◆馬俊明

一種防止重放攻擊的設(shè)計方案

◆馬俊明

（中電科鵬躍電子科技有限公司 山西 030028）

為解決關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施通訊網(wǎng)絡(luò)中重放攻擊的嚴(yán)重危害的問題，本文研究分析了常用防重放攻擊方法，針對常用防重放攻擊實(shí)施方案的弱點(diǎn)，提出一種低成本、高效率且易于實(shí)現(xiàn)的防止重放攻擊的解決方案。設(shè)計方案特點(diǎn)：巧妙利用時鐘信號遞增性解決流水號問題；實(shí)施傳輸數(shù)據(jù)加密及數(shù)據(jù)按功能包分組提升通信系統(tǒng)的抗網(wǎng)絡(luò)攻擊性。

重放攻擊；時間戳；流水號；關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施；混合加密

重放攻擊（Replay Attacks）又稱重播攻擊、回放攻擊或新鮮性攻擊（Freshness Attacks），是指攻擊者發(fā)送一個目的主機(jī)已接收過的包，來達(dá)到欺騙系統(tǒng)的目的，重放攻擊在任何網(wǎng)絡(luò)通訊過程中都可能發(fā)生，尤其在關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]（Critical Information Infrastructure）通訊網(wǎng)絡(luò)中重放攻擊的危害巨大。

通信系統(tǒng)為保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性，通用做法是使用加密傳輸，數(shù)據(jù)加密可有效防止數(shù)據(jù)被竊密、篡改和偽造，然而如果系統(tǒng)不能鑒別重發(fā)的數(shù)據(jù)包，尤其是該重發(fā)數(shù)據(jù)包具備獨(dú)立的功能（如：一條指令或一個交易）時，重放攻擊就會使攻擊者在無需解密數(shù)據(jù)的情況下達(dá)到攻擊破壞的目的。

1 相關(guān)工作

在通信系統(tǒng)中防御重放攻擊的主要方法有：在通信過程中加時間戳、加序列（流水）號加隨機(jī)數(shù)等，實(shí)際應(yīng)用中常將加隨機(jī)數(shù)和加時間戳的兩種方法組合使用，除此之外還可以使用挑戰(zhàn)/應(yīng)答機(jī)制和一次性口令機(jī)制。下面對這幾種防御方法進(jìn)行簡單介紹。

1.1 加時間戳

加時間戳：“時戳”代表當(dāng)前時刻的數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸時在關(guān)鍵消息內(nèi)加入時間戳來保證消息的時鮮性。只有當(dāng)消息的時戳與本地時間差值在一定范圍內(nèi)時，接收方才接收這條消息。該方法優(yōu)點(diǎn)是不用額外保存其他信息，缺點(diǎn)是通信雙方需要有嚴(yán)格的時間同步[3]，同步越好，受攻擊的可能性就越小。但當(dāng)系統(tǒng)很龐大，跨越的區(qū)域較廣時，要做到精確的時間同步并不是很容易，此外時間戳失效時間間隔內(nèi)的重放攻擊無法防御。

1.2 加序列（流水）號

加序列號：數(shù)據(jù)傳輸時在每條消息中添加序列號，通信雙方通過消息中的序列號來判斷消息的新鮮性。要求通信雙方必須事先協(xié)商一個初始序列號，并協(xié)商遞增方法。通訊中只要接收到一個不連續(xù)的序列號報文，就認(rèn)定有重放威脅。該方法優(yōu)點(diǎn)是不需要時間同步，保存的信息量比隨機(jī)數(shù)方式小。缺點(diǎn)是一旦攻擊者對報文解密成功，就可以獲得序列水號，從而每次將序列號遞增來欺騙認(rèn)證端[4]。

1.3 加隨機(jī)數(shù)

