摘要：由于技術(shù)局限性，通過應(yīng)用層安全技術(shù)無法有效保護(hù)以太網(wǎng)連接安全。西電捷通公司從網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議安全入手研發(fā)出以太網(wǎng)安全技術(shù)—TLSec，它通過引入在線可信第三方實(shí)現(xiàn)請求者和控制器的雙向身份鑒別，保證合法用戶接入合法網(wǎng)絡(luò)。本文通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲的方式，對TLSec技術(shù)體系中基于證書的鑒別協(xié)議進(jìn)行剖析，展示TLSec如何在底層協(xié)議層面為以太網(wǎng)提供安全保障。

關(guān)鍵詞：西電捷通；TLSec；局域網(wǎng)安全；鏈路層安全；證書；鑒別協(xié)議；Wireshark分析

1、TLSec技術(shù)簡介

互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生已有40多年的歷史，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的不同，一般將網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，其中有線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的是由以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)以廣播技術(shù)為基礎(chǔ)，通過載波監(jiān)聽、沖突檢測以及多址訪問的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。“載波監(jiān)聽、沖突檢測”即帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD），就是指在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先監(jiān)聽信道并檢測網(wǎng)絡(luò)上是否有其他的設(shè)備正在發(fā)送數(shù)據(jù)，若線路空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，若檢測到?jīng)_突則等待隨機(jī)時間后重新嘗試發(fā)出。收件人根據(jù)媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址來判斷是否是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)，若是則接受，不是則拋棄。這種開放的模式導(dǎo)致以太網(wǎng)極易遭受來自內(nèi)部的攻擊，諸如數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)竊聽、重放攻擊、中間人攻擊等安全威脅不時出現(xiàn)。并且目前無法實(shí)現(xiàn)在物理上對線路和端口進(jìn)行保護(hù)。由于現(xiàn)有的以太網(wǎng)安全機(jī)制不能提供足夠安全保障（如IEEE 802.1X采用的二元結(jié)構(gòu)，實(shí)際部署中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般沒有獨(dú)立身份，容易遭受中間人攻擊，存在安全缺陷），致使長期以來以太網(wǎng)面臨的安全威脅得不到有效解決。針對日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全問題，西電捷通提出了基于三元對等架構(gòu)的局域網(wǎng)媒體訪問控制安全（TePA-based LAN security，TLSec）技術(shù)，并獲國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15629.3-2014采納并發(fā)布。

TLSec技術(shù)是西電捷通提出的三元對等安全架構(gòu)在局域網(wǎng)鏈路層安全領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用，能助力構(gòu)筑安全、可信賴的有線局域網(wǎng)絡(luò)。TLSec技術(shù)包括基于三元對等架構(gòu)的局域網(wǎng)鑒別協(xié)議（TePA-based LAN Authentication Protocol，TLA）和基于TLA協(xié)議的局域網(wǎng)保密通信協(xié)議（TLA-based LAN Privacy Protocol，TLP），TLSec技術(shù)通過可信第三方實(shí)現(xiàn)請求者與控制器之間的相互身份鑒別，實(shí)現(xiàn)防止非法訪問、數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)竊聽等威脅，從底層協(xié)議上為以太網(wǎng)提供本質(zhì)化的安全。

TLSec技術(shù)中，定義了三種不同的角色：請求者（Requester，REQ）、鑒別訪問控制器（Authentication access controller，AAC）和鑒別服務(wù)器（Authentication Server，AS），根據(jù)角色形成TLSec系統(tǒng)產(chǎn)品：TLSec客戶端、以太網(wǎng)安全控制器、鑒別服務(wù)器。TLSec客戶端作為接入設(shè)備提供接入鑒別和加密服務(wù)；以太網(wǎng)安全控制器作為準(zhǔn)入設(shè)備提供鑒別和加密服務(wù)；而AS服務(wù)器作為可信第三方提供證書管理和鑒別服務(wù)。TLSec系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)部署如圖1所示。

圖1 TLSec系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)部署圖

本文通過Wireshark網(wǎng)絡(luò)封包分析工具抓取TLSec基于證書鑒別過程數(shù)據(jù)分組，對TLSec技術(shù)的TLA協(xié)議中基于證書的鑒別協(xié)議幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。使讀者對TLA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)和基于證書鑒別過程有初步的了解。

