戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入網(wǎng)安全認(rèn)證技術(shù)研究

徐達(dá)峰，楊建波，劉 鵬

（空軍航空大學(xué) 吉林 長春 130022）

戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是美軍近十年來新開發(fā)的數(shù)據(jù)鏈路，其目的在于補(bǔ)充Link 16數(shù)據(jù)鏈在實(shí)際作戰(zhàn)中的不足，旨在提升空中作戰(zhàn)平臺間的態(tài)勢數(shù)據(jù)共享能力。在網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享之前，對TTNT用戶的入網(wǎng)安全身份驗(yàn)證就顯得尤為重要，而TTNT用戶的快速、安全入網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)鮮有研究。為了更好地提升我軍的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈路建設(shè)，需要對TTNT用戶的入網(wǎng)安全認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 TTNT用戶入網(wǎng)/退網(wǎng)流程

當(dāng)節(jié)點(diǎn)集群A啟動TTNT模式時(shí)，A會通過周期地向四周發(fā)送HELLO消息來尋找鄰近的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通過安全認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行身份的確認(rèn)，以便快速入網(wǎng)[1]，具體過程如下：

1）當(dāng)作戰(zhàn)平臺B進(jìn)入A節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)，B會接收到A發(fā)出的HELLO消息。

2）B對A發(fā)出的HELLO消息進(jìn)行解析，建立鄰居節(jié)點(diǎn)列表。

3）B從鄰居節(jié)點(diǎn)列表中找出離自己最近的節(jié)點(diǎn)C，并向C發(fā)送身份驗(yàn)證消息。

4）交互驗(yàn)證通過，可以安全入網(wǎng)。

若在通信過程中有下面兩種情況出現(xiàn)，則節(jié)點(diǎn)B需要退出網(wǎng)絡(luò)，具體退網(wǎng)方式如下：

1）若節(jié)點(diǎn)B已經(jīng)損毀或不在節(jié)點(diǎn)集群A的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)時(shí)，則節(jié)點(diǎn)集群A中的各節(jié)點(diǎn)無法接收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)出的消息，節(jié)點(diǎn)B會由于超時(shí)從鄰居節(jié)點(diǎn)列表中被剔除。

2）若節(jié)點(diǎn)B主動向節(jié)點(diǎn)集群A中的各節(jié)點(diǎn)發(fā)出斷網(wǎng)消息，它們收到節(jié)點(diǎn)B的請求后，會立即從鄰居節(jié)點(diǎn)列表刪除節(jié)點(diǎn)B。

2 TTNT入網(wǎng)身份安全認(rèn)證技術(shù)

在節(jié)點(diǎn)B加入節(jié)點(diǎn)集群A所在網(wǎng)絡(luò)的過程中，必須進(jìn)行身份安全確認(rèn)。具體認(rèn)證過程如圖1所示。在身份認(rèn)證過程中，節(jié)點(diǎn)B首先用自己的私密密匙來加密即將要傳輸?shù)南⒚魑?，之后用?jié)點(diǎn)C的公共密匙加密自己的私密密匙（私密密匙也就是會話密匙），將得到的加密會話密匙與消息密文一起發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C。節(jié)點(diǎn)C收到消息后，先用自己的私密密匙對加密的會話密匙進(jìn)行解密，得到節(jié)點(diǎn)B的會話密匙，最后用節(jié)點(diǎn)B的會話密匙對節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的消息密文進(jìn)行解密，就可得到節(jié)點(diǎn)B傳輸?shù)南⒚魑?。出于安全通信的前提，?jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C各自的私密密匙只有自己知道，以保護(hù)消息的安全；而節(jié)點(diǎn)C的公共密匙可以讓節(jié)點(diǎn)C鄰居節(jié)點(diǎn)列表上的所有節(jié)點(diǎn)知曉，以便于進(jìn)行身份安全認(rèn)證與消息的傳遞[2]。

