基于改进Diameter/EAP-MD5协议的民航SWIM用户认证方法
基于改进Diameter/EAP-MD5协议的民航SWIM用户认证方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于SOA架构下的SWIM用户的安全认证技术，属于信息安全领域。
【背景技术】
[0002] SWIM(SystemWideInformationManagement,即广域信息管理）义用的是面向服 务的体系结构SOA(Service化ientedArchitec化re)为民航领域提供信息交互和数据共 享的功能。目前，包括很多航空业务关键数据和保密信息在内，越来越多的业务数据在SWIM 网络中传输和交换，因此，SWIM面临的安全威胁也越来越突出，数据安全和隐私保护成为 SWIM发展必然要面临的课题，只有对SWIM用户身份做出可靠地确认才能有效地保证合法 用户接入SWIM网络并对其使用的相应资源进行保护，同时阻止非法航空用户对SWIM网络 进行恶意访问和破坏。
[0003] 对用户进行身份认证（Authentication)、访问授权（Authorization)和资源计费 (Accounting)的管理统称为AAA服务，其主要目标是对合法用户的网络访问进行实时控 审IJ，并对其资源使用情况进行相应记录，从而有效地保障系统的安全运行。伴随着互联网 本身进化过程中网络的融合，AAA服务协议也经历了从传统的RADIUS协议向下一代AAA协 议--基于IP的Diameter协议进化的历程。
[0004] 可提供AAA服务的现行RADIUS协议因其本身固有的缺陷，例如；C/S模式、基 于UDP面向非连接的传输、无失败恢复机制、认证与授权必须成对出现等，限制了它的进 一步发展。而新一代AAA协议-Diameter协议克服了RADIUS协议的诸多缺陷，如采用 Peer-to-Peer模式、基于TCP/SCTP面向连接的传输协议、提供可靠地失败恢复机制、认证 与授权分离等，拥有优良的兼容性、标准的规范化、极强的可扩展性和更高的安全性，更容 易进行新应用的扩展W满足新需求。目前，许多国际和区域性的标准组织都已逐步承认和 接受Diameter协议，在有线电视、GSM/UMTS、LTE、CDMA等网络中采用Diameter协议来作为 AAA接口。
[000引SWIM环境安全可靠的运行需要AAA服务提供基本的保障，而身份认证作为AAA服 务的首要构成要素理应引起普遍重视，综合考虑SWIM系统的发展现状W及AAA协议的进 化趋势，将构建基于S0A的SWIM平台，并为民航用户对SWIM环境的访问提供安全、可靠、 有效的基于Diameter协议的身份认证对下一代民航空管信息系统的建设具有重要意义。 Diameter协议及其EAP应用子协议并不是专为SWIM架构设计的，如前文所述，很多国际和 地区的标准化组织已经普遍接受Diameter协议，现有的各种网络也已逐步开始采用和部 署Diameter协议来做AAA接口，其安全性和可用性已经在实际应用中得到了验证。
[0006] 就安全性而言，SWIM虚拟信息池存储实时的飞行数据、监视数据、气象信息等，必 须保证数据的可用性、完整性和机密性，Diameter协议要求必须支持Ipsec安全协议W保 证数据的机密性和完整性，另提供可选的TLS安全协议对数据进行保护，而在应用层提供 基于EAP协议的多重身份认证方法；
[0007] 就软硬件部署而言，我国民航SWIM网络的研究和部署处于发展初期，面向的是由 国家民航总局、地区空管分局W及空管分局站S层管理体制组成的空管组织及其下属的 各级用户，使用Diameter协议为SWIM提供用户身份认证可W更好地解决分布式应用和 跨域认证的问题。对我国民航SWIM服务架构的搭建而言，考虑到我国的民航业发展和客 体分布的实际情况，用户多W区域为界进行区分，使用Diameter/EAP进行认证时可采用 NAI(NetworkAccessIdentify)，即"userOrealm"的结构，支持非本域用户的信息路由，其 中user是用户名，realm是管理域名，恰好可与用户所在区域相对应，由NAI的realm可W 得知用户的注册网络。在对非本域用户的认证过程中，用户提供NAI信息，Diameter服务 器就可W根据NAI识别用户的注册Diameter服务器，转发用户的请求。