加隨機(jī)數(shù)：數(shù)據(jù)傳輸時在每條消息中添加隨機(jī)數(shù)，通信雙方通過消息中的隨機(jī)數(shù)來判斷消息的新鮮性。該方法優(yōu)點(diǎn)是認(rèn)證雙方不需要時間同步，雙方記住使用過的隨機(jī)數(shù)，如發(fā)現(xiàn)報文中有以前使用過的隨機(jī)數(shù)，就認(rèn)為是重放攻擊。缺點(diǎn)是需要額外保存使用過的隨機(jī)數(shù)，若記錄的時間段較長，則保存和查詢的開銷較大，同時隨機(jī)數(shù)也可能出現(xiàn)重復(fù)的概率。

1.4 其他

挑戰(zhàn)/應(yīng)答：每次數(shù)據(jù)傳輸時時，發(fā)送端都給接收端發(fā)送一個不同的“挑戰(zhàn)”字串，接收端收到這個“挑戰(zhàn)”字串后，做出相應(yīng)的“應(yīng)答”。

一次性口令：每次數(shù)據(jù)傳輸時時，發(fā)送端都給接收端發(fā)送一個不同的“口令”，通信雙方通過消息中的口令來判斷消息的新鮮性。

挑戰(zhàn)/應(yīng)答和一次性口令都具有良好的防御性，但計算成本及實(shí)施復(fù)雜度都比較高[5]。

2 設(shè)計思路

基于以上幾種防重放攻擊方案的優(yōu)缺點(diǎn)的研究分析，有必要設(shè)計一款簡單、高效、易操作的防重放攻擊解決方案。

2.1 新鮮性

防重放攻擊首先要考慮的是傳輸數(shù)據(jù)包的唯一性，這一點(diǎn)主要的操作是加序列號和隨機(jī)數(shù)，但加序列號方法要求通信雙方必須事先協(xié)商一個初始序列號，增加了傳輸會話次數(shù)，而加隨機(jī)數(shù)方法，系統(tǒng)需有隨機(jī)數(shù)發(fā)生器裝置等。

本方案設(shè)計巧妙利用了發(fā)送端系統(tǒng)時鐘信號的遞增變化性，并且時鐘值在通信期間遞增唯一性，設(shè)計方案采用發(fā)送時發(fā)送端的系統(tǒng)時鐘值為初始序列號，并在發(fā)送包中單依次遞增，保證每個數(shù)據(jù)包的新鮮性，同時序列號與接收端，這樣通信雙方無需系統(tǒng)進(jìn)行時間同步。

2.2 安全性

為解決關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施通訊網(wǎng)絡(luò)中重放攻擊的嚴(yán)重危害的問題，通信系統(tǒng)設(shè)計可采用國產(chǎn)加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸。

通信雙方數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計采用混合加密[6]方式進(jìn)行安全通信，其中身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商使用非對稱加密算法（如：SM2，SM9等），主數(shù)據(jù)傳輸使用對稱加密算法SM4，此外為增強(qiáng)安全性，設(shè)計方案對通信數(shù)據(jù)包按數(shù)據(jù)功能進(jìn)行分包發(fā)送并添加功能包標(biāo)記。

3 設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案按通信系統(tǒng)最小組成設(shè)計，實(shí)際應(yīng)用中通信系統(tǒng)可以是一對多或多對多傳輸方式。本方案通信系統(tǒng)設(shè)計由一個發(fā)送端和一個接收端及其相連接的網(wǎng)絡(luò)組成，發(fā)送端和接收端功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，發(fā)送端與接收端都具備處理器、時鐘、存儲器、輸入輸出接口等必要功能模塊。

圖1 發(fā)送端和接收端功能結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計方案要求發(fā)送端程序有讀取發(fā)送端時鐘的功能，且發(fā)送端時鐘在工作期間保持正常運(yùn)行，即時鐘值一直在遞增且不需與對方進(jìn)行時鐘同步，時鐘值最小單位不高于1秒。

3.2 通信包設(shè)計（時序-數(shù)據(jù)包頭結(jié)構(gòu)）

發(fā)送端與接收端雙方通訊采用混合加密方式進(jìn)行安全通信，數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)功能進(jìn)行分包。

