第11讲-物联网网络层安全(二)

第5章物联网网络层安全2023/2/52/49学习目标本章介绍物联网网络层面临的安全威胁和安全需求，实现物联网网络层安全保护的机制。

网络层安全概述近距离无线接入（WLAN）安全远距离无线接入（3G，4G）安全物联网核心网安全2023/2/53/49课前回顾5.1物联网网络层安全概述5.2WLAN安全

5.2.1WLAN安全概述5.2.2有线等同保密协议WEP2023/2/54/49本节课学习内容5.2WLAN安全5.2.3健壮网络安全RSN5.2.4WLAN鉴别与保密基础结构WAPI5.33G/4G安全2023/2/55/495.2.2有线等同保密协议WEPWEP数据帧加密封装2023/2/56/495.2.2有线等同保密协议WEPWEP数据帧解密与校验2023/2/57/495.2.2有线等同保密协议WEPWEP的安全性RC4密码作为一种流密码，其安全程度取决于密钥流的随机程度。流密码密钥流的随机程度并不高，因此在安全上存在一定的风险。弱IV与密钥的特定字节有着潜在的联系，每个弱IV都会泄露密钥信息。72023/2/58如何基于公钥密码及成熟安全机制实现WLAN安全需求？82023/2/59/495.2.3健壮网络安全RSNWLAN安全标准的发展EAP:ExtensibleAuthenticationProtocolTKIP:TemporaryKeyIntegrityProtocolCCMP:Counter-mode/CBCMACProtocolWEP(WiredEquivalentPrivacy)802.11b,1999RC4WPA(Wi-FiProtectedAccess)WiFi,802.1X,EAP,TKIP

