移动可信接入轻量级认证与评估协议Word文档格式.docx

1、为了保障终端接入网络时的安全，可信连接架构（trusted network connection architecture, tca）3制定了身份认证协议和平台鉴别评估协议，保证接入网络的终端发送的信息是可信的，且不存在被攻击的终端提供虚假信息的可能。然而tca协议通信频繁，计算量大，需要通过多轮次计算、数据交互和验证才能完成，对网络质量和终端平台计算能力要求较高，对移动终端和无线通信网络来说，实现难度较大4。本文针对这种情况，提出适合移动终端的轻量级接入认证与评估协议。该协议充分考虑了移动终端自身计算能力、无线网络稳定性和传输速率等因素，在保证认证与评估过程完整性和可靠性的前提下，降低网络通

2、信的数据量，减少交互步骤，做到快速认证与评估，同时保证协议的健壮性和可用性。1 tca协议 以沈昌祥5、张焕国等6组成的中国可信计算规范标准起草小组，对我国可信网络连接规范做了深入的研究，提出了基于三元对等鉴别的访问控制方法，在国际tnc（trusted network connect）规范7的基础上，增强了对策略执行点的保护，提出了三元对等可信网络连接规范tca3，其架构如图1所示。tca存在三个实体：访问请求者（access requestor, ar）、访问控制器（access controller, ac）和策略管理器（policy manager, pm）。从上至下分为三个抽象层：完

3、整性度量层、可信平台评估层和网络访问控制层。ar和ac都具有可信密码模块tpm（trusted platform module）8-9，为计算平台提供可信密码支撑、平台完整性以及平台身份可信验证功能。ar请求接入受保护网络，ac控制ar对受保护网络的访问。pm对ar和ac进行集中管理。ar、ac基于pm来实现ar和ac之间的双向身份认证和平台鉴别评估，pm在身份认证和平台鉴别评估过程中充当可信第三方，为ar和ac发放平台身份密钥（platform identity key, pik）10证书，并对证书进行管理。1）网络访问控制层。ar的访问请求者、ac的访问控制者基于pik证书，执行身份认证协

4、议实现双向身份认证，其中pm的鉴别策略服务者作为可信的第三方提供身份认证服务。2）可信平台评估层。ar的可信网络连接客户端和ac的可信网络连接服务端在pm评估策略服务者的配合下，根据完整性度量层收集到的平台完整性度量值，执行可信平台鉴别评估协议，实现ar和ac之间的双向可信平台鉴别评估。3）完整性度量层。ar和ac的完整性度量收集者收集两者平台完整性度量值，由pm的完整性度量校验者校验平台完整性度量值，并通过接口if imv（integrity measurement verifier interface）3为可信平台评估层服务。现有tca认证与评估协议存在以下问题：1）该协议是一个多轮协议，

5、需要ar、ac和pm三方参与，且数据交互次数繁多，在认证过程中如果因网络中断导致鉴别过程终止，则整个评估过程需要重新开始，导致网络开销过大；2）协议存在多次公私钥加解密运算，对于计算能力相对有限的移动终端计算平台来说，是个巨大挑战；3）ar和ac的平台状态信息在协议交互过程中没有保护措施，双方的平台配置情况容易暴露给除pm之外的第三方。为了解决上述问题，提出轻量级认证与评估协议。该协议的核心思想是，当ar首次接入网络时，执行tca协议中完整的身份认证协议和平台鉴别评估协议。当ar再次接入网络时，根据终端的安全状况与平台的完整性状况，简化认证接入过程，基于首轮协议执行完毕后双方共享的秘密信息，不

6、需要可信第三方pm的参与，执行快速认证与评估。2 轻量级身份认证协议 在网络访问控制层，当ar首次接入网络时，ar和ac之间的身份认证协议采用wapi（wlan authentication and privacy infrastructure）三元认证鉴别协议11-12。由pm验证ar和ac的平台身份证书和私钥签名，确认平台身份，并返回两者的验证结果，ar和ac根据身份验证结果决定是否启动进一步的平台可信鉴别评估。并且，根据wapi规范，在身份认证完成之后，ar和ac进行密钥协商，协商出的密钥可以作为双方的通信会话密钥或者身份认证密钥使用。轻量级身份认证协议建立在首轮身份认证成功的基础上。当

