基于网络代理的动态IP注册协议研究

赵义

摘要摘要：在动态IP应用环境中，无线信道的开放性和节点的动态性会给网络安全带来许多新问题。动态IP注册是安全管理的前提与基础，是动态IP协议能够继续执行的关键。提出了一种基于网络代理的动态IP安全注册协议，以解决动态IP安全注册难题，提高动态网络安全性能，减少认证注册开销。

关键词关键词：动态IP；网络代理；安全注册；网络认证

DOIDOI：10.11907/rjdk.162655

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）005016103

0引言

随着动态网络需求的不断发展，动态IP技术的安全性和可靠性变得越来越重要。动态IP技术能够保证计算机在动态过程中实现对网络的不间断访问。但动态IP极易遭到各种攻击，如果认证过程遭到攻击，将导致动态节点MN（Dynamic Node）无法正常使用网络资源，解决办法是通过安全注册协议防止这些攻击。另一方面，当动态主机远离Home网络时，其注册过程会给网络增加新的负担，解决办法是引入外地代理域网络管理技术，减少动态节点远距离Home注册频度[1]。本文根据网络外地代理管理方案，提出基于代理的动态IP注册协议，有效解决了动态IP安全注册难题。

1符号定义

AA：代理广播；RQ：注册请求；RR：注册回应；FAid：FA的网络地址（MAC和IP）作为其身份标识；TFA：动态注册过程中，不同的nFA汇聚上级FA，有可能是GFA；

COAs：外地代理公告中包含的可用转交地址列表；A → B： M：实体A发送消息M给实体B，实体包括MN、FA、nFA、GFA、HA；RA：实体A产生的一次性随机数；

KA-B：实体A和B之间共享的对称密钥；GK：网络外地代理域中使用的群密钥；

M|N：消息域M和N的组合；EK（M）：利用密钥K对消息域M实施对称加密运算得到的密文；Hi（M）：用单向函数Hi对消息域M实施杂凑预算得到的哈希值。

2安全假设

为将协议的复杂度控制在合理范围内，同时保证足够的安全性，对于注册协议的应用环境作如下安全假设[2]：①GK是安全的，由GFA對GK进行管理，即GFA可以保证GK的安全性；②GFA承认HA对MN身份的验证结果具有权威性，MN承认HA对GFA身份的验证结果具有权威性；③协议中采用的对称加密算法EK（m）是安全的，即任何人在不知道密钥K时无法获知明文m，或知道明文m和相应的密文EK（m），没有比穷举攻击更有效的办法破解密钥K；④作为询问（Challenge）的一次性随机数选自足够大的空间，攻击者无法预测。

3代理方式

当动态节点MN离开Home网络到达外地网络时，首先要从外地代理FA（Foreign Agent）获取一个转交地址COA（Change Of Address）[3]，然后向Home代理HA（Home Agent）注册这个COA。当MN不停地改变它的网络连接点时，它可能离HA变得越来越远，这时向HA注册的过程将会极大增加外地网络和Home网络之间的流量负担，网络延迟将增大，解决方法是进行网络动态性管理，例如网络FA管理方案[12]。在网络FA管理方案中（见图1），MN首先将一个网关外地代理GFA（Gate Foreign Agent）的IP地址向它的HA注册为COA。这里GFA指FA的最高层，即外地代理管理域中的根代理，这个GFA保存当前所有与它注册的访问者列表。HA将GFA的IP地址记录为MN的COA，当MN在同一个访问域中改变接入点时，HA中的记录将不会改变。因此，MN并不需要一直向HA注册。除此之外，FA在区域中是以网络形式排列的，只要MN在同一访问域内，它就不需经过HA同意或重新绑定，就可从一个FA动态到另一个FA，这样极大减少了注册所带来的网络通信负担，提高了网络性能。如果每个被访问的FA都能直接认证MN，则认证过程将大大简化，认证操作也分散到每个FA上。

