无线局域网认证安全基础架构研究与设计

论文摘要

无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)由于其安装灵活、使用方便而被广泛应用与企业、办公室、家庭、机场、医院以及抢险救灾等特殊环境，但同时开放的无线传输介质也给WLAN应用带来了诸多安全问题，如数据更容易被窃听、截获或篡改，而无线设备更容易遭到拒绝服务、假冒等攻击。 针对WLAN面临的安全问题，本文在详细分析WLAN的网络特点、安全需求的基础上，总结了WLAN面临的安全威胁，并对威胁进行分类；系统地分析了最新两大WLAN安全标准IEEE 802.11i和WAPI的安全架构，指出了它们各自存在的安全弱点或缺陷，这些安全弱点包括实体认证效率不高、密钥协商协议不完备、核心设备AP／AS计算所需资源较大、协议设计易遭拒绝服务攻击从而导致安全架构的可用性差等。分析指出802.11i存在配置不当导致认证属性丧失、密钥协商存在反射攻击、易遭拒绝服务攻击等问题；分析指出WAPI不能实现对STA的真正认证、密钥协商协议不完整、易遭拒绝服务攻击等问题；有针对性地对两个标准协议提出了改进方案或部署策略，从而提高它们的应用安全性、可用性或效率，分析比较说明了这些改进的有效性，这些改进对基于802.11i或WAPI标准部署WLAN具有指导意义。 在分析上述两大标准存在的安全问题基础上，提出了一种新的高效无线局域网认证基础架构(EWAI)，设计了快速实体认证协议(IAKN)、三次握手密钥协商协议(3WAY)、组播密钥分发协议(GK)三个协议组件，定义了密钥使用体系。IAKN协议基于单向哈希链技术构造实体认证令牌，实现了“在第一时间”对WLAN主要认证实体STA的“显性”认证，并完成STA、AS和AP之间的相互认证和初始密钥协商，IAKN协议使用较少的协议交互和消息传递，无需数字签名操作，通过分析比较，所提认证架构比802.11i和WAPI具有更好的安全属性(多因子实体认证、有效抵御拒绝服务攻击)和执行效率。3WAY协议比802.11i减少一次交互，而且实现了每个协议消息源可认证、完整性保护和密钥确认，更安全地实现了密钥更新。GK协议实现了密钥确认。分析表明EWAI弥补了802.11i和WAPI的安全缺陷与不足，具有更好的安全性、更高的效率。同时，使用BAN逻辑验证了所提协议的正确性 采用Datta等人2004年提出的协议组合逻辑(PCL)全面证明了提出安全架构EWAI的安全性，针对EWAI使用的密码原语拓展了PCL系统，分别证明了IAKN、3WAY和GK协议的认证性和密钥保密性，证明它们正确地实现了安全设计目标。证明了EWAI的组合安全特性，定义EWAI协议组件顺序组合的安全环境参量以及协议安全属性保障条件，描述了EWAI协议和其他协议安全并发执行的环境要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 表目录
• 图目录
• 第一章 引言
• 1.1 无线局域网应用及安全问题
• 1.2 无线局域网安全机制研究现状与发展
• 1.3 本文的内容与贡献
• 1.4 论文组织
• 第二章 无线局域网（WLAN）安全概述
• 2.1 WLAN网络体系与工作模式
• 2.1.1 802.11WLAN网体系结构
• 2.1.2 WLAN工作模式
• 2.2 WLAN安全威胁
• 2.2.1 无线网络与有线网络安全特性
• 2.2.2 WLAN面临的威胁实例
• 2.2.3 WLAN安全需求
• 2.2.4 WLAN面临威胁分类定义
• 2.3 基础架构的WLAN安全解决方案
• 2.3.1 非密码体制的安全机制
• 2.3.2 基于密码体制的WLAN安全解决方案
• 2.3.3 可用性与DoS攻击
• 2.4 小结
• 第三章 IEEE 802.11i安全架构的研究分析
• 3.1 802.11i的数据保密性和完整性
• 3.2 IEEE802.11i的认证和密钥管理
• 3.2.1 RSNA建立过程
• 3.2.2 RSNA安全性分析
• 3.2.3 安全等级回滚攻击
• 3.2.4 EAP-TLS认证协议可选项攻击
