抗重放攻擊方案在工程中的應用

2021-04-24 13:05:08

網絡安全技術與應用 2021年4期

（中國電子科技集團公司第三十研究所四川 610041）

1 引言

隨著網絡技術的發展，大部分的業務都在進行全IP 化，在工程中，基本上都要在網絡上傳輸業務數據，如何保障網絡安全也顯得尤為重要。在影響網絡安全的因素中，重放攻擊是一個普遍、造成影響巨大的一種攻擊手段，本文探討了重放攻擊及其危害，介紹了幾種常用的抗重放攻擊方案，并對各方案進行了比較。

2 重放攻擊介紹

重放攻擊（Replay Attacks）又稱重播攻擊、回放攻擊，是指攻擊者發送一個目的主機已經接收過的包，來達到欺騙系統的目的，主要用于身份認證過程，破壞認證的正確性。重放攻擊可以由發起者，也可以由攻擊者進行。

重放攻擊的危害主要有：

（1）破壞發送者和接收者之間認證的安全性；

（2）通過篡改數據，導致發送者和接收者之間無法正常通信；

（3）占用接收者的資源，在強重放攻擊下，甚至會導致接收者癱瘓。

3 抗重放方案基本思想

鑒于重放攻擊的嚴重危害，為了確保網絡通信的安全，需要采用抗重放方案抵抗重放攻擊。

抗重放方案的基本思想為：在網絡通信過程中，選擇一個“抗重放因子”，根據該“抗重放因子”判斷消息的新鮮性，以此識別消息是否為重放消息。常用的“抗重放因子”有時間戳、隨機數等。

4 常用的抗重放方案

在討論抗重放方案之前，有一個最重要的前提需要聲明：必須確保攻擊者無法修改“抗重放因子”，或者修改了“抗重放因子”也能夠被檢測出來，通過數字信封、完整性校驗等技術可以做到。下面介紹幾種在工程中常用的抗重放方案。

4.1 滑動窗口抗重放方案

滑動窗口抗重放方案[4-5]使用滑動窗口，判斷“抗重放因子”是否有效，以確認消息是否已經過期。在該方案中，“抗重放因子”為一個遞增的序列號，接收者應建立寬度為 W 的窗口。

初始化窗口時，窗口最左側的序列號為N，最右側的序列號為N+W-1，序列號N+1，N+2….N+W-2 均在窗口內，每收到一個消息，接收者按如下原則進行處理：

（1）如果消息的序列號在窗口內，則查詢對應序列號的標志位，如果標志位為1 表示該序列號之前接收過，為重放包，丟棄；如果標志位為0 表示從未收到過該消息，對該消息進行接收處理，并將標志位置為1；

（2）如果消息的序列號小于窗口最左側的序列號，則表示該消息不滿足新鮮性的要求，將消息丟棄；

（3）如果消息的序列號大于窗口最右側的序列號，則將窗口向右邊滑動，使得窗口的最右側序列號為該消息的序列號。

滑動窗口抗重放方案的優點：在窗口之外的消息一定會被丟掉，并且實現簡單，沒有歧義，只要保證“抗重放因子”為一個遞增的序列號即可。一般來說窗口寬度W 為8，16，32，64，128 等比較小的數值，因此占用的存儲空間比較小。對無序到達的消息有一定的容忍度，比較適用于IP 網絡這種無序網絡。

滑動窗口抗重放方案的缺點：當窗口寬度值W 設置過大時，抗重放的效果不好；當窗口寬度值W 設置過小時，會導致丟包率過高，影響到正常通信。

4.2 “抗重放因子”池抗重放方案

“抗重放因子”池抗重放方案中，“抗重放因子”只要不重復即可（可以是隨機數、遞增序列號等）。在該方案中，將所有收到的序列號存儲在一個池子中，每收到一個消息，對池子進行檢索，判斷該消息中序列號是否已經接收過。如果已經接收過，認為該消息為重放消息，丟棄；否則，將該序列號保存在池子中。當池子滿了之后，再收到新的、池子中沒有的序列號時，用最新的序列號覆蓋池子中最早收到的序列號，循環往復。

“抗重返因子”池抗重放方案的優點：不會因為抗重放而導致丟包。

“抗重返因子”池抗重放方案的缺點：

（1）當消息發送比較頻繁時，大量的序列號會極大消耗接收者的存儲空間；

（2）池子大小總有上限，如果攻擊者有足夠的耐心，不停進行試驗攻擊，總能探測到池子的大小。當池子滿了，舊的序列號被覆蓋后，攻擊者再將被覆蓋掉的序列號發送給接收者，接收者無法識別到這是一個重放消息。

4.3 時間戳抗重放方案

時間戳抗重放指的是使用當前的時間作為“抗重放因子”，發送者將本地的時間TS、要發送的數據一起發送給接收者，接收者將收到的時間TS 與自己本地時間TR 進行比較，如果DeltT=TR-TS 在一個可接受的延時范圍內（DeltT

時間戳抗重放方案的優點：接收者不用存儲任何“抗重放因子”，不占用存儲空間；同時時間戳獲取方式簡單。

遞增抗重放方案的缺點：

（1）需要提供嚴格的時鐘同步機制，否則會導致發送者和接收者的時間不一致，而導致誤判；

（2）如果t 選擇過大，會導致有一些重放消息無法識別，t 選擇過小，會導致很嚴重的丟包。因此對t 的設置，需要很豐富的經驗。

針對時間戳抗重放方案需要嚴格的時鐘同步機制的缺陷，有人做了改進[2]，該改進方案不需要時鐘同步，具體過程如圖1：

圖1 具體過程

（1）發送者發起請求；

（2）接收者將本地時間TR 發送給發送者；

（3）發送者將T’=TR+t（t 為發送者從“發起請求”到“收到TR”的時延）、要發送的數據Data 一起發送給接收者；

（4）接收者收到消息后，將T’和當前的本地時間TR’做比較，如果DeltT=TR’-T’在一個可接受的延時范圍內，那么就認為是合法消息，否則認為是重放包，將消息丟棄。

4.4 遞增抗重放方案

遞增抗重放方案中“抗重放因子”為一個遞增的序列號，該方案僅可用于一問一答式的通信中，當發送者收到本次發送消息的回復后，才會繼續發送下一個消息。初始化時，發送者發送的序列號一定大于0，接收者本地存儲的序列號置為0；當接收者收到消息后，判斷消息中序列號的值是否大于本地存儲的序列號（網絡上有丟包），如果是，則接收、處理消息并將本地存儲的序列號更新為當前接收到的序列號，否則認為是重放消息，丟棄。

遞增抗重放方案的優點：接收者只存儲一個序列號，不占用存儲空間，并且判斷抗重放的邏輯簡單，計算簡單，時間短，維護也很簡單。同時由于序列號是遞增的，并且發送者收到某一個消息的回復后，才會繼續發送下一個消息，因此接收者能夠統計網絡上的丟包情況。

遞增抗重放方案的缺點：序列號不能進行翻轉，因此只能適用于通信量比較少的情況。當序列號遞增到最大值時，該通道必須斷開，重新進行通道連接，序列號從頭重新開始遞增。