重复性攻击保护的HMAC-MD5 IP 认证

本文作用
本文详细说明了一种互联网标准传输，本文需要讨论和改进的建议。要得到规定和本
的状态，请参考最新版的"InternetOfficialProtocolStandards"(STD1)，本文的散布不受限制。
摘要
本文讲述了一种用在IP认证报头（IPAuthenticationHeader）上的keyed-MD5转换，这种特殊
的转换基于[HMAC-MD5]，另外还详细说明了一种防止重复攻击的选项。

目录

1.绪论 1
1.1术语 1
1.2Keys 2
1.3数据长度 2
2.数据包格式 2
2.1重复攻击防护 3
2.2认证数据计算 3
3.安全考虑 4
致谢 4
参考文献 4
作者地址 4

1.绪论
认证报头（AH）[-1826]提供了IP数据包的完整性检查和认证，本文中指出的变换使用一
种keyed-MD5机制[HMAC-MD5]，本机制用到了一种(key-less)MD5的散列函数，它能够产生报
文摘要。当它和认证报头密钥(AH密钥)结合时，就能产生认证数据，此值放在AH的认证数据字
段，它也是AH提供的完整性检查的基础。
为了防止重复性攻击，必须含有一个重复性攻击防护字段作为变换式选项，此字段是用来防止
一种攻击的，在这种攻击中，消息会保存并且在后来还会被重复利用，代替或者重复原始消息。安
全参数索引（SPI）[-1825]用来决定是否包含AH。
需要熟悉以下下文献："SecurityArchitecturefortheInternetProtocol"(Internet安全结构)
[-1825],"IPAuthenticationHeader"（IP认证报头）[-1826],以及"HMAC-MD5:Keyed-MD5
forMessageAuthentication"（HMAC-MD5：Keyed-MD5消息认证）[HMAC-MD5]。
所有要符合或同“IP认证报头”一致的应用必须（MUST）执行HMAC-MD5转换。
1.1术语
本文中用来定义每一个需求的重要性的单词都用大写表示，包括：
- MUST
它和"REQUIRED"表示此条款在规定中是绝对需要的。

-SHOULD
它和"RECOMMENDED"表示在某些特定的环境下有有效的原因可以忽略此条款，但是必须知
道充足的含义，并且在采取不同的方法前必须慎重考虑。
1.2Keys
“认证报头（AH）密钥”是通讯双方共享的秘密，这种“密钥”不是传统意义上的“密钥”，
认证报头密钥同传输的数据一起进行散列运算，以确保侵犯者不能复制认证数据。
即使认证报头密钥不是一种密钥，但是仍然涉及了密钥的基本应用，考虑到算法和用以产生输
出的大部分数据是公开的，转换的强度就决定于密钥的独立映射（需要很健壮）以及认证数据IP
包，因此应用中就需要尽可能多次的改变认证报头密钥，密钥需要随机的选择或者由一个随机的种
子在一个强大的密钥随机发生器中产生。[HMAC-MD5]
所有的支持AH的应用都必须（MUST）支持128位或短一些地密钥长度，应用能够
（SHOULD）支持更长的密钥将会更好。推荐密钥长度选择为输出散列值长度，在MD5中是128
位，定为其它长度则必须考虑下面提到的相关的事项。
零长度的密钥是禁止使用的，应用中必须防止在变换式中使用它，因为零长度的密钥必能提供
有效的认证。密钥长度小于128位的也强烈被阻止使用，因为这会降低函数的安全性能，大于128
位的也可以使用，但是增长的部分不一定会增加函数的安全性能。在密钥产生的随机性有怀疑的情
况下推荐使用长于128位的密钥。MD5是在64字节的分组上操作的，长于64字节的密钥第一次
是通过MD5进行散列运算的，结果散列值用来计算认证数据。
1.3数据长度
MD5产生一个128位的散列值用作认证数据，它自然的64位一行，这样对那些双字长的机器
就不需要任何的补位。
2.数据包格式

+---------------+---------------+---------------+---------------+
|NextHeader|Length|RESERVED|
+---------------+---------------+---------------+---------------+
|SPI|
+---------------+---------------+---------------+---------------+
|ReplayPrevention|
||
+---------------+---------------+---------------+---------------+
||
+AuthenticationData|
||
+---------------+---------------+---------------+---------------+
12345678123456781234567812345678

