吳志軍，趙婷，雷縉

（中國民航大學(xué) 天津市智能信號處理重點實驗室，天津 300300）

1 引言

隨著我國民航業(yè)務(wù)的全面擴展和信息化建設(shè)的迅速發(fā)展，整個民航領(lǐng)域的企業(yè)、單位和部門越來越依賴通信網(wǎng)開展業(yè)務(wù)交易、進行內(nèi)部資源共享、實現(xiàn)協(xié)調(diào)決策。基于面向服務(wù)架構(gòu)(SOA, service oriented architecture)的民航廣域信息管理系統(tǒng)(SWIM, system wide information management)服務(wù)架構(gòu)應(yīng)運而生，為相互獨立的空中交通管理(ATM, air traffic management)系統(tǒng)之間提供資源整合、數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一服務(wù)，構(gòu)建系統(tǒng)級的航空信息管理體系[1,2]。

SWIM具有數(shù)據(jù)高速交互和信息共享的優(yōu)勢，包括很多航空業(yè)務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和保密信息在內(nèi)，越來越多的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在SWIM網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換，面臨的安全威脅也越來越突出，數(shù)據(jù)安全和隱私保護成為SWIM發(fā)展必然要面臨的課題[3,4]，只有對SWIM用戶身份做出可靠的確認(rèn)才能有效地保證合法用戶接入 SWIM 網(wǎng)絡(luò)并對其使用的相應(yīng)資源進行保護[5]，同時阻止非法航空用戶對SWIM網(wǎng)絡(luò)進行惡意訪問和破壞[6]。

本文根據(jù) SWIM 的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合我國民航SWIM具體布局，采用新一代AAA(authentication、authorization、accounting)協(xié)議——Diameter協(xié)議，實現(xiàn)SWIM系統(tǒng)的安全認(rèn)證，保障SWIM共享數(shù)據(jù)的安全和隱私保護。

2 SWIM安全認(rèn)證框架

SWIM是一個虛擬信息池，存儲實時的航空飛行數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)和氣象信息等，ATM要求必須保證 SWIM 數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可用性[6]。Diameter協(xié)議包括基礎(chǔ)協(xié)議[7,8]和各種應(yīng)用協(xié)議，完全支持IPsec安全協(xié)議，并提供可選的安全傳輸層(TLS, transport layer security)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行保護，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層的加密認(rèn)證功能，以保證國際民航組織(ICAO, international civil aviation organization)對SWIM的要求[6]。

2.1 SWIM服務(wù)架構(gòu)的安全技術(shù)

歐洲SWIM-SUIT計劃定義了SWIM信息和服務(wù)模型[1]，將SWIM用戶的身份認(rèn)證和訪問控制作為安全服務(wù)的一個子項；聯(lián)邦航空局(FAA, federal aviation administration)的下一代交通運輸系統(tǒng)NextGen (next generation air transportation system)構(gòu)建XML網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施為SWIM提供安全服務(wù)[5]；歐洲的SWIM-SUIT計劃進入了工程實施階段，并且已經(jīng)與美國的SWIM網(wǎng)絡(luò)開展了互聯(lián)工作，通過兩者的互聯(lián)，歐美在SWIM網(wǎng)絡(luò)融合和系統(tǒng)交互的過程中建議采用PKI網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證技術(shù)。國際民航組織于2010年10月出臺了SWIM相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)安全標(biāo)準(zhǔn)[6]，該標(biāo)準(zhǔn)將SWIM的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)分為3層：網(wǎng)絡(luò)層采用基于IPsec協(xié)議的逐跳安全機制；傳輸層采用基于SSL/TLS協(xié)議的端到端安全機制；應(yīng)用層則負責(zé)實現(xiàn)XML安全、消息安全、訪問控制、身份管理、安全管理等。

2.2 新一代AAA協(xié)議—Diameter協(xié)議

可提供AAA服務(wù)的現(xiàn)行Radius協(xié)議因其本身固有的缺陷，例如，C/S模式、基于UDP面向非連接的傳輸、沒有失敗恢復(fù)機制、認(rèn)證與授權(quán)必須成對出現(xiàn)等，限制了它的進一步發(fā)展。而新一代AAA協(xié)議——Diameter協(xié)議克服了Radius協(xié)議的諸多缺陷，如采用Peer-to-Peer模式、基于TCP/SCTP面向連接的傳輸協(xié)議、提供可靠的失敗恢復(fù)機制、認(rèn)證與授權(quán)分離等，擁有優(yōu)良的兼容性、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化、極強的可擴展性和更高的安全性，更容易進行新應(yīng)用的擴展以滿足新的需求[7]。目前，IETF、3GPP、3GPP2、ETSI TISPAN、Packet Cable、MSF、ITU等標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)普遍接受 Diameter協(xié)議，在GSM/UMTS、CDMA、LTE、有線電視等網(wǎng)絡(luò)中采用Diameter協(xié)議來做它的AAA接口。