RSN(RobustSecurityNetwork)IEEE802.11i,2004802.1X,EAP,CCMP,TKIP,AES

WAPI(WLANAuthenticationand

PrivacyInfrastructure)GB15629.11-2003,20032023/2/510/495.2.3健壮网络安全RSNWEPv2－WPA：Wi-FiProtectedAccess无线保护接入WPA，基于预共享密钥认证对等实体，并从预共享密钥生成一个128比特加密密钥和另一个不同的64比特消息认证密钥，后者用于计算消息完整性验证码。WPA可选采用IEEE802.1X和扩展认证协议EAP对每一次关联实现更强的认证，并协商生成一个新鲜的共享密钥。2023/2/511/495.2.3健壮网络安全RSN无线保护接入WPAWPA采用临时密钥完整性协议TKIP实现数据保密性和完整性保护，仍使用RC4算法加密数据，但包括一个密钥混合函数和一个扩展的初始向量空间，用于构造非关联且新鲜的每包密钥。2023/2/512/495.2.3健壮网络安全RSNRSN：RobustSecurityNetworkIEEE于2004年推出了802.11的安全补充标准802.11i，定义了全新的WLAN安全基础架构：健壮安全网络RSN。在2007版IEEE802.11标准中补充更新了WLAN安全架构，标准中保留了向前兼容的WEP、以及TKIP认证与保密通信方式，并定义了健壮安全网络关联RSNA。2023/2/513/495.2.3健壮网络安全RSN1．RSNA建立方法1：基于IEEE802.1X建立RSNA，实现认证与密钥管理。2023/2/514/495.2.3健壮网络安全RSN1．RSNA建立方法2：基于预共享密钥PSK(Pre-SharedKey)建立RSNA，实现认证和密钥管理。基本过程与方法1一致，不同之处是不需要密钥协商，直接使用预共享密钥PSK作为初始主密钥PMK。2023/2/515/495.2.3健壮网络安全RSN2．认证RSNA无线网络安全协议栈802.1X(EAPoL)2023/2/516/495.2.3健壮网络安全RSN(1)IEEE802.1X一种基于端口的网络接入控制协议，提供一种对入网设备的认证机制。定义了在IEEE802网络上封装扩展认证协议EAP，即EAPoL协议，并支持WLAN。包括3个部分：请求者(STA)，认证者(AP等)和认证服务器。在认证通过之前，802.1X只允许EAPoL数据帧通过AP/交换机的设备端口。二层协议，无需高层支持，适合WLAN认证与接入控制。2023/2/517/495.2.3健壮网络安全RSN(1)IEEE802.1X工作原理2023/2/518/495.2.3健壮网络安全RSN(2)扩展认证协议EAP扩展认证协议EAP是一种认证框架，由RFC3748定义。支持多种认证方法，如EAP-MD5、EAP-TLS、EAP-IKEv2等。通过使用具体的EAP方法协商产生密钥及传递参数。EAP-TLS即为一种具体的认证方法，在RFC5216中定义，它使用强安全认证协议TLS，采用EAP框架交换协议消息，使用PKI实现基于公钥证书的请求者与认证者双向认证。2023/2/519/495.2.3健壮网络安全RSN(3)RSAN认证过程2023/2/520/495.2.3健壮网络安全RSNAP从STA接收到的所有EAP帧被从EAPoL格式解封并转化为标准EAP帧，由高层负责针对AS认证协议重新封装，如对于使用RADIUS的认证服务器AS按RADIUS协议格式封装，转发给AS。反之亦然。通常AP与RADIUS服务器拥有共享密钥，用于加密保护AP与AS之间交换认证消息。通过EAP-TLS方法完成STA与AS之间认证，在STA与AS之间协商产生共享主密钥PMK(PairwiseMasterKey)。AS将PMK通过加密的EAPSuccess消息安全地传递给AP，此时，完成了STA与AP(通过AS)之间相互认证，并拥有共享密钥PMK。2023/2/521/495.2.3健壮网络安全RSN3.密钥管理协议RSNA采用4次握手协议在STA与AP之间协商产生和更新共享临时密钥，以及密钥使用方法。计算PTK计算PTK2023/2/522/495.2.3健壮网络安全RSN四次握手协议实现STA与AP之间基于PMK交换产生会话密钥PTK(PairwiseTransientKey)。通过四次握手协议，使得双方确认对方正确持有PMK，并通过交换随机数，产生共享的会话密钥PTK。消息2、3、4都使用了消息完整性码MIC保护消息。计算MIC使用从PTK中导出的密钥确认密钥KCK。2023/2/523/495.2.3健壮网络安全RSN会话密钥PTK基于伪随机函数，使用STA与AP交换的随机数SNonce、ANonce，以及网络地址计算得出，并分解为三个子密钥：密钥确认密钥KCK(KeyConfirmationKey)：128比特，用于计算MIC等。密钥加密密钥KEK(KeyEncryptionKey)：128比特，用于加密其他密钥，如加密组密钥GTK进行组密钥分发。临时密钥TK(TemporalKey)：使用CCMP时长度为128比特，使用TKIP时长度为256比特，用于数据保密。2023/2/524/495.2.3健壮网络安全RSN组密钥GTK(GroupTransientKey)使用两次握手协议分发AP使用KEK加密GTK，分发给合法的STA。STA验证消息完整性后本地安装GTK，并返回一个确认消息。AP周期性调用4次握手协议或两次握手组密钥分发协议，重新协商会话密钥PTK或分组组密钥GTK。2023/2/525/495.2.3健壮网络安全RSN4.RSNA数据保密协议STA与AP完成认证后，使用数据保密协议保护802.11数据帧。802.11定义了两类数据保密和完整性协议TKIP:TemporalKeyIntegrityProtocolCCMP:CountermodewithCipher-blockchainingMessageauthenticationcodeProtocol。CCMP核心加密算法采用128比特密钥长度和128比特分组长度的AES算法，提供了数据保密、认证和完整性保护，以及重放保护，CCMP保护MAC协议数据单元MPDU的数据域部分和802.11帧头部。2023/2/526我国自主知识产权的WLAN安全机制262023/2/527/495.2.4WLAN鉴别与保密基础结构WAPI中国的WLAN国家标准（强制实施）GB15629.11-2003《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范》GB15629.1102-2003《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分：无线局域网媒体访问(MAC)和物理(PHY)层规范：2.4GHz频段较高速物理层扩展规范》GB15629.11-2003/XG1-2006《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范第1号修改单》2023/2/528/495.2.4WLAN鉴别与保密基础结构WAPI中国的WLAN国家标准（强制实施）GB15629.1101-2006《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：5.8GHz频段高速物理层扩展规范》GB/T15629.1103-2006《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：附加管理域操作规范》GB15629.1104-2006《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：2.4GHz频段更高数据速率扩展规范》2023/2/529/495.2.4WLAN鉴别与保密基础结构WAPIGB15629.11中定义了WLAN鉴别与保密基础结构WAPI，包括两个部分：WLAN鉴别基础结构WAI(WLANAuthenticationInfrastructure)WLAN保密基础结构WPI(WLANPrivacyInfrastructure)WAPI使用椭圆曲线ECC公钥密码算法，以及国家密码办指定的商用对称密码算法，分别实现对WLAN实体的鉴别和传输数据加密保护。2023/2/530/495.2.4WLAN鉴别与保密基础结构WAPIWAI采用公钥密码体制，重新定义了数字证书结构实现实体身份与公钥的绑定，实现实体间认证和密钥协商，且证书格式与X.509不兼容。WAI鉴别与密钥协商过程5.33G安全机制3G基本概念3G标准3G安全体系结构3G安全问题范畴3G系统的防范策略3G（UMTS）认证与密钥协商协议3G系统安全特性优缺点3G概念第三代移动通信技术(3G)是指支持高速数据传输的移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息(电子邮件、即时通信等)。3G的代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百kb/s以上。3G标准

