一種適用于局域網(wǎng)的安全鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議

蘇彥圣 胡建華 宋廣佳

摘要：鄰居發(fā)現(xiàn)問題是互聯(lián)網(wǎng)通信過程中的一個重要問題，互聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點通過鄰居發(fā)現(xiàn)過程來獲取其他節(jié)點的通信標(biāo)識。傳統(tǒng)的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議由于假設(shè)所有的節(jié)點都是可靠的，使其面臨很多安全威脅，比如欺騙攻擊，DoS攻擊等。為了提高發(fā)現(xiàn)過程的安全性，文章提出了一種新的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議SNDP。SNDP采用加密方法對自身的通信標(biāo)識以及鄰居發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)地址進(jìn)行保護(hù)，使得惡意節(jié)點無法獲知鄰居發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)地址，也無法獲知是哪個節(jié)點在進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)以及哪個節(jié)點進(jìn)行了應(yīng)答，因此可以有效防止欺騙攻擊和DoS攻擊，具有極高的隱私保密性。

關(guān)鍵詞：鄰居發(fā)現(xiàn)；地址解析；IPv6；網(wǎng)絡(luò)安全

圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0090-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

計算機網(wǎng)絡(luò)采用分層的體系結(jié)構(gòu)，為了簡化各層的設(shè)計，每一層都使用了獨立的通信標(biāo)識以減少耦合。比如二層使用MAC作為數(shù)據(jù)幀的傳輸?shù)刂罚蝗龑邮褂肐P作為IP 數(shù)據(jù)包的目的地址；四層則使用<IP， Port>作為進(jìn)程的通信地址，即Socket接口。為了保障通信的順利進(jìn)行，上下層的通信標(biāo)識必須要有明確的對應(yīng)關(guān)系，否則通信將無法完成。比如在三層，源主機要與目標(biāo)地址IPX進(jìn)行通信時，將數(shù)據(jù)包發(fā)送至二層后，二層必須知道IPX所對應(yīng)的MAC地址（假設(shè)源主機與目標(biāo)主機在同一個局域網(wǎng)中）才能進(jìn)行信息傳送。網(wǎng)絡(luò)通信除了需要解決IP與MAC的對應(yīng)關(guān)系外，還需要解決域名與IP的對應(yīng)以及<IP： Port>與IP的對應(yīng)等其他對應(yīng)關(guān)系。三種典型的對應(yīng)關(guān)系見圖1。

通信標(biāo)識對應(yīng)關(guān)系的安全性是互聯(lián)網(wǎng)需要解決的安全問題之一，隨著互聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)的融合，融入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備的增加及互聯(lián)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)的增多，通信標(biāo)識對應(yīng)關(guān)系的安全問題將更加凸顯。本文提出了一種新的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，叫作安全局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Secure Neighbor Discovery Protocol，SNDP） ，并給出了具體實現(xiàn)方法，并將其與幾種典型的安全方案進(jìn)行了對比與分析。

1 研究背景

目前，廣泛使用的局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議有兩種：一種是用于IPv4環(huán)境中的地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP） ，另一種是用于IPv6環(huán)境的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Neighbor Discovery Protocol，NDP） 。對于局域發(fā)現(xiàn)過程，由于其沒有注冊過程，也沒有服務(wù)器支持，因此非常容易受到欺騙攻擊。以地址解析協(xié)議為例，當(dāng)主機A廣播ARP請求擁有網(wǎng)絡(luò)地址IPX的主機B回答其MAC地址時，如果主機C不斷進(jìn)行ARP應(yīng)答，謊稱自己擁有IPX，則A收到應(yīng)答后并不知道這是冒充的報文，A會更新自己的ARP緩存表，將C當(dāng)作B，并將本應(yīng)發(fā)送給B的數(shù)據(jù)包發(fā)送給C，從而形成了ARP欺騙[1]。

目前，國內(nèi)外對局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議的安全性研究主要集中在以下三方面：

1） 防御與檢測技術(shù)，即采用技術(shù)手段對攻擊進(jìn)行防御或者檢測已經(jīng)發(fā)生的攻擊，對網(wǎng)絡(luò)中主機的<IP，MAC>進(jìn)行長期監(jiān)視與記錄，一旦發(fā)現(xiàn)主機發(fā)送的ARP報文中<IP，MAC>映射與記錄中的不符，則認(rèn)為存在欺騙[2-3]。傳統(tǒng)的<IP，MAC>綁定與劃分VLAN方法也可歸為此類，但該方法屬于被動防御，同時增大了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度與維護(hù)成本。

2） 改進(jìn)協(xié)議的方式，主要以采用改變協(xié)議過程或者增加協(xié)議環(huán)節(jié)的方法來增強安全性[4-6]。比如文獻(xiàn)[4]中采用在網(wǎng)絡(luò)中增加一臺DHCP服務(wù)器，并且擴展了DHCP協(xié)議使其可以完成地址解析過程，但產(chǎn)生了單點故障問題，增加了組網(wǎng)成本。