2.3 基于Diameter/EAP協(xié)議的SWIM認(rèn)證架構(gòu)

根據(jù)我國空中交通管理體系的民航空管局、地區(qū)空管局、空管分局站三層管理架構(gòu)，SWIM面向的是空中交通管理各級組織及其下屬的各級用戶，采用Diameter協(xié)議為SWIM提供用戶身份認(rèn)證可以更好地解決全國民航空中交通管理業(yè)務(wù)分布式應(yīng)用和跨域認(rèn)證的問題。Diameter在中國SWIM中部署結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于 Diameter/EAP協(xié)議的認(rèn)證系統(tǒng)與 SWIM架構(gòu)的星型拓撲結(jié)構(gòu)相互契合，其結(jié)構(gòu)實際上是一個以用戶、接入服務(wù)器（包括重定向服務(wù)器和代理服務(wù)器）、認(rèn)證服務(wù)器為主，注冊服務(wù)器為輔，注冊信息和認(rèn)證信息數(shù)據(jù)庫為支撐的節(jié)點結(jié)構(gòu)，如圖2 所示[3]。

在認(rèn)證過程中，SWIM用戶采用NAI（network access identify），即“user@realm”的結(jié)構(gòu)進行注冊，其中，user是用戶名，realm是管理域名，恰好可與用戶所在區(qū)域相對應(yīng)，由NAI的realm可以得知用戶的注冊網(wǎng)絡(luò)。每次登錄時提交認(rèn)證請求，接入服務(wù)器主要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換和消息轉(zhuǎn)發(fā)，并識別用戶的realm信息，將其認(rèn)證請求轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的Diameter認(rèn)證服務(wù)器，Diameter服務(wù)器依托注冊信息數(shù)據(jù)庫對用戶進行最終認(rèn)證，同時依據(jù)用戶的realm信息為其提供漫游管理，最后將用戶的認(rèn)證狀態(tài)記錄于認(rèn)證信息數(shù)據(jù)庫。

3 Diameter/EAP-MD5協(xié)議分析及改進

標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證在為SWIM提供基本的用戶認(rèn)證服務(wù)中存在一定的安全隱患。本文在針對標(biāo)準(zhǔn)的Diamter/EAP-MAD5認(rèn)證流程進行安全隱患分析的基礎(chǔ)上，提出改進的 Diameter/EAP-MD5認(rèn)證協(xié)議，并將其應(yīng)用到SWIM中。

圖1 SWIM中的Diameter部署

圖2 SWIM架構(gòu)下基于Diameter/EAP協(xié)議的認(rèn)證模塊結(jié)構(gòu)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證流程

EAP-MD5是一個IETF的開放標(biāo)準(zhǔn)，其認(rèn)證無需證書，部署簡單。標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證流程如圖3所示[9,10]。

圖3 Diameter/EAP-MD5標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證

1) NAS向 Diameter認(rèn)證服務(wù)器發(fā)送 NULL Message，標(biāo)志認(rèn)證過程的開始。

2) Diameter認(rèn)證服務(wù)器向NAS發(fā)送DER消息，要求用戶提供身份信息。

3) NAS將 DER消息解封后重新封裝成EAP-Request消息后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

4) 用戶將身份信息以明文形式包含在 EAPResponse消息中返回NAS。

5) NAS提取用戶身份信息后將其封裝在DEA消息中轉(zhuǎn)發(fā)給Diameter認(rèn)證服務(wù)器。

6) Diameter認(rèn)證服務(wù)器將接收到的用戶ID與數(shù)據(jù)庫中存儲的信息對比，若不匹配則發(fā)布認(rèn)證失敗消息，若匹配則向NAS發(fā)送DER消息，其中包含服務(wù)器端產(chǎn)生的隨機數(shù)。

7) NAS提取其中的隨機數(shù)并向用戶轉(zhuǎn)發(fā)EAP-Request消息。

8) 用戶使用接收到的隨機數(shù)與密碼做散列運算，并將結(jié)果同用戶ID一同發(fā)往NAS。

9) NAS將該 EAP-Response消息重新封裝在DER消息中發(fā)往Diameter認(rèn)證服務(wù)器。

10) Diameter服務(wù)器本地計算原隨機數(shù)與用戶名對應(yīng)密碼的散列值，并與接收到的散列值作比較，若相同則返回認(rèn)證成功消息，若不同則返回認(rèn)證失敗消息。