[0008]标准Diameter/EAP-MD5认证流程，其流程如下；
[0009] ①.NAS向Diameter认证服务器发送N1XLMessage,标志认证过程的开始；
[0010] ②.Diameter认证服务器向NAS发送D邸报文，要求用户提供身份信息；
[0011] ⑨.NAS将D邸消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户；
[001引④.用户将身份信息W明文形式包含在EAP-Response消息中返回NAS;
[001引⑥.NAS提取用户身份信息后将其封装在DEA消息中转发给Diameter认证服务 器；
[0014] ⑧.Diameter认证服务器将接收到的用户ID与数据库中存储的信息对比，若不匹 配则发布认证失败消息，若匹配则向NAS发送D邸消息，其中包含服务器端产生的随机数；
[0015] ⑦.NAS提取其中的随机数并向用户转发EAP-Request消息；
[0016] ⑨.用户对接收到的随机数和密码做hash运算，并将计算值同用户ID-同发往 NAS；
[0017] ⑨.NAS将该EAP-Response消息重新封装在D邸消息中发往Diameter认证服务 器；
[0018] ⑩.Diameter服务器本地计算原随机数与用户名对应密码的hash值，并与接收到 的hash值作比较，若相同则返回认证成功消息，若不同则返回认证失败消息；
[0019] ⑩..NAS向用户转发相应的EAP-Success/Failure消息。
[0020] W下分析WDiameter/EAP-MD5标准认证为重点研究对象，该认证方法类似于 CHAP认证，拥有简单易行的特点和最基本的保密性，但它在SWIM安全服务架构的具体实现 中仍存在许多安全隐患，主要有W下几点：
[0021] (1)认证过程中用户ID始终明文传输，机密性的缺失往往是致命的。一旦该些用 户的身份信息被攻击者截获，若用来对服务器或数据库进行各种注入式攻击，则会导致更 多敏感甚至是机密数据的泄露。SWIM用户设及机场、航空公司、空管局及其下属单位等，W 管制员为例，若攻击者截获该管制员ID，借此破译其认证密码，则极有可能凭借管制员权限 查看到相应保密级别的信息，严重的有可能威胁到飞机航行安全甚至是国家民航机密。 [002引（2)NAS/DiameterClient只起到转发作用，其身份未被确认，一旦被攻击者仿冒， 则很容易进行中间人攻击，造成用户信息和服务器信息的双重泄露，即使用户和服务器之 间传输的消息是经过加密的，若此消息被截获，也可利用猜测攻击获得相关明文甚至是密 钥。SWIM信息池包含海量的飞行数据、监视数据、气象信息等，NAS的仿冒者极有可能在服 务器返回用户请求的过程中截获该些信息从事非法活动。
[002引 做EAP的相关RFC文档中要求EAP应实现双向认证，而EAP-MD5仅实现了服务器 对用户的认证，并没有实现用户对服务器的认证。若用户盲目地向攻击者仿冒的服务器提 供个人信息，则会造成不必要的损失。
【发明内容】
[0024] 本发明在SOA架构的模拟SWIM平台下实现基本的用户身份Diameter/EAP-MD5 认证，并分析了标准Diameter/EAP-MD5认证其自身所存在的缺陷，并在此基础上新增 Diameter/EAP-MD5认证方法的双向认证、数据加密及增加随机数抵御重放攻击等。改进后 的Diameter/EAP-MD5认证未增加流程消息数，并在几乎没有增加时间复杂度的基础上对 双向认证、抵御重放攻击、保护用户信息机密性方面都做了部分改善，从而提高了网络AAA 服务基础设施的安全性和准入严格性。
【附图说明】
[0025] 图1为标准Diameter/EAP-MD5认证流程。
[0026] 图2为改进Diameter/EAP-MD5认证流程。
【具体实施方式】
[0027] Diameter/EAP-MD5标准认证方法存在固有的缺陷和漏洞，若直接应用到SWIM网 络中，显然不符合SWIM用户属性多样化、数据等级分层化、异构系统互连化的特点，安全性 的缺失不仅会造成用户个人信息的泄露，更有可能牵一发而动全身，威胁到整个SWIM网 络。
[002引针对Diameter/EAP-MD5标准认证存在的缺陷和漏洞，对该些安全 缺陷和漏洞做 出有针对性的改进，才能在实际应用中提供更强的安全性。改进的Diameter/EAP-MD5认证 可分为=个阶段：