7、ar再次需要接入网络时，实施轻量级身份认证协议，在无需pm参与的情况下完成双向身份认证。该协议实施需要以下前提。 1）协议以 wapi 密钥协商生成的身份认证密钥k rc 作为共享秘密。 ar 的k rc 保存在 tpm 模块的密钥保护区， ac 的k rc 保存在具有保护措施的密钥数据库内。2）在首次认证成功之后双方均保存对方 pik 证书cert ar 和cert ac 。3）首次身份认证完成后必须更新双方的共享秘密k rc 。在规定的认证密钥有效期或交换一定数量的数据之后， ar 与 ac 之间可重新进行认证密钥的协商。轻量级身份认证协议如图2所示。具体描述如下。 1） ac ar :r

8、1,ts。当 ar 意图接入网络时， ac 生成认证挑战随机数r1，时间戳ts，发送至 ar 作为身份认证请求。2） ar 首先验证tsts tast ，ts tast 代表上次认证时间戳。如表达式值为真， ar 利用 tpm 模块生成应答随机数r2，并计算v1,同时更新ts tast =ts。v1=hash（r1k rc cert ar ）（1） 其中：hash（x）代表基于共享秘密k rc 对消息x进行单向哈希运算，k rc 代表在首次认证之后经认证密钥协商出的共享秘密，cert ar 代表 ar 的平台身份证书。3） ar ac :v1,r2。 ar 向 ac 发送身份认证值v1和应答随

9、机数r2。4） ac 根据式（1）验证计算v1。由于认证密钥k rc 是 ar 和 ac 之间的共享秘密，因此只有合法的 ar 和 ac 可以根据式（1）计算出v1。如验证失败，认证过程结束， ac 拒绝 ar 接入网络；否则， ac 计算身份认证值v2=hash（r2k rc cert ac ），cert ac 为 ac 的平台身份证书。5） ac ar :v2。 ac 向 ar 发送v2。6） ar 验证v2的值。如认证失败， ar 认为 ac 的身份不可信，可以选择不接入网络；否则，身份认证成功， ar 可以进行进一步的平台鉴别评估。3 轻量级平台鉴别评估协议 在可信平台评估层，当ar与

10、ac完成双向身份认证之后，要进行平台可信鉴别评估。评估双方收集自身平台的平台配置信息，即平台配置寄存器（platform configuration register, pcr）请补充其中文名称和英文全称。值，经pik私钥签名后，连同完整性度量日志，pik证书等内容发送至pm，pm经过验证和评估后，给出评估结果，并对评估结果签名，发送至ac。ac对评估结果签名进行验证，做出访问决策，并向ar转发pm的评估结果及签名。ar验证pm的签名，同样根据评估结果做出访问决策。轻量级平台鉴别评估协议也建立在首轮平台鉴别评估成功的基础上。当ar再次接入网络时实施轻量级平台鉴别评估协议，在无需pm参与的情况下

11、完成平台鉴别与评估。需要说明的是，在移动终端成功通过首轮平台鉴别评估接入到网络，直至再次请求接入网络的时间间隔内，可能出现平台遭受攻击（如感染病毒、木马、恶意代码修改程序）的情况，这种平台状态环境变化在轻量级平台鉴别评估过程中能够发现，这时要求重新进行完整的首轮平台鉴别评估协议。该协议实施需要以下前提： 1）协议以 wapi 中密钥协商生成的身份认证密钥k rc 作为 ar 与 ac 的共享秘密；2）首轮鉴别与评估成功后， ar 和 ac 各自保存对方的平台配置信息的哈希值m。m=hash（vlogcert）（2） v代表经认证方平台 pik 私钥签名的平台配置 pcr 值，log代表平台完整

12、性度量日志，cert代表平台身份 pik 证书。如果下次评估时平台提交的哈希值与首轮中保存的哈希值不一致，则认为平台不可信。轻量级平台鉴别评估协议如图3所示。ts,n1,r1,parms ar 。 ac 向 ar 发送平台鉴别请求，以启动整个平台鉴别过程。请求消息包含时间戳ts,挑战随机数n1、r1以及对 ar 的组件度量请求参数列表parms ar 。其中ts由 ac 的 tpm 模块生成，parms ar 内容由 ac 根据自己的平台鉴别策略生成。2） ar 收到鉴别请求后，首先检查ts以防范重放攻击，并利用 tpm 模块生成随机数n2和r2。接下来根据parms ar 的参数，通知自己完

13、整性度量层的完整性度量收集者（ integrity measurement collector, imc ）请补充其中文名称和英文全称。收集相应的平台状态信息，获得相关的 pcr 值pcr ar ，并用自己的平台身份 pik 私钥对pcr ar 签名，得到v ar =pcr ar sign ar 。接着提取完整性度量日志log ar 和平台身份证书cert ar ，利用式（2）进行哈希运算m ar =hash（v ar log ar cert ar ）。使用加密密钥k rc 1 加密m ar ，得到r1,m ar ek rc 1 ，其中加密密钥k rc 1 的计算如式（3）：k rc i =h