2.1 密匙創(chuàng)建

在進(jìn)行身份安全確認(rèn)過程中，TTNT使用了兩種密匙加密算法技術(shù)：一種是對稱加密算法技術(shù)（DES），用于對消息原文進(jìn)行加密；一種是非對稱加密算法技術(shù)（RSA），用于對DES密匙進(jìn)行加密[3]。

圖1 身份安全確認(rèn)過程Fig.1 The process of identity safe

1）DES加密算法原理[4]

DES加密算法采用了數(shù)據(jù)迭代技術(shù)來產(chǎn)生對稱密匙，是一種重要的分組密碼算法。算法過程如下：

第一步：64 bits的消息原文進(jìn)行IP初始變換后，再從中間分成兩部分，分別記作A0和B0。

第二步：在第一輪迭代時(shí)，使用f函數(shù)對B0和從另一端口輸入的48 bits子密匙k1進(jìn)行變換，最后與A0進(jìn)行異或運(yùn)算，由此得到第二輪的B1；第二輪的A1則取值為原來的B0。此后每一輪的運(yùn)算按照第一輪的變換規(guī)則進(jìn)行，直到第16輪結(jié)束為止。 具體算法可以表示為：An=Bn-1，Bn=An-1⊕f（Bn-1，kn）（n=1，2，…，16）。

第三步：將得到的A16與B16進(jìn)行拼接后，再進(jìn)行IP反變換，最終得到加密密文。

在DES加密過程中，IP變換/反變換和函數(shù)是整個(gè)算法的核心部分，有必要對它們進(jìn)行重點(diǎn)研究。

①IP變換是指通過移位打亂消息數(shù)據(jù)與ASCII碼的初始對應(yīng)關(guān)系，對消息數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變更；IP反變換是IP變換的逆變換，實(shí)現(xiàn)方式與IP變換相似。

②f函數(shù)包含了擴(kuò)展變換E、S盒函數(shù)和P盒函數(shù)三部分。f函數(shù)的運(yùn)算過程如圖2所示。

擴(kuò)展變換E的作用是將輸入的32 bits數(shù)據(jù)均分成8份，把每個(gè)4 bits數(shù)據(jù)的左相鄰位數(shù)據(jù)放在該數(shù)據(jù)塊的最左邊，右相鄰位數(shù)據(jù)放在該數(shù)據(jù)塊的最右邊，從而實(shí)現(xiàn)了到6 bits數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

S盒函數(shù)的作用是將輸入的6 bits數(shù)據(jù)變換成4 bits數(shù)據(jù)。也就是說，首先把最左邊和最右邊的數(shù)據(jù)依照順序拼湊成一個(gè)新的數(shù)據(jù)，找出其對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)作為處理后的行數(shù)據(jù)，然后把中間四位數(shù)據(jù)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)作為處理后的列輸出，對照該S盒的變換表找出對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，最后變換成四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為該S盒的輸出。

P盒函數(shù)的作用是將經(jīng)過S盒處理后輸出的32 bits數(shù)據(jù)按照置換表進(jìn)行數(shù)據(jù)的移位，最終得到f函數(shù)的輸出值。

圖2 f函數(shù)的運(yùn)算過程Fig.2 The operation of f function

2）RSA加密算法原理[5]

第一步：找兩個(gè)大數(shù)值的、不同的素?cái)?shù)a和b（不公開）。第二步：算出模數(shù)s=ab（公開發(fā)布）。

第三步：算出歐拉函數(shù) φ（s）=（a-1）（b-1）（此時(shí)必須丟棄a和 b）。

第四步：找出一個(gè)整數(shù)e作為加密密匙（滿足與φ（s）互為質(zhì)數(shù)；1

第五步：根據(jù)（de）mod（φ（s））=1 算出解密密匙 d，即節(jié)點(diǎn)C的私密密匙為d。

第六步：加密節(jié)點(diǎn)B的私密密匙k，產(chǎn)生加密的密匙t，即t=kemods。

第七步：解密加密的密匙t，得到節(jié)點(diǎn)B的私密密匙k，即k=tdmods。

2.2 密匙管理

數(shù)字證書是一個(gè)具有有效使用期的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以對用戶密匙進(jìn)行有效管理。從綁定對象的不同，可以分為公匙證書和私匙證書兩大類[6]。

