網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全接入認證方法探討

以太網(wǎng)(企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng))、無線通信網(wǎng)(蜂窩電話、WiFi)和電力線通信(PLC)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由服務(wù)器或基站以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，批量生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)容量進行組裝。為了得到一個受控的高可靠性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開發(fā)人員面臨兩大設(shè)計挑戰(zhàn)：必須對所有連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行認證；允許通過服務(wù)器進行遠程升級。

對接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行授權(quán)認證非常困難。未經(jīng)許可的設(shè)備可能會通過破環(huán)系統(tǒng)性能、干擾用戶從而直接危害到供應(yīng)商的收益。但是，網(wǎng)絡(luò)認證功能同時也為供應(yīng)商提供了二次商機，即通過服務(wù)器對購買升級功能的用戶設(shè)備進行升級。

幾大網(wǎng)絡(luò)認證方法比較

認證過程是建立兩個目標(這里指服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)之間身份鑒定的過程。認證過程必須避免未經(jīng)授權(quán)的制造商或克隆廠商從事的偽造或仿真活動。身份認證的最佳途徑是采用系統(tǒng)令牌，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理器結(jié)合認證令牌進行通信，從而對設(shè)備進行鑒定。通過適當配置認證令牌限制設(shè)備的接入，最終達到杜絕假冒偽劣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入。

本地網(wǎng)的服務(wù)器距離網(wǎng)絡(luò)設(shè)備近，很難通過制造商進行升級。例如，帶有附屬模塊(例如墨盒)的打印機，其中，服務(wù)器是打印機中的微處理器，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就是那些模塊。

遠程網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器工作環(huán)境安全，但是服務(wù)供應(yīng)商保持對其的接入權(quán)限。遠程網(wǎng)絡(luò)存在一些如不安全的通信鏈路等潛在問題，但其確實為實際應(yīng)用提供了便利：根據(jù)中心服務(wù)器的判定，可以在完成網(wǎng)絡(luò)安裝后進行擴容和偵測網(wǎng)絡(luò)的攻擊者(圖1)。

圖1: 設(shè)備交付用戶使用后，網(wǎng)絡(luò)運營商通常無權(quán)接入局域網(wǎng)(左側(cè)) ；遠程網(wǎng)絡(luò)(右側(cè))即使在交付用戶使用后也具有接入權(quán)限。

認真研究遠程服務(wù)器的工作環(huán)境，對照幾種接入控制的成本和優(yōu)勢，可以使你在具體系統(tǒng)中應(yīng)用到最佳的認證方法。認證方案包括：簡單的密碼認證、對稱密鑰認證、公鑰認證、散列認證等。以下內(nèi)容還討論了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級功能的優(yōu)勢。

簡單的密碼認證 最簡單的認證方法就是判斷密碼是否正確。這種方法成本最低，因為不需要額外的硬件或軟件支持加密/認證算法。由于密碼為透明傳輸，即通過通信鏈路傳輸，很容易被截取并在以后復制(圖2)，由此可見，簡單的密碼檢驗方案的安全性很差。

圖2: 密碼檢驗的第3步通信容易造成密鑰被竊取

對于基本的密碼認證來說，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器必須有一個公認的密鑰，如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有一個唯一的識別碼，可以利用該識別碼構(gòu)成設(shè)備唯一的密鑰。

對稱密鑰認證 利用加密算法將安全信息從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送到服務(wù)器，安全設(shè)備需要將加密密鑰編程到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。實際應(yīng)用中有兩種類型的加密密鑰：對稱密鑰和非對稱密鑰(公鑰/私鑰)。對稱密鑰在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上共用同一密鑰(圖3)。

圖3: 對稱密鑰認證中，隨機質(zhì)詢可以避免重復的響應(yīng)通信

利用處理器實現(xiàn)這一認證比較簡單，但比簡單的密碼檢驗要繁瑣。由于服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)經(jīng)過加密，無法被攻擊者仿真，這種方法具有較高的安全性。另一方面，對稱加密算法通常僅采用簡單的運算，例如“或”運算和移位，具體實施成本并不高，利用微處理器即可實現(xiàn)。

該方案的前提是：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器必須具備公用的對稱加密密鑰，如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有唯一的識別碼，則可利用識別碼構(gòu)成設(shè)備的唯一密鑰。

非對稱密鑰認證 非對稱加密系統(tǒng)(公鑰/私鑰)不共用同一密鑰，每臺設(shè)備包含一個私鑰和一個公鑰。證書可以安裝到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以便驗證其授權(quán)。由于公鑰/私鑰算法涉及到大量的計算，實施方案需要占用較大的存儲空間和CPU資源，成本較高(圖4)。例如，RSA公鑰加密需要模冪運算。另外，還需要注意采用這類加密算法的器件受美國政府的出口限制。

該方案的前提是：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須裝載包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公鑰的證書，用服務(wù)器私鑰加密。用服務(wù)器公鑰解密后，可以驗證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的合法性。

基于散列算法的認證 散列(Hash)算法是將一串字符轉(zhuǎn)換成較短的、固定長度的數(shù)值或加密信息，以此代表原來的字符串。散列加密(特別是安全散列算法將其部分輸入作為密鑰)也可用于認證(圖5)。