數(shù)據(jù)包設(shè)計分為三大類：身份認(rèn)證數(shù)據(jù)包、密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包、加密數(shù)據(jù)包，其中加密數(shù)據(jù)包應(yīng)按具體業(yè)務(wù)功能進(jìn)行進(jìn)一步分包處理。

通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸時間序列圖如圖2所示。

圖2 通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸時間序列圖

數(shù)據(jù)通信時間軸定義為：從左到右、自上而下。圖2中k、m、n均為自然數(shù)，從圖2可看出單次身份認(rèn)證有效期t1≈m*t2（忽略單次認(rèn)證時間），單次對稱密鑰有效期為t2≈n*t3（忽略單次密鑰協(xié)商時間），其中t3為單個細(xì)分功能的加密數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)發(fā)送時間。眾所周知，密鑰有效期越長、使用越頻繁其安全性越低，但密鑰有效期太短使得系統(tǒng)通信效率大大降低。通過合理調(diào)整單次身份認(rèn)證中密鑰協(xié)商的次數(shù)m和單次對稱密鑰傳輸時加密數(shù)據(jù)包的數(shù)量n來平衡系統(tǒng)的安全與效率。

3.3 新數(shù)據(jù)包頭設(shè)計

為確保系統(tǒng)不受重放攻擊，就得保證每個數(shù)據(jù)功能包的唯一性。為此本方案對數(shù)據(jù)包進(jìn)行了功能分包和增加了新的數(shù)據(jù)包包頭設(shè)計。

新數(shù)據(jù)包包頭是在原數(shù)據(jù)包頭部增加6字節(jié)（48bit），新數(shù)據(jù)包包頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包包頭結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)包第1-32bit為發(fā)送方時鐘值，第33-40bit為同次認(rèn)證時間段內(nèi)密鑰協(xié)商包序號（1-255），第41-48bit為相同對稱密鑰傳輸時加密數(shù)據(jù)包序號（1-255）。實(shí)際應(yīng)用中可靈活調(diào)節(jié)后16比特，即調(diào)節(jié)m、n且滿足m*n<65535。

系統(tǒng)每次進(jìn)行身份認(rèn)證時，發(fā)送端需讀取發(fā)送端時鐘，由于實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)身份認(rèn)證間隔遠(yuǎn)大于1秒，從而保證新數(shù)據(jù)包包頭字段的唯一性。

新數(shù)據(jù)包頭具體填充數(shù)據(jù)方法如下：

（1）身份認(rèn)證數(shù)據(jù)包：發(fā)送端在每次身份認(rèn)證前讀取發(fā)送端時鐘，時鐘格式轉(zhuǎn)化為長整型32比特（時鐘精確最小單位為秒即可），填充前32位，后16位全填充0。

（2）密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包：使用當(dāng)此身份認(rèn)證時鐘填充前32位，第32-40，填充密鑰協(xié)商包序列號從1開始每次加1，后8位全填充0。

（3）數(shù)據(jù)包（11-1n）：使用密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包前40位填充前40位，第41-48，填充數(shù)據(jù)包序列號從1開始每次加1。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

通信分包發(fā)送過程描述如下（其中k、m、n為自然數(shù)）：

身份認(rèn)證1、{[密鑰協(xié)商1、（數(shù)據(jù)包11、數(shù)據(jù)包12…數(shù)據(jù)包1n）]，[密鑰協(xié)商2、（數(shù)據(jù)包21、數(shù)據(jù)包22…數(shù)據(jù)包2n）]…，[密鑰協(xié)商m、（數(shù)據(jù)包m1、數(shù)據(jù)包m2…數(shù)據(jù)包mn）]}，

身份認(rèn)證2、{[密鑰協(xié)商1、（數(shù)據(jù)包11、數(shù)據(jù)包12…數(shù)據(jù)包1n）]，[密鑰協(xié)商2、（數(shù)據(jù)包21、數(shù)據(jù)包22…數(shù)據(jù)包2n）]…，[密鑰協(xié)商m、（數(shù)據(jù)包m1、數(shù)據(jù)包m2…數(shù)據(jù)包mn）]}，

