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1、第5章 物联网网络层安全,2020/9/19,2/49,学习目标,本章介绍物联网网络层面临的安全威胁和安全需求，实现物联网网络层安全保护的机制。 网络层安全概述 近距离无线接入（WLAN）安全 远距离无线接入（3G，4G）安全 物联网核心网安全,2020/9/19,3/49,课前回顾,5.1 物联网网络层安全概述 5.2 WLAN安全 5.2.1WLAN安全概述 5.2.2有线等同保密协议WEP,2020/9/19,4/49,本节课学习内容,5.2 WLAN安全 5.2.3健壮网络安全RSN 5.2.4 WLAN鉴别与保密基础结构WAPI 5.3 3G/4G安全,2020/9/19,5/49,
2、5.2.2 有线等同保密协议WEP,WEP数据帧加密封装,2020/9/19,6/49,5.2.2 有线等同保密协议WEP,WEP数据帧解密与校验,2020/9/19,7/49,5.2.2 有线等同保密协议WEP,WEP的安全性 RC4密码作为一种流密码，其安全程度取决于密钥流的随机程度。流密码密钥流的随机程度并不高，因此在安全上存在一定的风险。 弱IV与密钥的特定字节有着潜在的联系，每个弱IV都会泄露密钥信息。,7,2020/9/19,8,如何基于公钥密码及成熟安全机制实现WLAN安全需求？,8,2020/9/19,9/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,WLAN安全标准的发展 EAP:
3、Extensible Authentication Protocol TKIP: Temporary Key Integrity Protocol CCMP: Counter-mode/CBC MAC Protocol,WEP (Wired Equivalent Privacy) 802.11b, 1999 RC4,WPA(Wi-Fi Protected Access) WiFi, 802.1X , EAP, TKIP,RSN (Robust Security Network) IEEE 802.11i, 2004 802.1X , EAP, CCMP, TKIP,AES,WAPI (WLAN
4、 Authentication and Privacy Infrastructure) GB 15629.11-2003, 2003,2020/9/19,10/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,WEP v2WPA：Wi-Fi Protected Access 无线保护接入WPA，基于预共享密钥认证对等实体，并从预共享密钥生成一个128比特加密密钥和另一个不同的64比特消息认证密钥，后者用于计算消息完整性验证码。 WPA可选采用IEEE 802.1X 和扩展认证协议EAP 对每一次关联实现更强的认证，并协商生成一个新鲜的共享密钥。,2020/9/19,11/49,5.2.3 健壮网络安全RS
5、N,无线保护接入WPA WPA采用临时密钥完整性协议TKIP实现数据保密性和完整性保护，仍使用RC4算法加密数据，但包括一个密钥混合函数和一个扩展的初始向量空间，用于构造非关联且新鲜的每包密钥。,2020/9/19,12/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,RSN：Robust Security Network IEEE于2004年推出了802.11的安全补充标准802.11i，定义了全新的WLAN安全基础架构：健壮安全网络RSN。 在2007版IEEE 802.11标准中补充更新了WLAN安全架构，标准中保留了向前兼容的WEP、以及TKIP认证与保密通信方式，并定义了健壮安全网络关联RSN
6、A。,2020/9/19,13/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,1RSNA建立 方法1：基于IEEE802.1X建立RSNA，实现认证与密钥管理。,2020/9/19,14/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,1RSNA建立 方法2：基于预共享密钥PSK (Pre-Shared Key)建立RSNA，实现认证和密钥管理。 基本过程与方法1一致，不同之处是不需要密钥协商，直接使用预共享密钥PSK作为初始主密钥PMK。,2020/9/19,15/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,2认证 RSNA无线网络安全协议栈,802.1X(EAPoL),2020/9/19,16/49,5.2.3
7、健壮网络安全RSN,(1) IEEE 802.1X 一种基于端口的网络接入控制协议，提供一种对入网设备的认证机制。 定义了在IEEE802网络上封装扩展认证协议EAP，即EAPoL协议，并支持WLAN。 包括3个部分：请求者(STA)，认证者(AP等)和认证服务器。 在认证通过之前，802.1X只允许EAPoL数据帧通过AP/交换机的设备端口。 二层协议，无需高层支持，适合WLAN认证与接入控制。,2020/9/19,17/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,(1) IEEE 802.1X 工作原理,2020/9/19,18/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,(2) 扩展认证协议EAP
8、扩展认证协议EAP是一种认证框架，由RFC 3748定义。 支持多种认证方法，如EAP-MD5 、EAP-TLS、EAP-IKE v2等。通过使用具体的EAP方法协商产生密钥及传递参数。 EAP-TLS即为一种具体的认证方法，在RFC 5216中定义，它使用强安全认证协议TLS，采用EAP框架交换协议消息，使用PKI实现基于公钥证书的请求者与认证者双向认证。,2020/9/19,19/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,(3) RSAN认证过程,2020/9/19,20/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,AP从STA接收到的所有EAP帧被从EAPoL格式解封并转化为标准EAP帧，由高层负