协议分为Home注册和动态注册[4]两个部分。当MN动态到一个外地代理管理域，接收代理公告中的转交地址列表与MN存储的COA进行比较，如果GFA的COA不同， MN就知道进入了新的外地代理管理域，需要进行Home注册；否则MN认为是动态注册。在Home注册过程中，MN需要与FA、GFA和HA建立认证链，同时完成与HA的共享密钥KHAMN更新。HA不仅会对MN的动态绑定进行更新，也会借此机会更新GFA的共享密钥KGFAHA。在动态注册过程中，MN与nFA（next Foreign Agent）进行双向认证，若认证通过，MN将以新的COA获得由nFA提供的网络服务，nFA将向TFA（Target Foreign Agent）更新MN的动态绑定。这里TFA指访问的FA之间的第一个相同祖先。否则，MN和nFA都丢弃本次动态注册过程中产生的消息，并重新进行动态注册。

4Home注册

Home注册过程如图2所示。其中每一步传输的消息格式与意义如下：

（1） FA MN： AA，COAs，RFA。

（2） MN FA： RQ，MAC，COA，IP，RMN，EKHAMN （ MAC，IP，RMN），RFA。MN收到FA的代理公告后，选定转交地址COA，然后向FA发出一个注册请求以及认证消息。注册请求包括MN的MAC、永久HomeIP地址、RMN和RFA；MN的认证消息包括MN的MAC、IP，以及一次性随机数RMN，用MN和HA的共享密钥KHAMN进行加密。

（3） FA GFA： RQ，MAC，IP，RMN，EKHAMN （MAC，IP，RMN），RFA，EGK（FAid，RFA）。FA收到MN在第（2）部分中发送的消息后，插入用GK加密自己的身份标识的FAid和RFA消息域，然后发送给GFA。

（4） GFA HA： RQ，RMN，EKHAMN（MAC，IP，RMN），RGFA，EKGFAHA（RGFA）。GFA收到FA在第（3）部分中发送的消息后，检查MN是否已经注册。若是，则表明此消息是动态注册的本地绑定更新（GFA恰好为TFA），否则，GFA将通过MN的HA对MN进行认证。此时，GFA去掉消息中的MAC和IP，加入RGFA和与HA共享密钥KGFAHA加密的RGFA发送给HA。

（5） HA GFA： RR，EKGFAHA（RHA，EKHAMN（RHA）），EK′HAMN（RMN），EK′GFAHA（RGFA）。HA收到GFA在第（4）部分中发送的消息后，首先對MN进行认证。HA利用密钥KHAMN解密EKHAMN（MAC，IP，RMN），检查MAC、 IP和RMN的正确性。如果都正确，则HA认为MN是合法用户。HA接下来对GFA进行认证，利用密钥KGFAHA解密EKGFAHA（RGFA）。若RGFA一致，则HA认为GFA是合法的。若对MN和GFA的认证有一个不成功，HA都将拒绝此次注册请求。否则，HA接受MN注册请求。HA会产生一个一次性随机数RHA，并分别进行下列计算：

K′HAMN=H1（KHAMN，H1（RMN||RHA）） （1）

K′GFAHA=H1（KGFAHA，H1（RGFA||RHA）） （2）

这里，K′HAMN和K′GFAHA分别是HAMN、HAGFA之间新的密钥，此时HA还不会改变相应的安全关联，因为还无法确定MN和GFA是否能正确获得各自的新密钥。然后HA向GFA发送注册回应消息，并且插入3个加密的信息域[5]。

（6） GFA FA： RR，ERHA（CR），Z，EKHA-MN（RHA），EK′HAMN（RMN）。GFA收到HA在第（5）部分中发送的消息后，首先对HA实施认证。GFA利用密钥KGFAHA解密EKGFAHA（RHA，EKHAMN（RHA））获得RHA，计算如下：

K″GFAHA=H1（KGFAHA，H1（RGFA||RHA）） （3）

用K″GFAHA解密EK′GFAHA（RGFA），若结果不为RGFA，则GFA认为HA未通过认证，从而拒绝MN的注册请求，否则认为HA通过认证，同时接受MN的认证，为MN建立访问入口，并按如下方法为MN计算证书：