TD-SCDMA3G标准W-CDMACDMA2000WiMAXWiMAX的全名是微波存取全球互(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)，又称为802·16无线城域网全称为TimeDivision-SynchronousCDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准CDMA2000是由窄带CDMA(CDMAIS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier全称为WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频码分多址复用，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范3G安全体系结构3G系统是在2G系统基础上发展起来的，它继承了2G系统的安全优点，摒弃了2G系统存在的安全缺陷，同时针对3G系统的新特性，定义了更加完善的安全特征与安全服务。3GPP将3G网络划分成3层：应用层、归属层/服务层、传输层。3G安全问题范畴3G安全问题范畴网络接入安全网络域安全用户域安全应用域安全安全特性的可视性及可配置能力3G安全问题范畴(1)网络接入安全。提供安全接入服务网的认证接入机制并抵御对无线链路的窃听篡改等攻击。这一部分的功能包括用户身份保密、认证和密钥分配、数据加密和完整性等。其中认证是基于共享对称密钥信息的双向认证，密钥分配和认证一起完成(AKA)。(2)网络域安全。保证网内信令的安全传送并抵御对有线网络及核心网部分的攻击。网络域安全分为3个层次。①密钥建立②密钥分配③安全通信3G安全问题范畴(3)用户域安全。用户服务识别模块是一个运行在可更换的智能卡上的应用程序。用户域安全机制用于保护用户与用户服务识别模块之间，以及用户服务识别模块与终端之间的连接。包括两部分①用户到用户服务身份模块(USIM)的认证②USIM到终端的连接。(4)应用域安全。用户域与服务提供商的应用程序间能安全地交换信息。USIM应用程序为操作员或第三方运营提供商提供了创建驻留应用程序的能力，需要确保通过网络向USIM应用程序传输信息的安全性，其安全级别可由网络操作员或应用程序提供商根据需要选择。3G安全问题范畴(5)安全特性的可视性及可配置能力。安全特性的可视性指用户能获知安全特性是否正在使用，服务提供商提供的服务是否需要以安全服务为基础。确保安全功能对用户来说是可见的，这样用户就可以知道自己当前的通信是否已被安全保护、受保护的程度是多少。3G系统的防范策略(一)实体认证①3G系统完成了网络与用户之间的双向认证②3G系统增加了数据完整性，以防纂改信息等主动攻击③认证令牌AUTN中包括序列号SQN，保证认证最新性(二)身份保密①使用临时身份TMSI②使用加密的永久身份IMSI3G系统的防范策略(三)数据保密在无线接入链路上仍然采用分组密码流对原始数据加密，采用了f8算法，它有5个输入3G（UMTS）认证与密钥协商协议UMTS提供的接入安全是GSM相关安全特性的超集，它相对于GSM的新安全特性是用于解决GSM中潜在的安全缺陷。UMTS的安全架构解决了GSM安全问题.3G（UMTS）认证与密钥协商协议函数f1、f2、f3、f4和f5为UMTS标准中定义的单向函数。PRNG是伪随机数生成器。UMTS中的认证向量及AUTN令牌的构成3G（UMTS）认证与密钥协商协议3G认证与密钥协商协议(3GAKA)中参与认证和密钥协商的主体有用户终端(ME/USIM)、被访问网络(VisitorLocationRegister/ServicingGPRSSupportNode,VLR/SGSN)和归属网络(HomeEnvironment/HomeLocationRegister,HE/HLR)。在3GAKA协议中，通过用户认证应答(RES)实现VLR对ME的认证，通过消息鉴别码(MAC)实现ME对HLR的认证，以及实现了ME与VLR之间的密钥分配，同时每次使用的消息鉴别码MAC是由不断递增的序列号(SQN)作为其输入变量之一，保证了认证消息的新鲜性，从而确保了密钥的新鲜性，有效的防止了重放攻击。3G（UMTS）认证与密钥协商协议3G认证和密钥协商（AKA）过程3G（UMTS）认证与密钥协商协议3G认证和密钥协商过程如下：⑴移动终端(ME/USIM)向网络发出呼叫接入请求，把身份标识(IMSI)发给VLR。⑵VLR收到该注册请求后，向用户的HLR发送该用户的IMSI，请求对该用户进行认证。⑶HLR收到VLR的认证请求后，生成序列号SQN和随机数RAND，计算认证向量AV发送给VLR。其中，AV=RAND||XRES||CK||IK||AUTN。

如何计算AV各字段？3G（UMTS）认证与密钥协商协议①XR