9、责针对AS认证协议重新封装，如对于使用RADIUS的认证服务器AS按RADIUS协议格式封装，转发给AS。反之亦然。 通常AP与RADIUS服务器拥有共享密钥，用于加密保护AP与AS之间交换认证消息。 通过EAP-TLS方法完成STA与AS之间认证，在STA与AS之间协商产生共享主密钥PMK(Pairwise Master Key)。AS将PMK通过加密的EAP Success消息安全地传递给AP，此时，完成了STA与AP(通过AS)之间相互认证，并拥有共享密钥PMK。,2020/9/19,21/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,3. 密钥管理协议 RSNA采用4次握手协议在STA与AP之
10、间协商产生和更新共享临时密钥，以及密钥使用方法。,2020/9/19,22/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,四次握手协议实现STA与AP之间基于PMK交换产生会话密钥PTK (Pairwise Transient Key)。 通过四次握手协议，使得双方确认对方正确持有PMK，并通过交换随机数，产生共享的会话密钥PTK。 消息2、3、4都使用了消息完整性码MIC保护消息。计算MIC使用从PTK中导出的密钥确认密钥KCK。,2020/9/19,23/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,会话密钥PTK 基于伪随机函数，使用STA与AP交换的随机数SNonce、ANonce，以及网络地址计算得
11、出，并分解为三个子密钥： 密钥确认密钥KCK(Key Confirmation Key)：128比特，用于计算MIC等。 密钥加密密钥KEK(Key Encryption Key)：128比特，用于加密其他密钥，如加密组密钥GTK进行组密钥分发。 临时密钥TK(Temporal Key)：使用CCMP时长度为128比特，使用TKIP时长度为256比特，用于数据保密。,2020/9/19,24/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,组密钥GTK (Group Transient Key) 使用两次握手协议分发 AP使用KEK加密GTK，分发给合法的STA。 STA验证消息完整性后本地安装GTK，
12、并返回一个确认消息。 AP周期性调用4次握手协议或两次握手组密钥分发协议，重新协商会话密钥PTK或分组组密钥GTK。,2020/9/19,25/49,5.2.3 健壮网络安全RSN,4. RSNA数据保密协议 STA与AP完成认证后，使用数据保密协议保护802.11数据帧。 802.11定义了两类数据保密和完整性协议 TKIP: Temporal Key Integrity Protocol CCMP: Counter mode with Cipher-block chaining Message authentication code Protocol。 CCMP核心加密算法采用128比特密
13、钥长度和128比特分组长度的AES算法，提供了数据保密、认证和完整性保护，以及重放保护，CCMP保护MAC协议数据单元MPDU的数据域部分和802.11帧头部。,2020/9/19,26,我国自主知识产权的WLAN安全机制,26,2020/9/19,27/49,5.2.4 WLAN鉴别与保密基础结构WAPI,中国的WLAN国家标准（强制实施） GB15629.11-2003信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网 特定要求第11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范 GB15629.1102-2003信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网特定要求 第11部分：无线局域网媒体
14、访问(MAC)和物理(PHY)层规范：2.4GHz频段较高速物理层扩展规范 GB 15629.11-2003/XG1-2006信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范 第1号修改单,2020/9/19,28/49,5.2.4 WLAN鉴别与保密基础结构WAPI,中国的WLAN国家标准（强制实施） GB 15629.1101-2006信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：5.8GHz频段高速物理层扩展规范 GB/T 15629.1103-2006信息技术 系
15、统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：附加管理域操作规范 GB 15629.1104-2006信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网 特定要求 第11部分：无线局域网媒体访问控制和物理层规范：2.4GHz频段更高数据速率扩展规范,2020/9/19,29/49,5.2.4 WLAN鉴别与保密基础结构WAPI,GB15629.11中定义了WLAN鉴别与保密基础结构WAPI，包括两个部分： WLAN鉴别基础结构WAI(WLAN Authentication Infrastructure) WLAN保密基础结构WPI(WLAN
16、Privacy Infrastructure) WAPI使用椭圆曲线ECC公钥密码算法，以及国家密码办指定的商用对称密码算法，分别实现对WLAN实体的鉴别和传输数据加密保护。,2020/9/19,30/49,5.2.4 WLAN鉴别与保密基础结构WAPI,WAI采用公钥密码体制，重新定义了数字证书结构实现实体身份与公钥的绑定，实现实体间认证和密钥协商，且证书格式与X.509不兼容。 WAI鉴别与密钥协商过程,5.3 3G安全机制,3G基本概念 3G标准 3G安全体系结构 3G安全问题范畴 3G系统的防范策略 3G（UMTS）认证与密钥协商协议 3G系统安全特性优缺点,3G概念,第三代移动通信技术(3G)是指支持高速数据传输的移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息(电子邮件、即时通信等)。3G的代表特征是提供高速数据业务，速率一般在几百kb/s以上。,3G标准,TD-SCDMA,3G标准,W-CDMA,CDMA2000,WiMAX,WiMAX的全名是微波存取全球互(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，又