14、ash（n ik rc ）（3） k rc 是鉴别双方在第3章中提到的认证密钥，n i是对方发送过来的随机数，i代表第i次平台鉴别评估过程。加密密钥k rc i 根据共享密钥k rc 产生，保证在协议交换数据过程中实现一次一密。parms ac ,n2,r2,r1,m ar ek rc 1 。 ar 将对 ac 的组件度量请求列表parms ac ,随机数n2,r2,r2,m ar ek rc 1 发送至 ac 。4） ac 根据式（3），使用认证密钥k rc 和n1计算k rc 1 ，解密r1,m ar ek rc 1 ，得到m ar ；验证r1的值成功后，比较m ar 和首次鉴别协议完成后

15、保存的 ar 哈希值，如两者哈希值一致，表明 ar 的平台状态是完整的，没有被篡改；否则，认为 ar 的平台完整性遭到了破坏。 ac 根据验证结果，生成对 ar 的访问决策dec ac 。接下来， ac 按照步骤2）中 ar 的方法计算m ac =hash（v ac log ac cert ac ）。v ac =pcr ac sign ac ，v ac 是 ac 平台身份私钥对自身平台pcr值的签名，log ac 是 ac 平台的完整性度量日志，cert ac 是 ac 平台身份证书。 ac 使用收到的n2计算k rc 2 =hash（n2k rc ）。使用k rc 2 加密r2,m ac 和

16、 ac 的访问决策dec ac ，得到r2,m ac ,dec ac ek rc 2 ，并生成随机数n3。n3，r2,m ac ,dec ac ek rc 2 。 ac 将n3，r2,m ac ,dec ac ek rc 2 发送至 ar 。6） ar 根据n2计算出k rc 2 ，解密r2,m ac ,dec ac ek rc 2 。验证r2的值成功后，将m ac 与首次鉴别协议完成后保存的 ac 哈希值进行比较，验证 ac 的平台完整性，并根据验证结果， ar 生成对 ac 的访问决策dec ar 。接下来， ar 利用收到的随机数n3,生成密钥k rc 3 =hash（n3k rc ）。

17、使用认证密钥k rc 3 加密 ar 的访问决策dec ar ,得到dec ar ek rc 3 。7） ar ac :dec ar ek rc 3 。 ar 将dec ar ek rc 3 发送至 ac 。8） ac 根据n3计算k rc 3 并解密dec ar ek rc 3 ，得到 ar 的访问决策dec ar 。 ar 和 ac 根据各自的访问决策dec ac 和dec ar ,决定进一步的网络访问行为。至此，轻量级双向平台鉴别评估过程结束。4 安全与性能分析 4.1 基于ban逻辑的安全性形式化分析 本文基于ban（burrows, abadi and needham）逻辑对轻量级身

18、份认证协议以及平台鉴别评估协议的安全性进行分析。ban逻辑是常用的协议形式化分析工具， 其逻辑符号说明如下：px表示p相信x；#（x）表示x是新的；p x表示p对x有仲裁权；p kq表示p、q之间共享k；p x表示p看到过x；p|x表示p曾说过x。ban逻辑的几条推理规则如下： 1）消息含义规则。对于共享密钥，如果有pq kp,p x k，则p q| x。2）临时值验证规则。如果有p#（x）,pq|x，则pqx。3）仲裁规则。如果有pq x,pqx，则px。4）信仰规则。如果有px,py，则p（x,y）。如果有p（x,y），则px。如果有pq（x,y），则pqx。5）新鲜性规则。如果有p#（x

19、），则p#（x,y）。4.1.1 轻量级身份认证协议形式化分析 根据第2章的身份认证协议描述，建立协议的理想化模型： 1） ac ar ：r1;2） ar ac ：r2,r1,k rc ,cert ar k rc ；3） ac ar ：r2,k rc ,cert ac k rc 。再根据该协议实施前的初始条件，得到初始化假设。 ac | ac k rc ar 。 ar | ac k rc ar 。假设和表明k rc 是 ac 和 ar 之间的共享密钥。 ar | ac cert ac 。 ac | ar cert ar 。假设和表明 ac 和 ar 相信对方对自身身份证书拥有仲裁权。 ac |

