IGRS與UPnP設(shè)備互連的安全機(jī)制探討

IGRS與UPnP設(shè)備互連的安全機(jī)制探討

摘要:對(duì)IGRS的安全機(jī)制、UPnP的安全機(jī)制以及IGRS與UPnP基于非安全管道上的互連方法進(jìn)行了探討研究，提出了一種IGRS與UPnP互連的安全機(jī)制，保障它們之間互連的安全性，有效防止網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)非安全互連漏洞的各種攻擊。

關(guān)鍵詞:信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)協(xié)議;通用即插即用協(xié)議;協(xié)議機(jī)制;管道;安全互連

SurveyonIGRSandUPnPdevicessecurityinterconnectionmechanism

TANJue??1，2，HEZhe?1，CHENYuan-fei?1，ZHUZhen-min?1

(1.ResearchCenterforPervasiveComputing，InstituteofComputingTechnology，ChineseAcademyofSciences，Beijing100080，China;?2.CollegeofInformationTechnology，XiangtanUniversity，XiangtanHunan411105，China)?Abstract:ThroughtheanalysisofIGRSandUPnPsecuritymechanism，thispaperputforwardanewsecuritymechanismbuiltonthebasisofnon-securitypipestoprotecttheinterconnectionsofheterogeneousdevices.Thismethodsuccessfullyprotectedinterconnectionfromallkindsofnetworkattacks.

Keywords:IGRS;UPnP;protocolmechanism;pipe;securityinterconnection

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多的信息設(shè)備生產(chǎn)商在市場驅(qū)動(dòng)下，開發(fā)出了功能多樣和強(qiáng)大的設(shè)備和儀器，實(shí)現(xiàn)這些異構(gòu)而多樣化的信息設(shè)備互連互通成為信息技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，國際上已有許多標(biāo)準(zhǔn)化組織和企業(yè)聯(lián)盟在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。其中最具代表性的是信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)(IGRS)和通用即插即用(UPnP)兩大主流信息設(shè)備互連互通協(xié)議。IGRS組織有會(huì)員100多家，UPnP組織的成員達(dá)到890家之多，都擁有非常廣泛的末端用戶群。IGRS和UPnP的應(yīng)用范圍也非常廣泛，在家庭自動(dòng)化、打印、圖片處理、音頻/視頻娛樂、廚房設(shè)備、汽車網(wǎng)絡(luò)和公共集會(huì)場所等類似網(wǎng)絡(luò)中都有應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)支持不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備間的相互識(shí)別和互連互通是用戶的一致愿望。IGRS設(shè)備工作組在制定IGRS基礎(chǔ)協(xié)議時(shí)，已經(jīng)對(duì)IGRS設(shè)備與UPnP設(shè)備的基礎(chǔ)互連提出了解決辦法，對(duì)于分別支持IGRS協(xié)議和UPnP協(xié)議的信息設(shè)備，可以通過擴(kuò)展訪問接口描述實(shí)現(xiàn)它們之間的互連互通。但是，這兩類設(shè)備的互連互通是建立在非安全管道上，存在一定的安全隱患，須尋求一種安全機(jī)制保障互連的安全性。本文通過對(duì)IGRS和UPnP在非安全管道互連互通機(jī)制的分析，提出了一種IGRS和UPnP互連的安全機(jī)制。

1IGRS和UPnP簡介

1.1IGRS

IGRS是為了實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)設(shè)備智能互連、資源共享、協(xié)同服務(wù)而制定的標(biāo)準(zhǔn)，基于“閃聯(lián)”標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備不僅能夠連接，而且可以使不同的設(shè)備共享信息資源和功能資源，并充分地組合利用每個(gè)設(shè)備的功能，創(chuàng)造出更多更豐富的應(yīng)用服務(wù)。為了便于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中資源的共享使用，IGRS在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層也制定了相應(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?！伴W聯(lián)”標(biāo)準(zhǔn)框架[1]如圖1所示。

IGRS安全規(guī)范定義了其上各個(gè)協(xié)議中的安全交互機(jī)制，包括基于服務(wù)的訪問控制機(jī)制和相應(yīng)的身份認(rèn)證、授權(quán)等機(jī)制。IGRS定義了兩個(gè)不同層次的安全，一層是設(shè)備間的安全，即協(xié)議中所謂的“管道”;另一層是用戶與服務(wù)間的安全，即協(xié)議中所謂的“會(huì)話”。

