（通信与信息系统专业论文）基于强认证技术的voip系统的研究与实现.pdf

摘要 随着下一代网络和软交换技术的发展，通过i p 网络传输语 音的v o i p 技术具有非常光明的前景。然而，安全问题却成为v o i p 技术发展不得不面对的最大障碍，这极大地限制了v o i p 技术的 广泛应用。 论文首先研究了v o i p 技术基础，包括基本原理，系统结构 和协议层次。在归纳和分析了v o i p 典型安全威胁之后，论文提 出v o i p 典型安全威胁是由i p 网络的开放性和v o i p 认证机制的 薄弱所引起的。随后，论文讨论了现有的v o i p 安全认证技术。 在分析了远程强认证的特点和单纯认证的局限性之后，论文 提出结合p k i 技术实现远程强认证。随后，针对身份认证、消息 认证和数字签名的原理和实现机制进行了研究，为解决v o i p 的 认证问题提供了理论基础。 基于上述理论研究，论文提出了基于强认证技术的v o i p 系 统，将远程强认证技术应用到v o i p 系统中以提高其认证机制的 安全强度。该系统增加了一个新的功能实体一一认证中心，采用 数字证书管理用户公钥，并将智能卡作为数字证书的安全存储载 体。随后扩展了s i p ，增加了实现强认证必要的消息类型和消息 头字段。同时，将s i p 的操作过程抽象建模为s i p 协议操作模型， 采用基于挑战应答的强身份认证机制和数字签名技术来保证 v o i p 实体的真实性，s i p 消息的完整性和不可否认性。论文进一 步分析了该系统的安全性。最后，论文设计了一个基于强认证技 术的v o i p 系统，并实现了部分模块的功能。 关键词v o i p ，s i p ，强认证，p k i ，智能卡 a b s t r a c t w 1 t ht h e d e v e l o p m e n t o fn e x t g e n e r a t i o n n e t w o r ka n d s o f t - s w i t c ht e c h n o l o g y , t h ev o i pt e c h n o l o g yw h i c ht r a n s p o r t sv o i c e o v e ri pn e t w o r kh a sab r i l l i a n t p r o s p e c t h o w e v e r , t h es e c u r i t y p r o b l e m sb e c o m et h eb i g g e s to b s t a c l et h a tt h ed e v e l o p m e n to fv o l p t e c h n o l o g y h a st o f a c e ，w h i c hs e r i o u s l y l i m i tt h ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o no f v o l pt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ef o u n d a t i o no f v o l p t e c h n o l o g y , i n c l u d i n gf u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o l l a y e r s a f t e rs u m m i n gu pa n da n a l y z i n gt h er e p r e s e n t a t i v es e c u r i t y t h r e a t so fv o i p , t h i sp a p e rp r e s e n t st h a tt h er e p r e s e n t a t i v es e c u r i t y t h r e a t so fv o i pa r ec a u s e db yt h eo p e n n e s so fi pn e t w o r ka n dt h e w e a k n e s so fv o i pa u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s m t h e n ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ee x i s t i n gs e c u r i t ya u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yo f v o l e a f t e r a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e m o t e s t r o n g a u t h e n t i c a t i o na n dt h el i m i t a t i o no fp u r ea u t h e n t i c a t i o n ，t h i sp a p e r p r e s e n t s t