基于無證書公鑰的移動IP注冊協(xié)議認證

鄭曉麗，姜迪剛

（軍事體育進修學院，廣東 廣州 510500）

0 引言

目前國內外大多數移動 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合的方式來實現移動實體之間的相互認證[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融入IKEv2協(xié)議[6]，形成了一種新型的IPSec接入認證方法，實現了在移動IPv6網絡環(huán)境下移動節(jié)點MN對代理的安全注冊。本文提出的移動IP注冊協(xié)議能達到以下目的：

①移動實體之間的相互認證，注冊消息的完整性保護和新鮮性保護，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，為了實現由 IPSec體系描述的各種能力，這些協(xié)議相互交互，并緊密地結合在一起。IPSec是一個開放標準的框架，用以保證IP網上私有通信的安全。IPSec提供了網上數據的完整性，可靠性和保密性。IPSec運行時，連接終端直接提供安全措施。傳輸時，只有IP負載被加密，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以及轉碼組成。IPSec各組件之間的交互方式，其安全體系架構如圖1所示。

①AH：對IP頭和IP包中負載的鑒別。這是通過在共享密值(shared secret value)中使用帶主鍵的哈希運算來實現的。

②ESP：提供在IP層的負載加密。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。鑒別功能在保護數據負載的同時通過保護IP頭中不變數據也提供了對IP頭的保護。IPSec協(xié)議可通過 AH和 ESP協(xié)議來提供IP層的安全服務。所提供的安全服務包括訪問控制、無連接完整性、數據鑒別、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（比如保障數據的完整性）的協(xié)議，以便保護它們的數據。

④策略：是一個尚未成為標準的組件，它決定兩個實體之間能否通信。

圖1 IPSec 安全體系架構

1.2 IPSec工作機理

當路由收到一個數據包時，它將檢查安全策略以決定是否為此數據包提供保護措施。通過IPSEC，可利用access-list來定義何種類型的數據應該受保護。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。

根據己定義過的策略，路由器決定何種安全服務被用于此數據包，并決定IPSEC隧道端點所使用的地址。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將結束協(xié)商進程，一個 security association將被創(chuàng)建。它被用來記錄所有與某一IPSEC通信會話相關的細節(jié)。此security association通過將一個被稱為安全參數索引(SPI)的隨機數與目標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。當處理進出對等體的流量時，相應的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性，也不會出現密鑰托管問題。在CL-PKC中，一個用戶的私鑰分2個步驟產生：

①KGC根據用戶A的身份信息標志符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組合從而產生實際的私鑰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用戶的身份來計算，而是用戶利用KGC公開的系統(tǒng)參數和他的秘密值產生的。所以，采用無證書密碼系統(tǒng)的簽名機制中，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，之后再進行通信。

無證書的公鑰體制的優(yōu)點：

①由于CL-PKC不需要證書來使用戶對公鑰產生信任，而是通過內在的方式加以實現，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方案的基礎設施都可以用于支持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，它的思想不僅兼有兩者的優(yōu)點，還基本上克服了兩者的缺點，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負擔的情況。

無證書的公鑰體制的缺點：

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，增加了復雜度。

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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)議的認證與注冊[7]

3.1 MN與HA的認證

無證書公鑰密碼體系的 MN與 HA的認證過程的設計如下：

①MN開機后選擇隨機數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選擇隨機數Nr，向移動節(jié)點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行解密，經過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在外地網絡向HA進行注冊

無證書公鑰密碼體系的 MN與 FA的認證過程的設計如下，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，再選擇隨機數 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。

⑥HA向MN返回綁定確認消息BAck。

3.3 性能分析

公鑰運算次數：

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

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進行驗證。

協(xié)議的交互次數：

此協(xié)議與IKEv2原始協(xié)議的交互次數相同（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地修改。

4 結語

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上，提出了一種在移動 IPv6環(huán)境下的注冊認證方法。這一協(xié)議針對IPSec協(xié)議的不足，通過將無證書公鑰技術融入IKEv2協(xié)議，形成了一種新型的IPSec接入認證方法，實現了在移動IPv6網絡環(huán)境下移動節(jié)點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)安全機制研究[J].通信技術,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,2010,43(07):95-97.

[8] 鄭曉麗.軍隊檔案網絡信息安全現狀及對策[J].通信技術,2011,44(01):71-72.