組播環(huán)境下數(shù)據(jù)源驗(yàn)證協(xié)議的研究

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1、http://www.paper.edu.cn組播環(huán)境下數(shù)據(jù)源驗(yàn)證協(xié)議的研究朱丹大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，大連（100061）E-mail：bluedusk@126.com摘要：在組播安全技術(shù)中，以提供安全,保密通信為目標(biāo)的數(shù)據(jù)源驗(yàn)證技術(shù)一直是其最為重要,最為基本的研究領(lǐng)域。數(shù)據(jù)源驗(yàn)證技術(shù)允許接收方可以驗(yàn)證其收到的組播信息來(lái)源于哪一個(gè)特定的成員,并且在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被修改過(guò).TESLA正是這樣一種有重要應(yīng)用潛力的,高效的數(shù)據(jù)源驗(yàn)證協(xié).本文在對(duì)TESLA進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，著重闡述一種改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，該方案使用雙鑰鏈結(jié)構(gòu)代替原有的單鑰鏈，彌補(bǔ)了原始設(shè)計(jì)在初始化機(jī)制上的不

2、足，增強(qiáng)了其可擴(kuò)展能力。關(guān)鍵詞：組播源認(rèn)證，TESLA，消息認(rèn)證碼，安全1.引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，組播（Multicast）通信模式得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。這些應(yīng)用包括：衛(wèi)星通信，網(wǎng)絡(luò)視頻，無(wú)線廣播等。通常情況下，數(shù)據(jù)是以流的方式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬是有限的，所以為了避免單獨(dú)的發(fā)送數(shù)據(jù)給每個(gè)接收者，需要使用組播通信技術(shù)。近年來(lái)，許多組播通信協(xié)議被提出并得到了應(yīng)用，然而在[1]組播通信中，組播中的數(shù)據(jù)安全也有著不同于普通點(diǎn)播情形的特殊問(wèn)題。;論文分類介紹了一些組播安全問(wèn)題以及一些解決方案。一個(gè)重要問(wèn)題是數(shù)據(jù)源驗(yàn)證(SourceAuthentication)

3、。即接收方能夠驗(yàn)證其收到的數(shù)據(jù)是可信的（驗(yàn)證信息來(lái)自某個(gè)特定的成員，并確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被修改過(guò)），即使在其他的接受方都不可信的情況下。可見(jiàn)，提供數(shù)據(jù)源驗(yàn)證是組播通信的核心問(wèn)題。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的源驗(yàn)證方法并不適用于組播的情況。原因是每一個(gè)接收方共享一個(gè)密鑰進(jìn)而使得他們可以生成偽造的數(shù)據(jù)來(lái)模仿發(fā)送方。針對(duì)這種情況我們自然想到了使用基于非對(duì)稱密碼學(xué)的方法來(lái)抵御這樣的攻擊，即數(shù)字簽名。事實(shí)上，數(shù)字簽名確實(shí)是一種安全的數(shù)據(jù)源驗(yàn)證方法，但是其簽名和校驗(yàn)的計(jì)算開(kāi)銷，以及傳輸帶寬的開(kāi)銷都很[2,3][4,5,6]大，以致于阻礙了這種方案的實(shí)施。提出了一些通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)包公用一個(gè)數(shù)字簽

4、名的方法來(lái)降低開(kāi)銷的方案，然而這些方案在計(jì)算開(kāi)銷和傳輸帶寬方面都不能另人完全滿意，特別是在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，高丟包率使得這種方法更加不可行。即使在較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這種多包共享數(shù)字簽名的方法依然很容易收到拒絕服務(wù)攻擊（DenialofServiceAttack）。這時(shí)，攻擊者可以偽造大量的含有復(fù)雜的數(shù)字簽名的數(shù)據(jù)包，由于數(shù)字簽名的驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量的資源，進(jìn)而造成了拒絕服務(wù)攻擊。另外一種提供數(shù)據(jù)源驗(yàn)證的方法使用對(duì)稱密碼學(xué)，通過(guò)消息驗(yàn)證碼（MAC）加密數(shù)[7]據(jù)包，以及發(fā)送方延遲發(fā)布密鑰的方式來(lái)保證組播安全。這種方法最早由Cheung提出并應(yīng)用于路由間的授權(quán)通信。之后又使用

5、于交互式的單播通信協(xié)議GuyFawkes[8][9,10,11,12][12]Protocol。針對(duì)組播的解決方案主要有，其中Perring等提出的TESLA協(xié)議，[17]由于被提送至IETF的RMT(ReliableMulticastTransport)工作組和IRTF的[18]SMuG(SecureMulticast)工作組而被廣泛認(rèn)可。TESLA提供的源驗(yàn)證方案尤其適用于[19][20]MESPheader或者RMT提出的ALC協(xié)議.TESLA(TimedEfficientStreamLoss-tolerantAuthentication)的主要思想是，使用對(duì)稱加密

6、模型(不對(duì)稱加密的開(kāi)銷太大)，同時(shí)利用密鑰發(fā)布延遲技術(shù)(DelayedKeyDisclosure)-1-http://www.paper.edu.cn來(lái)實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱加密的特性。其前提條件是發(fā)送方于接收方需要松散的時(shí)間同步。(同步不一定很精確，但是接受方必須知道一個(gè)上限)。這種方法的關(guān)鍵在于利用密鑰的延遲發(fā)布來(lái)實(shí)現(xiàn)組播的安全性。發(fā)送方使用只有他自己知道的密鑰k對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包加密生成一個(gè)MAC值。接收方在源驗(yàn)證之前緩沖其所收到的數(shù)據(jù)包，其中傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包將被丟棄。一小段時(shí)間后，發(fā)送方發(fā)布密鑰k，從而接收方可以驗(yàn)證其之前緩沖的數(shù)據(jù)包。因而，只要發(fā)送方于接收方能夠預(yù)先同步時(shí)鐘

7、，則每個(gè)數(shù)據(jù)包只需要一個(gè)MAC值就可以完成源驗(yàn)證。TESLA即可以在網(wǎng)絡(luò)層也可以在應(yīng)用層使用，并且能夠適用于高丟報(bào)率的環(huán)境。TESLA的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生和驗(yàn)證信息的計(jì)算量小，通信消耗低，尤其適用于計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都有限的網(wǎng)絡(luò)，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其缺點(diǎn)是在驗(yàn)證之前接收方需要提供緩存空間，如果信息量過(guò)大，則需要接收方有較高的存儲(chǔ)能力。另外，對(duì)接收方緩存的要求可能會(huì)導(dǎo)致拒絕服務(wù)攻擊。以下第二節(jié)詳細(xì)闡述了TESLA的原始設(shè)計(jì)及其工作原理，并分析了原始設(shè)計(jì)的一些缺陷以及對(duì)協(xié)議應(yīng)用的影響。第三節(jié)詳細(xì)闡述了針對(duì)以上缺陷的增強(qiáng)設(shè)計(jì)，第四節(jié)討論了一