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CN105553981B - 一种wlan网络快速认证和密钥协商方法 - Google Patents

一种wlan网络快速认证和密钥协商方法 Download PDF

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CN105553981B CN201510949601.1A CN201510949601A CN105553981B CN 105553981 B CN105553981 B CN 105553981B CN 201510949601 A CN201510949601 A CN 201510949601A CN 105553981 B CN105553981 B CN 105553981B
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Abstract

本发明公开了一种WLAN网络快速认证和密钥协商方法。该方法中，移动终端和无线接入点共享WLAN初始密钥，当移动终端申请接入无线网络时，移动终端与接入点基于对称密码算法实现快速双向认证，同时派生出双方通信时的会话密钥，以实现WLAN的安全接入和空口数据加密功能。本发明无需认证服务器和X.509证书机制实现了移动终端与SSID接入点的快速双向认证，具有安全快捷的特点，适合对安全性和接入时间有严格要求的WLAN应用场景。

Description

一种WLAN网络快速认证和密钥协商方法
技术领域
本发明涉及移动通信安全技术领域，具体涉及一种WLAN网络快速认证和密钥协商方法。
背景技术
在WLAN中也面临着网络非法访问和无线通信信息被窃听等安全威胁。因此WLAN提出了用户身份认证和数据加密的标准。
早期WLAN支持共享密钥认证和WEP（有线等效保密）数据加密。但共享密钥认证不支持双向认证，只支持AP对STA的认证，因此存在假冒AP的风险。其次WEP也存在加密密钥长度（40bit）和初始化向量IV（24bit）太短的问题。此外WEP的加密密钥固定不变，现在已经有软件可以轻易破解，因此不是很安全。
针对WEP的安全缺陷，IEEE制订了更安全的标准WPA（Wi-Fi受保护的访问），用于增强WLAN网络的安全性。WPA同时提供EAP（可扩展认证协议）认证和TKIP（临时密钥完整性协议）数据加密。但WPA也面临一些问题，如WPA认证需要使用认证服务器，不适合一些特殊的应用场景。认证使用X.509证书机制，过程复杂且效率低下，不能实现快速身份认证等。
上述安全方案使得WLAN不适合一些对认证时间要求严格、安全性要求高的特殊场合。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种WLAN网络快速认证和密钥协商方法，包括如下步骤：
步骤一：移动终端进入接入SSID接入点覆盖区域，产生随机数R1和序列号SQN。
步骤二：移动终端利用初始密钥Ki对MAC_Addr||R1||SQN进行加密，得到E（Ki，MAC_Addr||R1||SQN），然后将它作为认证请求发送给SSID接入点，其中，MAC_Addr为移动终端MAC地址。
步骤三：SSID接入点收到E（Ki，MAC_Addr||R1||SQN）后，进行如下处理：
S1.通过数据帧的MAC地址查找对应的移动终端的初始密钥Ki，并用Ki解密数据帧，得到MAC_Addr2、R1和SQN的值。MAC_Addr2为SSID端解密得到的移动终端MAC地址。
S2.比较收到数据帧的MAC_Addr与解密得到的MAC_Addr2，如果不等则终止认证。如果相等则证明移动终端是合法的，进行步骤S3。
S3.将本次解密的SQN与以前保存的SQN进行比较，如果相等则为重放攻击，如果不等则为正常的认证请求，进行步骤S4。
S4.SSID接入点通过对移动终端的认证，SSID接入点则保存R1和SQN，同时产生随机数R2。
步骤四：SSID接入点利用解密得到的R1作为密钥对SSID||R2||SQN进行加密，得到E（R1，SSID||R2||SQN），然后将它作为认证应答发送给移动终端。
步骤五：移动终端收到E（R1，SSID||R2||SQN）后，利用R1解密数据帧，得到SSID2、R2和SQN2的值。
步骤五：移动终端收到E（R1，SSID||R2||SQN）后，作如下处理：
S1.利用R1解密数据帧，得到SSID2、R2和SQN2的值, SSID2、SQN2均为解密得到的值。
S2.比较收到明文的SSID与解密得到的SSID2，如果不等则终止认证，如果相等则证明SSID接入点是合法的，进行步骤S3。
S3.比较原始的SQN与解密得到的SQN2，如果不等则终止认证,如果相等则表示收到的认证应答与认证请求对应,进行步骤S4。