2、實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建說明

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建，如圖2所示，鑒別服務(wù)器（AS）直連鑒別訪問控制器（AAC），請求者（REQ）通過具有端口鏡像功能的二層交換機(jī)連接到鑒別訪問控制器（AAC），安裝有Wireshark的PC連接到Hub的鏡像端口。

圖2 實(shí)驗(yàn)室連接拓?fù)鋱D

具體配置：AS的IP地址為192.168.1.200，AAC的IP地址為192.168.1.65，REQ的IP地址為192.168.1.64。

3、基于證書的鑒別協(xié)議概述

基于證書的鑒別過程包含6個分組，其中接入鑒別確認(rèn)分組是可選分組。如果收到的接入鑒別響應(yīng)分組中包含AAC的簽名SigAAC，則接入鑒別確認(rèn)分組就是必須的；如果收到的接入鑒別響應(yīng)分組中不包含AAC的簽名SigAAC，而是包含了消息鑒別碼MIC1字段，則接入鑒別確認(rèn)分組就是可選的。基于證書的鑒別過程見圖3，各分組中字段的具體解釋詳見GB/T 15629.3-2014《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 特定要求 第3部分：帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）的訪問方法和物理層規(guī)范》。

圖3 TAEP-CAAP過程

各分組主要包括數(shù)據(jù)元素信息內(nèi)容如下：

（1）鑒別激活分組

安全策略協(xié)商過程成功完成后，如果AAC與REQ協(xié)商選擇采用基于證書的鑒別和密鑰管理策略，當(dāng)AAC收到REQ發(fā)送的start幀時，則AAC向REQ發(fā)送鑒別激活分組。鑒別激活分組字段包括：標(biāo)識TAEP_FLAG、一次性隨機(jī)數(shù)SNonce（標(biāo)識鑒別的新鮮性，亦稱鑒別標(biāo)識）、本地信任的AS身份IDAS-AAC、AAC的證書CertAAC、DH參數(shù)ParaDH 、TLA信息元素TIEAAC及AAC的簽名SigAAC（可選）。

該分組封裝在Code=1（Request），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x01的TAEP-Request-CAAP/TAEPoL中。

（2）接入鑒別請求分組

REQ正確處理AAC發(fā)送的鑒別激活分組后，構(gòu)造接入鑒別請求分組發(fā)送給AAC。接入鑒別請求分組字段包括：標(biāo)識TAEP_FLAG、鑒別激活分組中的一次性隨機(jī)數(shù)SNonce、本地生成的一次性隨機(jī)數(shù)NREQ、本地生成的臨時公鑰x·P、AAC的身份信息IDAAC（可根據(jù)鑒別激活分組中的AAC公鑰證書CertAAC得到）、REQ選擇的鑒別證書CertREQ、ParaDH、REQ信任的AS列表ListAS（可選）、TLA信息元素TIEREQ及簽名信息SigREQ（利用REQ的長期私鑰計算得到）。若REQ所信任的AS不止一個，REQ所信任的AS列表存在。

該分組封裝在Code=1（Request），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x02的TAEP-Request-CAAP/TAEPoL中。

（3）證書鑒別請求分組

AAC正確處理REQ發(fā)送的接入鑒別請求分組后，構(gòu)造證書鑒別請求分組發(fā)送給AS。證書鑒別請求分組字段包括：地址索引ADDID（標(biāo)識鑒別所服務(wù)的主體）、接入鑒別請求分組中的NREQ、本地生成的一次性隨機(jī)數(shù)NAAC、CertREQ、CertAAC及REQ信任的AS列表（若接入鑒別請求分組中包含REQ信任的AS列表，則本字段存在，否則不存在）。

該分組封裝在Code=1（Request），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x03的TAEP-Request-CAAP/TAEP-AS-SVC中。

（4）證書鑒別響應(yīng)分組

AS正確處理AAC發(fā)送的證書鑒別請求分組后，構(gòu)造證書鑒別響應(yīng)分組發(fā)送給AAC。

證書鑒別響應(yīng)分組字段包括：地址索引ADDID、證書驗(yàn)證結(jié)果及REQ信任的AS對證書驗(yàn)證結(jié)果的簽名SigAS-REQ、AAC所信任的AS的簽名SigAS-AAC。其中證書驗(yàn)證結(jié)果包含NREQ、NAAC、CertREQ、CertAAC、REQ證書的驗(yàn)證結(jié)果ResREQ與AAC證書的驗(yàn)證結(jié)果ResAAC。若AAC和REQ信任的AS相同，則證書鑒別響應(yīng)分組中的簽名只存在一個。若為單向鑒別則證書驗(yàn)證結(jié)果中不包含一次性隨機(jī)數(shù)2，驗(yàn)證結(jié)果2以及證書2，即不包含AAC的隨機(jī)數(shù)、驗(yàn)證結(jié)果及證書。

