抗重放攻击方案在工程中的应用

2021-04-24

网络安全技术与应用 2021年4期

（中国电子科技集团公司第三十研究所四川 610041）

1 引言

随着网络技术的发展，大部分的业务都在进行全IP 化，在工程中，基本上都要在网络上传输业务数据，如何保障网络安全也显得尤为重要。在影响网络安全的因素中，重放攻击是一个普遍、造成影响巨大的一种攻击手段，本文探讨了重放攻击及其危害，介绍了几种常用的抗重放攻击方案，并对各方案进行了比较。

2 重放攻击介绍

重放攻击（Replay Attacks）又称重播攻击、回放攻击，是指攻击者发送一个目的主机已经接收过的包，来达到欺骗系统的目的，主要用于身份认证过程，破坏认证的正确性。重放攻击可以由发起者，也可以由攻击者进行。

重放攻击的危害主要有：

（1）破坏发送者和接收者之间认证的安全性；

（2）通过篡改数据，导致发送者和接收者之间无法正常通信；

（3）占用接收者的资源，在强重放攻击下，甚至会导致接收者瘫痪。

3 抗重放方案基本思想

鉴于重放攻击的严重危害，为了确保网络通信的安全，需要采用抗重放方案抵抗重放攻击。

抗重放方案的基本思想为：在网络通信过程中，选择一个“抗重放因子”，根据该“抗重放因子”判断消息的新鲜性，以此识别消息是否为重放消息。常用的“抗重放因子”有时间戳、随机数等。

4 常用的抗重放方案

在讨论抗重放方案之前，有一个最重要的前提需要声明：必须确保攻击者无法修改“抗重放因子”，或者修改了“抗重放因子”也能够被检测出来，通过数字信封、完整性校验等技术可以做到。下面介绍几种在工程中常用的抗重放方案。

4.1 滑动窗口抗重放方案

滑动窗口抗重放方案[4-5]使用滑动窗口，判断“抗重放因子”是否有效，以确认消息是否已经过期。在该方案中，“抗重放因子”为一个递增的序列号，接收者应建立宽度为 W 的窗口。

初始化窗口时，窗口最左侧的序列号为N，最右侧的序列号为N+W-1，序列号N+1，N+2….N+W-2 均在窗口内，每收到一个消息，接收者按如下原则进行处理：

（1）如果消息的序列号在窗口内，则查询对应序列号的标志位，如果标志位为1 表示该序列号之前接收过，为重放包，丢弃；如果标志位为0 表示从未收到过该消息，对该消息进行接收处理，并将标志位置为1；

（2）如果消息的序列号小于窗口最左侧的序列号，则表示该消息不满足新鲜性的要求，将消息丢弃；

（3）如果消息的序列号大于窗口最右侧的序列号，则将窗口向右边滑动，使得窗口的最右侧序列号为该消息的序列号。

滑动窗口抗重放方案的优点：在窗口之外的消息一定会被丢掉，并且实现简单，没有歧义，只要保证“抗重放因子”为一个递增的序列号即可。一般来说窗口宽度W 为8，16，32，64，128 等比较小的数值，因此占用的存储空间比较小。对无序到达的消息有一定的容忍度，比较适用于IP 网络这种无序网络。

滑动窗口抗重放方案的缺点：当窗口宽度值W 设置过大时，抗重放的效果不好；当窗口宽度值W 设置过小时，会导致丢包率过高，影响到正常通信。

4.2 “抗重放因子”池抗重放方案

“抗重放因子”池抗重放方案中，“抗重放因子”只要不重复即可（可以是随机数、递增序列号等）。在该方案中，将所有收到的序列号存储在一个池子中，每收到一个消息，对池子进行检索，判断该消息中序列号是否已经接收过。如果已经接收过，认为该消息为重放消息，丢弃；否则，将该序列号保存在池子中。当池子满了之后，再收到新的、池子中没有的序列号时，用最新的序列号覆盖池子中最早收到的序列号，循环往复。

“抗重返因子”池抗重放方案的优点：不会因为抗重放而导致丢包。

“抗重返因子”池抗重放方案的缺点：

（1）当消息发送比较频繁时，大量的序列号会极大消耗接收者的存储空间；

（2）池子大小总有上限，如果攻击者有足够的耐心，不停进行试验攻击，总能探测到池子的大小。当池子满了，旧的序列号被覆盖后，攻击者再将被覆盖掉的序列号发送给接收者，接收者无法识别到这是一个重放消息。

4.3 时间戳抗重放方案

时间戳抗重放指的是使用当前的时间作为“抗重放因子”，发送者将本地的时间TS、要发送的数据一起发送给接收者，接收者将收到的时间TS 与自己本地时间TR 进行比较，如果DeltT=TR-TS 在一个可接受的延时范围内（DeltT

时间戳抗重放方案的优点：接收者不用存储任何“抗重放因子”，不占用存储空间；同时时间戳获取方式简单。

递增抗重放方案的缺点：

（1）需要提供严格的时钟同步机制，否则会导致发送者和接收者的时间不一致，而导致误判；

（2）如果t 选择过大，会导致有一些重放消息无法识别，t 选择过小，会导致很严重的丢包。因此对t 的设置，需要很丰富的经验。

针对时间戳抗重放方案需要严格的时钟同步机制的缺陷，有人做了改进[2]，该改进方案不需要时钟同步，具体过程如图1：

图1 具体过程

（1）发送者发起请求；

（2）接收者将本地时间TR 发送给发送者；

（3）发送者将T’=TR+t（t 为发送者从“发起请求”到“收到TR”的时延）、要发送的数据Data 一起发送给接收者；

（4）接收者收到消息后，将T’和当前的本地时间TR’做比较，如果DeltT=TR’-T’在一个可接受的延时范围内，那么就认为是合法消息，否则认为是重放包，将消息丢弃。

4.4 递增抗重放方案

递增抗重放方案中“抗重放因子”为一个递增的序列号，该方案仅可用于一问一答式的通信中，当发送者收到本次发送消息的回复后，才会继续发送下一个消息。初始化时，发送者发送的序列号一定大于0，接收者本地存储的序列号置为0；当接收者收到消息后，判断消息中序列号的值是否大于本地存储的序列号（网络上有丢包），如果是，则接收、处理消息并将本地存储的序列号更新为当前接收到的序列号，否则认为是重放消息，丢弃。

递增抗重放方案的优点：接收者只存储一个序列号，不占用存储空间，并且判断抗重放的逻辑简单，计算简单，时间短，维护也很简单。同时由于序列号是递增的，并且发送者收到某一个消息的回复后，才会继续发送下一个消息，因此接收者能够统计网络上的丢包情况。

递增抗重放方案的缺点：序列号不能进行翻转，因此只能适用于通信量比较少的情况。当序列号递增到最大值时，该通道必须断开，重新进行通道连接，序列号从头重新开始递增。