S4.记录R2。
步骤六：完成双向认证，移动终端向SSID接入点发送确认消息ACK。
步骤七：移动终端和SSID接入点同时将R1||R2通过哈希函数（如SHA-1）派生出会话密钥SK，将SQN通过哈希函数（如SHA-1）派生出初始向量IV。
步骤八：移动终端和SSID接入点利用SK和IV对传输的数据进行加密，同时每加密一帧数据后IV加1。
进一步的，步骤二中移动终端采用AES加密算法对MAC_Addr||R1||SQN进行加密。
进一步的，步骤四中接入点采用AES加密算法对SSID||R2||SQN进行加密。
附图说明
图1为WLAN无线安全接入系统组成示意图。
图2是本发明流程图。
图3为密钥协商的层次结构示意图。
具体实施方式
本发明的设计构思为：如图1所示，WLAN无线安全接入系统由移动终端和无线接入点组成，移动终端通过无线接入点实现对IP网络的各种应用服务器的访问。移动终端和无线接入点共享WLAN初始密钥，当移动终端申请接入无线网络时，移动终端与接入点基于对称密码算法实现快速双向认证，同时派生出双方通信时的会话密钥，以实现WLAN的安全接入和空口数据加密功能。
图2所示为本发明的流程图。包含如下步骤：
步骤一：移动终端进入接入SSID接入点覆盖区域，产生随机数R1和序列号SQN。本领域技术人员应该知道，序列号是一次性的。
步骤二：移动终端利用初始密钥Ki对MAC_Addr||R1||SQN进行加密（可采用AES或其他对称加密算法），得到E（Ki，MAC_Addr||R1||SQN），然后将它作为认证请求发送给接入点。其中，MAC_Addr为MAC地址。
步骤三：SSID接入点收到E（Ki，MAC_Addr||R1||SQN）后，进行如下处理：
S1.通过数据帧的MAC地址查找对应的移动终端的初始密钥Ki，并用Ki解密数据帧，得到MAC_Addr2、R1和SQN的值。MAC_Addr2为SSID端解密得到的移动终端MAC地址。
S2.比较收到数据帧的MAC_Addr与解密得到的MAC_Addr2，如果不等则终止认证。如果相等则证明移动终端是合法的，进行步骤S3。
S3.将本次解密的SQN与以前保存的SQN进行比较，如果相等则为重放攻击，如果不等则为正常的认证请求，进行步骤S4。
S4.SSID接入点通过对移动终端的认证，SSID接入点则保存R1和SQN，同时产生随机数R2。
步骤四：SSID接入点利用解密得到的R1作为密钥对SSID||R2||SQN进行加密，得到E（R1，SSID||R2||SQN），然后将它作为认证应答发送给移动终端。KE 采用AES加密算或其他对此加密算法对SSID||R2||SQN进行加密。
步骤五：移动终端收到E（R1，SSID||R2||SQN）后，作如下处理：
S1.利用R1解密数据帧，得到SSID2、R2和SQN2的值, SSID2、SQN2均为解密得到的值。
S2.比较收到明文的SSID与解密得到的SSID2，如果不等则终止认证，如果相等则证明SSID接入点是合法的，进行步骤S3。
S3.比较原始的SQN与解密得到的SQN2，，如果不等则终止认证,如果相等则表示收到的认证应答与认证请求对应,进行步骤S4。
S4.记录R2。
步骤六：完成双向认证，移动终端向SSID接入点发送确认消息ACK。
步骤七：移动终端和SSID接入点同时将R1||R2通过哈希函数（如SHA-1）派生出会话密钥SK，将SQN通过哈希函数（如SHA-1）派生出初始向量IV。
步骤八：移动终端和SSID接入点利用SK和IV对传输的数据进行加密，同时每加密一帧数据后IV加1。
密钥协商的层次结构如图3所示。Ki实现对R1的加密保护。R1实现对R2的加密保护。R1与R2合并后通过哈希函数导出SK。Ki实现对SQN的加密保护。SQN通过哈希函数导出IV。SK与IV一起实现对WLAN的通信数据进行加密保护，每加密一帧数据IV加1。
本发明的有益效果为：
1.本发明无需认证服务器和X.509证书机制实现了移动终端与SSID接入点的快速双向认证，具有安全快捷的特点，适合对安全性和接入时间有严格要求的WLAN应用场景。
2.通过对MAC地址加密，SSID接入点可以将收到的数据帧的MAC地址与数据帧中解密提取的MAC地址进行比较，可以有效的抵御假冒移动终端接入WLAN网络。
3.通过对SSID加密，移动终端可以将收到的明文SSID与数据帧中解密提取的SSID进行比较，可以有效的抵御假冒SSID接入点对移动终端欺骗。
4.认证序列号SQN每次随机产生，可以有效的抵御重放攻击。
5.双方会话密钥通过双向认证时临时产生，实现一次一密安全机制，具有较高的安全性。
6.通过密钥协商机制导出的会话密钥SK和初始向量IV可以直接用于WPA和WPA2等WLAN加密协议中，兼容性好。