該分組封裝在Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x04的TAEP-Response-CAAP/TAEP-AS-SVC中。

（5）接入鑒別響應(yīng)分組

AAC正確處理AS發(fā)送的證書鑒別響應(yīng)分組后，構(gòu)造接入鑒別響應(yīng)分組發(fā)送給REQ。

接入鑒別響應(yīng)分組字段包括：標(biāo)識TAEP_FLAG、NREQ、NAAC、IDREQ（可根據(jù)CertREQ得到）、接入結(jié)果、IDAAC、REQ密鑰數(shù)據(jù)x·P、本地生成的臨時公鑰y.P、復(fù)合的證書驗(yàn)證結(jié)果RES及AAC生成的消息鑒別碼MIC1。如果在之前的鑒別激活分組中沒有AAC的簽名SigAAC字段或者此次鑒別過程沒有鑒別激活分組，則分組中不需要計算消息鑒別碼MIC1，而是需要計算簽名SigAAC。其中復(fù)合的證書驗(yàn)證結(jié)果RES為證書鑒別響應(yīng)分組中除ADDID之外的其他內(nèi)容。

該分組封裝在Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x05的TAEP-Response-CAAP/TAEPoL中。

（6）接入鑒別確認(rèn)分組

REQ正確處理AAC發(fā)送的接入鑒別響應(yīng)分組后，構(gòu)造接入鑒別確認(rèn)分組發(fā)送給AAC。接入鑒別確認(rèn)分組為可選分組，如果收到的接入鑒別響應(yīng)分組中包含AAC的簽名SigAAC，則接入鑒別確認(rèn)分組就是必須的；如果收到的接入鑒別響應(yīng)分組中不包含AAC的簽名SigAAC，而是包含了消息鑒別碼MIC1字段，則接入鑒別確認(rèn)分組就是可選的。接入鑒別確認(rèn)分組字段包括：標(biāo)識TAEP_FLAG及消息鑒別碼MIC2。

該分組封裝在Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType = 0x06的TAEP-Response-CAAP/TAEPoL中。

4、抓包數(shù)據(jù)分析過程

（1）數(shù)據(jù)包捕獲步驟：

第一步，根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境說明，搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

第二步，打開抓包設(shè)備上的Wireshark軟件，配置完成后，開始捕獲分組；

第三步，打開終端設(shè)備上的“可信網(wǎng)絡(luò)安全客戶端軟件”，軟件啟動后會自動進(jìn)行連接；

第四步，“可信網(wǎng)絡(luò)安全客戶端軟件”顯示“已安全連接”后，停止Wireshark捕獲功能。

（2）局域網(wǎng)媒體訪問控制安全協(xié)議幀格式

我們來看抓取的數(shù)據(jù)包，以鑒別激活分組數(shù)據(jù)包為例，從Wireshark的“封包詳細(xì)信息”欄中，我們看到數(shù)據(jù)包協(xié)議類型為TLA（以太類型為0x891b的TAEPoL幀，TAEP-Type為245），即基于三元對等鑒別的局域網(wǎng)鑒別協(xié)議，如圖4所示。

圖4 鑒別激活分組數(shù)據(jù)包

由于這個版本的Wireshark使用的是Ethernet II 來解碼的，Ethernet II 的封裝格式，如圖5所示：

圖5 Ethernet II封裝格式

局域網(wǎng)媒體訪問控制安全協(xié)議詳細(xì)封裝格式，如圖6所示。幀結(jié)構(gòu)中名稱后括號內(nèi)數(shù)字代表幀長度，即八位組個數(shù)。對比Ethernet II可以看出，TAEPoL（Tri-element Authentication Extensible Protocol，三元鑒別可擴(kuò)展協(xié)議）幀結(jié)構(gòu)中EtherType對應(yīng)Ethernet II中的Type字段。

圖6 TAEPoL幀結(jié)構(gòu)

圖6幀結(jié)構(gòu)中Body部分，根據(jù)TAEP_Type字段值可知為TAEP（TAEP over Link，基于鏈路的三元鑒別可擴(kuò)展協(xié)議）分組。TAEP分組幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 TAEP分組幀結(jié)構(gòu)