[0029] 第一阶段；SWIM用户与NAS之间的相互认证。
[0030] ①.NAS向Diameter认证服务器发送N1XLMessage,标志认证过程的开始；
[003U②.Diameter认证服务器向NAS发送D邸报文，要求用户提供身份信息；
[003引⑨.NAS将D邸消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户；
[003引④.用户产生一随机数R1，使用与NAS共享的AES算法对称密钥K1将用户ID和R1同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，若NAS持有相应的K1，则可实现与用 户的相互认证并提取用户ID，否则认证失败。
[0034] 第二阶段：用户对服务器的认证。
[003引⑥.NAS使用K1解密消息后得到用户ID和随机数R1，判断用户的reaml信息W确 定转发至哪个Diameter认证服务器，然后使用与Diameter认证服务器约定的AES算法对 称密钥K2对其进行加密后封装在D邸消息中转发给Diameter认证服务器；
[0036] ⑧.Diameter服务器使用K2解密消息得到用户ID并加W判断，若未存用户1〇，贝。 对用户域名加W判断，如仍不匹配则发布认证失败消息，若已存用户ID，则生成随机数R2， 连同与R1-起做的hash运算H巧1，R2)返回给NAS。
[0037] ⑦.NAS使用K2得到R2后再用K1进行加密，将H(R1，哟一同包含在向用户发送 的EAP-Request消息中；
[003引⑨.用户通过K1得到R2之后自行计算R1、R2的哈希值并与接收到的H巧1，R2)对比，若不相同则对Diameter服务器重新发起认证，若相同则向NAS发送包含用户ID和 H(ID，PW，R2)的EAP-Response消息。
[0039] 第S阶段；服务器对用户的认证。
[0040] ⑨.NAS使用Kl得到用户ID后用K2加密，连同HaD，PW，R2)-起向Diameter服 务器发送Diameter-EAP-Request消息；
[004U ⑩.Diameter服务器对比接收到的H(ID，PW，R2)与本地的计算结果，若一致则认 证成功，若不一致则认证失败，回复相应的Success/化ilure消息；
[0042]風NAS向用户转发EAP-Success/EAP-Failure消息。
[0043] W上过程针对标准Diameter/EAP-MD5认证方法中存在的用户身份信息明文传 输、未对NAS进行身份确认、未实现用户与服务器的双向认证等主要缺陷实现了改进。
[0044] 在改进的认证方法中，用户与NAS之间、NAS和认证服务器之间分别采用约定的对 称密钥K1、K2对消息进行加密，该样针对使得用户身份信息加密传输，增加了信息的机密 性；用户和NAS之间依靠对称密钥K1实现了双向认证，同时用户利用本地产生的随机数R1 和认证服务器产生的随机数R2实现了对服务器的认证；在改进的认证方法中每一次新的 认证，用户生成新的随机数R1，Diameter认证服务器生成新的随机数R2,且R1位长可选， 两个随机数的配合使重放攻击的可能性大大降低。
【主权项】
1. 一种基于改进Diameter/EAP-MD5协议的民航SWM用户认证方法，在分析标准 Diameter/EAP_MD5认证及其自身所存在的缺陷的基础上，新增Diameter/EAP_MD5认证 方法的双向认证、数据加密及增加随机数抵御重放攻击，其特征在于：改进的Diameter/ EAP-MD5认证可分为三个阶段： (1) .第一阶段，使用与NAS共享的AES算法对称密钥Kl将用户ID和Rl(由用户产生） 同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，以此来对用户信息加密传输，并对NAS进 行身份确认； (2) .第二阶段，用户利用本地产生的随机数Rl和认证服务器产生的随机数R2实现对 服务器的认证； (3) .第三阶段，服务器端通过对Rl及用户信息进行hash运算，并将结果与收到的客户 端的运算结果进行比较来实现服务器对用户的认证； 改进后的Diameter/EAP-MD5认证未增加流程消息数，并在几乎没有增加时间复杂度 的基础上对双向认证、抵御重放攻击、机密性等方面都做了部分改善。2. 第一阶段实现SWM用户与NAS之间的相互认证，其具体过程如下： (1)NAS向Diameter认证服务器发送NULLMessage，标志认证过程的开始； (2) Diameter认证服务器向NAS发送DER报文，要求用户提供身份信息； (3)NAS将DER消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户； (4) 用户产生一个随机数R1，使用与NAS共享的AES算法对称密钥Kl将用户ID和Rl 同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，若NAS持有相应的K1，则可实现与用户 的相互认证并提取用户ID，否则认证失败； 用户通过使用与NAS共享的算法对称密钥Kl来加密用户信息及用户产生的随机数R1， 解决用户ID明文传输问题，提高了传输信息的机密性，同时实现了SWM用户与NAS之间的 相互认证。3. 第二阶段实现用户对服务器的认证，具体过程如下： (1) NAS使用Kl解密消息后得到用户ID和随机数R1，判断用户的realm信息以确定转 发至哪个Diameter认证服务器，然后使用与Diameter认证服务器约定的AES算法对称密 钥K2对其进行加密后封装在DER消息中转发给Diameter认证服务器； (2)Diameter服务器使用K2解密消息得到用户ID并加以判断，若未保存用户ID，则对 用户域名加以判断，如仍不匹配则发布认证失败消息，若已存用户ID，则生成随机数R2,连 同与Rl-起做的hash运算H(Rl，R2)返回给NAS; (3)NAS使用K2得到R2后再用Kl进行加密，将H(R1，R2) -同包含在向用户发送的 EAP-Request消息中； (4) 用户通过Kl得到R2之后自行计算R1、R2的哈希值并与接收到的H(R1，R2)对比， 若不相同则对Diameter服务器重新发起认证，若相同则向NAS发送包含用户ID和H(ID， PW，R2)的EAP-Response消息； 用户利用本地产生的随机数Rl和所获得的认证服务器产生的随机数R2进行hash运 算，将运算结果与收到的服务器端hash运算值H(R1，R2)比较，以此来实现用户对服务器的 认证。4. 第三阶段实现服务器对用户的认证，具体过程如下： (1) NAS使用Kl得到用户ID后用K2加密，连同H(ID，PW，R2) -起向Diameter服务器 发送Diameter-EAP-Request消息； (2)Diameter服务器对比接收到的H(ID，PW，R2)与本地的计算结果，若一致则认证成 功，若不一致则认证失败，回复相应的Success/Failure消息； (3)NAS向用户转发EAP-Success/EAP-Failure消息。5.在改进的认证方法中每一次新的认证，用户生成新的随机数Rl，Diameter认证服务 器生成新的随机数R2,且Rl位长可选，两个随机数的配合使重放攻击的可能性大大降低。
【专利摘要】SWIM(System Wide Information Management，即广域信息管理)采用的是面向服务的体系结构SOA(Service Oriented Architecture)为民航领域提供信息交互和数据共享的功能。SWIM在提供数据高速交互和信息共享的同时，面临越来越多的安全威胁，其中，数据安全和隐私保护是SWIM核心服务必须解决的问题。本发明在SOA架构的模拟SWIM平台下实现基本的用户身份Diameter/EAP-MD5认证，分析了标准Diameter/EAP-MD5认证所存在的缺陷，提出基于改进的Diameter/EAP-MD5协议的SWIM用户身份认证方法。在模拟的SWIM环境中对改进方法进行仿真实验和安全性分析。实验结果表明：改进的Diameter/EAP认证方法可在性能相当的前提下提高认证系统的安全性，为SWIM安全服务框架的构建提供保障。
【IPC分类】H04L9/32, H04L29/06
【公开号】CN104901946
【申请号】CN201510169419
【发明人】吴志军, 牛方超, 王彩云, 雷缙, 岳猛
【申请人】中国民航大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月10日
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于SOA架构下的SWIM用户的安全认证技术，属于信息安全领域。
【背景技术】
[0002] SWIM(SystemWideInformationManagement,即广域信息管理）义用的是面向服 务的体系结构SOA(Service化ientedArchitec化re)为民航领域提供信息交互和数据共 享的功能。目前，包括很多航空业务关键数据和保密信息在内，越来越多的业务数据在SWIM 网络中传输和交换，因此，SWIM面临的安全威胁也越来越突出，数据安全和隐私保护成为 SWIM发展必然要面临的课题，只有对SWIM用户身份做出可靠地确认才能有效地保证合法 用户接入SWIM网络并对其使用的相应资源进行保护，同时阻止非法航空用户对SWIM网络 进行恶意访问和破坏。
[0003] 对用户进行身份认证（Authentication)、访问授权（Authorization)和资源计费 (Accounting)的管理统称为AAA服务，其主要目标是对合法用户的网络访问进行实时控 审IJ，并对其资源使用情况进行相应记录，从而有效地保障系统的安全运行。伴随着互联网 本身进化过程中网络的融合，AAA服务协议也经历了从传统的RADIUS协议向下一代AAA协 议--基于IP的Diameter协议进化的历程。
[0004] 可提供AAA服务的现行RADIUS协议因其本身固有的缺陷，例如；C/S模式、基 于UDP面向非连接的传输、无失败恢复机制、认证与授权必须成对出现等，限制了它的进 一步发展。而新一代AAA协议-Diameter协议克服了RADIUS协议的诸多缺陷，如采用 Peer-to-Peer模式、基于TCP/SCTP面向连接的传输协议、提供可靠地失败恢复机制、认证 与授权分离等，拥有优良的兼容性、标准的规范化、极强的可扩展性和更高的安全性，更容 易进行新应用的扩展W满足新需求。目前，许多国际和区域性的标准组织都已逐步承认和 接受Diameter协议，在有线电视、GSM/UMTS、LTE、CDMA等网络中采用Diameter协议来作为 AAA接口。
[000引SWIM环境安全可靠的运行需要AAA服务提供基本的保障，而身份认证作为AAA服 务的首要构成要素理应引起普遍重视，综合考虑SWIM系统的发展现状W及AAA协议的进 化趋势，将构建基于S0A的SWIM平台，并为民航用户对SWIM环境的访问提供安全、可靠、 有效的基于Diameter协议的身份认证对下一代民航空管信息系统的建设具有重要意义。 Diameter协议及其EAP应用子协议并不是专为SWIM架构设计的，如前文所述，很多国际和 地区的标准化组织已经普遍接受Diameter协议，现有的各种网络也已逐步开始采用和部 署Diameter协议来做AAA接口，其安全性和可用性已经在实际应用中得到了验证。
[0006] 就安全性而言，SWIM虚拟信息池存储实时的飞行数据、监视数据、气象信息等，必 须保证数据的可用性、完整性和机密性，Diameter协议要求必须支持Ipsec安全协议W保 证数据的机密性和完整性，另提供可选的TLS安全协议对数据进行保护，而在应用层提供 基于EAP协议的多重身份认证方法；
[0007] 就软硬件部署而言，我国民航SWIM网络的研究和部署处于发展初期，面向的是由 国家民航总局、地区空管分局W及空管分局站S层管理体制组成的空管组织及其下属的 各级用户，使用Diameter协议为SWIM提供用户身份认证可W更好地解决分布式应用和 跨域认证的问题。对我国民航SWIM服务架构的搭建而言，考虑到我国的民航业发展和客 体分布的实际情况，用户多W区域为界进行区分，使用Diameter/EAP进行认证时可采用 NAI(NetworkAccessIdentify)，即"userOrealm"的结构，支持非本域用户的信息路由，其 中user是用户名，realm是管理域名，恰好可与用户所在区域相对应，由NAI的realm可W 得知用户的注册网络。在对非本域用户的认证过程中，用户提供NAI信息，Diameter服务 器就可W根据NAI识别用户的注册Diameter服务器，转发用户的请求。
[0008]标准Diameter/EAP-MD5认证流程，其流程如下；
[0009] ①.NAS向Diameter认证服务器发送N1XLMessage,标志认证过程的开始；
[0010] ②.Diameter认证服务器向NAS发送D邸报文，要求用户提供身份信息；
[0011] ⑨.NAS将D邸消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户；
[001引④.用户将身份信息W明文形式包含在EAP-Response消息中返回NAS;
[001引⑥.NAS提取用户身份信息后将其封装在DEA消息中转发给Diameter认证服务 器；
[0014] ⑧.Diameter认证服务器将接收到的用户ID与数据库中存储的信息对比，若不匹 配则发布认证失败消息，若匹配则向NAS发送D邸消息，其中包含服务器端产生的随机数；
[0015] ⑦.NAS提取其中的随机数并向用户转发EAP-Request消息；
[0016] ⑨.用户对接收到的随机数和密码做hash运算，并将计算值同用户ID-同发往 NAS；
[0017] ⑨.NAS将该EAP-Response消息重新封装在D邸消息中发往Diameter认证服务 器；
[0018] ⑩.Diameter服务器本地计算原随机数与用户名对应密码的hash值，并与接收到 的hash值作比较，若相同则返回认证成功消息，若不同则返回认证失败消息；
[0019] ⑩..NAS向用户转发相应的EAP-Success/Failure消息。
[0020] W下分析WDiameter/EAP-MD5标准认证为重点研究对象，该认证方法类似于 CHAP认证，拥有简单易行的特点和最基本的保密性，但它在SWIM安全服务架构的具体实现 中仍存在许多安全隐患，主要有W下几点：
[0021] (1)认证过程中用户ID始终明文传输，机密性的缺失往往是致命的。一旦该些用 户的身份信息被攻击者截获，若用来对服务器或数据库进行各种注入式攻击，则会导致更 多敏感甚至是机密数据的泄露。SWIM用户设及机场、航空公司、空管局及其下属单位等，W 管制员为例，若攻击者截获该管制员ID，借此破译其认证密码，则极有可能凭借管制员权限 查看到相应保密级别的信息，严重的有可能威胁到飞机航行安全甚至是国家民航机密。 [002引（2)NAS/DiameterClient只起到转发作用，其身份未被确认，一旦被攻击者仿冒， 则很容易进行中间人攻击，造成用户信息和服务器信息的双重泄露，即使用户和服务器之 间传输的消息是经过加密的，若此消息被截获，也可利用猜测攻击获得相关明文甚至是密 钥。SWIM信息池包含海量的飞行数据、监视数据、气象信息等，NAS的仿冒者极有可能在服 务器返回用户请求的过程中截获该些信息从事非法活动。
[002引 做EAP的相关RFC文档中要求EAP应实现双向认证，而EAP-MD5仅实现了服务器 对用户的认证，并没有实现用户对服务器的认证。若用户盲目地向攻击者仿冒的服务器提 供个人信息，则会造成不必要的损失。
【发明内容】
[0024] 本发明在SOA架构的模拟SWIM平台下实现基本的用户身份Diameter/EAP-MD5 认证，并分析了标准Diameter/EAP-MD5认证其自身所存在的缺陷，并在此基础上新增 Diameter/EAP-MD5认证方法的双向认证、数据加密及增加随机数抵御重放攻击等。改进后 的Diameter/EAP-MD5认证未增加流程消息数，并在几乎没有增加时间复杂度的基础上对 双向认证、抵御重放攻击、保护用户信息机密性方面都做了部分改善，从而提高了网络AAA 服务基础设施的安全性和准入严格性。
【附图说明】
[0025] 图1为标准Diameter/EAP-MD5认证流程。
[0026] 图2为改进Diameter/EAP-MD5认证流程。
【具体实施方式】
[0027] Diameter/EAP-MD5标准认证方法存在固有的缺陷和漏洞，若直接应用到SWIM网 络中，显然不符合SWIM用户属性多样化、数据等级分层化、异构系统互连化的特点，安全性 的缺失不仅会造成用户个人信息的泄露，更有可能牵一发而动全身，威胁到整个SWIM网 络。
[002引针对Diameter/EAP-MD5标准认证存在的缺陷和漏洞，对该些安全 缺陷和漏洞做 出有针对性的改进，才能在实际应用中提供更强的安全性。改进的Diameter/EAP-MD5认证 可分为=个阶段：
[0029] 第一阶段；SWIM用户与NAS之间的相互认证。
[0030] ①.NAS向Diameter认证服务器发送N1XLMessage,标志认证过程的开始；
[003U②.Diameter认证服务器向NAS发送D邸报文，要求用户提供身份信息；
[003引⑨.NAS将D邸消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户；
[003引④.用户产生一随机数R1，使用与NAS共享的AES算法对称密钥K1将用户ID和R1同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，若NAS持有相应的K1，则可实现与用 户的相互认证并提取用户ID，否则认证失败。
[0034] 第二阶段：用户对服务器的认证。
[003引⑥.NAS使用K1解密消息后得到用户ID和随机数R1，判断用户的reaml信息W确 定转发至哪个Diameter认证服务器，然后使用与Diameter认证服务器约定的AES算法对 称密钥K2对其进行加密后封装在D邸消息中转发给Diameter认证服务器；
[0036] ⑧.Diameter服务器使用K2解密消息得到用户ID并加W判断，若未存用户1〇，贝。 对用户域名加W判断，如仍不匹配则发布认证失败消息，若已存用户ID，则生成随机数R2， 连同与R1-起做的hash运算H巧1，R2)返回给NAS。
[0037] ⑦.NAS使用K2得到R2后再用K1进行加密，将H(R1，哟一同包含在向用户发送 的EAP-Request消息中；
[003引⑨.用户通过K1得到R2之后自行计算R1、R2的哈希值并与接收到的H巧1，R2)对比，若不相同则对Diameter服务器重新发起认证，若相同则向NAS发送包含用户ID和 H(ID，PW，R2)的EAP-Response消息。
[0039] 第S阶段；服务器对用户的认证。
[0040] ⑨.NAS使用Kl得到用户ID后用K2加密，连同HaD，PW，R2)-起向Diameter服 务器发送Diameter-EAP-Request消息；
[004U ⑩.Diameter服务器对比接收到的H(ID，PW，R2)与本地的计算结果，若一致则认 证成功，若不一致则认证失败，回复相应的Success/化ilure消息；
[0042]風NAS向用户转发EAP-Success/EAP-Failure消息。
[0043] W上过程针对标准Diameter/EAP-MD5认证方法中存在的用户身份信息明文传 输、未对NAS进行身份确认、未实现用户与服务器的双向认证等主要缺陷实现了改进。
[0044] 在改进的认证方法中，用户与NAS之间、NAS和认证服务器之间分别采用约定的对 称密钥K1、K2对消息进行加密，该样针对使得用户身份信息加密传输，增加了信息的机密 性；用户和NAS之间依靠对称密钥K1实现了双向认证，同时用户利用本地产生的随机数R1 和认证服务器产生的随机数R2实现了对服务器的认证；在改进的认证方法中每一次新的 认证，用户生成新的随机数R1，Diameter认证服务器生成新的随机数R2,且R1位长可选， 两个随机数的配合使重放攻击的可能性大大降低。
【主权项】
1. 一种基于改进Diameter/EAP-MD5协议的民航SWM用户认证方法，在分析标准 Diameter/EAP_MD5认证及其自身所存在的缺陷的基础上，新增Diameter/EAP_MD5认证 方法的双向认证、数据加密及增加随机数抵御重放攻击，其特征在于：改进的Diameter/ EAP-MD5认证可分为三个阶段： (1) .第一阶段，使用与NAS共享的AES算法对称密钥Kl将用户ID和Rl(由用户产生） 同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，以此来对用户信息加密传输，并对NAS进 行身份确认； (2) .第二阶段，用户利用本地产生的随机数Rl和认证服务器产生的随机数R2实现对 服务器的认证； (3) .第三阶段，服务器端通过对Rl及用户信息进行hash运算，并将结果与收到的客户 端的运算结果进行比较来实现服务器对用户的认证； 改进后的Diameter/EAP-MD5认证未增加流程消息数，并在几乎没有增加时间复杂度 的基础上对双向认证、抵御重放攻击、机密性等方面都做了部分改善。