1.2UPnP

UPnP是由微軟推出的新一代網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)，現(xiàn)在由通用即插即用論壇維護(hù)升級(jí)，其目標(biāo)是使家庭網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)共享、通信和娛樂)和公司網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備能通過簡單無縫連接實(shí)現(xiàn)廣播網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備之間的互連。

UPnP標(biāo)準(zhǔn)框架[2]如圖2所示。UPnP論壇定義了UPnP設(shè)備和控制點(diǎn)的安全準(zhǔn)則[3，4]。在發(fā)現(xiàn)階段，定義了安全設(shè)備和安全控制臺(tái)相互發(fā)現(xiàn)的過程和所需要的安全操作。在描述階段設(shè)備生產(chǎn)商可以為設(shè)備定義和編寫相關(guān)的安全控制臺(tái)和安全設(shè)備描述文件。在控制、事件、展現(xiàn)三個(gè)階段，設(shè)置安全會(huì)話的密鑰，對(duì)交互消息進(jìn)行加密、解密、執(zhí)行等操作來確保UPnP控制點(diǎn)與設(shè)備的交互安全。如果用戶或者生產(chǎn)廠商需要實(shí)施自己的安全擴(kuò)展，可以在UPnP廠商層次上由生產(chǎn)商自定義和實(shí)現(xiàn)。

1.3UPnP與IGRS的互連

“閃聯(lián)”在IGRS制定之初就考慮到了IGRS設(shè)備與UPnP設(shè)備的互連問題并進(jìn)行了可行性分析[5]。

1)設(shè)備間尋址機(jī)制UPnP網(wǎng)絡(luò)基于IP尋址，而IGRS協(xié)議中設(shè)備間的尋址可以由IGRS協(xié)議以外的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)協(xié)議均可以共同使用靜態(tài)IP、動(dòng)態(tài)DHCP或Auto-IP的尋址方式。

2)設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制UPnP的設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制采用SSDP，IGRS的設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制同樣建立在SSDP基礎(chǔ)上。通過SSDP可以實(shí)現(xiàn)IGRS與UPnP設(shè)備/服務(wù)的相互發(fā)現(xiàn)。

3)設(shè)備/服務(wù)描述機(jī)制UPnP使用XML語法，IGRS也使用XML語法。雖然實(shí)現(xiàn)模板不同，但是在IGRS服務(wù)描述中加入U(xiǎn)PnP描述擴(kuò)展，使得UPnP設(shè)備可以識(shí)別IGRS服務(wù);對(duì)UPnP服務(wù)消息進(jìn)行解析實(shí)現(xiàn)IGRS設(shè)備對(duì)UPnP服務(wù)的識(shí)別。

4)服務(wù)訪問控制和調(diào)用機(jī)制UPnP的服務(wù)調(diào)用機(jī)制采用SOAP(簡單對(duì)象訪問協(xié)議)傳送消息，IGRS則定義了基于會(huì)話的服務(wù)調(diào)用機(jī)制，同樣支持SOAP。通過各自的標(biāo)準(zhǔn)消息解析和改寫可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)用。

5)服務(wù)事件與通知機(jī)制UPnP采用GENA(通用事件通知架構(gòu))機(jī)制實(shí)現(xiàn)服務(wù)事件與通知機(jī)制;IGRS則采用基于管道(安全/非安全)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，通過不同機(jī)制的分析與轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)事件通知。

2IGRS和UPnP各自的安全互連

2.1UPnP設(shè)備間互連安全機(jī)制

UPnP安全文檔中定義了安全相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)策略[3，4，6]。其過程分為初始化和安全運(yùn)行兩個(gè)階段。

初始化階段如圖3(a)[7]所示，主要工作包括:a)安全控制臺(tái)獲取設(shè)備公鑰并通過散列算法對(duì)公鑰求取散列值并與設(shè)備的安全I(xiàn)D比對(duì)，進(jìn)行身份認(rèn)證;b)安全控制臺(tái)與設(shè)備雙方協(xié)商，設(shè)置安全會(huì)話密鑰進(jìn)行會(huì)話，控制點(diǎn)獲得設(shè)備的所有權(quán);c)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的可以訪問和擁有設(shè)備的控制點(diǎn)進(jìn)行指定，編輯設(shè)備的訪問控制列表等，通過這些操作對(duì)設(shè)備指定不同用戶(控制點(diǎn))的訪問權(quán)限。執(zhí)行了這些操作以后，進(jìn)入安全運(yùn)行階段。安全運(yùn)行階段如圖3(b)[7]所示，主要工作包括當(dāng)初始化階段通過身份驗(yàn)證及設(shè)備權(quán)限設(shè)置完成以后，進(jìn)入安全運(yùn)行階段。安全階段的任務(wù)是防止黑客的重放攻擊，雙方進(jìn)行會(huì)話密鑰的協(xié)商，協(xié)商完成后進(jìn)行通信和服務(wù)調(diào)用。

