SIP信令安全機(jī)制的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

譚 覓， 王文勝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

會(huì)話初始協(xié)議（SIP）是IETF規(guī)定的一種基于IP的應(yīng)用層信令控制協(xié)議，采用文本編碼，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且擴(kuò)展性強(qiáng)。然而SIP應(yīng)用于完全開(kāi)放的Internet環(huán)境，其協(xié)議本身也沒(méi)有明確規(guī)定的安全機(jī)制，所以 SIP的安全性并不能得到保證[1]。目前大多數(shù)SIP應(yīng)用中，數(shù)據(jù)包以明文傳輸，可能遭到攻擊者的惡意修改，遭受注冊(cè)劫持、消息篡改和非法監(jiān)聽(tīng)等各種形式的攻擊，其原因在于沒(méi)有一種可靠的機(jī)制來(lái)保證SIP應(yīng)用的身份認(rèn)證和消息的機(jī)密性。

文獻(xiàn)[2]提出了一種應(yīng)用層的安全策略，改變了SIP頭部Call-ID的生成方法，需要對(duì)現(xiàn)有協(xié)議棧進(jìn)行修改，且對(duì)SIP消息采用非對(duì)稱加密，影響了加解密速率。文獻(xiàn)[3]提出了一種SIP輕量級(jí)雙向認(rèn)證機(jī)制，采用AES對(duì)稱加密算法，提高了加解密速率。但是該方法對(duì)HTTP摘要認(rèn)證中的digest-challenge字段進(jìn)行了修改，需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，增加了實(shí)現(xiàn)的難度。文獻(xiàn)[4-5]提出了采用S/MIME的機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)SIP消息體的加密，實(shí)現(xiàn)了端到端的安全保護(hù)，然而此方法對(duì)SIP消息頭并沒(méi)有提供任何安全措施。

鑒于以上方案在SIP用戶認(rèn)證和信令機(jī)密性等方面存在的不足，提出了一種改進(jìn)的SIP信令安全機(jī)制。該機(jī)制實(shí)現(xiàn)了用戶注冊(cè)階段的雙向認(rèn)證，且對(duì)于后續(xù)的SIP信令消息采取對(duì)稱加密。在建立會(huì)話之前的用戶認(rèn)證階段，客戶端和注冊(cè)服務(wù)器之間首先建立TLS連接。用戶注冊(cè)完成后，對(duì)于會(huì)話建立時(shí)的信令，客戶端與服務(wù)器之間仍然采用之前的TLS通道，服務(wù)器之間則通過(guò)IPSec提供保護(hù)。因此，信令的所有交互流程的機(jī)密性都得到了保證，且對(duì)于信令消息都使用的是對(duì)稱加密算法，使得SIP信令加解密速率和安全性都得到了提高。

1 改進(jìn)的安全機(jī)制

1.1 用戶注冊(cè)階段

用戶注冊(cè)階段首先要解決的就是身份認(rèn)證。目前大部分SIP應(yīng)用采用HTTP摘要認(rèn)證對(duì)SIP用戶進(jìn)行驗(yàn)證。然而，使用HTTP摘要認(rèn)證的客戶端不能認(rèn)證服務(wù)器并且對(duì)消息完整性的保護(hù)也不夠充分[3]。為了實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)服務(wù)器的認(rèn)證，必須考慮使用雙向認(rèn)證的機(jī)制。

1.1.1 客戶端對(duì)服務(wù)器的認(rèn)證

為了驗(yàn)證服務(wù)器的合法性，本方法考慮在用戶注冊(cè)開(kāi)始前，首先建立TLS通道，通過(guò)通道建立階段客戶端對(duì)服務(wù)器證書進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)完成客戶端對(duì)服務(wù)器的認(rèn)證，具體步驟如下：

1）客戶端獲取CA認(rèn)證中心的根證書，服務(wù)器端下載自己的證書。

2）客戶端發(fā)起 TLS連接建立請(qǐng)求，申請(qǐng)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行身份驗(yàn)證。

3）服務(wù)器將證書發(fā)送到客戶端，客戶端利用CA的根證書對(duì)服務(wù)器證書進(jìn)行驗(yàn)證。

4）若身份驗(yàn)證通過(guò)，則根據(jù) TLS握手協(xié)議的流程繼續(xù)進(jìn)行會(huì)話密鑰協(xié)商。

從上述流程可以看出，SIP客戶端借助TLS協(xié)商中對(duì)于服務(wù)器證書的驗(yàn)證，完成了針對(duì)服務(wù)器的身份認(rèn)證，從而完成了雙向認(rèn)證的第一步。