…，

身份認(rèn)證k、{[密鑰協(xié)商1、（數(shù)據(jù)包11、數(shù)據(jù)包12…數(shù)據(jù)包1n）]，[密鑰協(xié)商2、（數(shù)據(jù)包21、數(shù)據(jù)包22…數(shù)據(jù)包2n）]…，[密鑰協(xié)商m、（數(shù)據(jù)包m1、數(shù)據(jù)包m2…數(shù)據(jù)包mn）]}…。

以單次認(rèn)證描述本方案中的系統(tǒng)周期（設(shè)定，身份認(rèn)證1的有效期為t1，密鑰協(xié)商1（即對稱密鑰1）的有效期時間為t2，單個數(shù)據(jù)包加密通信的時間為t3，參考圖1可知t1≈m*t2≈m*n*t3，實(shí)際通信時t1遠(yuǎn)大于1秒。

單次數(shù)據(jù)傳輸按數(shù)據(jù)功能分包有：身份認(rèn)證數(shù)據(jù)包、密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包1、數(shù)據(jù)包11、數(shù)據(jù)包12、…數(shù)據(jù)包1n，密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包2、數(shù)據(jù)包21、數(shù)據(jù)包22、…數(shù)據(jù)包2n，…，密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包n、數(shù)據(jù)包m1、數(shù)據(jù)包m2…數(shù)據(jù)包mn。

本方案使用m、n的閾值根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，閾值越小安全系數(shù)越高但同時效率會下降。兼顧效率與安全，選取m、n的閾值均為255。

3.5 數(shù)據(jù)接收及防重放檢測流程

接收端順序接收數(shù)據(jù)，并按如下流程進(jìn)行防重放攻擊檢測。數(shù)據(jù)接收及防重放攻擊檢測的方法和流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)接收及防重放檢測流程具體操作步驟如下：

（1）接收端存儲器初始化設(shè)置兩臨時變量長整型T0=0，整型X0=0。

（2）接收端接收數(shù)據(jù)包，逐包進(jìn)行處理，每包處理流程同下。

（3）解密操作后讀取數(shù)據(jù)包頭，即包頭前6個字節(jié)（48bit）。

（4）將接收到的前32bit轉(zhuǎn)換為長整型數(shù)值T1，后16bit轉(zhuǎn)換位整型數(shù)值X1。

（5）首先比較T0和T1，“Y”時（即T0>T1）判斷為重放包數(shù)據(jù)，做丟棄包處理，然后返回下一包數(shù)據(jù)處理流程（即步驟2）；“N”時順序執(zhí)行下一步。

（6）首先比較T0和T1，“Y”時（即T0

（7）此時T0=T1，比較X0和X1，“Y”時（即X0>=X1）時判斷為重放包數(shù)據(jù)，做丟棄包處理，然后返回下一包數(shù)據(jù)處理流程（即步驟2）；“N”時順序執(zhí)行下一步。

（8）此時X0

（9）進(jìn)入正常數(shù)據(jù)處理流程。

（10）判斷通信是否結(jié)束，“N”時，轉(zhuǎn)入下一包處理流程（即步驟2）；“Y”時，順序執(zhí)行下一步。

（11）結(jié)束通信。

通過以上設(shè)計方案，在接收數(shù)據(jù)包時通過分析數(shù)據(jù)包頭來判斷是否發(fā)生重放攻擊，從而提升了通信系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)束語

文章方案適合于網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)領(lǐng)域大多數(shù)通信場景，使用本方案對現(xiàn)有通信系統(tǒng)進(jìn)行混合加密傳輸及抗重放攻擊安全改造實(shí)施，不需更改現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，部署方便易于管理且能滿足安全等保合規(guī)要求。此外，本設(shè)計方案對解決關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊特別是重放攻擊方面有著非常好的參考價值及應(yīng)用前景。

圖4 數(shù)據(jù)接收及防重放檢測流程圖

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