CR=H2（GK，H2（MAC，IP）） （4）

然后GFA用RHA将CR加密为ERHA（CR），并按如下方法计算Z：

Z=H3（GK，MAC，IP，RFA） （5）

最后，GFA将RR、ERHA（CR）、Z、EKHAMN（RHA）和EK′HAMN（RMN）一起发送给FA。

（7） FA MN： RR，ERHA（CR），EKHA-MN（RHA），EK′HA-MN（RMN）。FA收到GFA在第（6）部分中发送的消息后，首先计算H3（GK，MAC，IP，RFA），若结果与Z相等，FA就认为GFA接受了MN的合法性，因而FA承认MN是合法的，并将注册回应消息及ERHA（CR）、EKHA-MN（RHA）和EK′HA-MN（RMN）一起发送给MN。

（8） MN HA ： 密钥更新确认，EK″HA-MN（RHA-1）。MN收到FA在第（7）部分中发送的消息，首先对HA进行认证。MN利用密钥EKHA-MN解密 EKHA-MN（RHA），获得RHA，计算如下：

K″HA-MN=H1（KHA-MN，H1（RMN||RHA）） （6）

接着用K″HA-MN解密EK′HA-MN（RMN），若结果不为RMN，则MN认为HA未通过认证，从而丢弃此次注册，否则，MN认为RR是合法的。然后，MN解密获得CR，MN在GFA所在的管理域中用CR完成动态注册。最后MN必须向HA确认已经获得了新的密钥，向HA发送密钥更新确认消息和EK″HA-MN（RHA）。注意此时MN已经能够通过FA接入网络，因此可以直接向HA发送消息。HA收到消息后，更新与MN的安全关联。

（9）GFA HA： 密钥更新确认，EK″GFA-HA （RHA+1）。此操作的目的同样是通知HA对GFA-HA之间的安全关联进行更新。事实上这一步操作可以在第（5）部分完成后任意时刻进行，从图2也可看出这一点。为了叙述方便，这里作为第（9）步。

5动态注册

注册过程如下：

（1） nFA MN ： AA，COAs，RnFA。

（2） MN nFA ： RQ，σ，MAC，IP，COA，RMN。收到nFA的代理公告后，MN首先判断是否已经动态到一个新的FA域，若是，则MN计算认证因子：

σ = H4（RnFA，CR，COA，MAC，RMN） （7）

然后MN将注册请求、σ、MAC、IP、COA和RMN一起发送给nFA。

（3） nFA MN ： H4（RMN，CR′，COA）。收到MN在（2）中发送的消息后，nFA首先对MN进行认证。nFA计算如下：

CR′ = H2（GK，H2（MAC，IP）） （8）

σ′ = H4（RnFA，CR′，COA，MAC，RMN） （9）

将计算值与收到的σ相比较，若不等，则nFA拒绝MN的注册请求，否则，nFA接受MN的注册请求。立即向TFA发送MN的动态绑定更新消息，并向MN发送H4（RMN，CR′，COA）。

（4） MN收到nFA在（3）中发送的消息后，在本地计算H4（RMN，CR，COA），若与收到消息相吻合，则MN认为注册回应消息可信，否则MN放弃本次动态注册。

6结语

本文设计的注册协议结合网络外地代理管理方案特点，引入动态注册，提高了注册效率。协议实现了两个重要密钥的动态更新，提高了协议安全性，同时为解决密钥管理问题提供了解决办法。协议避免使用复杂的算法实现认证和密钥更新，适用于动态节点计算能力受限场合，使协议具有良好的适用性。本协议有效解决了动态IP安全注册难题，提高了动态性网络安全性能，对于动态IP协议分析和设计有一定的参考价值。

参考文献参考文献：

[1]BENNETT C H ，BRASSARD G，EKERT A K.Quantum cryptography，scientific american[EB/OL].http：//xueshu.baidu.com/s？wd=paperuri：（2b039c4eee0f401e0dbb4f5de1a8f4c5）&filter=1205040471072631760.

[2]W K WOOTERS，W H ZUREK.A single quantum can't be cloned[J].Nature，1982（299）：802803.

[3]A EINSTEIN，B PODOLSKY，N ROSEN.Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete[J].Phys，Rev，1935（47）：777779.

[4]J S BELL.Physics[J].Long Island City，N Y，1965（1）：195196.

[5]MARTIN RUPINSKI，JOHAN ZETTERBERG.Quantum cryptography[J].Project in Nonlinear Optics，2004（5）： 96100.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）