1.1.2 服務(wù)器對(duì)客戶端的認(rèn)證

在驗(yàn)證了服務(wù)器的合法身份之后， TLS通道此時(shí)已經(jīng)建立，此后服務(wù)器與客戶端之間交互的信令都將受到TLS通道的保護(hù)。下面將完成服務(wù)器對(duì)客戶端的身份認(rèn)證。

該認(rèn)證方法與目前大多數(shù)SIP服務(wù)器對(duì)客戶端采取的認(rèn)證方法一致，即通過(guò)共享密鑰[6]，使用挑戰(zhàn)響應(yīng)（Challenge-Response）機(jī)制完成對(duì)用戶的身份認(rèn)證，具體步驟如下：

1）客戶端發(fā)送 REGISTER消息到服務(wù)器，請(qǐng)求進(jìn)行用戶注冊(cè)。

2）服務(wù)器返回401 Unauthorized消息，指明用于驗(yàn)證的nonce，realm和摘要算法。

3）客戶端將自己的username，與服務(wù)器共享的password，以及從收到的 401消息中的 nonce和realm，根據(jù)其指定的算法計(jì)算出一個(gè)摘要認(rèn)證消息返回給服務(wù)器。

4）服務(wù)器收到客戶端返回的響應(yīng)消息，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找共享密鑰，然后檢查返回的response值是否正確，如果正確，則認(rèn)定為合法用戶，并將其注冊(cè)到該服務(wù)器上。

通過(guò)以上兩個(gè)步驟，在沒(méi)有改變SIP現(xiàn)有格式和信令交互流程的情況下，完成了雙向認(rèn)證，即提高了安全性，又沒(méi)有增加過(guò)多的開(kāi)銷，在服務(wù)器對(duì)客戶端的認(rèn)證階段，信令交互在TLS通道中完成的，所以攻擊者不能通過(guò)截取SIP頭部字段進(jìn)行離線猜測(cè)強(qiáng)行破解密碼。

1.2 會(huì)話建立階段

在完成SIP用戶的注冊(cè)之后，需要對(duì)會(huì)話兩端的IP地址、端口、媒體編碼格式和碼率等參數(shù)進(jìn)行協(xié)商，以建立RTP媒體流[7]。目前的SIP應(yīng)用中，大多數(shù)情況下沒(méi)有采取有效的安全機(jī)制對(duì)信令進(jìn)行保護(hù)，使得客戶端可能受到服務(wù)器重定向攻擊和INVITE請(qǐng)求偽造攻擊等安全威脅，其根本原因是SIP信令的機(jī)密性無(wú)法保證。為了解決這一問(wèn)題，本方法考慮對(duì)建立會(huì)話的信令進(jìn)行加密，由于SIP代理服務(wù)器需要對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，不能采取端到端的加密方式，所以其過(guò)程又分為客戶端到服務(wù)器的加密以及服務(wù)器之間的加密兩個(gè)階段。

1.2.1 客戶端到服務(wù)器

客戶端和服務(wù)器之間的信令交互，利用用戶注冊(cè)階段建立的TLS通道進(jìn)行加密保護(hù)。這樣既避免了再次協(xié)商加密通道造成的時(shí)間和資源的浪費(fèi)，又保證了信令交互的機(jī)密性。

1.2.2 服務(wù)器到服務(wù)器

由于服務(wù)器之間的信令交互沒(méi)有采用任何安全機(jī)制，所以必須對(duì)其進(jìn)行加密保護(hù)，考慮使用IPSec。相對(duì)于遍布Internet的SIP終端，代理服務(wù)器數(shù)量比較少、分布比較集中[8]，且大多數(shù)情況下由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行統(tǒng)一管理，所以考慮采用預(yù)共享密鑰實(shí)現(xiàn)代理服務(wù)器之間的身份認(rèn)證，預(yù)共享密鑰事先在各代理服務(wù)器上進(jìn)行手動(dòng)配置，密鑰協(xié)商采用IKE協(xié)議，其第一階段采用主模式預(yù)共享密鑰發(fā)起身份認(rèn)證，加密方式使用ESP的傳輸模式，Hash函數(shù)為Sha1，加密算法采用3des的對(duì)稱加密方式。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述方法的可行性，在 Linux環(huán)境下搭建仿真環(huán)境?？蛻舳撕头?wù)器均運(yùn)行在 CPU為2.4 GHz，512 M內(nèi)存，操作系統(tǒng)為Ubuntu10.10的PC平臺(tái)上。客戶端運(yùn)行Sipp模擬UAC發(fā)起注冊(cè)、建立會(huì)話和 UAS響應(yīng)會(huì)話的功能，服務(wù)器運(yùn)行Opensips模擬SIP注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器，使用Openvpn協(xié)商建立TLS通道，使用IPSec-Tools實(shí)現(xiàn)IPSec加密。