Claims (3)

1.一种WLAN网络快速认证和密钥协商方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：移动终端接入SSID接入点覆盖区域，产生随机数R1和序列号SQN；
步骤二：移动终端利用初始密钥Ki对MAC_Addr||R1||SQN进行加密，得到E(Ki，MAC_Addr||R1||SQN)，然后将它作为认证请求发送给SSID接入点，其中，MAC_Addr为移动终端MAC地址；
步骤三：SSID接入点收到E(Ki，MAC_Addr||R1||SQN)后，进行如下处理：
S1.通过数据帧的MAC地址查找对应的移动终端的初始密钥Ki，并用Ki解密数据帧，得到MAC_Addr2、R1和SQN的值；MAC_Addr2为SSID端解密得到的移动终端MAC地址；
S2.比较收到数据帧的MAC_Addr与解密得到的MAC_Addr2，如果不等则终止认证；如果相等则证明移动终端是合法的，进行步骤三的步骤S3；
S3.将本次解密的SQN与以前保存的SQN进行比较，如果相等则为重放攻击，如果不等则为正常的认证请求，进行步骤三的步骤S4；
S4.SSID接入点通过对移动终端的认证，SSID接入点则保存R1和SQN，同时产生随机数R2；
步骤四：SSID接入点利用解密得到的R1作为密钥对SSID||R2||SQN进行加密，得到E(R1，SSID||R2||SQN)，然后将它作为认证应答发送给移动终端；
步骤五：移动终端收到E(R1，SSID||R2||SQN)后，作如下处理：
B1.利用R1解密数据帧，得到SSID2、R2和SQN2的值,SSID2、SQN2均为解密得到的值；
B2.比较收到明文的SSID与解密得到的SSID2，如果不等则终止认证，如果相等则证明SSID接入点是合法的，进行步骤五的步骤S3；
B3.比较原始的SQN与解密得到的SQN2，如果不等则终止认证,如果相等则表示收到的认证应答与认证请求对应,进行步骤五的步骤S4；
B4.记录R2；
步骤六：完成双向认证，移动终端向SSID接入点发送确认消息ACK；
步骤七：移动终端和SSID接入点同时将R1||R2通过哈希函数派生出会话密钥SK，将SQN通过哈希函数派生出初始向量IV；
步骤八：移动终端和SSID接入点利用SK和IV对传输的数据进行加密，同时每加密一帧数据后IV加1。
2.如权利要求1所述的WLAN网络快速认证和密钥协商方法，其特征在于，步骤二中移动终端采用AES加密算法对MAC_Addr||R1||SQN进行加密。
3.如权利要求1或2所述的WLAN网络快速认证和密钥协商方法，其特征在于，步骤四中SSID接入点采用AES加密算法对SSID||R2||SQN进行加密。
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