3） 加密通信的方式。比如使用非對稱加密技術(shù)對報文進(jìn)行加密，防止IP地址盜用[7]。雖然IPv6中規(guī)定可以用IPSec保護(hù)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議報文，但在鄰居發(fā)現(xiàn)中使用IPSec還存在很多問題，為此IETF小組提出安全鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SEcure Neighbor Discovery，SEND） ，SEND使用CGA（cryptographically generated address，CGA） 、數(shù)字簽名、時間戳等方法來保護(hù)NDP消息[8]，但加密方式存在密鑰管理難的問題，而且SEND與NDP同時存在還會引起路由問題[9]。由于SEND協(xié)議固有時間復(fù)雜度高[10-12]，目前仍然處于實驗階段[13]。加密通信存在一個邏輯問題，即通信雙方在加密通信前雙方須互相知道MAC地址以便能夠交換密鑰，而這恰恰是局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議要實現(xiàn)的，這一過程如果存在欺騙，那么后續(xù)的通信保障則失去了意義。

源地址驗證技術(shù)（Source Address Validation Architecture，SAVA） 是一種新的安全機制，其主要思想是根據(jù)數(shù)據(jù)包中的源地址信息對報文行過濾，這樣做的好處是一方面可以從源頭直接阻止攻擊，另一方面是便于源地址的追蹤、溯源以及網(wǎng)絡(luò)診斷與管理[14-15]。SAVA作為一種安全機制，需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持。目前SAVI（Source Address Validation Implementation） 還處于實驗階段，其域內(nèi)源地址驗證的功能需要路由器支持，并且路由器要完成大量集中計算，因此會影響網(wǎng)絡(luò)性能，而且由于各設(shè)備廠商對SNMP協(xié)議的實現(xiàn)方式不同，致使SAVI部署難度很大[16-17]。

2 安全局域發(fā)現(xiàn)模型設(shè)計

SNDP依然采用NDP的消息格式，如圖2所示，但部分字段進(jìn)行了改進(jìn)。下面首先介紹NDP協(xié)議的基本構(gòu)成。NDP協(xié)議使用鄰居請求NS（Neighbor Solicitation） 與鄰居公告NA（Neighbor Advertisement） 來完成鄰居發(fā)現(xiàn)過程。NDP報文主要由3部分構(gòu)成：Ethernet部分、IPv6頭部與ICMPv6部分，主要字段如圖2所示。NS報文沒有“RSO”字段，NS報文的“Type”字段為135，NA的“Type”字段為136。“RSO”字段只在NA中使用，“Target address”字段一般寫入鄰居發(fā)現(xiàn)的目的地址，“Option”字段在不同類型的ICMPv6消息中用法各不相同，在NDP中一般給出發(fā)送該報文的節(jié)點的MAC地址。

SNDP使用NSSNDP與NASNDP來完成局域發(fā)現(xiàn)過程，其Type字段值分別為200與201（ICMPv6的保留值）。SNDP消息的“Target address” 字段不再存儲鄰居發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)IP地址，而是存儲目標(biāo)地址的哈希值。SNDP中使用的密鑰[K]以及消息簽名[SigK]都使用NDP的Option字段存儲。模型中的RO使用Hash函數(shù)進(jìn)行替換，本文中hash函數(shù)使用的是MD5（Message Digest Algorithm 5） ，加密算法使用的是IDEA（International Data Encryption Algorithm） 。SNDP中用到的幾個函數(shù)含義如下：

[Left（x， n）]，從左邊截取x的[ n] bit，得到長度為[n]的二進(jìn)制串；

[EK（x）]，以[K]為密鑰，使用IDEA將[x]進(jìn)行加密；

[DK（x）]，以K為密鑰，使用IDEA對[x]進(jìn)行解密；

[H（x）]，計算[x]的MD5值，結(jié)果長度為128 bit。

我們用IPA、MACA表示主機A的IP地址與MAC地址，用IPB、MACB表示主機B的IP地址與MAC地址。SNDP的局域發(fā)現(xiàn)過程如下：

（1） 發(fā)起階段。主機A進(jìn)行如下操作：

Step 1：當(dāng)主機A需要尋找網(wǎng)絡(luò)地址IPX所對應(yīng)的MAC地址時，首先，主機A產(chǎn)生密鑰對（[KA，K-1A]）

Step 2：主機A以廣播方式發(fā)送NSSNDP，各字段賦值如下：

Src_IP=[EIPX（IPA）]

Src_MAC=[Left（EIPX （MACA），48）]

Dest_IP=FF02：：1（IP廣播地址）

Dest_MAC=33-33-00-00-00-01（MAC廣播地址）

Target address=[H（IPX）]