圖7幀結(jié)構(gòu)中Type_Data部分，根據(jù)Type字段值可知TLA分組數(shù)據(jù)為TAEP-CAAP數(shù)據(jù)，即基于證書鑒別協(xié)議數(shù)據(jù)。TLA分組幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 TLA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

圖8幀結(jié)構(gòu)中MessageType字段的定義如表1所示。

表1 TAEP-CAAP類型分組MessageType子類型定義

MessageData中數(shù)據(jù)由多組采用TLV封裝格式封裝的數(shù)據(jù)元素組成，TLV封裝格式如圖9所示。

圖9 TLV封裝格式

a)鑒別激活分組

如圖4所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=1（Request），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType=1（接入鑒別請求分組）。MessageData中包括如表2數(shù)據(jù)元素：

表2 鑒別激活分組有效元素集合

b)接入鑒別請求分組

圖10 接入鑒別請求分組數(shù)據(jù)包

如圖10所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=1（Request），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType=2（接入鑒別請求分組）。MessageData中包括如表3數(shù)據(jù)元素：

表3 接入鑒別請求分組有效元素集合

c)證書鑒別請求分組

證書鑒別請求分組是通過UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)Data內(nèi)容為圖7中TAEP分組數(shù)據(jù)。

圖11 證書鑒別請求分組數(shù)據(jù)包

如圖11所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=0x01（Request），Type=0xf5（TAEP-CAAP），MessageType=0x03（證書鑒別請求分組）。MessageData中包括如表4數(shù)據(jù)元素：

表4 證書鑒別請求分組有效元素集合

d)證書鑒別響應(yīng)分組

證書鑒別響應(yīng)分組是通過UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)Data內(nèi)容為圖7中TAEP分組數(shù)據(jù)。

圖12 證書鑒別響應(yīng)分組數(shù)據(jù)包

如圖12所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType=4（證書鑒別響應(yīng)分組）。MessageData中包括如表5數(shù)據(jù)元素：

表5 證書鑒別響應(yīng)分組有效元素集合

e)接入鑒別響應(yīng)分組

圖13 接入鑒別響應(yīng)分組數(shù)據(jù)包

如圖13所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType=5（證書鑒別響應(yīng)分組）。MessageData中包括如表6數(shù)據(jù)元素：

表6 接入鑒別響應(yīng)分組有效元素集合

f)接入鑒別確認(rèn)分組

圖14 接入鑒別確認(rèn)分組

如圖14所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)Code=2（Response），Type=245（TAEP-CAAP），MessageType=6（證書鑒別響應(yīng)分組）。MessageData中包括如表7數(shù)據(jù)元素：

表7 接入鑒別確認(rèn)分組有效元素集合

5、總結(jié)

通過以上對基于證書的鑒別協(xié)議過程數(shù)據(jù)包的分析，TLA協(xié)議數(shù)據(jù)通過TAEP、TAEPoL協(xié)議逐層封裝后進(jìn)行傳輸。首先，各分組數(shù)據(jù)元素根據(jù)TLV格式封裝到TLA協(xié)議幀中，使用MessageType標(biāo)識當(dāng)前是協(xié)議的第幾個分組消息；其次，TLA協(xié)議數(shù)據(jù)再封裝到TAEP協(xié)議幀中，使用Code字段標(biāo)識是請求包（或響應(yīng)包），并使用Type字段標(biāo)識當(dāng)前TAEP協(xié)議數(shù)據(jù)是基于證書鑒別協(xié)議數(shù)據(jù)還是其他協(xié)議類型數(shù)據(jù)；最后，TAEP協(xié)議數(shù)據(jù)封裝到TAEPoL協(xié)議幀中，TAEPoL協(xié)議幀中TAEP_Type字段標(biāo)識當(dāng)前協(xié)議中Body部分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)議封裝類型是TAEP。

TLSec基于證書的鑒別協(xié)議的交互過程所實(shí)現(xiàn)的安全機(jī)制采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 9798-3:1998/Amd.1:2010和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15843.3-2016給出的實(shí)體鑒別機(jī)制（即TePA實(shí)體鑒別國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)）。TLSec技術(shù)能夠通過在線可信第三方實(shí)現(xiàn)請求者與控制器之間的相互鑒別，從而可以防止非法訪問、數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)竊聽等威脅，從底層協(xié)議上為以太網(wǎng)提供安全保障，讓有線網(wǎng)絡(luò)從底層開始具備本質(zhì)安全能力。