20、#r1。 ar |#r2。这里r1和r2分别由 ac 和 ar 产生。协议的目标是得到 ac cert ar 以及 ar cert ac ,即通过双向的身份认证协议，双方都能够验证基于平台身份证书的对方的身份是合法的。分析推理过程如下：在理想化模型2）中，有 ac r1,k rc ,cert ar k rc ，再由初始化假设 ac | ac k rc ar ，根据消息含义规则，得到： ac ar |r1,k rc ,cert ar （4） 由初始化假设 ac |#r1以及新鲜性规则，得到： ac #r1,k rc ,cert ar （5） 根据临时值验证规则，由式（4）和式（5），得到： ac

21、 ar r1,k rc ,cert ar （6） 根据信仰规则和式（6），得到： ac ar cert ar （7） 再有初始化假设 ac | ar cert ar ，根据仲裁权规则，得到 ac cert ar 。在理想化模型3）中，按上述方法同理可证 ar cert ac 。故身份认证协议实现了预期目标，安全性得以保证。4.1.2 轻量级平台鉴别评估协议形式化分析 根据第3章的平台鉴别评估协议描述，简化后建立协议的理想化模型：1） ac ar ：n1,r1；n2,r2,r1,m ar k rc 1 ；r2,m ac ,dec ac k rc 2 。再根据该协议实施过程中的初始条件，得到初始化

22、假设。 ar | ac k rc 1 ar 。根据第3章协议步骤2）， ar 相信一次一密密钥k rc 1 ，因为k rc 1 由 ar 计算生成。 ac | ar ac k rc 1 ar 。根据协议内容，由于k rc 1 由 ar 产生，所以 ac 相信 ar 对k rc 1 有仲裁权。 ac | ac k rc 2 ar 。根据第3章中协议步骤4）， ac 相信一次一密密钥k rc 2 ，因为k rc 2 由 ac 计算生成。 ar | ac ac k rc 2 ar 。根据协议内容，由于k rc 2 由 ac 产生，所以 ar 相信 ac 对k rc 2 有仲裁权。 ar | ac m

23、 ac 。 ac | ar m ar 。假设和和表明 ac 和 ar 相信对方对自身的平台配置信息拥有仲裁权。 ac |#r1； ac |#n1。 ar |#r2； ar |#n2。 在理想化模型2）中，协议的目标如下：指代不明确，具体指哪个部分？请明确。是否应该改为“协议的目标如下：1）；2）”这样的描述方式？得到 ac ac k rc 1 ar ，即 ac 验证k rc 1 是本次通信过程中双方共享的一次一次的密钥,验证k rc 1 的过程也就是鉴别 ar 平台合法性的过程；得到 ac m ar ,即 ac 相信由 ar 发送的平台配置信息m ar 是合法的。同理，在理想化模型3）中，协议

24、的目标如下：得到 ar ac k rc 2 ar ；得到 ar m ac 。在理想化模型2）中，由协议内容可知， ac 收到消息后，根据第3章中的式（3）k rc i =hash（n ik rc ）还原计算k rc 1 ，这说明： ac | ar | ac k rc 1 ar （8） 即 ac 相信一次一密密钥k rc 1 是由 ar 计算生成。由初始化假设 ac |#n1，以及式（3）正文中的公式，不是按照每章中出现的顺序进行编号，而是按照在正文中出现的顺序，按照“（1）、（2）、（3）”的顺序进行编号。已重新对公式进行了编号，这个式（3）是指代哪个公式，请参照现在的公式编号，指明是哪个公式

25、？和新鲜性规则，有： ac |# ac k rc 1 ar （9） 由式（8）和式（9），根据临时值验证规则，有： ac | ar | ac k rc 1 ar （10） 由初始化假设 ac | ar ac k rc 1 ar 和式（10），根据仲裁权规则，有： ac | ac k rc 1 ar （11） 故目标得证。由理想化模型2）的内容，有 ac r1,m ar k rc 1 ，结合 式（11） ac | ac k rc 1 ar 和消息含义规则，有： ac | ar |r1,m ar （12） 由初始化假设 ac |#r1和新鲜性规则，得到： ac |#r1,m ar （13） 根据临时值验证规则，由式（12）和（13），得到： ac | ar |r1,m ar （14） 根据信仰规则和式（14），得到： ac | ar |m ar （15） 再根据初始化假设 ac | ar m ar 和仲裁规则，得到 ac m ar ，目标得证。在理想化模型3）中，根据同样推理过程，可以证明目标 ar ac k rc 2 ar 和目标 ar m ac 。4.2 安全性能分析 在轻量级身份认证协议中： 1） ar 与 ac 拥有首轮身份认证之后的共享认证密钥k rc 。在认证过程中，利用共享认证密钥k rc 、认证方生成的随机数r以及认证