oa c h i e v er e m o t e s t r o n g a u t h e n t i c a t i o nw i t hp k i t e c h n o l o g y t h e n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l ea n dt h e r e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo f i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，m e s s a g e a u t h e n t i c a t i o na n dd i g i t a ls i g n a t u r e ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a l b a s i sf o rs o l v i n gv o l pa u t h e n t i c a t i o np r o b l e m s b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h e v o l ps y s t e mb a s e do i l s t r o n ga u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h a p p l i e sr e m o t es t r o n ga u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yt ov o l ps y s t e mi n o r d e rt oe n h a n c et h e s e c u r i t yi n t e n s i t y o fi t sa u t h e n t i c a t i o n m e c h a n i s m t h es y s t e ma d d san e wf u n c t i o n a le n t i t y 一- c e r t i f i c a t e a u t h o r i t y , w h i c hm a n a g e su s e r sp u b l i ck e yw i t hd i g i t a lc e r t i f i c a t e a n dm a k e ss m a r tc a r da st h es e c u r e s t o r a g e c a r r i e ro fd i g i t a l c e r t i f i c a t e t h e n ，s i pi se x t e n d e d ，w h i c ha d d sn e c e s s a r ym e s s a g e t y p e a n dm e s s a g eh e a d e rf i e l di no r d e rt or e a l i z e s t r o n g a u t h e n t i c a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , t h i sp a p e ra b s t r a c t st h eo p e r a t i o n p r o c e s so fs i pa n ds e t su ps i pp r o t o c o lo p e r a t i o nm o d e l ，w h i c h u a d o p t s t h e i d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s mb a s e do n c h a l l e n g e r e s p o n s ea n dd i g i t a ls i g n a t u r et e c h n o l o g yt oe n s u r et h e a u t h e n t i c i t yo fv o l pe n t i t y , t h ei n t e g r i t ya n dn o n - r e p u d i a t i o no fs i p m e s s a g e f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei s s u eo fs y s t e m s e c u r i t y f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n sav o l ps y s t e mb a s e do ns 仃o n g a u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da c h i e v e ss o m em o d u l e sf u n c t i o n k e yw o r d s v o i p , s i p , s t r o n ga u t h e n t i c a t i o n ，p k i ，s m a r tc a r d 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使 用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：秽 日期：三竺互年兰月牟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手 段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学 位论文。 