基于無證書公鑰的移動IP注冊協(xié)議認(rèn)證

鄭曉麗，姜迪剛

（軍事體育進(jìn)修學(xué)院，廣東 廣州 510500）

0 引言

目前國內(nèi)外大多數(shù)移動 IP注冊協(xié)議都采用對稱密碼體制和基于證書的公鑰密碼體制相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)移動實(shí)體之間的相互認(rèn)證[1-5]。為了克服采用基于證書的公鑰密碼體制帶來的繁瑣的證書管理問題，本文針對IPSec協(xié)議的不足，通過將無證書公鑰技術(shù)融入IKEv2協(xié)議[6]，形成了一種新型的IPSec接入認(rèn)證方法，實(shí)現(xiàn)了在移動IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動節(jié)點(diǎn)MN對代理的安全注冊。本文提出的移動IP注冊協(xié)議能達(dá)到以下目的：

①移動實(shí)體之間的相互認(rèn)證，注冊消息的完整性保護(hù)和新鮮性保護(hù)，用戶匿名性及共享密鑰的安全協(xié)商和動態(tài)更新等。

②使用無證書公鑰密碼體制提供注冊協(xié)議的可擴(kuò)展性。

③提高注冊協(xié)議的效率，使最小化協(xié)議的注冊延遲。

④能離線計算一些合適的值，以減少協(xié)議的處理時間。

1 IPSec協(xié)議

IPSec是一種協(xié)議套件，為了實(shí)現(xiàn)由 IPSec體系描述的各種能力，這些協(xié)議相互交互，并緊密地結(jié)合在一起。IPSec是一個開放標(biāo)準(zhǔn)的框架，用以保證IP網(wǎng)上私有通信的安全。IPSec提供了網(wǎng)上數(shù)據(jù)的完整性，可靠性和保密性。IPSec運(yùn)行時，連接終端直接提供安全措施。傳輸時，只有IP負(fù)載被加密，IP頭保持原樣。

1.1 IPSec協(xié)議的組成

IPSec協(xié)議由AH（驗證頭）、ESP（封裝安全載荷）、IKE（Internet密鑰交換）、ISAKMP/ Oakley以及轉(zhuǎn)碼組成。IPSec各組件之間的交互方式，其安全體系架構(gòu)如圖1所示。

①AH：對IP頭和IP包中負(fù)載的鑒別。這是通過在共享密值(shared secret value)中使用帶主鍵的哈希運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的。

②ESP：提供在IP層的負(fù)載加密。如果使用可選的完整性檢查值(ICV)，還可提供鑒別功能。如果使用鑒別功能，ICV的值在加密完成后被計算。

ESP并不鑒別IP頭。鑒別功能在保護(hù)數(shù)據(jù)負(fù)載的同時通過保護(hù)IP頭中不變數(shù)據(jù)也提供了對IP頭的保護(hù)。IPSec協(xié)議可通過 AH和 ESP協(xié)議來提供IP層的安全服務(wù)。所提供的安全服務(wù)包括訪問控制、無連接完整性、數(shù)據(jù)鑒別、防止重放和加密。

③IKE：可為 IPSec協(xié)議生成密鑰。針對需要密鑰的其它協(xié)議，亦可用I K E來協(xié)商密鑰。Internet上有許許多多要求安全服務(wù)（比如保障數(shù)據(jù)的完整性）的協(xié)議，以便保護(hù)它們的數(shù)據(jù)。

④策略：是一個尚未成為標(biāo)準(zhǔn)的組件，它決定兩個實(shí)體之間能否通信。

圖1 IPSec 安全體系架構(gòu)

1.2 IPSec工作機(jī)理

當(dāng)路由收到一個數(shù)據(jù)包時，它將檢查安全策略以決定是否為此數(shù)據(jù)包提供保護(hù)措施。通過IPSEC，可利用access-list來定義何種類型的數(shù)據(jù)應(yīng)該受保護(hù)。如果流量和訪問表相匹配，則此流量將被定義過的安全協(xié)議所保護(hù)。

根據(jù)己定義過的策略，路由器決定何種安全服務(wù)被用于此數(shù)據(jù)包，并決定IPSEC隧道端點(diǎn)所使用的地址。然后路由器檢查是否已存在一個 scurity association。如果沒有 security association存在，路由器將同與之相連的對等體協(xié)商一個。為此，IKE被用來在2臺路由器之間建立一個提供驗證的安全通道，在此通道之上進(jìn)行IPSEC security association的協(xié)商。

IPSEC：security association通過安全通道被協(xié)商。發(fā)起會話的對等體將發(fā)送其配置好的 ISAKMP策略給遠(yuǎn)程對等體。在此策略中包含了定義了的加密算法、哈希算法、驗證方法、Diffe-Hellman生存期。在路由器上使用 show crypto isakmp policy就能夠看到此策略。

策略統(tǒng)一后，IKE將結(jié)束協(xié)商進(jìn)程，一個 security association將被創(chuàng)建。它被用來記錄所有與某一IPSEC通信會話相關(guān)的細(xì)節(jié)。此security association通過將一個被稱為安全參數(shù)索引(SPI)的隨機(jī)數(shù)與目標(biāo)IP地址的組合來唯一確定。

一旦建立好，security association被用于所有與access-list相匹配的流量，正是此access-list導(dǎo)致了初始的協(xié)商。SA是單向性的，每一個會話只需要2個SA。當(dāng)處理進(jìn)出對等體的流量時，相應(yīng)的SA被使用。每個SA都有一個與協(xié)商值相等的生存期。SA過期后，新的SA將被產(chǎn)生。

2 無證書公鑰體制（CL-PKC）

無證書公鑰體制（CL-PKC），既不需要用證書來保證公鑰的真實(shí)性，也不會出現(xiàn)密鑰托管問題。在CL-PKC中，一個用戶的私鑰分2個步驟產(chǎn)生：

①KGC根據(jù)用戶A的身份信息標(biāo)志符IDA和他的主密鑰s計算出部分私鑰DA并通過秘密的可靠信道發(fā)送給用戶。KGC必須確保將部分私鑰安全地發(fā)送給用戶A。

②用戶將收到的部分私鑰 DA和某個只有用戶自己知道的秘密值xA組合從而產(chǎn)生實(shí)際的私鑰SA。這樣,KGC就不知道用戶的私鑰了，也就避免了基于身份的密碼系統(tǒng)中的密鑰托管問題。

用戶的公鑰不再根據(jù)用戶的身份來計算，而是用戶利用KGC公開的系統(tǒng)參數(shù)和他的秘密值產(chǎn)生的。所以，采用無證書密碼系統(tǒng)的簽名機(jī)制中，用戶必須將其公鑰附加在簽名消息中提供給請求者，或者將公鑰發(fā)送給KGC，由KGC統(tǒng)一保管用戶的公鑰，當(dāng)其他用戶之間需要通信時，便向 KGC申請獲得對方的公鑰，之后再進(jìn)行通信。

無證書的公鑰體制的優(yōu)點(diǎn)：

①由于CL-PKC不需要證書來使用戶對公鑰產(chǎn)生信任，而是通過內(nèi)在的方式加以實(shí)現(xiàn)，所以它消除了傳統(tǒng)的基于證書的 PKC中使用證書所引發(fā)的許多問題：與證書相關(guān)的冗余不再存在，使得CL-PKC的存儲和通信帶寬較低，節(jié)省了開銷；不需要在使用公鑰前驗證證書，減少了計算量，提高了效率[8]。

②與ID-PKC一樣，用戶的私鑰可以在他的公鑰生成并使用后再確定。而且由于 CL-PKC方案與基于雙線性對的ID-PKC方案有密切聯(lián)系，任何支持基于雙線性對的ID-PKC方案的基礎(chǔ)設(shè)施都可以用于支持CL-PKC方案，即這兩種方案可以很方便地共存。

③CL-PKC是介于傳統(tǒng)的公鑰體制與ID-PKC之間的一種公鑰密碼學(xué)，它的思想不僅兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，還基本上克服了兩者的缺點(diǎn)，因而特別適合于無法接受密鑰托管但是又難以維持整個PKI負(fù)擔(dān)的情況。

無證書的公鑰體制的缺點(diǎn)：

①由于公鑰是由秘密值和 ID計算得出的，其他用戶并不能一目了然的獲得對方的公鑰，必須向KGC申請才能獲取對方的公鑰，增加了復(fù)雜度。

加強(qiáng)縣鄉(xiāng)人大工作和建設(shè)是堅持和完善人民代表大會制度、加強(qiáng)基層國家政權(quán)建設(shè)的可靠保證。在中國特色社會主義進(jìn)入新時代這一新的歷史條件下，縣鄉(xiāng)人大只有與時俱進(jìn)、創(chuàng)新發(fā)展，才能為社會主義民主法治建設(shè)作出新的更大貢獻(xiàn)。

②無證書公鑰體制是近幾年才發(fā)展起來的，并沒有完整的理論體系，所以存在著一些潛在的安全威脅。

3 協(xié)議的認(rèn)證與注冊[7]

3.1 MN與HA的認(rèn)證

無證書公鑰密碼體系的 MN與 HA的認(rèn)證過程的設(shè)計如下：

①M(fèi)N開機(jī)后選擇隨機(jī)數(shù)Ni，向HA發(fā)送{IDMN，Ni，SAi1，KEi}||SigMN等注冊消息。

②HA收到注冊消息后，向KGC申請獲取MN的公鑰，同時驗證MN的身份IDMN和所收到消息消息簽名SigMN，再由HA選擇隨機(jī)數(shù)Nr，向移動節(jié)點(diǎn)MN發(fā)送{IDHA，Ni，Nr，SAr1，KEr}||SigHA消息。

③MN收到上述消息后，向KGC申請獲取HA的公鑰RHA，對HA的身份IDHA和所收到消息的簽名SigHA驗證后，根據(jù)KEr計算MN與HA之間的共享密鑰SK，并利用共享密鑰SK加密{IDMN，AUTH，SAi2，SAis}消息，再次發(fā)送給HA。

④HA在收到被加密的消息后，利用共享密鑰對其進(jìn)行解密，經(jīng)過AUTH驗證，使用共享密鑰加密{IDHA，AUTH，SAr2，SArs}消息后，再發(fā)送給MN。

3.2 MN在外地網(wǎng)絡(luò)向HA進(jìn)行注冊

無證書公鑰密碼體系的 MN與 FA的認(rèn)證過程的設(shè)計如下，其中包括MN向家鄉(xiāng)代理的綁定更新：

②FA收到消息后，從KGC獲取MN的公鑰RMN，驗證IDMN和所收到消息的簽名，然后FA將HoAMN與CoAMN綁定并緩存，再選擇隨機(jī)數(shù) Nr，向 MN 發(fā)送{IDFA，Ni，Nr，SAr1，KEr}||SigFA消息。

③MN收到消息后，從KGC獲取FA的公鑰RFA，驗證IDFA和所收到消息的簽名SigFA，根據(jù)KEr計算出MN與FA之間的共享密鑰SK，再利用共享密鑰SK加密{IDMN，AUTH，SAi2，SAis}消息，發(fā)送給FA。

④FA對收到的加密消息利用共享密鑰 SK解密，經(jīng)過AUTH，驗證，使用SK加密{IDFA，AUTH，SAr2，SArs}消息，再次發(fā)送給MN。

⑤MN向HA發(fā)送綁定更新消息FBU，該消息使用MIPSec/SAMN-HA保護(hù)。

⑥HA向MN返回綁定確認(rèn)消息BAck。

3.3 性能分析

公鑰運(yùn)算次數(shù)：

此協(xié)議無論MN是在本地還是在外地向HA注冊，都只進(jìn)行了2次公鑰的運(yùn)算，即前兩次交互時的簽名算法。其后的交互均用共享密鑰SK進(jìn)行保護(hù)。

MN的計算量：

①計算簽名所需的私鑰與公鑰。

②驗證HA/FA的簽名和IDHA/IDFA。

③計算與HA/FA之間的共享密鑰。

HA/FA的計算量：

①計算簽名所需的私鑰和公鑰。

②驗證MN的簽名和IDMN。

③計算共享密鑰SK。

④對AUTH進(jìn)行驗證。

協(xié)議的交互次數(shù)：

此協(xié)議與IKEv2原始協(xié)議的交互次數(shù)相同（即本地注冊4次、外地注冊6次），只是針對每一次交互做出了相應(yīng)地修改。

4 結(jié)語

在IPv6、IPSec安全協(xié)議和近幾年興起的無證書公鑰體系的基礎(chǔ)上，提出了一種在移動 IPv6環(huán)境下的注冊認(rèn)證方法。這一協(xié)議針對IPSec協(xié)議的不足，通過將無證書公鑰技術(shù)融入IKEv2協(xié)議，形成了一種新型的IPSec接入認(rèn)證方法，實(shí)現(xiàn)了在移動IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動節(jié)點(diǎn)MN對代理的安全注冊。

[1] ZHANG L, ZHANG F T, ZHANG F G. New Efficient Certificateless Signature Scheme[C]. Denko M. LNCS 4809: EUC Workshops 2007.Berlin: Springer-Verlag, 2007:692-703.

[2] ZHANG Z, FENG D. Key Replacement Attack on a Certificateless Signature Scheme (Cryptology ePrint Archive) [DB/OL].(2006-04-03)[2007-07-20]. http://eprint.iacr.org/2006/453.pdf.

[3] JOHNSON D, PERKINS C, ARKKO J. Mobility Support in IPv6[DB/OL].(2006-2-24) [2007-01-20]. http://rfc.sunsite.dk/rfc/rfc3775.html.

[4] CHOI K Y, PARK J H, HWANG J Y, et al. Efficient Certificateless Signature Schemes// Katz J. LNCS 4521: ACNS 2007. Berlin:Springer-Verlag, 2007:443-458.

[5] YAP W, HENG S, GOI1 B. An Efficient Certificateless Signature Scheme[C]. Zhou X. LNCS 4097: EUC Workshops 2006. Berlin:Springer-Verlag, 2006:322-331.

[6] 藺萌.WCDMA系統(tǒng)安全機(jī)制研究[J].通信技術(shù),2007,40(04):51-53.

[7] 鄭曉麗,姜迪剛.基于無證書公鑰密碼體制的密鑰管理[J].通信技術(shù),2010,43(07):95-97.

[8] 鄭曉麗.軍隊檔案網(wǎng)絡(luò)信息安全現(xiàn)狀及對策[J].通信技術(shù),2011,44(01):71-72.