11) NAS向用戶轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的 EAP-Success/Failure消息。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證安全性分析

標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證在SWIM安全服務(wù)架構(gòu)的具體實現(xiàn)中存在一定的安全隱患，若直接應(yīng)用到SWIM網(wǎng)絡(luò)中，不僅會造成航空用戶信息的泄露，更有可能威脅到整個SWIM網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)的 Diameter/EAP-MD5認(rèn)證可能存在的缺陷和漏洞主要表現(xiàn)在以下3個方面[11,12]。

1) 認(rèn)證過程中用戶 ID始終明文傳輸，機密性的缺失往往是致命的。一旦這些用戶的身份信息被攻擊者截獲，若用來對服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫進行各種注入式攻擊，則會導(dǎo)致更多敏感甚至機密數(shù)據(jù)的泄露。SWIM用戶涉及機場、航空公司、空管局及其下屬單位等，以管制員為例，若攻擊者截獲該管制員ID，借此破譯其認(rèn)證密碼，則極有可能憑借管制員權(quán)限查看到相應(yīng)保密級別的信息，嚴(yán)重的有可能威脅到航空飛行安全，甚至危及到國家領(lǐng)空的安全。

2) NAS /Diameter Client只起到轉(zhuǎn)發(fā)作用，其身份未被確認(rèn)，一旦被攻擊者仿冒，則很容易進行中間人攻擊，造成用戶信息和服務(wù)器信息的雙重泄露，即使用戶和服務(wù)器之間傳輸?shù)南⑹墙?jīng)過加密的，若此消息被截獲，也可利用猜測攻擊獲得相關(guān)明文甚至是密鑰。SWIM信息池包含海量的飛行數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)、氣象信息等，NAS的仿冒者極有可能在服務(wù)器返回用戶請求的過程中截獲這些信息從事非法活動。

EAP的安全性說明要求EAP使用的認(rèn)證方法應(yīng)實現(xiàn)雙向認(rèn)證，而EAP-MD5僅實現(xiàn)了服務(wù)器對用戶的認(rèn)證，并沒有實現(xiàn)用戶對服務(wù)器的認(rèn)證。若用戶盲目地向攻擊者仿冒的服務(wù)器提供個人信息，則會造成不必要的損失。

3.3 改進的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證流程

在分析標(biāo)準(zhǔn)Diameter/EAP-MD5認(rèn)證過程存在缺陷和漏洞的基礎(chǔ)上，本文針對這些安全缺陷和漏洞做出相應(yīng)的改進[11～15]，保證其在SWIM的實際應(yīng)用中提供更強的安全性。以下均以用戶client@huabei.net為例，進行說明改進的Diameter/EAP-MD5協(xié)議在 SWIM中的認(rèn)證過程，如圖 4所示。

圖4 Diameter/EAP-MD5改進認(rèn)證

改進的Diameter/EAP認(rèn)證可分為3個階段[11]。

第1階段：SWIM用戶與NAS之間的相互認(rèn)證。

1) NAS向 Diameter認(rèn)證服務(wù)器發(fā)送 NULL Message，標(biāo)志認(rèn)證過程的開始。

2) Diameter認(rèn)證服務(wù)器向NAS發(fā)送DER消息，要求用戶提供身份信息。

3) NAS將 DER消息解封后重新封裝成EAP-Request消息后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

4) 用戶產(chǎn)生一隨機數(shù)R1，使用與NAS共享的AES算法對稱密鑰K1將用戶ID和R1同時加密后封裝在EAP-Response消息中發(fā)往NAS，若NAS持有相應(yīng)的K1，則可實現(xiàn)與用戶的相互認(rèn)證并提取用戶ID，否則認(rèn)證失敗。

第2階段：用戶對服務(wù)器的認(rèn)證。

5) NAS使用K1解密消息后得到用戶ID和隨機數(shù)R1，判斷用戶的reaml信息以確定轉(zhuǎn)發(fā)至哪個 Diameter認(rèn)證服務(wù)器，然后使用與 Diameter認(rèn)證服務(wù)器約定的 AES算法對稱密鑰K2對其進行加密后封裝在 DER消息中轉(zhuǎn)發(fā)給 Diameter認(rèn)證服務(wù)器。

