可信计算环境下的WLAN+Mesh安全关联方案

第３５卷第７期

２０１４年７月通信学报Ｊｏｕｒｎａｌｏｎｖ０１．３５Ｎｏ．７ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＪｕｌｖ２０１４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—４３６ｘ．２０１４．０７．０１２

可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案

肖跃雷１，王育民２７庞辽军３７谭示崇２

（１．西安邮电大学物联网与两化融合研究院，陕西西安７１００６１；

２．西安电子科技大学综合业务网理论与关键技术国家重点实验室，陕西西安７１００７１

３．西安电子科技大学生命科学技术学院，陕西西安７１００７１）

摘要：针对第３版ＷＬＡＮ鉴别基础设施（ＷＡＩ）协议用于建立ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联时所存在的问题，提出了

一种基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案。通过性能对比分析，该方案提高了ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联

的性能，特别是降低了认证服务器（Ａｓ）的负载。为了适用于可信计算环境，继而在该方案的基础上提出了一种

可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案。此外，利用串空间模型（ＳＳＭ）证明了这２个ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全

关联方案是安全的。

关键词：ＷＬＡＮＭｅｓｈ；可信计算；平台认证；串空问模型；安全关联

中图分类号：ＴＰ３９３．０８文献标识码：Ａ文章编号：１０００—４３６Ｘ（２０１４）０７—００９４—１０

ＷＬＡＮＭｅｓｈｓｃｈｅｍｅ

ｉｎｔｒｕｓｔｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ

Ｙｕｅ—ｌｅｉｌ，ＷＡＮＧＹｕ—ｍｉｎ２，ＰＡＮＧＬｉａｏ－ｊｕｎ３，ＴＡＮＳｈｉ—ｃｈｏｎ９２ＸＩＡＯ

（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩＯＴａｎｄＩＴ－ｂａｓｅｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ７１００６１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｅｒｖｉｃｅＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＸｉＮａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ；

３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏＳＯｌｖｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｃａｕｓｅｄｂｖｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｒｄｖｅｒｓｉｏｎｏｆ

ｐｒｏｔｏｃｏｌｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ

ｉｍｐｒｏｖｅｄ

ｔｈｅＷＬＡＮａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＷＡＤｏｎａｎＷＬＡＮＭｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ａＷＬＡＮＭｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄＷＡＩｐｒｏｔｏｃｏｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｉｍｐｒｏｖｅｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＷＬＡＮＭｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｏｖｅｒｈｅａｄｏｆｔｈｅａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｓｅｒｖｅｒｒＡＳｌ

Ｔｈｅｎ，ｏｎｂａｓｉｓｏｆｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅ，ａＷＬＡＮＭｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｎｔｒｕｓｔｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗａｓｐｕｔ

ｆｏｒｗａｒｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｒｕｓｔｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｔｗｏ

ｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｐｒｏｖｅｄｓｅｃｕｒｅｉｎｔｈｅｓｔｒａｎｄｓｐａｃｅｍｏｄｅｌ（ｓｓＭ、．

ＫｅｙＷＬＡＮＭｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｗｏｒｄｓ：ＷＬＡＮＭｅｓｈ；ｔｒｕｓｔｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；ｐｌａｔｆｏｒｍ—ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ；ｓｔｒａｎｄｓｐａｃｅｍｏｄｅｌ；ｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ

１引言

ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络作为一种新型的网络结构，关联，包括建立新加入的Ｍｅｓｈ节点（ＭＰｍｅｓｈｐｏｉｎｔ）和Ｍｅｓｈ认证器（ＭＡ，ｍｅｓｈａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｏｒ）之间的安全关联、新加入的ＭＰ和Ｍｅｓｈ密钥分发器（ＭＫＤ，

ｍｅｓｈｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）之间的安全关联、新加入的ＭＰ成为近年来国内外研究的热点问题之一。在

８０２．１ｌｉ［１１的基础上，８０２．１ｌｓ［２１提出了ＥＭＳＡ（ｅｔＩ］ｃｉｅｎｔ

ｍｅｓｈｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）来建立ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全