2.1 模擬用戶注冊(cè)

配置Opensips對(duì)用戶進(jìn)行HTTP摘要認(rèn)證，啟動(dòng)Openvpn建立客戶端與服務(wù)器之間的TLS通道，在客戶端使用Sipp發(fā)起注冊(cè)，使用Tcpdump抓包進(jìn)行分析，記錄完成整個(gè)注冊(cè)流程所需時(shí)間，與沒(méi)有建立TLS通道的情況進(jìn)行比較。仿真場(chǎng)景如圖1所示。

Tcpdump抓包記錄如圖2所示，通過(guò)抓包記錄可以看出，采用加密機(jī)制之后，交互的SIP注冊(cè)信令均為Openvpn建立的TLS通道中傳輸?shù)拿芪?，所以保證了其機(jī)密性。

圖2 未加密和采用TLS通道的注冊(cè)信令交互流程

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，未建立TLS時(shí)，注冊(cè)需要0.005 4 s，采用TLS加密之后，完成一次注冊(cè)所需的時(shí)間為0.009 9 s，比沒(méi)有采用TLS增加了83%，但仍然在可以接受的范圍。

2.2 模擬會(huì)話建立

首先如 2.1節(jié)所述，在兩臺(tái)服務(wù)器上注冊(cè)兩個(gè)不同的用戶，并在服務(wù)器之間使用IPSec-Tools實(shí)現(xiàn)IPSec的ESP傳輸模式，在兩個(gè)客戶端分別運(yùn)行Sipp為UAC和UAS模式，由UAC發(fā)起INVITE請(qǐng)求，UAS回應(yīng)200OK以模擬一次會(huì)話的建立?？蛻舳伺c服務(wù)器間為之前建立的TLS通道，服務(wù)器間為IPSec加密。仿真場(chǎng)景如圖3所示。

Tcpdump抓包記錄如圖4所示，終端與服務(wù)器之間均為TLS通道中的加密數(shù)據(jù)包，服務(wù)器之間均為ESP數(shù)據(jù)包，保證了會(huì)話建立階段信令的機(jī)密性，可以使其免受安全威脅。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，未采用安全機(jī)制的會(huì)話建立時(shí)間為0.008 5 s，采用上述安全機(jī)制后會(huì)話建立時(shí)間為0.023 1 s，雖然增幅較大，但其絕對(duì)值仍然較小，對(duì)用戶影響不大，證明該機(jī)制可行。

3 結(jié)語(yǔ)

采用本文提出的針對(duì)SIP信令的安全機(jī)制，在用戶注冊(cè)階段，完成SIP客戶端與服務(wù)器之間的雙向認(rèn)證，且保證了注冊(cè)信令的機(jī)密性，比現(xiàn)有機(jī)制更加安全，可以防止服務(wù)器偽裝和注冊(cè)劫持等攻擊行為。在會(huì)話建立階段，通過(guò)TLS通道和IPSec的ESP傳輸模式的共同使用，實(shí)現(xiàn)了會(huì)話建立流程的全程加密，且加解密過(guò)程對(duì)SIP協(xié)議解析透明?？偠灾捎帽疚奶岢龅姆椒ǎＷC了SIP用戶注冊(cè)和會(huì)話建立階段的安全，且沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有的SIP格式和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行任何改變，并采用對(duì)稱加密算法，造成的開(kāi)銷在可以接受的范圍之內(nèi)，所以該方法可行。在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，用于TLS通道協(xié)商的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TLS和IPSec用于數(shù)據(jù)加解密所需的時(shí)間，所以可以結(jié)合SIP的特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以縮短通道協(xié)商的時(shí)間。

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