作者签名：珈师 硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 基于i p 网络的话音传输技术( v o i p ) 目前已经发展成为一种专门的话 音通信技术，其应用范围越来越广，全球市场已有相当大的一部分语音业 务通过v o l p 技术来实现。v o l p 技术给运营商、企业和消费者带来的经济 性、移动性及灵活性强劲地推动了这一业务的普及。v o l p 的前景固然是美 好的，但是无法回避的一个问题就是安全。 v o l p 技术基于可同时承载语音、视频，数据和其它业务的统一网络架 构，显著地减少了用户语音与数据通信服务开销，提供了传统p s t n 无法 比拟的诸多新型服务。但是，v o i p 技术在融合了p s t n 与i p 网络二者优势 的同时，也把二者的安全风险集于一身，除了会遭遇存在于传统p s t n 中 的非法搭线侦听等安全威胁外，还面临着病毒、非法接入和拒绝服务攻击 等i p 网络常见的安全威胁。 对于运营商来说，除了传统的安全威胁外，其面临的安全威胁还包括 众多i p 网络遗留下来的安全问题。比如：除呼叫管理系统、i p 电话交换机、 路由器和语音网关等传统易受攻击对象外，计算机网络类软件与设备还面 临着非法接入、特权升级和系统滥用、病毒和拒绝服务攻击等。而提供在 线支付与服务规划管理的运营商，则还会面临账户与数据库系统的安全问 题。 对于v o l p 用户来说，受到的安全威胁包括通过话费欺诈、盗取身份认 证信息等手段获取经济利益，或者通过干扰或中断用户正常的v o i p 语音通 信服务进行恶作剧，另外由于i p 电话实际上就是在计算机上运行的v o l p 应用程序，所以它还牵涉到诸如操作系统、协议等问题，会受到系统失误、 病毒攻击等潜在的威胁。 研究发现，除服务质量等问题外，安全问题是企业首席技术官们在做 v o l p 决策时重点考虑的内容【l 】。业内分析人士称，尽管v o i p 提供商消除了 管理机构及法律方面的许多障碍，但是、j ：o l p 服务在主流企业市场上仍然没 有打开局面，v o i p 提供商所面临的最大阻碍仍然是v o l p 的安全性问题【2 l 。 在现实中，许多客户表示，安全状况不能达到企业的应用标准是他们暂时 硕十学位论文 第一章绪论 不想部署v o l p 的原卧”。 目l ；i 对v o l p 安全问题缺少研究和理解，对安全标准、安全产品、安全 网络体系结构和管理的研究较少，v o l p 安全理论方面研究也尚有欠缺，本 课题旨在这方面进行一些有益的探索。 本课题基于国家自然科学基金计算机网络分布式资源认证存取控制 问题的研究( 编号：6 0 1 7 3 0 4 1 ) 。 1 2 国内外研究现状 目前，v o i p 面临的安全议题主要有4 个：拒绝服务( d o s ) 攻击、非 法接入、话费诈欺或窃听等威胁1 3 j 。 市场研究机构的调查结果显示，亚太区服务供应商在v o l p 安全性方面 的支出远远落后于美国和欧洲。2 0 0 5 年，亚太区服务供应商在v o l p 安全性 方面的支出不到3 3 0 0 万美元，而亚太区以外的所有地区则支出8 3 6 0 万美 元，并且这一差距还将进一步加大，预计2 0 0 8 年亚太区在这方面的支出大 约为1 7 亿美元，而亚太以外其它地区的总支出将超过3 7 亿美元。这种差 距显示了当前亚太区在v o i p 安全方面意识的欠缺。 v o l p 安全联盟( v o i p s a ) 是一个旨在提高公众对网络电话安全性和保 密性意识，发现、理解并避免与网络电话安全性相关风险的开放性组织1 4 5 j ， 专注于v o l p 安全性的研究。其成员来源非常广泛，包括厂商、业务提供商、 研究人员和顾问人员。其主要活动方式是讨论列表、白皮书、支持v o l p 安 全性研究项目，以及开发供公众使用的工具和方法，为v o i p 提供更全面的 安全理念、安全产品、解决方案以及管理标准等。2 0 0 5 年2 月，提出的两 个最初目标是制定威胁分类( t h r e a tt a x o n o m y ) 和定义安全需求。近期，正 致力于起草v o i p 网络需要的安全措施以及威胁模式的相关文件。 信息技术的发展和进步往往超过了实际的安全需求，v o l p 技术尤其如 此。目前，虽然还没有出现专门针对主流或商用v o l p 的攻击威胁，但威胁 的出现只是时间问题。尽管v o l p 威胁并不比其它w e b 应用所面临的严峻， 但是要保证安全则更加严峻，这是由v o l p 的特点决定的。