2.2.1 公/私匙證書

公/私匙證書反映了從公匙到實(shí)體/非實(shí)體的一種綁定關(guān)系，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 公/私匙證書結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of pubic/private key certificate

下面對重要字段進(jìn)行具體說明：

1）簽名是指用戶簽名的算法標(biāo)識。

2）主體是指證書綁定的對象是實(shí)體還是非實(shí)體。

3）主體密匙信息是指主體公匙包含的信息及其算法的標(biāo)識。

4）簽名算法標(biāo)識是指用戶在進(jìn)行簽名時(shí)使用的算法。

擴(kuò)展字段包括了標(biāo)準(zhǔn)字段和私有字段兩大類，通過擴(kuò)展字段的屬性可以區(qū)分出是公匙證書還是私匙證書。擴(kuò)展字段格式如圖4所示。

圖4 擴(kuò)展字段格式Fig.4 The structure of extension field format

下面對各個(gè)字段進(jìn)行說明：

1）認(rèn)證中心密匙標(biāo)識只用于確定認(rèn)證中心的多個(gè)私密密匙中用來簽名證書的私匙所對應(yīng)的公匙。

2）密匙用途擴(kuò)展顯示了密匙的用處，包括加密、簽名和交換三大類。

3）證書策略規(guī)定了證書的適用場合。

4）基本約束可以指出該證書是否是認(rèn)證中心證書。

5）主體可選名用于表示主體的用途。

2.2.2 數(shù)字簽名技術(shù)

數(shù)字簽名技術(shù)通過使用特定的密碼算法 （Hash算法）對原文進(jìn)行處理，得到的原文摘要經(jīng)過用戶的私密密匙進(jìn)行加密處理，即可得到對應(yīng)的數(shù)字簽名[7]。數(shù)字簽名的產(chǎn)生過程如圖5所示。

圖5 數(shù)字簽名的產(chǎn)生過程Fig.5 The generation procedure of digital signature

發(fā)送方將產(chǎn)生的數(shù)字簽名、數(shù)字證書、原文一起發(fā)送給接收方。接收方驗(yàn)證過程如圖6所示。接收方進(jìn)行驗(yàn)證需要分三步走：

1）用Hash函數(shù)對接收的原文進(jìn)行處理形成摘要。

2）用發(fā)送者的公匙解密接收到的數(shù)字簽名，得到原文摘要。

3）將這兩個(gè)摘要進(jìn)行對比確認(rèn)即可。

圖6 接收方驗(yàn)證過程Fig.6 The proof procedure of the receiver

2.2.3 Hash算法

Hash函數(shù)也稱為雜湊函數(shù)，它的作用是將一個(gè)任意長度的消息壓縮成一個(gè)固定長度的消息摘要。Hash函數(shù)可以表示為：h=H（x），其中 x 表示原消息，H（）表示單向散列函數(shù)，h表示固定長度散列值[8]。具體算法流程如下：