將部分輸入作為密鑰時，產(chǎn)生的結(jié)果稱為信息認證代碼(MAC)。散列加密算法具備以下特征：具有較高的雪崩效應(yīng)，輸入很小的變化即可導致顯著的輸出變化；必須具備較好的單向性(不可逆)，從輸出數(shù)據(jù)無法推導出輸入信息；最后，還必須能夠避免沖突，兩個不同的散列輸入不能產(chǎn)生相同的散列輸出。典型的散列算法(移位、異或、與)占用較少的系統(tǒng)資源，實施成本較低。

該方案的前提是：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器必須有一個共用密鑰，用于MAC散列加密計算。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有唯一的識別碼(ID)，ID可以用作設(shè)備的唯一密鑰。

散列算法的實現(xiàn) 為了嵌入加密散列算法，例如SHA-1，可以選擇：微處理器、ASIC、FPGA或廠商提供的專用器件(表1)。這些器件都可以作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的認證令牌進行散列認證。如圖5所示，通過執(zhí)行嵌入在器件內(nèi)部的SHA-1加密散列運算，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器共同產(chǎn)生MAC。

表1： Maxim的SHA-1存儲器件

SHA-1是聯(lián)邦信息委員會出版的180-1和180-2 (FIPS 180-1、FIPS 180-2)以及ISO/IEC 10118-3定義的一種公共標準。目前使用的SHA散列算法是FIPS批準的散列認證方法。由于SHA-1滿足上述三項原則(不可逆、防沖突、較好的雪崩效應(yīng))而成為普遍使用的一種算法。

遠程升級功能

Maxim器件的認證協(xié)議提供一個32字節(jié)授權(quán)數(shù)據(jù)頁，它可以用于軟件管理或其他控制。對于給定的硬件平臺，可以選擇軟件功能。授權(quán)頁的數(shù)據(jù)可以指定啟用哪些功能。Maxim的SHA-1存儲器需要一個SHA-1 MAC完成EEPROM存儲器的寫操作，這一操作還要求服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行認證。利用這一功能，即使在沒有安全保護措施的網(wǎng)絡(luò)上也可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程升級。進行寫操作時，SHA-1 MAC需要包括原存儲器數(shù)據(jù)、新的存儲器數(shù)據(jù)以及唯一的器件ID。

該加密技術(shù)的關(guān)鍵是把部分應(yīng)用存儲器數(shù)據(jù)作為“隨機數(shù)”。寫MAC實現(xiàn)功能升級時需要包含原功能數(shù)據(jù)、原隨機數(shù)、新功能數(shù)據(jù)、新隨機數(shù)以及唯一的器件ID。得到不可重復的、唯一的升級事件計算結(jié)果寫入經(jīng)過認證的器件。圖6所示為寫存儲器MAC的SHA-1 MAC輸入，圖7所示為升級時序。

圖6

圖7: 在遠程升級之前和之后執(zhí)行散列認證，確認目標設(shè)備已經(jīng)過授權(quán)，完成升級過程。

應(yīng)用實例

以下給出了實際系統(tǒng)中基于SHA-1的安全器件的工作原理(圖8)。圖中利用DS28CN01認證令牌實現(xiàn)雙向認證，通過I2C接口與主機通信。這種情況下，主處理器為網(wǎng)絡(luò)控制器，與基站進行數(shù)據(jù)通信，基站與連接到DS28CN01的微處理器進行通信。微處理器產(chǎn)生部分隨機質(zhì)詢碼，主機提供另一部分隨機碼，從而完成主機令牌認證。該技術(shù)可以避免主機產(chǎn)生質(zhì)詢-響應(yīng)對而對其他系統(tǒng)造成混淆。

圖8: 雙向認證不需要安全網(wǎng)絡(luò)連接

基站認證 主機創(chuàng)建7字節(jié)隨機質(zhì)詢碼和所要求的頁碼，將其發(fā)送給基站#1的微處理器。基站#1的微處理器通過I2C接口與DS28CN01通信，轉(zhuǎn)發(fā)隨機質(zhì)詢碼并在所選擇的頁面計算頁MAC。計算頁MAC將利用頁數(shù)據(jù)、唯一的ROM ID和密鑰進行SHA-1運算?；?1微處理器從DS28CN01重新得到MAC、頁數(shù)據(jù)和唯一的ROM ID，并將它們通過非安全鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給主機。主機進行相同的SHA-1計算，驗證基站#1返回的MAC是否正確。如果不匹配，主機將拒絕基站#1的網(wǎng)絡(luò)接入。

主機認證 首先執(zhí)行基站認證過程，基站#1的微處理器產(chǎn)生3字節(jié)質(zhì)詢碼并將其通過非安全通信鏈路發(fā)送給主機；主機產(chǎn)生4字節(jié)質(zhì)詢，與基站的3字節(jié)質(zhì)詢碼相組合，產(chǎn)生7字節(jié)質(zhì)詢碼。這個7字節(jié)數(shù)據(jù)和基站認證中的頁數(shù)據(jù)、ROM ID一起進行SHA-1運算，產(chǎn)生頁MAC。該MAC和主機產(chǎn)生的4字節(jié)質(zhì)詢碼隨后送回基站#1的微處理器。

基站#1微處理器提取附加的4字節(jié)質(zhì)詢碼，結(jié)合它發(fā)送給主機的3字節(jié)質(zhì)詢，得到一個7字節(jié)質(zhì)詢碼，利用原先基站認證中的頁面，在DS28CN01中計算頁MAC。隨后，將其與主機發(fā)送的MAC結(jié)果進行比較。如果不匹配，基站將屏蔽主機的功能選項。