• 3.2.5 四次握手反射攻击
• 3.3 可用性
• 3.3.1 管理帧和控制帧的DoS攻击威胁
• 3.3.2 Michael MIC失败策略的DoS攻击威胁
• 3.3.3 RSN IE污染
• 3.3.4 EAP-TLS认证协议的DoS攻击威胁
• 3.3.5 四次握手阻塞
• 3.3.6 失败恢复策略
• 3.4 802.11i改进应用
• 3.4.1 失败恢复策略改进
• 3.4.2 正确配置各个协议
• 3.5 小结
• 第四章 无线局域网鉴别与保密基础结构（WAPI）分析与实现
• 4.1 WAPI概述
• 4.2 WAPI安全性分析
• 4.2.1 实体认证的不完备性
• 4.2.2 密钥协商协议的不完备性
• 4.2.3 计算瓶颈与拒绝服务攻击
• 4.2.4 公/私钥对的多用途
• 4.3 WAPI证书应用分析与改进
• 4.3.1 WAPI的证书定义
• 4.3.2 WAPI证书数据结构的改进
• 4.3.3 主体/颁发者字段标识定义
• 4.4 WAI鉴别协议改进
• 4.4.1 WAI协议消息精简
• 4.4.2 显性认证STA
• 4.4.3 WAI密钥协商改进
• 4.4.4 改进的WAI安全性分析
• 4.4.5 改进的WAPI效率分析:
• 4.5 小结
• 第五章 一种新的无线局域网认证与密钥管理架构
• 5.1 WLAN认证协议需求与目标
• 5.2 高效WLAN认证安全架构设计
• 5.2.1 令牌的构造
• 5.2.2 初始实体认证与密钥协商协议（IAKN）
• 5.2.3 密钥的计算与使用
• 5.2.4 三次握手密钥更新协议（3WAY）
• 5.2.5 组播密钥分发协议（GK）
• 5.2.6 IAKN协议抗重放攻击设计
• 5.2.7 EWAI中证书定义
• 5.3 EWAI性能分析
• 5.3.1 IAKN安全性分析
• 5.3.2 IAKN效率分析
• 5.3.3 可行性、兼容性考虑
• 5.3.4 基于BAN逻辑IAKN安全性验证
• 5.4 解决哈希链有限长度限制一种方法
• 5.5 紧凑认证协议设计
• 5.6 小结
• 第六章 基于协议组合逻辑（PCL）的EWAI安全性证明
• 6.1 概述
• 6.1.1 EWAI控制流
• 6.1.2 PCL证明方法
• 6.1.3 PCL协议逻辑
• 6.1.4 PCL证明系统
• 6.1.5 PCL组合证明方法
• 6.2 初始认证和密钥协商协议（IAKN）安全性证明
• 6.2.1 协议简约化
• 6.2.2 模型化
• 6.2.3 安全属性
• 6.2.4 操作环境
• 6.2.5 IAKN安全性证明
• 6.3 三次握手密钥更新协议（3WAY）安全性描述
• 6.3.1 模型化
• 6.3.2 安全属性
• 6.3.3 操作环境
• 6.4 组播密钥握手协议（GK）安全性描述
• 6.4.1 模型化
• 6.4.2 安全属性
• 6.4.3 操作环境
• 6.5 协议组合
• 6.5.1 分段组合定律
• 6.5.2 EWAI的组合安全性
• 6.6 小结
• 第七章 自更新哈希链设计与应用
• 7.1 相关工作
• 7.2 基本定义
• 7.3 自更新哈希链机制（SUHC）设计与实现
• 7.3.1 机制SUHC1
• 7.3.2 机制SUHC2
• 7.4 SUHC性能分析
• 7.4.1 安全性分析
• 7.4.2 效率分析
• 7.5 SUHC机制应用
• 7.5.1 基本哈希函数的配置
• 7.5.2 基于SUHC1的认证协议设计
• 7.5.3 SUHC2应用实例——改进的服务器辅助签名机制
• 7.5.4 SUHC机制在智能卡中的应用
• 7.5.5 SUHC机制应用限制讨论
• 7.5.6 SUHC的扩展应用
• 7.6 小结
• 第八章 WLAN认证服务器设计与实现
• 8.1 证书管理
• 8.2 AS系统模块规划
• 8.3 数据存储规划
• 8.4 多线程鉴别模块设计
• 8.5 AS的部署与应用
• 8.6 实验与测试分析
• 8.7 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果