收稿日期：２０１３－０３—２３；修回日期：２０１４—０５—２０和各个邻居ＭＰ之间的安全关联。ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联主要包括４个步骤：第１个步骤是执行一个

基金项目：西安邮电大学青年教师科研基金资助项目（４０１—１２０１）；国家自然科学基金资助项目（６０４７３０７２，６０８０３１５１）：国家自然科学基金委员会——广东联合基金资助项目（Ｕ０８３５００４）

ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍｓ：ＴｈｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＪｕｎｉｏｒＴｅａｃｈｅｒｓｏｆＸｉ、ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓ＆Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａ．ｔｉｏｎｓ（４０１—１２０１）；ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６０４７３０７２，６０８０３１５１）；ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎ．ｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ—ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＰｅｏｐｌｅ’ＳＧｏｖｅｒｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅＪｏｉｎｔＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｕ０６３２００４）

万方数据

第７期肖跃雷等：可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案?９５?

认证过程，实现对新加入的ＭＰ的认证并导出密钥，第２～３个步骤是基于第１个步骤导出的密钥建立新加入的ＭＰ和ＭＡ之间的安全关联、新加入的ＭＰ和ＭＫＤ之间的安全关联、新加入的ＭＰ和各个邻居ＭＰ之间的安全关联。近年来，随着可信计算技术的产生和发展，使得可信计算技术不仅可以建立终端的可信计算环境，而且可以将终端的可信计算环境扩展至网络，使网络成为一个可信计算环境，从而从源头上遏制住恶意攻击，有效解决日渐突出和复杂的网络安全问题。可信接入认证的目标就是将终端的可信计算环境扩展至网络，它包括用户认证和平台认证，其中平台认证包括平台身份认证和平台完整性验证口Ｊ，平台身份认证可以基于可信第三方（私有ＣＡ）或直接匿名证明（ＤＡＡ，ｄｉｒｅｃｔ

ａｎｏｎｙｍｏｕｓａｔｔｅｓｔａｔｉｏｎ）机制来实现。因此，

ＥＭＳＡ

关联，这使得ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联的性能较差，特别是使ＡＳ的负载太重。此外，由于第３版ＷＡＩ协议没有考虑平台认证，所以它不适用于建立可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联，也就是说它不能实现ＷＬＡＮＭｅｓｈ可信接入认证。

为了解决上述问题，本文通过对第３版ＷＡＩ协议的改进，提出了一种基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案，它提高了ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联的性能，特别是降低了ＡＳ的负载。然后，通过对第３版ＷＡＩ协议的进一步改进，在该方案的基础上提出了一种可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案，它能实现ＷＬＡＮＭｅｓｈ可信接入认证，从而增强了ＷＬＡＮＭｅｓｈ的安全性。此外，本文利用串空间模型（ＳＳＭ，ｓｔｒａｎｄ

ｓｐａｃｅ

ｍｏｄｅｌ）［１３－１５Ｊ证明了这２

个ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案是安全的。

在可信计算环境下不再适用，因为它不能实现ＷＬＡＮＭｅｓｈ可信接入认证。也就是说，ＥＭＳＡ没有实现对新加入的ＭＰ的平台认证，从而不能构建可信计算环境ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络。可信计算环境ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络是指每一个新加入的ＭＰ在接入ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络之前都必须对它进行平台认证，以保证每一个新加入的ＭＰ处于可信计算环境下的安全状态，从而将每一个新加入的ＭＰ的可信计算环境扩展至整个ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络。于是，马卓等提出了一些ＷＬＡＮＭｅｓｈ可信接入认证协议卜６Ｊ来增强ＥＭＳＡ，并证明了它们是通用可组合安全的。

类似于８０２．１ｌｉ，我国也推出了ＷＬＡＮ鉴别和保密基础设施（ＷＡＰＩ，ＷＬＡＮｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）｛７－９］来解决ＩＥＥＥＷＬＡＮ

ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ

ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｐｒｉｖａｃｙ８０２．１１标准ｕ０Ｊ中存在

２基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全

关联方案

基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案如图１所示。

新加入的ＭＰ

证书鉴别过程’

ＭＡ

第ｉ个邻居ＭＰＭｅｓｈ密钥分发器

ＡＳ

证书鉴别过程’