NextHeader(下个报头),RESERVED（保留）,和SPI（安全参数索引）字段在[-1826]中讲
述了。Length（长度）字段是ReplayPrevention（重复防护）字段和32位字的认证数据的长度。
2.1重复攻击防护
ReplayPrevention（重复攻击）字段是一个64位的字段，用以确保通讯双方交换的每个数据包
没有重复，每一个IPsec安全协会指定自己协会中是否使用重复性攻击防护，如果不用，那么
AuthenticationData（认证数据）字段将直接跟在SPI字段后面。ReplayPrevention字段是一个以1
开头的加法计数器。
共享密钥不能用太长的时间以至于计数器超值，也就是使用同一个密钥传输的超过2^64个数
据包，接收时，重复值会增长，应用程序可能会收到的杂乱的包，杂乱包的数量是一个应用细节，
如果支持“杂乱窗口”，应用程序会确定所有的包以前没有收到过，也就是，应用程序最多只会收
到一次数据包。
当目的地址是多点传送地址时，重复性攻击防护在使用，对此多点传送地址不只一个遵循同一
个IPsec安全协会规定的发送者，那么重复性攻击保护功能就不应该（SHOULDNOT）激活，在此
情况下如果要求重复性攻击保护，每个发送者应该有他自己的IPsec安全联盟。
[ESP-DES-MD5]中提供了一个执行32位包的重复窗口的例子的代码，并提供了展示了工作流
程。
2.2认证数据计算
认证数据是认证算法（MD5）的输出值，此值是在整个IP数据报上计算的结果，数据报在转
变中可变的字段和认证数据字段本身必须包含计算前的所有的0[-1826]，如果重复性攻击字段
采用，那它就包含在计算中。MD5的定义和参考程序在[-1321]中讲述了，用‘text’表示
HMAC-MD5要用到的数据，K表示通讯方共享的信息认证私钥，如果K长度超过64字节，那它
必须（MUST）先用MD5进行散列运算，这样，K就是最终的散列值。
我们定义两个固定的不同字符串ipad和opad，（‘i’，‘o’代表输入和输出）如下所示：
ipad=字节0x36重复64次
opad=字节0x5C重复64次
为了计算‘text’的HMAC-MD5，我们执行
MD5(KXORopad,MD5(KXORipad,text))
即：
(1) 在K后面补0，使得K的长度是64字节（如果K长16字节，那么要补48
个0字节0x00）
(2) 用ipad异或(XOR)第一步中产生的64字节的值
(3) 在第二步中产生的64字节的字符串后面不上‘text’
(4) 对第三步产生的值进行MD5运算
(5) 用opad异或第一步中产生的64字节的字符串
(6) 第5步中产生的字符串后面补上第4步中的运算结果
(7) 对第6步中产生的结果进行MD5散列运算，输出结果
在[HMAC-MD5]中对此计算进行了很细致的描述，并带有例子程序代码和性能改进，执行者应
该参考[HMAC-MD5]以得到更多的加密散列函数的技术信息。
3.安全考虑
此变换的安全性取决于MD5的强度，应用算法的正确性，密钥处理机制和它的应用的安全性，
关联的秘密密钥的强度，还取决于所有特殊系统中应用程序的强度，[HMAC-MD5]中对MD5的优
缺点进行了细致的讨论。
致谢
本文的完成很大程度地基于HugoKrawczyk.写的文章，使用的格式来源于WilliamSimpson和
Perry的文章，重复性攻击保护直接引自JimHughes的文章。
参考文献
[-1825]Atkinson,R.,"SecurityArchitecturefortheInternet
Protocol",1852,NavalResearchLaboratory,
July1995.
[-1826]Atkinson,R.,"IPAuthenticationHeader",
1826,August1995.
[-1828]Metzger,P.,andW.Simpson,"IPAuthenticationusing
KeyedMD5",1828,August1995.
[-1321]Rivest,R.,"TheMD5Message-DigestAlgorithm",
1321,April1992.
[HMAC-MD5]Krawczyk,H.,Bellare,M.,andR.Canetti,
"HMAC:Keyed-HashingforMessageAuthentication",
2104,February1997.
[ESP-DES-MD5]Hughes,J.,"CombinedDES-CBC,MD5,andReplay
PreventionSecurityTransform",WorkinProgress.
作者地址
MichaelJ.Oehler
NationalSecurityAgency
Atn:R23,INFOSECResearchandDevelopment
9800SavageRoad
FortMeade,MD20755
EMail:[e-mail]
RobertGlenn
NIST
Building820,Room455
Gaithersburg,MD20899
EMail:[e-mail]