36、无线移动网络中的安全关联与切换管理方案

无线移动网络中的安全关联与切换管理方案

1. 无线设备安全关联方案

在无线设备的安全关联问题上，前人提出了不少解决方案。Stajano和Anderson在1999年提出了“复活小鸭协议”，通过认证的“物理”通道交换共享密钥，如设备间的直接电气接触，或展示密钥哈希值供用户对比。后来，Kindberg和Zhang利用长距离物理受限通道（如红外信标、激光、射频与超声信号组合）实现数据传输，让用户能知晓数据来源设备，无需物理接触。Balfanz等人则使用位置受限通道（如红外和音频信号），先在受限通道发送认证材料，再用其验证无线网络消息。

不过，实现自发安全关联排除了一些其他方案。例如，虚拟专用网络连接（常用于802.11）需要预注册和登录；蓝牙则需人与人之间口头传达挑战响应。

2. UbiCode视觉代码系统

UbiCode是一种视觉代码系统，可用于设备的演示性识别，并在自组织无线网络中启动其他安全服务，如认证、机密性和完整性保护。
- 设计原则
- 安全目标 ：通过验证设备公钥实现设备识别，作为预认证过程。采用低成本、内存高效的加密安全哈希函数（如MD5），而非昂贵的公钥基础设施（PKI）。
- 易用性 ：设置安全关联如同拍照，减少多步骤操作，降低因系统使用复杂带来的安全风险。
- 最小数据传输 ：使用带外通道进行物理验证成本高，因此优选最小数据传输量。
- 视线范围 ：目标环境是个人区域网络（PAN），通常在视线范围内建立关联，方便移动设备用户利用周围无线设备。
- 数据组件
- 无线网络信息 ：指示通信使用的无线技术（如802.11b或蓝牙），以及无线网络的配置信息（如BSSID和信道号）。
- 网络地址 ：描述设备配置的网络地址（如IP或MAC地址）和子网掩码。
- 哈希算法 ：指明视觉代码中使用的哈希算法类型（如MD5或SHA1）。
- 哈希值 ：根据使用的协议，为设备公钥或秘密值的实际哈希值。

视觉代码的大小会因无线技术和哈希实现而异。使用低成本、低分辨率的CCD/CMOS相机时，需近距离拍摄。编码数据量越小，在相同设备和图像处理算法下，图像识别能力越好。

3. UbiCode协议

• 单向识别协议
  1. 编码阶段 ：关联中的实体A将网络信息和公钥哈希值编码到视觉代码中，可显示在屏幕或打印后附在设备上。
  2. 解码阶段 ：实体B捕获并解码视觉代码，提取A的网络地址和公钥哈希值。
  3. 密钥交换阶段 ：B通过射频通道连接A并获取其公钥。
  4. 密钥验证阶段 ：B对A的公钥进行哈希处理，并与步骤2中获取的哈希值比较，匹配则识别成功，否则失败。
  5. 秘密密钥生成阶段 ：仅在密钥验证成功后，A和B生成共享秘密密钥，并在机密和完整性保护通道中交换信息。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(实体A):::process -->|编码网络信息和公钥哈希值| B(生成视觉代码):::process
    B -->|显示或打印代码| C(实体B):::process
    C -->|捕获并解码代码| D(提取网络地址和公钥哈希值):::process
    D -->|连接A获取公钥| E(密钥交换):::process
    E -->|哈希公钥并比较| F{密钥验证}:::process
    F -->|成功| G(生成共享秘密密钥):::process
    F -->|失败| H(识别失败):::process
    G -->|交换信息| I(通信):::process

• 相互识别协议
  • 若两个设备都能进行公钥操作，可通过双向运行单向识别协议（最后阶段除外）实现简单的相互识别。成功识别后，可使用任何公钥交换协议（如SSL/TLS）。
  • 若只有一个设备能进行昂贵的公钥操作，UbiCode也可用于单公钥协议。此时，另一个设备B使用任意秘密Sg，将其哈希值编码到视觉代码中。

4. UbiCode实现细节

UbiCode由16x16的256个方块组成，使用一个定向条和四个角标来识别代码。排除识别区域后，网络和哈希信息的最大数据容量为208位。使用128位MD5哈希函数进行密钥验证，以802.11b无线自组织模式作为主要通信通道，代码仅包含32位IP地址。