6) Diameter服務(wù)器使用K2解密消息得到用戶ID并加以判斷，若未存用戶ID，則對用戶域名加以判斷，如仍不匹配則發(fā)布認(rèn)證失敗消息，若已存在用戶ID，則生成隨機數(shù)R2，連同與R1一起做散列運算H(R1,R2)返回給NAS。

7) NAS使用K2得到R2后再用K1進行加密，將H(R1,R2)一同包含在向用戶發(fā)送的EAP-Request消息中。

8) 用戶通過K1得到R2之后自行計算R1、R2的散列值并與接收到的H(R1,R2)對比，若不相同則對Diameter服務(wù)器重新發(fā)起認(rèn)證，若相同則向NAS發(fā)送包含用戶ID和H(ID,PW,R2)的EAP-Response消息。

第3階段：服務(wù)器對用戶的認(rèn)證。

9) NAS使用K1得到用戶ID后用K2加密，連同H(ID,PW,R2)一起向 Diameter服務(wù)器發(fā)送Diameter-EAP-Request消息。

10) Diameter服務(wù)器對比接收到的H(ID,PW,R2)與本地的計算結(jié)果，若一致則認(rèn)證成功，若不一致則認(rèn)證失敗，回復(fù)相應(yīng)的Success/Failure消息。

11) NAS向用戶轉(zhuǎn)發(fā)EAP-Success/EAP-Failure消息。

以上過程針對標(biāo)準(zhǔn)Diameter/EAP-MD5認(rèn)證方法中存在的用戶身份信息明文傳輸，未對 NAS進行身份確認(rèn)，為實現(xiàn)用戶與服務(wù)器的雙向認(rèn)證等主要缺陷實現(xiàn)了改進。

4 仿真實驗和結(jié)果分析

本節(jié)基于改進的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證協(xié)議在仿真的SWIM環(huán)境下進行實驗，并對實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果進行分析。

4.1 實驗環(huán)境

按照SWIM架構(gòu)下基于Diameter/EAP協(xié)議的認(rèn)證模塊結(jié)構(gòu)（如圖2所示），根據(jù)SOA模型搭建模擬的SWIM環(huán)境。其中，用戶、NAS（雙網(wǎng)卡）、Diameter認(rèn)證服務(wù)器均安裝Red Hat Linux 5.5系統(tǒng)和由OpenDiameter組織開發(fā)的opendiameter-1.0.7-i軟件包，部署Diameter協(xié)議運行環(huán)境；進行用戶身份XML文檔（以user@huabei.net為例）、各PC的IP地址及端口號、服務(wù)器后方注冊數(shù)據(jù)庫和認(rèn)證狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫的配置分別在用戶 PC、NAS和Diameter認(rèn)證服務(wù)器端啟動認(rèn)證客戶端程序、NAS程序以及服務(wù)器認(rèn)證程序，先后實現(xiàn) Diameter/EAP-MD5標(biāo)準(zhǔn)和改進認(rèn)證方法，調(diào)整參數(shù)并統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)。

4.2 Diameter/EAP-MD5改進認(rèn)證的時間復(fù)雜度分析

SWIM網(wǎng)絡(luò)具有龐大的航空用戶群和海量的數(shù)據(jù)。由于航空安全飛行要求數(shù)據(jù)實時通信，SWIM安全訪問要求具有很強的實時性，對認(rèn)證系統(tǒng)的時間復(fù)雜度性能提出較高的要求。身份認(rèn)證作為航空用戶訪問SWIM網(wǎng)絡(luò)的門戶，同樣需要達到合理的時間復(fù)雜度要求。

Diameter/EAP-MD5認(rèn)證改進前后三方收發(fā)消息的條數(shù)未改變，已知隨機數(shù)位數(shù)與認(rèn)證安全性之間存在正比例關(guān)系，仿真實驗中對認(rèn)證改進前后隨機數(shù)位數(shù)分別為16 bit、32 bit，密鑰長度分別為128 bit、256 bit，AES加密算法時的認(rèn)證時間做100次抽樣，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

對表1所列抽樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果表明改進前后的單次平均認(rèn)證時間僅相差約16 ms；隨機數(shù)16 bit與32 bit的單次平均認(rèn)證時間相差不足3 ms；密鑰長度128 bit與256 bit的單次平均認(rèn)證時間相差約8 ms。為使參數(shù)變化情況下認(rèn)證時間差更加直觀，對其進行100次時間累加，得到的時間復(fù)雜度實驗結(jié)果如圖5所示。