例如v o i p 一般 需要比w 曲浏览和e - m a i l 更多的连接，流媒体连接是动念的，因此安全需 求更加复杂。 l p 网络受到病毒、垃圾邮件、拒绝服务攻击等威胁，而v o i p 还面临与 其他i n t e r n e t 应用不同的安全和隐私问题，如呼叫跟踪，呼叫劫持，以及偷 听等最危险的威胁。这两方面的攻击威胁都给宽带电话的安全带来风险。 很显然，v o l p 受到i p 网络和v o l p 技术本身的攻击威胁。因此，目l ；i 2 硕七学位论文第一章绪论 解决v o i p 的安全问题主要是从保障i p 网络安全和v o i p 技术安全两方面入 手的。 1 保障i p 分组网的安全 i p 网络是实现v o m 的基础，要保障v o i p 的安全，首先应该保障i p 网 络的安全。这方面的安全措施主要包括以下内容： 防火墙：防火墙在两个网络之间执行访问控制策略，可以是软件或硬 件设备。 入侵检测和防护：在网络中不同端点安装和实施，以监测系统、网络 运行状况和流量，在故障出现之前尽快采取防护和补救措施，将损失降至 最低。 反病毒软件：可以在网元设备和终端上分别安装和实施。 加密：对于内容敏感的通信，进行加密。 操作系统安全。 i p 网络安全是各个网络层次上安全措施和内容的综合，一旦一个端点 出现漏洞，就会延续到整个i p 网络，因此综合、全面实施各种安全措施至 关重要。 2 保障v o i p 技术安全 在技术上，v o i p 作为一种话音传输技术，必须保障安全和隐私，虽然 使用i p 技术，并不意味着它只能或可以是不安全的。新服务的实现，不应 该以降低服务质量和安全为代价。v o i p 技术本身的安全应该解决以下几方 面的问题： 减少因安全关联密钥交换、加密操作引起的延迟，减少对话音质量的 影响。 合理选择v p n 和加密，平衡安全性和质量。 选择合适的多v p n 隧道模式，如加密的v p n 模式和没有加密的v p n 模式。 采用强认证方式，如二元认证，公钥基础设施( p ) 、s i p 和h 3 2 3 协议中也嵌套了安全功能，包括地址认证。 保证呼叫处理软件运行平台的安全。 总的来说，解决v o i p 的安全问题，需要在不同的网络层次实施各种安 全措施，如认证、加密、防火墙等。消除所有的安全威胁是不可能的，但 可以采取几个简洁步骤，如：尽量降低网络暴露，以减少拒绝服务攻击； 对于信令协议篡改，可基于执行状态进行判决；加密v o i p 流量可以防止 v o i p 呼叫受到监听，未来v o i p 可以实现端到端的加密。 硕+ 学位论文 第一章绪论 此外，实现v o l p 的安全，不仅可以从技术方面采取措施，也可以依靠 管制政策来获得帮助。但是，由于i p 网络跨越国界，很难在全球范围内实 现一致的管制，就易实现程度和可行性而言，应该致力于提高技术方面的 安全性。 1 3 论文研究内容和组织结构 本文首先研究了v o l p 的原理和安全问题。随后分析了远程强认证的特 点和单纯认证的局限性，提出结合p k i 技术实现远程强认证，并针对认证 的三个方面：身份认证、消息认证和数字签名的原理和实现机制分别进行 了研究。 基于上述理论研究的成果，本文提出了基于强认证技术的v o l p 系统， 将远程强认证技术应用至l j v o l p 系统当中以提高其认证机制的安全强度，这 是本文的第一个创新点。基于强认证技术的v o l p 系统首先在v o l p 系统结构 中增加了一个新的功能实体一一认证中心，采用数字证书管理用户公钥， 并将智能卡作为数字证书与用户密钥的安全存储载体。随后对s i p 进行了扩 展，增加了实现远程强认证必要的消息类型和消息头字段，并对s i p 的操作 过程进行了抽象建模，建立了s i p 协议操作模型，这是本文的第二个创新点。 最后分析了该系统的安全性。本文最后设计了一个基于强认证技术的v o l p 系统，并编码实现了部分模块的功能。 本文分为六章，各章内容简介如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景，v o l p 安全问题的国内外研究 现状。 第二章讨论了v o l p 技术的基本原理、系统结构和协议层次，归纳并分 析了v o l p 的安全威胁并讨论了v o i p 现有的安全认证技术。 第三章是远程强认证技术的研究。分析了远程强认证的特点，提出结 合p k i 技术实现远程强认证，并针对身份认证、消息认证和数字签名的原理 和实现机制分别进行了研究。 第四章提出了基于强认证技术的v o l p 系统。将远程强认证技术应用到 v o l p 系统中，提高了v o i p 系统认证机制的安全强度，并分析了其安全性。 第五章设计了一个基于强认证技术的v o l p 系统，并编码实现了部分模 块的功能。 第六章为论文研究工作的总结和今后研究工作的展望。 4 硕士学位论文第二章v o i p 基础与安全 2 1v o i p 基础 2 1 1 基本原理 第二章v o i p 基础与安全 v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 又称i p 电话或i p 网络电话，这项技术通过对语 音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧，然后转换为i p 数据包在i p 网络上进行传输，从而达到在i p 网络上进行语音通信的目的| 6 , 7 , 8 1 。v o l p 技 术的实现过程分为以下几个阶段： 1 语音数据转换 语音信号是模拟波形，要通过i p 网络来传输语音信号，不管是实时应 用业务还是非实时应用业务，首先要对语音信号进行模数转换，也就是对 模拟语音信号进行量化、编码数字化。数字化可以使用各种语音编码方案 来实现，目前采用的语音编码标准主要有g 7 2 6 、g 7 2 9 ，g 7 2 3 1 等。通信 双方的语音编码器必须采用相同的算法，这样目的地的语音设备可以将语 音数据还原成模拟语音信号。 2 数据到i p 包转换 将语音信号进行编码数字化后，下一步就是对语音包以特定的帧长进 行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用1 5 m s 的 帧，则把一个6 0 m s 的包分成4 帧，并按顺序进行编码。每个帧含1 2 0 个语 音样点( 抽样率为8 k h z ) 。压缩编码后，将4 个压缩的帧合成一个压缩的 语音包送入网络处理器。网络处理器为语音包添加包头、时标和其它信息 后通过网络传送到另一端点。i p 网络不像电路交换网络，它不形成连接， 它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址 和控制信息，并通过网络发送，一个节点一个节点地转发到目的地。 3 传输 在传输网络中，语音包从网络输入端接进入传输网络，然后在一定时 间( t ) 内将其传送到网络输出端。t 可以在某个范围内变化，反映了网络传 输中的抖动。网络中相邻节点检查每个p 包附带的寻址信息，并使用这些 硕十学位论文第一二章v o l p 基础与安全 信息把该婵包转发到目的地路径上的下一节点。 4 i p 包数据的转换 目的地v o l p 设备接收这个i p 语音包并开始处理。网络层提供一个可 变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包， 用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的 抖动。其次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模 块也可以按帧进行操作。若帧长为1 5 m s ，则6 0 m s 的语音包被分成4 帧， 然后它们被解码还原成6 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲器。在数据包的处 理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据 提供给解码器。 5 数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声 器按预定的频率( 例如8 k h z ) 播出。 简而言之，语音信号在i p 网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号 的转换、数字语音封装成i p 分组、i p 分组通过网络的传送、i p 分组的解包 和数字语音还原到模拟信号等过程。 2 1 2 系统结构 v o l p 系统中存在不同的功能实体以完成相应的功能，按逻辑功能区分 可以分为5 类：用户代理、代理服务器、重定向服务器、注册服务器和位 置服务器1 9 , 1 0 。v o l p 系统结构如图2 1 t “1 所示。 1 用户代理( u s e r a g e n t ) 用户代理是直接和用户发生交互作用的功能实体，它能够代理用户的 所有请求和响应，其存在的形式多种多样，如软电话、实际的i p 电话机或 其他计算机应用程序等。从客户机服务器的角度来看，用户代理可以分为 用户代理客户端( u a c ，u s e r a g e n tc l i e n t ) 和用户代理服务器( u a s ，u s e r a g e n ts e l v e r ) 。用户代理客户端主要指发起请求的实体，用户代理服务器则 是对发起的请求作出响应。 2 代理服务器( p r o x ys e r v e r ) 代理服务器的主要功能是完成用户请求的转发，能够代理前面的用户 向下一跳服务器发出呼叫请求，然后由服务器决定下一跳的地址。根据代 理服务器在核心层和边缘层的不同位置，可以分为有状念代理代理服务器 和无状态代理服务器两种。有状态和无状态代理服务器的区别是有状态代 理服务器记住它接收到的入请求，以及回送的响应和它转送的出请求。无 6 硕士学位论文第二章v o i p 基础与安全 状态代理服务器一旦转发请求后就忘记所有的信息。边缘层代理服务器因 为靠近用户，需要考虑用户的状态以及对相应呼叫进行计费，所以代理服 务器应当为有状态代理服务器；但对于核心层的代理服务器，因为仅仅完 成消息的转发，所以代理服务器不需要保留呼叫的状态，这样可以提高核 心服务器的处理能力，此时的代理服务器就是一个无状态代理服务器。 图2 - 1v o l p 系统结构 3 重定向服务器( r e d i r e c ts e r v e r ) 重定向服务器的作用是能够将用户当前的新位置告诉请求方，这是它 与代理服务器的本质区别。逻辑位置上，重定向服务器一般靠近被呼叫用 户。当重定向服务器接受用户的请求时，它只是将用户当前的位置告诉请 求方然后退出对这个呼叫的控制，而不像代理服务器那样代理用户的请求。 4 注册服务器( r e g i s t e rs e r v e r ) 当用户进入v o i p 网络时需要将其当l ； 位置注册到网络中的某个服务器 上，以便其他用户找到该用户，完成该功能的服务器称为注册服务器。 用户在进行注册时，服务器需要对用户进行鉴权认证，只有鉴权通过 才认为该用户为v o i p 网络中的合法用户。为了确保网络对终端用户的可控 性，每个成功注册信息都有一定的存亡周期。如果用户终端在存亡周期内 能够对其位置信息进行更新，说明该位置当前有效；如果存亡周期终了时， 用户终端没有将其位置信息更新，那么注册服务器会认为当前的位置信息 对该用户无效。这样可以避免用户由于异常情况而不能将位置信息注销掉 7 硕士学位论文 第二二章v o i p 基础与安全 的情况。 5 位置服务器( l o c a t i o ns e r v e r ) 位置服务器完成用户数据存储并向用户返回可能的位置信息的功能。 注册服务器接收到位置信息时会立即将这些信息上传到位置服务器。位黄 服务器用来向用户提供代理服务器或重定向服务器的位置，作为一个全局 的数据库，作用就像d n s 。 2 1 3 协议层次 、b i p 是基于i p 网络的并建立在范围很广的各种协议之上，图2 2 给 出了其协议层次结构。 g 7 2 x ，m p e g s i p l r s v p r t c p j r 、 r t p ，0上上0 t c pu d p ， i p v 4 ，i p v 6 t， p p p a a l 3 4 i 闭 s d h i ， s o n e t 】 a t me t h e r n e td w d m 图2 - 2v o l p 协议层次结构 1 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始化协议) 作为v o i p 的核 心信令协议，是由i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i n t e m e t 工程任务 组) 的m m u s i c ( m u l t i p a r t ym u l t i m e d i as e s s i o nc o n t r o l ，多方多媒体会话控 制) 工作组提出的用来解决i p 网上的信令控制问题的协议。在i p 网络分层 模型上，s i p 是工作在应用层上的协议，可以用来建立、修改和终止有多方 参与的多媒体会话进程 1 2 , 1 3 , 1 4 1 。 2 r t p ( r e mt r a n s p o r tp r o t o c o l ，实时传输协议) 为语音数据提供了 具有实时特征的端对端传送服务，如在组播或单播网络服务下的交互式视 频音频或模拟数据 1 5 , 16 1 7 1 。r t p 本身并没有提供按时发送机制或其它服务 质量( q o s ) 保证，它依赖于低层服务去实现这一过程。r t p 并不保证传 8 硕士学位论文第二章v o l p 基础与安全 送或防止无序传送，也不确定底层网络的可靠性。r t p 实行有序传送， r t p 中的序列号允许接收方重组发送方的包序列，同时序列号也能用于决 定适当的包位置。 3 r t c p ( r e a l t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，实时传输控制协议) 是r t p 的控制协议，用于管理控制信息i l8 】。r t c p 采用与数据包相同的分发机制， 将控制包周期性地传输到所有会话参与者中1 1 9 1 。 4 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，资源预留协议) 是当前在i p 网络中唯一的为端到端保证网络带宽的标准信令协议【2 0 1 ，它允许路由器网 络任何一端上终端系统或主机在彼此之间建立保留带宽路径，为网络上的 数据传输预定和保证q o s 。它对于需要保证带宽和时延的业务，如语音传 输，视频会议等具有十分重要的作用。r s v p 和r t c p 用于服务质量的建设。 5 g 7 2 x ( g 7 2 6 、g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等) 或m p e g 等为媒体的编码标准。 其中g 7 2 3 1 编码算法是以8 k h z 的1 6 位线性p c m 码为输入信号，编码算法 因编码速率较低，语音质量又较好，在语音传输中使用特别普遍【2 1 1 。g 7 2 6 标准算法简单，语音质量高，多次转换后语音质量有保证，能够在低比特 率上达到网络等级的话音质量，从而在语音存储和语音传输领域得到广泛 应用 2 2 1 。 6 v o m 的高层协议都在i p 之上运行，因此下层的协议范围很广，包 括：s o n e t ，a t m ，e t h e m e t 和d w d m 等，其中d w d m ( 密集波分复用， d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 作为底层协议必将成为主流。 2 2v o i p 安全 2 2 1 典型安全威胁 目前，v o i p 所面l 临的典型安全威胁主要以下几种，如表2 1 所示。 表2 1 典型安全威胁及影响的不同领域l 藏胁类鍪 ：安全领域一 ；。藏胁类鼙安全镶域 注册攻击 可用性消息篡改完整性 伪装服务器 可认证性、私密性 监听 私密性 伪造攻击可认证性、私密性拒绝服务攻击可用性 1 注册攻击 v o l p 的注册机制就是用户终端向注册服务器登记终端用户在何处可以 9 硕士学位论文第二章v o l p 基础与安全 被访问。注册服务器通过查看注册消息中的f r o m 字段来决定该消息是否有 权限修改相应的注册用户的注册地址。由于f r o m 字段可以被任意修改，这 就为恶意注册开了后门。攻击者修改f r o m 字段就可以成为授权用户，进行 恶意注册。攻击者可以取消原先已经有的合法用户的注册，将自己的设备 注册成某用户的当前可访问的位置，这样一来，就将被修改者所有的请求 都定向到攻击者的设备上了f 2 4 ，2 5 1 。 2 伪装服务器 攻击者通过伪装服务器而达到攻击目的 2 6 1 。例如，用户发往重定向服 务器请求被攻击者截获，并假冒成该重定向服务器向请求者发送一条伪造 消息，将用户的请求定向到不正确或者不安全的地方。攻击者只需要将应 答消息中f r o m 字段改成正确的重定向服务器就可以达到伪造服务器的目 的。 3 ，伪造攻击 v o i p 中伪造攻击是指攻击者改变消息的头和消息体，接收者则认为是 非发起者发出的请求。请求伪造就是模仿消息发出者的身份欺骗合法的接 收者。这种伪造请求的攻击主要分为三种： 伪造i n v i t e 请求：一般地说，攻击者伪造f r o m ，v i a ，s u b j e c t 头域。 伪造b y e 请求：攻击的目的是终止合法使用者之间的正常通话。为了发 起攻击，攻击者首先需得知先前呼叫的控制请求f r o m ，t o ，c a l l i d ，c s e q 等参数，通过这些捕获的参数构造自己的b y e 消息，终止目标的通话。 伪造c a n c e l 请求：攻击的目的是通过发送伪造的c a n c e l 请求给被叫方， 取消合法的i n v i t e 请求，这样一个合法的请求就变成无效的了。 4 消息篡改 用户终端可以通过代理服务器将s i p 消息正确路由到目的用户，但不能 检查s i p 消息是否被恶意修改。攻击者可以通过修改s i p 消息体携带的媒体 会话的加密密钥而扮演中间人，还可以尝试修改s d p 消息体，将r t p 媒体流 指向窃听器，以达到在后续的语音通讯中窃听的目的。除了修改消息体之 外，攻击者还可能修改消息的头字段。所以需要一种安全机制来检查消息 是否被篡改，这种安全机制对s i p 消息来讲，包括保密性、完整性和身份认 证。 5 监听 监听媒体流或s i p 消息是对私密性的一种威胁。在攻击者监听媒体流和 解析s i p 信令消息后，通信的内容、一些敏感和私密信息就暴露无遗。传统 的公共交换电话网中，监听者只能是警察、特定的授权用户、运营商、极 1 0 硕士学位论文 第二章v o l p 基础与安全 少数的高级黑客，而在v o i p 网络中任何人都能够容易地进行监听。 6 拒绝服务攻击 拒绝服务攻击( d e n i a lo f s e r v i c e ，d o s ) 是指特定的网络服务的中断。 通常是通过向特定的网络接口发送大量的信息而使系统破坏或暂时不可 用。分布式拒绝服务攻击，是指一个网络用户使多台网络机器同时向同一 台目的主机发送大量信息包，而使得目的主机不能够提供服务。为了接收 世界范围内的i p 终端请求，s i p 的代理服务器必须安装在公共的i n t e r n e t 上， 这就为s i p 遭受分布式拒绝服务攻击创造了许多潜在的机会。 v o i p 主机除了作为直接被攻击的对象之外，还有可能作为d o s 攻击的 帮凶，起到放大d o s 攻击的作用。攻击者如果想攻击网络中的某台主机， 可以通过伪造出一条看似来自这台主机的s i p 消息，然后将这条消息发往大 量的v o i p 网络中的服务器，通过代理服务器向要攻击的目的终端发送大量 的s i p 应答消息，而使得目的终端遭受拒绝服务攻击。攻击者还可以通过伪 造s i p 消息的路由字段，使得要攻击的终端成为s i p 消息路由路径的下一跳， 然后将消息发往代理服务器，从而使得代理服务器放大了对目的主机的攻 击。 2 2 2 安全威胁分析 目前，v o i p 网络面临诸多安全威胁，上节已经对一些典型安全威胁作 出了归纳与分析。导致v o i p 安全威胁的原因有很多，归纳起来有以下几点： 1 v o l p 技术是基于i p 网络的，i p 网络是开放性网络，无论是合法用 户还是攻击者都可以通过多种方式非常方便的访问它。网络的开放性和复 杂性必然导致安全隐患； 2 随着v o i p 技术的不断发展，v o i p 终端逐渐具备呼叫智能性，各种 终端可以是具有c p u 、内存、操作系统、应用程序等的计算设备，可以执 行不同的任务，而终端设备的智能性越高，不安全的因素也就越多； 3 目前对v o i p 安全性问题缺少研究和理解，对安全标准、安全产品、 安全的网络体系结构和管理的研究较少，给攻击者提供了可乘之机； 4 由于在v o i p 网络中，进行认证的双方位于网络的两端，必须通过 传递数据身份信息达到认证对方的目的，数据化的信息本身就存在被截获、 篡改的危险； 5 v o i p 认证机制弱，不能有力地对非法用户进行认证。与p s t n 相比， v o i p 中把用户i d 与物理位置分离开比较容易，因此容易被伪造。 综上所述，可以得出一个结论：v o i p 的典型安全威胁主要是由攻击者 硕士学位论文第二二章v o l p 基础与安全 针对其认证机制薄弱发起的主动攻击引起的，因此有必要提高v o l p 系统认 证机制的安全强度来保障其安全性。 2 2 3v o i p 安全认证技术 认证的目的是为了确认消息的发送者并确保消息在传输的过程中没有 被窜改。v o l p 的核心信令协议s i p 的消息头中有一些特定的消息头字段就是 负责身份认证和授权服务的，例如：a u t h o r i z a t i o n 、w w w - a u t h e n t i c a t e 、 p r o x y a u t h o r i z a t i o n 、p r o x y a u t h e n t i c a t e 等等。s i p 建立会话的实现模式分为 代理模式和重定向模式，在认证的时候也分别采用各自不同的模型。代理 模式下采用访问认证( a c c e s sa u t h e n t i c a t i o n ) 模型，重定向模式下采用端 对端认证( e n d t o e n d ) 模型1 2 碓”。 这两个模型除了需要经过一个代理服务之外，主要的认证过程都比较 相似，具体如下：客户端向服务器端发送r e q u e s t 消息向服务器提出服务请 求，比如：r e g i s t e r 、i n v i t e ，如果这个请求消息没有被认证，服务器 向认证中心请求认证向量( n o n c e ) ，认证中心除了将n o n c e 发送给服务器 端之外，还根据客户端的密码和用户名用一定的加密算法计算出一个数字 签名( x r e s ) 一并传给服务器端。然后服务器将这些认证向量n o n c e 回送 给客户端，客户端通过自己的密码和用户名以及这些认证向量通过自己知 道的加密算法计算出来一个数字签名( r e s ) 放到这个r e q u e s t 消息中去， 然后重提出服务请求。服务器比较x r e s 和r e s ，如果这两个数字签名相同， 则服务器回送相应“2 0 0o k ”r e s p o n s e 消息，从而完成认证的过程。网络 的攻击者可能发送一些没有经过认证的r e s p o n s e 消息来重定向或者中断会 话，即使请求消息已经被服务器加密。所以客户端必须规定所有i 拘r e s p o n s e 消息必须进行认证。同时摒弃所有未经过认证的r e s p o n s e 消息。 在该模型中，认证中心( c a ) 是在网络中一个认证双方都信任的第三 方服务器，它保存认证双方的公共密钥，包括用户名和密码，同时提供认 证向量n o n c e 。n o n c e 的复杂程度在一定程度上决定认证算法的安全性，其 中r a n d 是一个随机数。a u t n 是经过加密的授权码。可能包含如下几部分： 共享密钥、时阳j 戳、客户端i p 和一些加密过的服务器参数等。 v o l p 本身并没有明确的定义一套标准的加密和认证机制。常用的认证 方式包括h 1 v r p 认证，a k a 认证，p g p 认证。 1 h t t p 认证阱2 9 , 3 0 1 h t t p 认证包括基本认证和数字认证两种方式，它们是v o l p 两种最基本 的认证方式。这两种认证方式有一个共同的特点，就是在客户端和服务器 1 2 硕士学位论文第二章v o i p 基础与安全 端都有一个共享密钥。基本认证的认证密码在传输过程中并不进行编码加 密，所以这种认证方式并不安全，一般情况不被采用，除非网络层和传输 层的安全保障措施非常好，而不会使认证密码被攻击者得到。 数字认证通过一系列的被加密过的元素来实现。这些元素包括用户名、 密码以及服务器提供的认证向量( n o n c e ) 。有时也可以包括整个s i p 消息 体和某些消息头部。通常客户端向服务器端发送服务请求，如果这个客户 端没有被认证授权，服务器便回送给客户端一个携带认证向量的r e s p o n s e 消息，要求客户端认证。客户端收到这+ n o n c e 之后，通过一定的算法，将 用户名，密码和n o n c e 进行加密编码，产生一个认证响应序列( r e s ) 并将 其加载到请求服务的消息头a u t h o r i z a t i o n 域中。服务器端同时也会根据 n o n c e 和该客户端的用户名、密码用同样的算法计算出一个认证序列，称之 为x r e s ，服务器端在收到客户端的r e s 之后会和自己计算出的x r e s 进行 比较，如果相同，则认证成功，将回送给客户端一个认证成功的r e s p o n s e 消息。如果失败，则说明用户名和密码有误，由于用户名