为从图像中获取视觉代码数据，采用了多种图像处理算法：
- 自适应阈值：纠正捕获图像的失真。
- 连通组件标记：查找相邻像素簇。
- 二阶矩：区分条和角标与其他形状。
- 投影映射：提取位序列。

在一台运行Windows XP的1.4GHz奔腾4笔记本作为服务器（公共显示设备），以及一台运行Windows Pocket PC 2002的400MHz PXA CPU、内置802.11b卡的HP iPAQ 5450 PDA作为个人设备上实现了单向识别协议。代码使用Visual Studio .NET 2003用C#编写，客户端使用索尼数码相机拍摄的640x480像素图像。

图像处理算法	作用
自适应阈值	纠正捕获图像的失真
连通组件标记	查找相邻像素簇
二阶矩	区分条和角标与其他形状
投影映射	提取位序列

无线移动网络中的安全关联与切换管理方案

5. 无线移动网络水平切换管理

在无线移动网络中，移动IP（MIP）是支持移动性的现行标准。但MIP在切换过程中会面临延迟和数据包丢失问题，这会显著降低无缝连接的质量。因此，减少切换延迟和丢失数据包数量是无线移动网络中的重要任务。

5.1 水平切换过程

水平切换是指移动节点（MN）在同一网络的不同小区之间切换，无需更改网络接口。以下是水平切换的步骤：
1. 信号检测 ：基站（BS）生成信标，MN检查所有信标的信号强度。若新BS信号更强，MN触发切换机制。
2. 切换请求 ：MN向新BS发送切换请求，并接收确认。
3. 通知旧基站 ：新BS通知旧BS，并等待旧BS的确认。
4. 数据包缓冲与传输 ：旧BS在收到新BS通知前缓冲发往MN的数据包，确认后将这些数据包发送给新BS。
5. 切换延迟 ：从MN指示新BS开始切换到新BS发送第一个数据包给MN的时间即为切换延迟。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(MN):::process -->|检测信号强度| B{新BS信号更强?}:::process
    B -->|是| C(MN发送切换请求):::process
    C -->|新BS接收请求并确认| D(新BS通知旧BS):::process
    D -->|等待旧BS确认| E{旧BS确认?}:::process
    E -->|是| F(旧BS发送缓冲数据包):::process
    F -->|新BS接收数据包| G(新BS发送数据给MN):::process
    B -->|否| H(继续检测):::process
    E -->|否| I(等待确认):::process

5.2 Mobile IPv6

Mobile IPv6（MIPv6）节点可在IPv6网络上持续改变位置并保持连接，其连接性通过MIPv6组件间的消息往来维持。

组件	描述
移动节点（MN）	在IPv6子网间移动，获取新临时地址，使用不变的主地址保持连接。
通信节点（CN）	想与MN交换数据的节点。
归属代理（HA）	MN主子网的路由器，在MN离开主网络时，将发往MN主地址的数据转发到其临时地址。
外地代理（FA）	MN漫游到的外地子网的归属代理，HA和FA可以是接入路由器（AR）或接入点（AP）。

MIPv6的链接和地址如下：
- 链接
- 主链接 ：MN与HA之间的链接，MN从该链接获取主地址。
- 外地链接 ：MN与FA之间的链接，MN从该链接获取临时地址。
- 地址
- 主地址 ：始终标识MN，即使其在主子网之外，用于主链接。
- 转交地址 ：MN连接到外地链接时分配的临时地址，提供MN当前位置信息，用于外地链接。

MN的通信过程如下：
1. MN从主子网移动到外地子网，在外地子网注册并获得转交地址。
2. MN将转交地址发送给HA，有时也会发送给支持MIPv6的CN。

6. 新的水平切换管理方案

为减少数据丢失并保持均匀连接，提出了一种新的移动管理方案，用于处理MN在同一无线网络不同小区间的移动。

通过模拟对比了该方案与基本水平切换方案的性能。结果显示，新方案能显著降低延迟，但会略微增加数据流量。

总结

本文介绍了无线设备的安全关联方案，包括“复活小鸭协议”等前人方案，以及UbiCode视觉代码系统及其协议和实现细节。同时，阐述了无线移动网络中的水平切换问题，分析了MIP和MIPv6的特点，并提出了新的水平切换管理方案。这些方案和技术有助于提高无线移动网络的安全性和连接质量。未来可进一步优化UbiCode的识别性能，以及新水平切换管理方案的效率。