)證加密計(jì)算放在少量使用的第一階段，而多次使用的第二階段依賴第一階段的密鑰材料，交互和計(jì)算負(fù)載可以縮小很多。

3.1 IKESal協(xié)議消息格式

空間環(huán)境相對(duì)地面互聯(lián)網(wǎng)仍然較為簡(jiǎn)單，IKE中的部分字段主要是考慮了地面網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，在空間網(wǎng)絡(luò)中不能起到應(yīng)用的作用，反而容易增加協(xié)議的冗余度和復(fù)雜度。為了減少協(xié)議交互信息數(shù)據(jù)量，同時(shí)保證協(xié)議安全性且能夠在空間環(huán)境適用，IKESal協(xié)議頭做了簡(jiǎn)化。IKESal協(xié)議頭的消息格式如圖3所示。

每個(gè)字段的作用、長(zhǎng)度和取值含義解釋如下：

（1）發(fā)起者安全參數(shù)索引，2byte，同IKEv2協(xié)議類似，值不為零。

（2）響應(yīng)者安全參數(shù)索引，具體含義和用法同IKEv2協(xié)議。

（3）下一載荷，0.5byte，相對(duì)IKEv2協(xié)議，其可能的取值進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如表3所示。

圖3 IKESal協(xié)議頭消息格式Fig.3 IKESal message header

表3 IKESal下一載荷類型值Table3 IKESal next payload type values

（4）交互類型值，0.5byte，相對(duì)于IKEv2協(xié)議，其可能的取值進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如表4所示。

表4 IKESal交互類型值表Table4 IKESal exchange type values

（5）消息標(biāo)志，4byte，相對(duì)于IKEv2協(xié)議，長(zhǎng)度不變。

（6）消息長(zhǎng)度，1.5byte，考慮簡(jiǎn)化后的消息長(zhǎng)度一般保護(hù)超過(guò)1k，設(shè)置消息長(zhǎng)度為1.5byte，數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度應(yīng)小于4Kbyte。

（7）版本號(hào)，4bit，IKESal協(xié)議測(cè)試版為0，第一次應(yīng)用版可以為1。

（8）保留段，1byte，考慮將來(lái)航天器應(yīng)用環(huán)境擴(kuò)展的保留字節(jié)。

IKESal協(xié)議頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。

IKESal協(xié)議通用頭結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4IKESal協(xié)議通用頭消息格式

Fig.4 IKESal generic payload message header

（1）下一載荷，0.5byte。

（2）保留域，0.5byte，全置為零，交換中忽略。

（3）載荷長(zhǎng)度，2byte，包括通用頭在內(nèi)的當(dāng)前載荷長(zhǎng)度。

IKESal協(xié)議通用頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。

IKESal協(xié)議響應(yīng)消息格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。

IKESal協(xié)議刪除消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。

3.2 IKESal協(xié)議第一階段

為了降低IKEv2 第一階段相對(duì)較大的數(shù)據(jù)交互量并考慮安全性，IKESal協(xié)議對(duì)IKEv2 第一階段交互進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其具體消息交互流程如圖5所示。

圖5 IKESal協(xié)議第一階段交互流程Fig.5 Exchanges of initial exchanges in IKESal

其中各條消息符號(hào)代表的意義和計(jì)算方式如下所示。

（1）SK｛…｝：加密載荷，表示｛｝內(nèi)所有載荷用SK＿e和SK＿a分別提供機(jī)密性和完整性保護(hù)；

（2）Prf（…）：散列算法，表示對(duì)括號(hào)里面的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行散列運(yùn)算；

（3）SA代表發(fā)起者支持的密碼算法；

（4）KE 載荷發(fā)送發(fā)起者的D-H值，通過(guò)KE，并在N 中發(fā)送nonce來(lái)完成D-H 交換。

通過(guò)IKE SA＿INIT 交換，雙方生成一個(gè)密鑰材料（SKEYSEED）計(jì)算方法如下

后續(xù)消息使用的所有密鑰材料都源于SKEYSEED。其中SK 一為CHILD SA衍生新密鑰；SK＿ai和SK＿ar用于IKE＿AUTH 消息交換的完整性保護(hù)；SK＿ei和SK＿e；用于IKE＿AUTH 的機(jī)密性保護(hù)，SK＿pi和SK＿pr用于生成AUTH 載荷，它們的計(jì)算方法如下

式中：SK＿d，SK＿ai，SK＿ar，SK＿ei，SK＿er，SK＿pi和SK＿pr的值順序地截取偽隨機(jī)函數(shù)prf的生成比特。

IKE＿AUTH 消息的作用是驗(yàn)證IKE＿SA＿INIT 以及交換身份標(biāo)識(shí)和證書(shū)，并建立第一個(gè)CHILD SA。發(fā)起者在IDi載荷中聲明其身份，證明其擁有和IDi相對(duì)應(yīng)的秘密，并用AUTH 對(duì)前面消息的內(nèi)容進(jìn)行完整性保護(hù)?？梢栽贑ERT 載荷中發(fā)送其證書(shū)，并在CERTREQ 中發(fā)送證書(shū)驗(yàn)證路徑。如果發(fā)送證書(shū)，則在提供的第一個(gè)證書(shū)中，必須包含用于驗(yàn)證AUTH 域的公鑰?？蛇x的IDr載荷用來(lái)明確地表明想和對(duì)方的哪個(gè)身份通信，這適應(yīng)對(duì)方在同一IP地址擁有多個(gè)身份的情況。在IKE＿AUTH 消息中的AUTH 載荷中采用以下三種認(rèn)證方法：