Type=200

Options={[EIPX （MACA，KA）， SigK-1A]}

（2） 應(yīng)答階段。其他主機（以主機B表示）進(jìn)行如下操作：

Step 3：接收NSSNDP

Step 4：如果地址池中還有地址可取，則取出一個地址記為IPY，產(chǎn)生密鑰（[KB，K-1B]） ，進(jìn)行Step 5，如果無地址可取，則過程結(jié)束；

Step 5：計算[H（IPY）]

如果[H（IPY）]與NSSNDP的Target address字段相同，則將[IPY]作為密鑰，解密主機A的IP地址與MAC地址

IPA=[SNDP]

MACA=[DIPY] （[SNDP]）

發(fā)送NASNDP回復(fù)主機A，各字段賦值如下：

Src_IP=[EKA（IPY）]

Src_MAC=[Left（EKA（MACB）， 48）]

Dest_IP=[EKA（IPA）]

Dest_MAC= [MACA]

Target addrss= [EKA（IPY）]

Options=[（EKA（MACB，KB）， SigK-1B）]

如果[H（IPY）]與NSSNDP的Target address字段不同，回到Step 4。

（3） 驗證過程。主機A進(jìn)行如下操作

Step 6：在規(guī)定的時間內(nèi)（一般為1-3秒鐘），對所有接收到的NASNDP進(jìn)行驗證，測試NASNDP的Target address字段與IPX是否匹配：

如果Target addrss=IPX，則表明局域發(fā)現(xiàn)成功，使用[K-1A]解密NASNDP的Option字段即可獲得主機B的MAC地址MACB。

如果Target addrss≠IPX，則將NASNDP丟棄。

SNDP工作流程圖見3。

下面以一個實例進(jìn)行說明SNDP的局域發(fā)現(xiàn)過程。假設(shè)局域網(wǎng)中有三臺主機，主機的地址信息見表1。

如果主機A要尋找地址為1：：5：B主機的MAC地址，則A首先廣播NSSNDP，各字段值見圖4。主機B與C都可以收到這條廣播。主機C從地址池中取出地址1：：5：C，計算：

h（1：：5：C）=E77B56DC72BF9E34EBA732592A5A6DD0

發(fā)現(xiàn)[H（1：：5：C）]與NSSNDP中的Target address字段不等，而且地址池中也無下一個地址了，則將該NSSNDP丟棄。主機B從地址池中取出地址1：：5：B，計算：

hash（1：：5：B）= BAED6FB66CBEDFDCA5D0A910D315BF89

發(fā)現(xiàn)與NSSNDP中的Target address字段相等，則以1：：5：B作為密鑰解密主機A的IP地址與MAC地址，然后使用主機A的密鑰[KA]將自己的IP地址、MAC地址以及主機A的IP地址與MAC地址進(jìn)行加密，發(fā)送NASNDP進(jìn)行應(yīng)答，各字段值見圖4。

主機A在收到這個NASNDP后，進(jìn)行驗證。主機A使用私鑰[K-1A]解密NASNDP的Target address字段，發(fā)現(xiàn) [SNDP]，即目標(biāo)節(jié)點擁有自己所要尋找的IP地址，則進(jìn)一步解密NASNDP的Option字段，獲得主機B的MAC地址。

3 對比與分析

3.1 SNDP的特點

通過第三部分的描述可知，SNDP與ARP、NDP是完全不同的，SNDP具有以下幾個特點：

1） 防止欺騙攻擊。在SNDP中，目標(biāo)的IP地址是不公開的，公開的只是目標(biāo)IP地址的hash值，惡意節(jié)點無法根據(jù)hash值推測出真實的IP地址，因此無法發(fā)送偽造的應(yīng)答。同時，由于SNDP使用了消息簽名，即使消息被截獲，惡意節(jié)點也無法篡改內(nèi)容。

2） 防止DoS攻擊。在SNDP中，源主機A的MAC地址是受保護(hù)的，只有擁有特定IP的節(jié)點可以機密源主機的MAC地址，惡意節(jié)點不知道哪個主機在進(jìn)行居于發(fā)現(xiàn)，也就無法進(jìn)行DoS攻擊。

3） SNDP在局域發(fā)現(xiàn)過程中不需要第三方設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以自行完成。

4） SNDP發(fā)現(xiàn)過程結(jié)束后，主機A與主機B也完成了公鑰交換過程。主機A獲得了主機B的公鑰[KB]，主機B獲得了主機A的公鑰[KA]，雙方實現(xiàn)無公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key infrastructure，PKI） 的密鑰交換，且這種交換過程是安全的，因為[KA]與[KB]都是以密文傳送的，且只有主機B可以解密[KA]，而[KB]使用[KA]進(jìn)行加密的，只有用主機A的私鑰[K-1A]的可以解密。