表1 100次抽樣結(jié)果（單位：ms）

圖5 時間復(fù)雜度實驗統(tǒng)計結(jié)果

從圖5中可以看出，認(rèn)證改進前后以及隨機數(shù)位數(shù)分別為16 bit（AES128）、32 bit（AES128）和16 bit(AES256)的100次累加認(rèn)證時間分別為18 435.647 ms、20 062.956 ms、20 312.956 ms和 20 869.308 ms，即改進的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證比標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證平均每次多花費16.273 ms；隨機數(shù)位長對改進認(rèn)證的時間復(fù)雜度影響是32 bit比16 bit平均每次多花費2.5 ms；密鑰長度256 bit比128 bit的單次平均每次多花費7.964 ms。而一般登錄的頁面響應(yīng)時間在2 s內(nèi)為宜，網(wǎng)絡(luò)延時在 30 ms內(nèi)為宜，可見改進的Diameter/ EAP-MD5認(rèn)證在時間復(fù)雜度上的犧牲幾乎可以忽略不計。

4.3 Diameter/EAP-MD5改進認(rèn)證的安全性分析

改進后的Diameter/EAP-MD5協(xié)議認(rèn)證方法的安全性從以下幾個方面分析。

1) 機密性：不同于標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的用戶ID明文傳輸，改進的認(rèn)證方法中用戶與NAS之間、NAS和認(rèn)證服務(wù)器之間分別采用約定的對稱密鑰K1、K2對消息進行加密。

2) 雙向認(rèn)證：標(biāo)準(zhǔn)的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證僅實現(xiàn)服務(wù)器對用戶的認(rèn)證相比，改進的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證流程中，用戶和NAS之間依靠對稱密鑰K1實現(xiàn)了雙向認(rèn)證，同時用戶利用本地產(chǎn)生的隨機數(shù)R1和認(rèn)證服務(wù)器產(chǎn)生的隨機數(shù)R2實現(xiàn)了對服務(wù)器的認(rèn)證。

3) 抵御重放攻擊：每一次新的認(rèn)證，用戶生成新的隨機數(shù)R1，Diameter認(rèn)證服務(wù)器生成新的隨機數(shù)R2，且R1位長可選，2個隨機數(shù)的配合使重放攻擊的可能性大大降低。

4) 猜測攻擊：攻擊者若想分析得到用戶ID和密碼，首先需要截獲用戶、NAS和 Diameter服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)，此時K1、K2提供第一道保障，其次，用戶ID與R1相互連接，而每次認(rèn)證所產(chǎn)生的R1不同，若無法確定R1的長度，則依然無法分離出用戶ID。

5) 角色仿冒：在實現(xiàn)了用戶、NAS、Diameter服務(wù)器之間的兩兩認(rèn)證之后仍要做一次R1、R2的散列運算以供Diameter服務(wù)器驗證，其目的是為了再次確認(rèn)完成用戶與 NAS之間的相互認(rèn)證和用戶對服務(wù)器的認(rèn)證之后各主體并未發(fā)生變化，有效防范攻擊者仿冒合法用戶或者NAS。

基于上述分析可以看出，改進后的 Diameter/EAP-MD5認(rèn)證協(xié)議在SWIM的數(shù)據(jù)安全和隱私保護方面具有較高的安全性，可以避免SWIM敏感信息的外泄和阻止非法航空用戶的訪問。

5 結(jié)束語

本文綜合考慮我國民航發(fā)展現(xiàn)狀、安全基礎(chǔ)設(shè)施部署難度以及安全強度要求等情況，設(shè)計采用Diameter協(xié)議為民航SWIM架構(gòu)提供安全認(rèn)證服務(wù)。Diameter/EAP認(rèn)證模塊結(jié)構(gòu)與SWIM的星型拓撲結(jié)構(gòu)相互契合，為其軟硬件的部署提供了十分有利的條件。改進后的Diameter/EAP-MD5認(rèn)證未增加流程消息數(shù)，并在幾乎沒有增加時間復(fù)雜度的基礎(chǔ)上對雙向認(rèn)證、抵御重放攻擊、機密性、防猜測攻擊和防角色仿冒等方面都做了部分改善，從而提高了網(wǎng)絡(luò)AAA服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和準(zhǔn)入嚴(yán)格性，強化了 SWIM 系統(tǒng)安全服務(wù)，同時采用NAI格式的用戶ID，從而更加適宜SWIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

然而，改進方法中增加了用戶、NAS和Diameter認(rèn)證服務(wù)器之間的對稱密鑰，這又從另一方面加大了密鑰分配的難度，今后的工作重點應(yīng)放在開發(fā)一種可動態(tài)分配密鑰的 Diameter/EAP-MD5認(rèn)證方法上，權(quán)衡考慮高安全性和低密鑰分配難度的折衷。

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