1）參數(shù)產(chǎn)生

P：節(jié)點(diǎn)C的其中一個(gè)素?cái)?shù)，長度為 Xbits（X是64的倍數(shù)，512≤X≤1 024）。

q：節(jié)點(diǎn) C 的另外一個(gè)素?cái)?shù)（q 是（p－1）的 160bits的因子）。

x：節(jié)點(diǎn) C 的私匙（x＜q）。

m：節(jié)點(diǎn)C的公匙。

h：h=H（x）（h＜p－1）。

g：g={h（（p－1）/q）}modp（g＞1）。

y：y=gXmodp。

這樣就產(chǎn)生了共享密匙（p，q，g，y）。

2）簽名驗(yàn)證協(xié)議

節(jié)點(diǎn) B 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) k（k＜p）。

計(jì)算 R=（（gk）mod p）modq 與 S=（k－（H（m）+（XR））mod q。

得到簽名的結(jié)果（m，R，S）。

3）驗(yàn)證算法

計(jì)算 w=S－1modq、A=（H （m）*w）mod q、B=（R*w）mod q和 v=（（（gA）*（yB））mod p）mod q。

如果v=w，那么證明簽名是有效的，可以進(jìn)行安全通信。

2.3 密匙交換

TTNT在進(jìn)行Diffie－Hellman密匙交換過程中，需要假設(shè)節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C公開兩個(gè)數(shù)值a和b，同時(shí)剩余的兩個(gè)私密密匙x與y僅限使用者知曉（即節(jié)點(diǎn)B只知道x，節(jié)點(diǎn)C只知道y）[9]。具體交換過程如下：

1）節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù) p（p=axmodb），其中私匙x只有節(jié)點(diǎn)B知道；節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送給一個(gè)數(shù)據(jù)q（q=aymodb），其中私匙y只有節(jié)點(diǎn)C知道。

2）假設(shè) ax=pb+R1，ay=qb+R2，則 axmodb=R1，aymodb=R2。

3）在第二步基礎(chǔ)之上分別計(jì)算兩邊的Key數(shù)值，并檢查結(jié)果是否一致。 從推理（axmodb）ymodb=（R1）ymodb=（pa+R1）ymodb=（ax）ymodb=（ay）xmodb 中可以發(fā)現(xiàn)， 節(jié)點(diǎn) B 的 Key 為Key=qxmodb=ayxmodb；同樣通過類似推理，也可以得到節(jié)點(diǎn)C的Key=pymodb=axymodb。

4）對比節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C的Key數(shù)值，檢查是否一致。如果數(shù)值一致，則滿足Diffie－Hellman密匙交換的條件；反之，則表示出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3 結(jié)束語

戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場實(shí)時(shí)態(tài)勢信息的快速傳輸與交換，而入網(wǎng)安全認(rèn)證技術(shù)是保障信息安全的重要舉措，對于戰(zhàn)爭的勝負(fù)具有非常重大的意義。這里以安全入/退網(wǎng)為牽引，以密匙的創(chuàng)建到交換為突破口，重點(diǎn)剖析了戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用戶的身份認(rèn)證技術(shù)。通過對戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷深入研究，可以進(jìn)一步縮短我們同外國信息戰(zhàn)建設(shè)的差距，更好地提升我國的國防威懾力。

[1]陳志輝，李大雙.對美軍下一代數(shù)據(jù)鏈TTNT技術(shù)的分析與探討[J].通信技術(shù)，2011（5）:76-79.

[2]金榮，張衡陽.美軍TTNT數(shù)據(jù)鏈發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2014（2）:154-156.

[3]祁明，張凌.電子商務(wù)安全與保密[M].北京:高等教育出版社，2001.

[4]張煥國，劉玉珍.密碼學(xué)引論[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

[5]覃寶靈，黃海.RSA公匙加密技術(shù)安全性分析與其在電子商務(wù)中的應(yīng)用[J].南寧師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2006（23）:107-110.

[6]Nash A，Duane W，Joseph C，et al.PKI:implementing and managing-security[M].New York:McGraw-Hill Companies，2001.

[7]Kathy Lyons-Burke.Federal Agency Use of Public Key Technology for Digital Signatures and Authentication[EB/OL].[2006-07-11].http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-25/sp800-25.pdf.

[8]楊波.現(xiàn)代密碼學(xué)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[9]斯托林斯.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全:原理與實(shí)踐[M].5版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.