摘要:提出了一種新的本地化的快速重認(rèn)證方案,不再需要3G網(wǎng)絡(luò)的參與,而且WLAN網(wǎng)絡(luò)能夠向3G網(wǎng)絡(luò)提供真實(shí)的,不可偽造的用戶認(rèn)證信息,進(jìn)而為3G與WLAN網(wǎng)絡(luò)間的計(jì)費(fèi)問題提出了一種思路。
關(guān)鍵詞:第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)—無線局域網(wǎng); AKA; 本地化; 快速; 重認(rèn)證
中圖分類號(hào):TP393.17文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1001-3695(2008)04-1123-04
近年來,無線通信技術(shù)發(fā)展迅速。作為提供無線服務(wù)的兩種主要技術(shù),即無線局域網(wǎng)(WLAN)和第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(3G)的互連應(yīng)用正在成為研究的熱點(diǎn)。3G網(wǎng)絡(luò)提供的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)覆蓋廣闊,在移動(dòng)性管理和用戶管理方面表現(xiàn)卓越,而且提供了幾乎全球的漫游技術(shù),但是其傳輸速率有限。3G標(biāo)準(zhǔn)中定義的數(shù)據(jù)傳輸速率為144 Kbps~2 Mbps不等。WLAN的數(shù)據(jù)傳輸速率要大大高于3G網(wǎng)絡(luò),如802.11網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)傳輸速率6~54 Mbps不等,而且WLAN部署方便、成本較低。所以3G與WLAN互連的應(yīng)用前景非常廣闊。3GPP組織正在制定3G與WLAN互連的相關(guān)規(guī)范[1~3]。
當(dāng)移動(dòng)用戶接入3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí),用戶和網(wǎng)絡(luò)首先需要進(jìn)行互認(rèn)證,進(jìn)而還有相關(guān)的密鑰協(xié)商和計(jì)費(fèi)問題。第三代合作伙伴(3GPP)組織定義的3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中用戶和網(wǎng)絡(luò)上層認(rèn)證使用EAP-AKA協(xié)議[4],而EAP-AKA協(xié)議是將UMTS AKA[5]方案封裝到了EAP[6]協(xié)議中,所以3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中用戶和網(wǎng)絡(luò)間的一次完整的EAP認(rèn)證過程需要運(yùn)行整個(gè)UMTS AKA過程。當(dāng)認(rèn)證過程需要頻繁執(zhí)行時(shí),會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來很大的負(fù)擔(dān),這種影響在連接的用戶變多時(shí)會(huì)更明顯,所以有必要設(shè)計(jì)一種快速的重認(rèn)證方案來提高效率。EAP-AKA協(xié)議中給出了一種快速重認(rèn)證方案,但是經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)無論從安全還是從效率方面考慮都有許多不足之處。于是,本文提出了一種新的本地化的快速重認(rèn)證方案。
1背景介紹
在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)[1]中定義了3G-WLAN互連的六種模型。文獻(xiàn)[2]則給出了3G-WLAN互連的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。文獻(xiàn)[3]提出了3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的安全架構(gòu),提出3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的WLAN接入認(rèn)證在WLAN-UE和3GPP AAA-server間進(jìn)行,同時(shí)提出3G-WLAN中的認(rèn)證基于EAP-AKA協(xié)議[4]。這里先介紹3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證過程中所涉及的網(wǎng)絡(luò)元素:
a)WLAN-UE。3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備,不僅有WLAN無線接入設(shè)備,還有USIM模塊、USIM和3G網(wǎng)絡(luò)共享密鑰K,而K正是EAP-AKA的基礎(chǔ)。
b)WLAN-AN。無線接入網(wǎng)絡(luò),WLAN-UE接入3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的第一接入點(diǎn)。
c)3GPP AAA-server。3GPP網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)服務(wù)器為3G-WLAN互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)方案。
d)HSS/HLR。歸屬位置寄存器,惟一存儲(chǔ)用戶秘密信息(包括用戶的秘密密鑰K)的地方,認(rèn)證向量也是由此產(chǎn)生。
EAP-AKA協(xié)議是將UMTS AKA[4]中的消息封裝到了EAP協(xié)議[6]中。下面是一次完整的EAP-AKA認(rèn)證過程(圖1)的主要消息流的格式和內(nèi)容:
①EAP Request/identity
②EAP Response /identity: [IMSI or NAI]
③EAP Response /identity: [IMSI or NAI]
④EAP Request/AKA Challenge:[RAND, TUTN,
Next re-auth id, MAC]
⑤EAP Request/ AKA-Challenge: [RAND, TUTN, Next re-auth id, MAC]
⑥EAP Response/ AKA-Challenge: [RES, MAC]
⑦EAP Response/ AKA-Challenge: [RES, MAC]
⑧EAP Request/ Notification: [Success]
⑨EAP Request/ Notification: [Success]
在③后,即3GPP AAA-server收到WLAN-UE的身份后,3GPP AAA-ser-ver從HLR/HSS處取回WLAN-UE的認(rèn)證向量AV,AV由隨機(jī)數(shù)RAND、完整性密鑰IK、機(jī)密性密鑰CK、期待的反饋XRES和認(rèn)證環(huán)AUTN五部分組成。3GPP AAA-server從中取出RAND和AUTN,構(gòu)造出EAP Request/AKA Challenge下發(fā)下去。在⑤后,即WLAN-UE收到EAP Request/ AKA-Challenge消息后,WLAN-UE從中取出RAND,AUTN,運(yùn)行AKA算法[1],對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)生成完整性密鑰IK和機(jī)密性密鑰CK與RES,構(gòu)造出EAP Response/ AKA-Challenge消息返回。3GPP AAA-server將收到的EAP Response/ AKA-Challenge消息中的RES值與XRES值相比較,如果相等,則對(duì)WLAN-UE的認(rèn)證通過。
當(dāng)一次完整的EAP-AKA過程完成后,WLAN-UE和3GPP AAA-server完成了互認(rèn)證,而且協(xié)商出了用于后續(xù)完整性和秘密性保護(hù)的臨時(shí)密鑰,即完整性密鑰IK和機(jī)密性密鑰CK;然后3GPP AAA-server以一種安全的方式將臨時(shí)密鑰傳給WLAN-AN;接下來WLAN-UE與WLAN-AN間空中接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Wo(hù)就基于此臨時(shí)密鑰。
2EAP-AKA中的快速重認(rèn)證方案