密钥分发

单播密钥

一消息

一单播密钥一一协商过程一

协商过程

密钥传输请求消《

一

单播密钥协商过程

弯钥传输响应消息

图１基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案

的安全问题，它包括ＷＬＡＮ鉴别基础设施（ＷＡＩ，

ｉｎｆｆａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）币ＨＷＬＡＮ保密

ｐｒｉｖａｃｙ

在图１中，对第３版ＷＡＩ协议的改进主要体现于证书鉴别过程７，它是对第３版ＷＡＩ协议中的证书鉴别过程的改进。基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案主要包括以下３个部分。

１）新加入的ＭＰ、ＭＡ和ＡＳ执行证书鉴别过程７来实现新加入的ＭＰ与ＭＡ之间的双向认证，新加入的ＭＰ与ＡＳ之间的双向认证，并建立新加入的ＭＰ与ＭＡ之间的基密钥ＢＫ，以及新加入的ＭＰ与

基础设施（ＷＰＩ，ＷＬＡＮｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）２个部

分，其中，ＷＡＩ由证书鉴别过程、单播密钥协商过程和组播密钥协商过程组成。虽然最新的ＷＡＩ协议（即第３版ＷＡＩ协议）被证明是安全的ｕｌ，１２Ｊ，但是它用于建立ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联时存在以下问题：新加入的ＭＰ首先需要与ＭＡ、认证服务器（ＡＳ，

ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ

ｓｅｒｖｅｒ）执行一次ＷＡＩ证书鉴别过程和

ＡＳ之间的主密钥ＭＫ。然后，新加入的ＭＰ和ＭＡ

利用ＢＫ执行单播密钥协商过程建立它们之间的单播密钥，用于保护它们之间的链路层数据通信。

一次单播密钥协商过程来接入ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络并建立新加入的ＭＰ和ＭＡ之间的安全关联，然后还需要与ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络中的／７个邻居ＭＰ和ＡＳ执行／７次ＷＡＩ证书鉴别过程和／７次单播密钥协商过程来建立新加入的ＭＰ和／７个邻居ＭＰ之间的安全

２）ＡＳ通过密钥分发消息将ＭＫ分发给ＭＫＤ，

其中密钥分发消息是利用ＡＳ与ＭＫＤ之间预置的安全通道进行安全保护的。然后，ＭＫＤ和新加入

万方数据

通信学报第３５卷

的ＭＰ将ＭＫ扩展为２个一级主密钥？ＦＭＫｌ和ＦＭＫ２。最后，ＭＫＤ和新加入的ＭＰ利用ＦＭＫＩ执

行单播密钥协商过程建立它们之间的单播密钥，用于保护后来它们之间交互的密钥传输请求消息和密钥传输响应消息。

３）当新加入的ＭＰ在接入ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络后要与第ｉ个邻居ＭＰ建立安全关联时，新加入的ＭＰ

ＡＰ产生的２个随机数，Ｘ．Ｐ、Ｙ．Ｐ和Ｚ．Ｐ分别为ＳＴＡ、ＡＰ和ＡＳ产生的密钥数据，三Ｄ删、ＩＤＡＰ和ＩＤＡ。分别为ＳＴＡ、ＡＰ和ＡＳ的身份标识，Ｃｅｒｔ。和Ｃｅｒｔ。，

分别为ＳＴＡ和ＡＰ的证书，仃…为ＡＳ的签名且％阳＝［ｚ?Ｐｋ。，ｓｋＡ。为ＡＳ的私钥，呱列。：为ＳＴＡ

将ＦＭＫ２扩展为一个用于它和该邻居ＭＰ的二级主

的签名且‰，：＝［ｘ?Ｐ］矗。。，ｓ‰为ＳＴＡ的私钥，％ｓ为ＡＳ的签名且％＝［Ｒｅｓ删ｋ√ＲｅｓＡｓ＝％２

｜｜Ⅳｓｚ４｜｜Ｃｅｒｔｓ列｜｜ＣｅｒｔＡｅ｜｜Ｒｅｓ列｜｜尺％，Ｒｅｓ列和ＲｅＡＰ

分别为ＣｅｒｔＳＴＡ和ＣｅｒｔＡｅ的证书验证结果，ＭