支持AAA的MPLS VPN安全解決方案

黨楠

（商洛學(xué)院 物理與電子信息工程系，陜西商洛 726000）

MPLS最初是在Cisco公司所提出的TagS witching技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要技術(shù)就是引入了基于標(biāo)簽的機(jī)制，從而把選路和轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個(gè)分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑，數(shù)據(jù)傳輸通過分層服務(wù)提供商（Layered Service Provider,LSP）完成。MPLS最重要的優(yōu)勢(shì)在于允許因特網(wǎng)服務(wù)提供商提供傳統(tǒng)IP路由技術(shù)所不能支持的新型業(yè)務(wù)，因此得到了很多運(yùn)營商和廠家的青睞。

MPLS技術(shù)非常適合于組建VPN?；贛PLS的VPN，不像傳統(tǒng)的VPN依賴封裝和加密機(jī)制，而是利用巧妙的轉(zhuǎn)發(fā)和包標(biāo)記來隔離客戶信息并創(chuàng)建安全信道。MPLS VPN包含的所有能力都能在MPLS骨干網(wǎng)中體現(xiàn)，并且描繪出一種在IP網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)造高性能VPN的全新方法[1]。MPLS VPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括三種設(shè)備:用戶邊緣 (CE:Customer Edge)路由器、提供商邊緣 (PE:Provider Edge)路由器和提供商(P:Provider)路由器[2]。在MPLS VPN中，ISP為每個(gè)VPN都分配了一個(gè)標(biāo)識(shí)符，稱作路由標(biāo)識(shí)符（RD），這個(gè)標(biāo)識(shí)符在服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)中是獨(dú)一無二的。由RD和用戶的IP地址連接形成VPN-IP地址，VPN-IP地址在轉(zhuǎn)發(fā)表中是唯一的，在網(wǎng)絡(luò)中也是獨(dú)一無二的。

MPLS VPN的具體實(shí)現(xiàn)過程為：MPLS網(wǎng)絡(luò)形成由網(wǎng)絡(luò)入口到出口的MPLS域，所有的VPN功能是在MPLS域邊緣的PE中實(shí)現(xiàn)的，對(duì)MPLS域內(nèi)的P路由器和域外的CE路由器而言是透明的。數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)PE處由LER按照特定的映射規(guī)則映射為短標(biāo)簽，映射規(guī)則考慮了目的地信息和QoS信息；標(biāo)簽分發(fā)過程通過特定的控制協(xié)議（LDP或資源預(yù)留協(xié)議）進(jìn)行，各個(gè)LSR根據(jù)標(biāo)簽在LSP上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換式轉(zhuǎn)發(fā)，可以使用現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行選路機(jī)制。

圖1 MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1 MPLS VPN安全解決方案

1.1 AAA認(rèn)證頭標(biāo)

AAA[3]是認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)（Authentication,Authorization,Accounting）的簡稱，它提供了一種用來對(duì)認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)這三種安全功能進(jìn)行一致性配置的網(wǎng)絡(luò)安全管理框架。主要是通過AAA服務(wù)器端程序與運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器（Network Access Server,NAS）的客戶端程序相互配合來完成工作的。

在MPLS VPN的通信過程中，認(rèn)為CE與PE之間的通信是安全的，為了保證在MPLS內(nèi)傳送的安全性，本文中定義一個(gè)新的頭標(biāo)—AAA認(rèn)證頭標(biāo)，如圖2，并且提出了支持AAA的

圖2 AAA認(rèn)證頭標(biāo)

在圖3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，由于業(yè)務(wù)的需要VPN1要和VPN2進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，為了保證該數(shù)據(jù)確實(shí)是從VPN1發(fā)來的包，在MPLS的標(biāo)簽中增加了一個(gè)擴(kuò)展頭標(biāo)，即AAA認(rèn)證頭標(biāo)，VPN2中的AAAserver對(duì)該包進(jìn)行認(rèn)證，保證它確實(shí)是 VPN1中發(fā)來的包，這樣，VPN2中的AAAserver允許該包進(jìn)入，剝?nèi)AA認(rèn)證頭標(biāo)后，再把這個(gè)數(shù)據(jù)交給VPN2局域網(wǎng)。

AAA認(rèn)證頭標(biāo)主要起一個(gè)簽名認(rèn)證的作用，此簽名認(rèn)證的具體過程如下：

1）對(duì)簽名前的整個(gè)報(bào)文做運(yùn)算，用VPN1中AAAserver的私鑰對(duì)其加密，形成一個(gè)數(shù)字簽名，加入到AAA認(rèn)證頭標(biāo)中，VPN2中的AAAserver接到該包后，用其對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)其應(yīng)用BLS簽名體制進(jìn)行數(shù)字簽名認(rèn)證，如果匹配，則允許該包進(jìn)入，否則丟棄該包。

圖3 AAA的MPLS-VPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2）當(dāng)VPN2要對(duì)VPN1發(fā)送響應(yīng)信息時(shí)，先對(duì)簽名前的整個(gè)報(bào)文做運(yùn)算，再用VPN2中的AAAserver的私鑰對(duì)其加密形成一個(gè)數(shù)字簽名，加入到AAA認(rèn)證頭標(biāo)中，VPN1中的AAAserver接到該包后，用其對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)其進(jìn)行數(shù)字簽名認(rèn)證，如果匹配，則允許該包進(jìn)入，否則丟棄該包。

在這里，認(rèn)為存在一個(gè)被圖3中所有的AAAserver都信任的證書簽發(fā)機(jī)構(gòu)（CA），CA可能是ISP、NSP或者其他的服務(wù)提供商，它的主要任務(wù)就是向所有的AAAserver分配證書，從而確保將證書中生成的公鑰分配給未指定的用戶。因此只要AAAserver向CA進(jìn)行注冊(cè)，它就能夠得到證書進(jìn)行認(rèn)證。

這樣，當(dāng)每一個(gè)AAAserver向CA注冊(cè)后，它們都能獲得一個(gè)證書，在這個(gè)證書中包括了AAAserver的標(biāo)識(shí)符，公鑰，證書的有效時(shí)間和CA的簽名。

1.2 BLS簽名

設(shè)G1是生成元為P階為q的加法群，G2是階為q的乘法群映射e:G1×G1→G2稱為是雙線性映射。H1:{0，1}*→Zq，H2:{0，1}*→G1，是兩個(gè)密碼hash函數(shù)假設(shè)G1和G2上的DLP（離散對(duì)數(shù)問題：給定兩個(gè)元素P、Q∈G，找到使得Q=nP成立的整數(shù)n）問題是難解的[4]。

1.2.1 密鑰產(chǎn)生算法

1）系統(tǒng)私鑰的產(chǎn)生：任意選擇s∈Zq*PM=H2（M）∈G1，SM=sPM作為系統(tǒng)私鑰；

2）Ppub=sP 作為系統(tǒng)公鑰，其中{G1，G2，q,P,Ppub，H2}為公開參量。

1.2.2 簽名算法

對(duì)M={0，1}*，簽名人計(jì)算PM=H2（M）∈G1，SM=sPM，則對(duì)消息M的簽名就是SM。

1.2.3 驗(yàn)證算法

驗(yàn)證等式e（SM，P）=e（H2（M），Ppub）成立，則接受簽名；否則，拒絕。

1）認(rèn)證和密鑰的建立

現(xiàn)規(guī)定幾個(gè)術(shù)語為：

VPN1中的AAAserver——簡稱為AAAserver1；

VPN2中的AAAserver——簡稱為AAAserver2；

VPN3中的AAAserver——簡稱為AAAserver3；

VPN4中的AAAserver——簡稱為AAAserver4；

AAAserver1和AAAserver2的證書描述

在上面的方程中：

h（）代表一個(gè)單向的hash函數(shù)；

date表明了證書的有效時(shí)間；

PAAAserver1——PAAAserver2的公鑰；

PAAAserver2——PAAAserver2的公鑰；

[…]SCA——對(duì)[…]里的內(nèi)容用CA中的私鑰進(jìn)行簽名。

AAAserver1中證書的更新取決于對(duì)VPN2而言，VPN1是否是VPN2的合法的用戶。通常情況下，先由AAAserver1向VPN2發(fā)出更新請(qǐng)求，VPN2在AAAserver1注冊(cè)的過程中就能更新AAAserver1的證書。

2）基于安全協(xié)議的公鑰證書的描述

由VPN2廣播其公鑰證書——certAAAserver2，當(dāng)VPN1想要向VPN2注冊(cè)時(shí)，它就會(huì)檢查AAAserver1證書中CA的公鑰的有效性，從而得到

AAAserver1產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)ks作為會(huì)話密鑰，并且用PAAAserver2（AAAserver2的公鑰）加密ks與certAAAserver1和消息的簽名一起發(fā)送給AAAserver2。

因此通過這樣一個(gè)安全協(xié)議，VPN1和VPN2就能夠通過它們各自的AAAserver彼此認(rèn)證以及共享會(huì)話密鑰，從而保護(hù)了它們之間通信過程中的安全性。其具體的流程圖如圖4所示。

2 分析引入AAA的MPLS VPN安全認(rèn)證的安全性分析

郵戳是獨(dú)一無二的一個(gè)值，其目的是為了阻止重播攻擊。在接受到由VPN1發(fā)送的消息后，VPN2中首先用CA中的公鑰來檢查其有效性，如果有效，則用certAAAserver1中的PAAAserver1來驗(yàn)證簽名。這樣，VPN2就能夠確認(rèn)數(shù)據(jù)流確實(shí)是VPN1發(fā)送的，因?yàn)橹挥蠽PN1中的AAAserver1擁有私鑰 SAAAserver1，即使有惡意攻擊者能夠得到AAAserver1的證書，它也不能夠假冒VPN1，因?yàn)橹挥蠥AAserver2的私鑰能以與PAAAserver2相配，也就是說，只有VPN2中的AAAserver2能對(duì)消息解密得到ks。

在這里給出當(dāng)與1024 bit的RSA相同的安全等級(jí)時(shí)，DSA體制和BLS體制的通信代價(jià)如表1。從表1可以看出，BLS簽名的通信代價(jià)較小，簽名時(shí)間較短，但相對(duì)驗(yàn)證時(shí)間較長。

表1 三種簽名算法體制的通信代價(jià)

文獻(xiàn)[4]及表1表明一個(gè)簽名長度大約近為170 bit的BLS簽名與一個(gè)簽名長度為1024 bit的基于離散對(duì)數(shù)的數(shù)字簽名(如DSA)的安全性能相等。所以它能夠產(chǎn)生非常短的簽名，更有助于減少通信過程中通信代價(jià)，更適合于在低帶寬的信道中傳輸。在隨機(jī)預(yù)言模型下BLS短簽名方案是能夠抵御適應(yīng)性選擇消息攻擊的[5]。

應(yīng)用AAA認(rèn)證頭標(biāo)可以有效解決上述MPLS VPN中的安全問題，確保了信息傳輸?shù)陌踩?。但目前已有的?shù)字簽名算法在計(jì)算上是昂貴的，當(dāng)要對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行獨(dú)立的簽名和認(rèn)證時(shí)，就會(huì)加大傳輸?shù)男畔⒘髁?，從而加大了引起丟包現(xiàn)象的發(fā)生，由此可以采取批認(rèn)證方案(Batch Verification)來解決其效率和數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[5-7]已經(jīng)證明了該方法的可行性。

圖4 AAAserver1與AAAserver2認(rèn)證流程圖

3 分析引入AAA的MPLS VPN安全認(rèn)證的性能分析

3.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

表2中，為了保證MPLS VPN中PE到PE之間信息的安全傳輸，方案1為原基礎(chǔ)MPLS VPN模式；方案2是在方案1的基礎(chǔ)上加了IPsec封裝和GBE封裝。

表2 PE-PE性能技術(shù)分析比較

從表2可以看出，基礎(chǔ)MPLS VPN的方案1實(shí)現(xiàn)費(fèi)用低，包的平均延遲時(shí)間小，但其安全性較弱，當(dāng)需要傳送安全性需求不高的報(bào)文時(shí)，可以采取方案1的方法。方案2和本文的方案相對(duì)安全性比較高，尤其本文采用的新方案既有加密又有認(rèn)證，非常適合傳輸高機(jī)密的報(bào)文。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]可大概估算出表2中方案1的平均延遲時(shí)間為0.28526437 ms；方案2中的平均延遲時(shí)間≤0.9 ms；新方案的平均延遲時(shí)間為：基礎(chǔ)MPLS VPN延遲時(shí)間+BLS簽名時(shí)間+BLS驗(yàn)證時(shí)間=0.28526437 ms+2.75 ms+81 ms=84.03526437 ms。三種方案的認(rèn)證延遲時(shí)間如表3。

表3 三種比較方案的認(rèn)證延遲

這完全符合以上的分析?？傊梢钥吹饺粜枰^高的安全級(jí)別，那么傳送包的延遲就會(huì)大一些，丟包率會(huì)高一些。

5 結(jié)語

近年來，MPLS VPN無論在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用上均取得了很大進(jìn)展,但是MPLS VPN的安全性問題尚未得到解決。本文針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)情況下,MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中的MPLS主干網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的發(fā)送未經(jīng)任何安全處理，引入AAA認(rèn)證頭標(biāo)，提出了引入AAA的MPLS VPN安全認(rèn)證方案并給出了相應(yīng)的安全性分析和性能分析。

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