在某些環(huán)境下,EAP認(rèn)證過程需要頻繁地被執(zhí)行,而一次完整的EAP認(rèn)證過程需要運(yùn)行AKA算法,而且需要從認(rèn)證中心取回新的認(rèn)證向量。因此當(dāng)認(rèn)證過程需要頻繁地執(zhí)行時(shí),如果每次都是進(jìn)行完整的EAP認(rèn)證過程,由于參與的網(wǎng)絡(luò)元素較多,算法較復(fù)雜,會(huì)給系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān),尤其是在連接的用戶增多時(shí)會(huì)更明顯,而且在終端也會(huì)造成延遲。文獻(xiàn)[4]提出了快速重認(rèn)證方案,它基于上一次完整認(rèn)證過程時(shí)產(chǎn)生的臨時(shí)密鑰,不再需要新的認(rèn)證向量。在文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,一次完整的認(rèn)證過程平均耗時(shí)1.244 s,而快速重認(rèn)證過程則平均只需要0.605 s,是一次完整的認(rèn)證過程所需時(shí)間的46%。
首先介紹快速認(rèn)證方案,消息流仍然如圖2所示一樣,但是具體的消息發(fā)生了改變。
下面是其具體消息的格式和內(nèi)容:
①EAP Request/identity
②EAP Response /identity: [Next re-auth id]
③EAP Response /identity: [Next re-auth id]
④EAP Request/Re-authentication: [Counter, Nonce, Next re-auth id, MAC]
⑤EAP Request/Re-authentication: [Counter, Nonce, Next re-auth id, MAC]
⑥EAP Response/ AKA Re-authentication:[Counter,MAC]
⑦EAP Response/ AKA Re-authentication:[Counter,MAC]
⑧EAP Request/ Notification: [Success]
⑨EAP Request/ Notification: [Success]
首先,WLAN-AN向WLAN-UE發(fā)起重認(rèn)證請(qǐng)求,WLAN-UE收到認(rèn)證請(qǐng)求后,將上一次收到的Next re-auth id返回。當(dāng)3GPP AAA-server收到WLAN-UE發(fā)送過來的Next re-auth id后,它為WLAN-UE生成Counter、Nonce、MAC和新的Next re-auth id 。Counter限定了可以連續(xù)重認(rèn)證的次數(shù)(在第一次完整的認(rèn)證過程時(shí)counter的值設(shè)為1),當(dāng)Counter值達(dá)到限定的值后,就需要開始一次新的完整認(rèn)證過程。Next re-auth id是下一次重認(rèn)證過程時(shí)使用的身份。隨機(jī)數(shù)Nonce相當(dāng)于UMTS AKA中的RAND,MAC包含此消息的信息認(rèn)證碼,使用Nonce值和第一次完整認(rèn)證時(shí)協(xié)商出來的臨時(shí)密鑰等計(jì)算得到。Counter、Next re-auth id和Nonce都是用臨時(shí)密鑰加密傳輸?shù)摹LAN-UE收到這些信息后,首先用臨時(shí)密鑰解密這些信息,接著使用臨時(shí)密鑰驗(yàn)證MAC的值是否正確,判斷Counter的值是否比上次的大。如果均通過,WLAN-UE為下次重認(rèn)證過程存儲(chǔ)Next re-auth id,返回同樣的Counter和新的MAC值,新的MAC值使用臨時(shí)密鑰和Nonce值計(jì)算得到。
由上文可以看出,快速重認(rèn)證過程實(shí)現(xiàn)了用戶與網(wǎng)絡(luò)間的互認(rèn)證。認(rèn)證過程是基于上一輪完整認(rèn)證過程協(xié)商出來的臨時(shí)密鑰,即完整性密鑰IK和秘密性密鑰CK。WLAN-UE和3GPP AAA-server都通過使用臨時(shí)密鑰來驗(yàn)證對(duì)方產(chǎn)生的MAC值來認(rèn)證對(duì)方。WLAN-UE使用UMTS AKA算法計(jì)算得到IK和CK,而3GPP AAA-server則從認(rèn)證向量中獲得IK和CK。當(dāng)?shù)谝淮瓮暾恼J(rèn)證過程完成后,3GPP AAA-server將臨時(shí)密鑰以安全的方式發(fā)給WLAN-AN,用于后續(xù)WLAN-UE和WLAN-AN空中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的完整性和秘密性保護(hù)。如果3GPP AAA-server傳給WLAN-AN的臨時(shí)密鑰直接就是IK和CK,那么后面的快速重認(rèn)證過程完全就可以由WLAN-AN來控制。一方面,WLAN-AN可以構(gòu)造Counter、nonce、下一次重認(rèn)證ID,而且可以利用臨時(shí)密鑰生成合法的MAC, 這樣WLAN-AN完全可以扮成3GPP AAA-server隨意對(duì)用戶發(fā)起重認(rèn)證請(qǐng)求;另一方面,WLAN-AN可以偽裝成WLAN-UE,對(duì)3GPP AAA-server的認(rèn)證請(qǐng)求作出合法的響應(yīng)。WLAN-UE根本無法區(qū)分認(rèn)證過程是與WLAN-AN還是與3GPP AAA-server進(jìn)行的。而3GPP AAA-server也無從知道WLAN-AN與WLAN-UE之間是否進(jìn)行了重認(rèn)證,進(jìn)行了多少次重認(rèn)證等。
當(dāng)然,這個(gè)問題可以通過使用單向哈希函數(shù)來解決,即在WLAN-UE和3GPP AAA-server兩端同時(shí)使用單向哈希函數(shù)對(duì)IK和CK進(jìn)行處理,生成新的臨時(shí)密鑰,然后3GPP AAA-ser-ver將新的臨時(shí)密鑰發(fā)送給WLAN-AN、WLAN-UE和WLAN-AN間的數(shù)據(jù)保護(hù)使用新的臨時(shí)密鑰,而WLAN-UE和3GPP AAA-server間的快速重認(rèn)證過程仍然基于IK和CK,IK和CK對(duì)WLAN-AN來說是未知的,這樣就能避免WLAN-AN使用中間人攻擊。
雖然文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一次快速重認(rèn)證過程的時(shí)間已經(jīng)比一次完整的EAP認(rèn)證快了許多,但是平均值仍高達(dá)0.605 s之多。如果3G-WLAN網(wǎng)絡(luò)想要提供無縫的移動(dòng)服務(wù),就必須盡量減少花在認(rèn)證上的時(shí)間。而現(xiàn)有的快速重認(rèn)證方案仍然需要3GPP AAA-server的參與,需要接入到3G網(wǎng)絡(luò)中,這無疑會(huì)導(dǎo)致延遲。所以需要考慮本地化的快速重認(rèn)證方案,即重認(rèn)證過程不再需要3G網(wǎng)絡(luò)的參與。從整個(gè)快速重認(rèn)證的過程可以看到,WLAN-AN只是在傳遞消息,扮演中間人的角色。筆者又知道每一次完整的EAP認(rèn)證過程后都能在WLAN-UE與WLAN-AN間建立起共享密鑰,所以可以考慮把后續(xù)的快速重認(rèn)證的另一端放于WLAN-AN側(cè),即快速重認(rèn)證過程只在WLAN-UE與WLAN-AN間進(jìn)行。這樣做帶來的問題是WLAN-UE作為3G網(wǎng)絡(luò)的用戶,3GPP AAA-server如果需要知道WLAN-UE的每一次重認(rèn)證過程的行為,WLAN-AN是否能夠向3GPP AAA-server提供真實(shí)的,不可偽造的重認(rèn)證信息。
接下來筆者提出了一種新的本地化的快速重認(rèn)證方案。在新的方案中,快速重認(rèn)證過程不再需要3G網(wǎng)絡(luò)的參與,只在WLAN-UE與WLAN-AN間進(jìn)行。同時(shí),WLAN-AN無法向3G網(wǎng)絡(luò)提供虛假的重認(rèn)證信息,而且本文的方案還可以為3G網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)間的計(jì)費(fèi)問題提供一種解決方式。
3新的快速重認(rèn)證方案
本文的新方案仍然基于上一次完整的EAP認(rèn)證過程產(chǎn)生的臨時(shí)密鑰,同時(shí)使用了哈希鏈的技術(shù)。假設(shè)s為任意隨機(jī)整數(shù),h為單向哈希函數(shù),hi(s) =h((…h(huán)(s)…))表示連續(xù)對(duì)s作i次哈希運(yùn)算。另外3GPP AAA-server需要證書的支持。為了實(shí)現(xiàn)本地化的快速認(rèn)證方案,需要對(duì)第一次的完整認(rèn)證過程進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng):