（1）RSA數(shù)字簽名；

（2）共享密鑰消息認(rèn)證；

（3）DSS數(shù)字簽名。

以預(yù)共享密鑰驗(yàn)證方式為例，AUTH 載荷的計(jì)算方式如下：

3.3 IKESal協(xié)議第二階段

與IKEv2類似，CREAT＿CHILD＿SA消息交換，可以在初始交換建立的IKE SA基礎(chǔ)上生成多個(gè)CHILD＿SA，為了降低IKEv2第二階段相對(duì)較大的數(shù)據(jù)交互量并考慮安全性，IKESal協(xié)議對(duì)IKEv2第二階段交互的消息內(nèi)容同樣進(jìn)行了簡(jiǎn)化。其具體流程如圖6所示。

第二階段密鑰材料計(jì)算式，CHILD SA交換的加密密鑰生成方法如下：

圖6 IKESal協(xié)議第二階段交互流程Fig.6 Exchanges of CREATE＿CHILD＿SAexchange in IKESal

考慮前向完美保密性，使用新的g＾ir則如下：

SA的重協(xié)商有時(shí)并不需要建立一個(gè)新的IKE＿SA，而是從一個(gè)現(xiàn)存的IKE＿SA基礎(chǔ)上協(xié)商一個(gè)新SA，新IKE＿SA的SKEYSEED 計(jì)算公式如下：

4 IKESal協(xié)議交互效率分析

如圖5所示，對(duì)于消息頭部分，經(jīng)過(guò)裁剪之后的IKESal協(xié)議消息頭長(zhǎng)度，由原先的28byte降低到12byte。

1）第一階段交互量分析

對(duì)于第一階段載荷部分，為了降低交互數(shù)據(jù)量，采取了以下方案：

（1）只保留了部分核心負(fù)載類型，去除了與空間鏈路特點(diǎn)關(guān)系不大的載荷，如traffic selector載荷，降低了消息交換量；

（2）暫時(shí)沒(méi)有采用證書(shū)認(rèn)證方式頒發(fā)證書(shū)的密鑰管理中心不適合在空間信息系統(tǒng)中使用，以后可以考慮組合公鑰（Combination of Public Key，CPK）模式；

（3）去除了擴(kuò)展認(rèn)證交互和信息交互等模式。

參考航天器當(dāng)前使用密鑰材料長(zhǎng)度，設(shè)密鑰長(zhǎng)度（KE）字段為128byte，證書(shū)材料（Auth）字段為128byte，IKESal協(xié)議中一條消息長(zhǎng)度將在256byte以內(nèi)，因此第一階段實(shí)際交互量在4×256＝1 024byte以內(nèi)。

2）第二階段交互量分析

設(shè)密鑰長(zhǎng)度為128byte，證書(shū)材料為128byte，考慮前向完美保密性，一條消息長(zhǎng)度不超過(guò)256byte，實(shí)際交互量在2×256＝512byte以內(nèi)。

5 應(yīng)用場(chǎng)景

本文提出的密鑰交換協(xié)議可以作為實(shí)際星地、星間密鑰交換措施，如圖7所示。

圖7 IKESal協(xié)議在空間網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Fig.7 Application of IKESal in space network

如圖8所示，以星地通信為例，設(shè)計(jì)本密鑰協(xié)商方法的具體實(shí)施方案：在衛(wèi)星和地面各自配置密鑰協(xié)商模塊，可在衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)置共享的初始密鑰或證書(shū)，衛(wèi)星在軌的密鑰協(xié)商通過(guò)上行遙控鏈路和下行遙測(cè)鏈路（假定上下行信道已經(jīng)過(guò)認(rèn)證保護(hù)）來(lái)完成。

6 結(jié)束語(yǔ)

IKE 得到大量分析和使用，并通過(guò)了實(shí)際驗(yàn)證的安全協(xié)議。IKEv2在IKEv1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其安全性、系統(tǒng)性和簡(jiǎn)潔性得到提高。

本文設(shè)計(jì)的IKESal協(xié)議在以下方面對(duì)IKEv2進(jìn)行簡(jiǎn)化：

（1）通過(guò)對(duì)IKEv2報(bào)文頭分析，結(jié)合航天任務(wù)與地面環(huán)境的不同，刪除或縮短部分報(bào)文段，降低了報(bào)文頭的長(zhǎng)度和復(fù)雜度；

（2）通過(guò)對(duì)IKEv2 交互階段載荷內(nèi)容進(jìn)行分析，結(jié)合航天任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)交互內(nèi)容進(jìn)行了精簡(jiǎn)。

通過(guò)對(duì)IKEv2 的裁剪和部分修改，使IKESal協(xié)議變得更加簡(jiǎn)潔有效，并保證了該協(xié)議的安全性，使其適用于實(shí)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)和空間信息網(wǎng)絡(luò)。今后對(duì)IKESal的工作主要包含兩個(gè)方面：通過(guò)形式化語(yǔ)言等其他手段，對(duì)IKESal協(xié)議安全性進(jìn)行更加嚴(yán)格的邏輯分析和效率分析；在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)上逐步驗(yàn)證IKESal協(xié)議，使之真正能夠應(yīng)用于空間信息系統(tǒng)，以提高我國(guó)空間網(wǎng)絡(luò)的安全。

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