2.2IGRS設(shè)備間互連安全機(jī)制

IGRS設(shè)備間的互連較UPnP復(fù)雜，IGRS設(shè)備間的安全互連過程如圖4所示。

在互連的IGRS設(shè)備之間，通過組播宣告其在網(wǎng)絡(luò)中的存在后，比較雙方都支持的安全機(jī)制算法，根據(jù)需要選擇其一作為雙方交互的安全機(jī)制。在安全機(jī)制選擇中，IGRS支持四種安全機(jī)制[8]。IGRS設(shè)備1和2的安全身份認(rèn)證為雙向挑戰(zhàn)/應(yīng)答過程，需交互的IGRS設(shè)備1和2在完成前期相關(guān)步驟成功后，相互發(fā)送管道創(chuàng)建成功的確認(rèn)消息;管道成功創(chuàng)建以后，建立IGRS用戶與服務(wù)間的會(huì)話關(guān)系。?

3IGRS與UPnP之間存在的互連安全問題分析

傳統(tǒng)的IGRS設(shè)備與UPnP設(shè)備在非安全管道上基礎(chǔ)互連，未采用任何安全機(jī)制，存在嚴(yán)重的安全隱患。其中存在的安全問題如表1所示。

表1非安全通道互連安全問題

存在問題問題描述解決方法

設(shè)備冒充無認(rèn)證，身份冒充加入身份認(rèn)證機(jī)制

消息竊聽攻擊者竊聽互連中通信消息對(duì)通信消息進(jìn)行加密

消息完整攻擊者對(duì)通信消息進(jìn)行竄改采用數(shù)字簽名機(jī)制

拒絕服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備無法正常工作多次身份認(rèn)證失敗后?對(duì)設(shè)備請(qǐng)求不再響應(yīng)

重放攻擊者實(shí)施重放攻擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的通信消息的序列號(hào)更新

1)安全互連的可行性分析IGRS與UPnP有互操作的基礎(chǔ)，可以在非安全管道上進(jìn)行互操作。同樣，改造相關(guān)的通信消息模板并對(duì)相應(yīng)的消息和服務(wù)調(diào)用消息進(jìn)行擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)安全互操作。

2)安全互連的原則IGRS和UPnP設(shè)備有各自的標(biāo)準(zhǔn)和接口，遵循它們各自的功能和屬性的基礎(chǔ)，對(duì)接口進(jìn)行擴(kuò)展，避免相同標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)備經(jīng)過擴(kuò)展和改造以后不能相互識(shí)別及訪問的問題。

3)安全互連的切入點(diǎn)根據(jù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同定義，找出定義部分的靈活性接口，最大限度地在不改變標(biāo)準(zhǔn)的前提下實(shí)現(xiàn)互連的高安全。

4)安全互連的目標(biāo)目前IGRS與UPnP互連只是通過非安全管道對(duì)一些服務(wù)描述和消息進(jìn)行簡單改寫，安全程度很低，達(dá)不到安全保密性要求。

在普通互連的基礎(chǔ)上，本文從以下幾個(gè)方面考慮，提出了UPnP與IGRS的互連安全機(jī)制。這幾個(gè)方面的安全要求是最基本的，卻又正是普通互連所缺少的。

a)認(rèn)證(authentication)。對(duì)持有某個(gè)標(biāo)志的用戶或設(shè)備進(jìn)行身份鑒別，以確認(rèn)持有某個(gè)標(biāo)志的用戶的真實(shí)性。非安全管道中雖然存在設(shè)備標(biāo)志，但是作用僅僅局限于區(qū)別不同類型的設(shè)備，沒有對(duì)設(shè)備的身份進(jìn)行認(rèn)證。

b)消息完整性(integrity)。對(duì)互連過程中的消息的完整性進(jìn)行檢查。一般使用消息認(rèn)證碼(MAC)或者安全散列函數(shù)加數(shù)字簽名完成。非安全管道的連接中，沒有對(duì)消息進(jìn)行完整性驗(yàn)證，可能會(huì)收到竄改過后的消息。