a)圖1中的⑥⑦消息,即EAP Request/AKA-Challenge消息中需要新增項(xiàng)Eck(s),WLAN-UE選定隨機(jī)數(shù)s,利用加密密鑰CK對(duì)s進(jìn)行加密生成Eck(s)。
b)圖1中的⑧⑨消息,即EAP-Request/AKA-Notification消息中需要新增項(xiàng)Eck(n)。n值由3GPP AAA-server指定,表示可以連續(xù)重認(rèn)證的次數(shù)。當(dāng)連續(xù)重認(rèn)證的次數(shù)超過n時(shí),就要開始新一輪完整的EAP認(rèn)證過程。
第一次完整的認(rèn)證過程完成后,WLAN-UE將自己選定的隨機(jī)數(shù)s安全地發(fā)送給了3GPP AAA-server,而WLAN-UE也知道了可以重認(rèn)證的次數(shù)。接下來,WLAN-UE計(jì)算并存儲(chǔ)h1(s),h2(s),…,hn-1(s)等值,然后利用IK和CK使用單向函數(shù)生成用于保護(hù)WLAN-UE與WLAN-AN通信安全的臨時(shí)會(huì)話密鑰TK。3GPP AAA-server也同樣利用IK和CK使用單向函數(shù)生成會(huì)話密鑰TK,同時(shí)計(jì)算hn(s),并對(duì)hn(s)作簽名Sig(hn(s)),然后將如下信息{Next re-auth id,TK,n,hn(s),Sig(hn(s))}以安全的方式發(fā)送給WLAN-AN。
新的快速重認(rèn)證方案是本地化的認(rèn)證協(xié)議,即不再需要3GPP AAA-server的參與。如圖3所示,消息流只在WLAN-UE與WLAN-AN間進(jìn)行。
a)WLAN-AN向WLAN-UE發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求消息:
EAP Request/Identity;
b)WLAN-UE將上一次收到的Next re-auth id返回給WLAN-AN:
EAP Response/Identity:[Next re-auth id];
c)當(dāng)WLAN-AN收到Next re-auth id后,WLAN-UE產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)Nonce,新的Next re-auth id,i值(第一次重認(rèn)證過程時(shí),i值為n-1,第二次為n-2,依此類推),并利用TK和Nonce構(gòu)造消息驗(yàn)證碼MAC,向WLAN-UE發(fā)送:
EAP Request/AKA Re-authentication: [Nonce, Next re-auth id,i, MAC];
d)WLAN-UE收到EAP Request/ AKA Re-authentication消息后,首先檢查i值是不是比上一次的要小1,然后驗(yàn)證MAC值的正確性。如果均正確,接下來WLAN-UE根據(jù)WLAN-AN發(fā)送過來的i值獲取hi(s),向WLAN-AN發(fā)送:EAP Response/AKA Re-authentication:[i,hi(s)];
e)WLAN-AN從EAP Response/AKA Re-authentication消息中取出hi(s)值,驗(yàn)證h(hi(s))的值是否與上一次收到的值相等,如果相等,則WLAN-AN對(duì)WLAN-UE的驗(yàn)證通過,并記錄hi(s);接下來WLAN-AN向WLAN-UE發(fā)送認(rèn)證成功消息:EAP Success
4對(duì)新方案的分析
4.1安全分析
新的快速重認(rèn)證方案繼承了原有方案的某些特性,同時(shí)引入了哈希鏈技術(shù),對(duì)其安全性分析如下:
a)雙向認(rèn)證。WLAN-UE對(duì)WLAN-AN的認(rèn)證方式和原有的快速重認(rèn)證方案是類似的。通過第一次完整的EAP認(rèn)證后,WLAN-UE和WLAN-AN協(xié)商出了臨時(shí)會(huì)話密鑰TK。而只用擁有TK才能構(gòu)造出合法的MAC,所以WLAN-UE通過驗(yàn)證EAP Request/AKA-Re-authentication消息中的MAC值的正確性,即可驗(yàn)證WLAN-AN。而WLAN-AN對(duì)WLAN-UE的認(rèn)證則是通過驗(yàn)證哈希鏈的技術(shù)。在第一次完整的EAP認(rèn)證后WLAN-AN收到3GPP AAA-server發(fā)送過來的hn(s);接下來的重認(rèn)證過程中WLAN-AN驗(yàn)證WLAN-UE發(fā)送過來的 EAP Response/AKA-Re-authentication消息中的hn-1(s)值是否滿足h(hn-1(s))=hn(s),即可判斷WLAN-UE是否是合法的用戶。WLAN-AN記錄hn-1(s),供下一次重認(rèn)證使用,依此類推,直到連續(xù)的重認(rèn)證次數(shù)達(dá)到了規(guī)定次數(shù)即n次。最后一次重認(rèn)證時(shí)WLAN-UE發(fā)送過來的 EAP Response/AKARe-authentication消息中的值是s。
b)抵抗重放攻擊。當(dāng)WLAN-UE收到WLAN-AN發(fā)送過來的EAP Request/AKA-Re-authentication消息時(shí),首先要檢查里面的i值是不是要比上一次收到的小1。因此重放攻擊很容易就能被檢測(cè)出來。
4.2效率分析
影響認(rèn)證過程效率的兩個(gè)主要因素是通信時(shí)間和WLAN-UE端的在線計(jì)算時(shí)間。首先來看通信量,由于不需要3G網(wǎng)絡(luò)的參與,新方案中的消息流大大減少,花在網(wǎng)絡(luò)通信上的時(shí)間也大大減少。其次是在線運(yùn)算量,在第一次完整的EAP認(rèn)證后,WLAN-UE計(jì)算并存儲(chǔ)h1(s),h2(s),…,hn-1(s)等值,后續(xù)的快速重認(rèn)證過程中只需要取出相應(yīng)的值發(fā)送過去,而原有方案中每一次快速重認(rèn)證過程WLAN-UE都需要重新計(jì)算MAC值,所以在新方案中WLAN-UE的在線運(yùn)算量明顯減少。從上可以得知,與原有的方案相比,新的快速重認(rèn)證方案效率要提高很多。
4.3不可偽造的重認(rèn)證信息
新方案是本地化的快速重認(rèn)證方案,如果3GPP AAA-ser-ver需要知道WLAN-UE與WLAN-AN之間的重認(rèn)證信息,WLAN-AN必須能夠向3GPP AAA-server提供不可偽造的重認(rèn)證信息。WLAN-AN根據(jù)每次重認(rèn)證過程依次記錄hn-1(s),hn-2(s),…,h(s),s等值,然后連同第一次完整的EAP認(rèn)證過程后3GPP AAA-server發(fā)送過來的hn(s),Sig(hn(s))一起作為認(rèn)證的憑證。3GPP AAA-server對(duì)hn(s)值進(jìn)行了簽名,所以WLAN-AN無法偽造hn(s),而WLAN-AN不知道s,無法構(gòu)造hn-1(s),hn-2(s),…,h(s)等值。WLAN-AN是無法偽造{Sig(hn(s),(hn(s)),hn-1(s),…,h(s),s)}信息。
WLAN-AN可以每隔一段時(shí)間(如5 min)向WLAN-UE發(fā)起重認(rèn)證請(qǐng)求,則{Sig(hn(s),(hn(s)),hn-1(s),…,h(s),s)}可以作為WLAN-UE使用WLAN網(wǎng)絡(luò)的憑證,進(jìn)而也為3G網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)間的計(jì)費(fèi)問題提供了一種解決辦法。
5結(jié)束語
本文首先介紹了3G-WLAN交互網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)證和密鑰協(xié)商機(jī)制,重點(diǎn)介紹和分析了其中的快速重認(rèn)證方案,然后提出了一種新的本地化的快速重認(rèn)證機(jī)制,并對(duì)新的方案作了簡(jiǎn)單分析。與原有方案相比,新的方案不再需要3G網(wǎng)絡(luò)的參與,因而效率提高很多,而且新的方案還為WLAN網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)間的計(jì)費(fèi)問題提出了一種解決思路。
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