5） 高隱私保護(hù)性。在整個局域發(fā)現(xiàn)過程中，以明文方式傳遞的信息極少，僅在NASNDP的Dest MAC字段是一個以明文方式公開的隱私信息，而其他以明文方式傳遞的信息，比如“FF02：：1”以及“3333-0000-0001”， 都是公共地址。因此在整個發(fā)現(xiàn)過程中，除了主機A與主機B，其他節(jié)點不知道哪個主機在發(fā)起局域發(fā)現(xiàn)過程，也不知道局域發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)地址，也無法獲知哪個主機進(jìn)行了應(yīng)答。

3.2 對比分析

我們從加密技術(shù)的使用、第三方設(shè)備、流量監(jiān)視、通信開銷以及隱私保護(hù)等方面將SNDP與現(xiàn)有的局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議以及幾種典型的改進(jìn)方案進(jìn)行了對比，對比結(jié)果見表2。表中的n代表局域網(wǎng)內(nèi)的主機數(shù)量，O（n+1）表示一個廣播過程與一次點對點通信過程。

如果協(xié)議雙方使用了加密技術(shù)，則會在某種程度上影響協(xié)議性能，而且密鑰分配與管理也是個難題，需要增加AKD（Authoritative Key Distributor） ，這在文獻(xiàn)[5]采用的方法中體現(xiàn)明顯。文獻(xiàn)[19]則采用狀態(tài)機制來防止欺騙，如果自己沒有發(fā)出過ARP請求則不會相信ARP reply，但其要求ARP reply也是以廣播方式發(fā)送，這使得通信開銷增加很多。文獻(xiàn)[3-5]采用的方法都需要在網(wǎng)絡(luò)中增加一個額外的服務(wù)器，并且要保障這個服務(wù)器始終是安全的，但這增加了部署的成本。但如果這臺服務(wù)器能夠提供<IP， MAC>映射查詢服務(wù)，那么通信開銷會大大降低。因為節(jié)點只需要向安全服務(wù)器查詢其他節(jié)點的MAC地址即可，而不需要廣播過程，比如文獻(xiàn)[3]。但安全服務(wù)器本身需要周期性的廣播以便收集LAN內(nèi)所有主機的<IP， MAC>映射。在文獻(xiàn)[20]中，IDS（Intrusion Detection System） 需要在交換機上做鏡像端口，以便能監(jiān)控所有的網(wǎng)絡(luò)流量，F(xiàn)CFS-SAVI也需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)流量，以實現(xiàn)源地址過濾，這兩種方法都要交換機支持。

SNDP不需要監(jiān)控所有的網(wǎng)絡(luò)流量，也不需要添加安全服務(wù)器，實現(xiàn)成本很低。SEND協(xié)議采用CGA作為特殊的地址結(jié)構(gòu)，CGA的特性是攻擊者無法根據(jù)CGA地址推測出原始的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這使得攻擊者無法進(jìn)行偽造地址攻擊。但SEND協(xié)議在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中沒有保護(hù)自己的MAC地址，使得惡意節(jié)點可以向主機的MAC地址發(fā)送虛假的CGA參數(shù)讓主機進(jìn)行驗證，從而消耗主機資源，進(jìn)行DoS攻擊。SNDP則對MAC地址進(jìn)行保護(hù)，攻擊者無法獲得主機的MAC地址，也就無法發(fā)動DoS攻擊。從隱私保護(hù)角度來講，SNDP實現(xiàn)了匿名的局域發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)然，SNDP也存在一些不足，比如在消息傳遞過程中，加密與解密過程需要一定的計算資源，影響了協(xié)議性能。

4 結(jié)束語

以往局域發(fā)現(xiàn)協(xié)議由于認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都是可靠的而且在發(fā)現(xiàn)過程中公開了目標(biāo)的特性（IP地址），使得協(xié)議非常容易受到惡意節(jié)點的攻擊。雖然IETF提出SEND作為安全解決方案，但SEND除了計算復(fù)雜度高，還容易受到DoS攻擊。文章提出了SNDP作為解決方案。SNDP使用隱藏目標(biāo)IP的方法來防止惡意節(jié)點發(fā)送欺騙應(yīng)答，而且在局域發(fā)現(xiàn)過程中不公開源節(jié)點的MAC地址，因此可以防止DoS攻擊，而且SNDP不需要增加額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，降低了實現(xiàn)成本。更進(jìn)一步的，在SNDP的局域發(fā)現(xiàn)過程中，應(yīng)答節(jié)點的地址信息也是以加密方式傳送的，也即SNDP實現(xiàn)了雙向的匿名發(fā)現(xiàn)過程。

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（下轉(zhuǎn)第99頁）

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【通聯(lián)編輯：光文玲】