c)防止重放攻擊(freshness)。無線環(huán)境中的消息很容易被竊聽，即使是有線網(wǎng)絡(luò)中也同樣存在相似的問題。因此，需要防止用戶登錄消息、調(diào)用服務(wù)消息的泄露、防止重放攻擊。在網(wǎng)絡(luò)中的IGRS和UPnP設(shè)備對(duì)于消息的序列號(hào)沒有更新機(jī)制，很容易被黑客利用普通的重放攻擊漏洞。

d)訪問控制(authorization)。設(shè)備根據(jù)管理員的需要建立訪問控制列表，有對(duì)用戶訪問設(shè)備的行為進(jìn)行訪問控制的能力。普通互連沒有此種能力對(duì)用戶或者設(shè)備訪問權(quán)限進(jìn)行?控制。

e)保密性(secrecy)。消息的內(nèi)容不應(yīng)以明文的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸才能有效防止他人的竊聽。具有安全特性的設(shè)備應(yīng)該具有對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行加密和解密的能力。非安全管道只是簡單的互連，消息的安全加密更加無從談起。

針對(duì)以上五個(gè)嚴(yán)重的安全問題，普通的非安全管道顯得無能為力，無法滿足人們對(duì)于安全性的要求。對(duì)于以上幾個(gè)問題，應(yīng)該研究新的機(jī)制來改進(jìn)和提高互連的安全性。

4IGRS與UPnP之間互連的安全機(jī)制

在此互連互通的安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)方案中，保留IGRS設(shè)備間的安全互連方式，遵循UPnP的安全控制臺(tái)和UPnP設(shè)備間的UPnP論壇定義的相關(guān)安全準(zhǔn)則，在這些基礎(chǔ)上建立有效的安全互連機(jī)制。這樣做的好處是保持了IGRS和UPnP設(shè)備各自的安全標(biāo)準(zhǔn)和接口，不會(huì)因?yàn)榕c不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備間的互連而導(dǎo)致不同于各自內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的接口和安全策略的設(shè)備出現(xiàn)，而導(dǎo)致新的互連問題的產(chǎn)生。此過程中盡量保持設(shè)備各自標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立性，其安全互連過程如圖5所示。c)會(huì)話的創(chuàng)建。IGRS設(shè)備發(fā)送創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求給虛擬IGRS設(shè)備，接收到消息后虛擬IGRS設(shè)備調(diào)用相關(guān)的安全服務(wù)getLifeTimeSequenceBase()和setSessionKeys()，獲取安全會(huì)話密鑰附在響應(yīng)消息中發(fā)送給IGRS設(shè)備。會(huì)話創(chuàng)建成功后，進(jìn)入會(huì)話階段。

d)安全會(huì)話。此階段中，虛擬IGRS設(shè)備執(zhí)行對(duì)于服務(wù)調(diào)用中的會(huì)話加密消息進(jìn)行decrypeAndExecute()，同樣，IGRS設(shè)備也對(duì)接收的虛擬IGRS設(shè)備消息進(jìn)行響應(yīng)，完成相應(yīng)的功能調(diào)用。

e)會(huì)話的結(jié)束。服務(wù)調(diào)用結(jié)束，雙方協(xié)商會(huì)話結(jié)束。此時(shí)虛擬IGRS設(shè)備通過安全控制臺(tái)執(zhí)行會(huì)話密鑰過期的服務(wù)調(diào)用，注銷過期的密鑰，結(jié)束雙方會(huì)話。

f)結(jié)束。設(shè)備之間管道斷開、設(shè)備離線等。

互連過程安全性分析如下:

a)TCP連接和發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的互連設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備只能夠被發(fā)現(xiàn)，并不能夠調(diào)用設(shè)備上的服務(wù)?？蛻艉驮O(shè)備必須經(jīng)過后續(xù)相互認(rèn)證過程才能夠互連，并設(shè)計(jì)嚴(yán)密的安全步驟，保證無法繞過身份認(rèn)證。

b)管道創(chuàng)建。在創(chuàng)建過程中，兩端都采用公鑰算法對(duì)各自的身份進(jìn)行挑戰(zhàn)和認(rèn)證。此過程都有隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，有效防止黑客的重放攻擊;同時(shí)也有效地解決了表1中提到的設(shè)備冒充問題;設(shè)備間的消息進(jìn)行加密，阻止不速之客竊聽。

c)會(huì)話創(chuàng)建和會(huì)話。在會(huì)話的