2. 第一阶段实现SWM用户与NAS之间的相互认证，其具体过程如下： (1)NAS向Diameter认证服务器发送NULLMessage，标志认证过程的开始； (2) Diameter认证服务器向NAS发送DER报文，要求用户提供身份信息； (3)NAS将DER消息解封后重新封装成EAP-Request消息后转发给用户； (4) 用户产生一个随机数R1，使用与NAS共享的AES算法对称密钥Kl将用户ID和Rl 同时加密后封装在EAP-Response消息中发往NAS，若NAS持有相应的K1，则可实现与用户 的相互认证并提取用户ID，否则认证失败； 用户通过使用与NAS共享的算法对称密钥Kl来加密用户信息及用户产生的随机数R1， 解决用户ID明文传输问题，提高了传输信息的机密性，同时实现了SWM用户与NAS之间的 相互认证。3. 第二阶段实现用户对服务器的认证，具体过程如下： (1) NAS使用Kl解密消息后得到用户ID和随机数R1，判断用户的realm信息以确定转 发至哪个Diameter认证服务器，然后使用与Diameter认证服务器约定的AES算法对称密 钥K2对其进行加密后封装在DER消息中转发给Diameter认证服务器； (2)Diameter服务器使用K2解密消息得到用户ID并加以判断，若未保存用户ID，则对 用户域名加以判断，如仍不匹配则发布认证失败消息，若已存用户ID，则生成随机数R2,连 同与Rl-起做的hash运算H(Rl，R2)返回给NAS; (3)NAS使用K2得到R2后再用Kl进行加密，将H(R1，R2) -同包含在向用户发送的 EAP-Request消息中； (4) 用户通过Kl得到R2之后自行计算R1、R2的哈希值并与接收到的H(R1，R2)对比， 若不相同则对Diameter服务器重新发起认证，若相同则向NAS发送包含用户ID和H(ID， PW，R2)的EAP-Response消息； 用户利用本地产生的随机数Rl和所获得的认证服务器产生的随机数R2进行hash运 算，将运算结果与收到的服务器端hash运算值H(R1，R2)比较，以此来实现用户对服务器的 认证。4. 第三阶段实现服务器对用户的认证，具体过程如下： (1) NAS使用Kl得到用户ID后用K2加密，连同H(ID，PW，R2) -起向Diameter服务器 发送Diameter-EAP-Request消息； (2)Diameter服务器对比接收到的H(ID，PW，R2)与本地的计算结果，若一致则认证成 功，若不一致则认证失败，回复相应的Success/Failure消息； (3)NAS向用户转发EAP-Success/EAP-Failure消息。5.在改进的认证方法中每一次新的认证，用户生成新的随机数Rl，Diameter认证服务 器生成新的随机数R2,且Rl位长可选，两个随机数的配合使重放攻击的可能性大大降低。
【专利摘要】SWIM(System Wide Information Management，即广域信息管理)采用的是面向服务的体系结构SOA(Service Oriented Architecture)为民航领域提供信息交互和数据共享的功能。SWIM在提供数据高速交互和信息共享的同时，面临越来越多的安全威胁，其中，数据安全和隐私保护是SWIM核心服务必须解决的问题。本发明在SOA架构的模拟SWIM平台下实现基本的用户身份Diameter/EAP-MD5认证，分析了标准Diameter/EAP-MD5认证所存在的缺陷，提出基于改进的Diameter/EAP-MD5协议的SWIM用户身份认证方法。在模拟的SWIM环境中对改进方法进行仿真实验和安全性分析。实验结果表明：改进的Diameter/EAP认证方法可在性能相当的前提下提高认证系统的安全性，为SWIM安全服务框架的构建提供保障。
【IPC分类】H04L9/32, H04L29/06
【公开号】CN104901946
【申请号】CN201510169419
【发明人】吴志军, 牛方超, 王彩云, 雷缙, 岳猛
【申请人】中国民航大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月10日
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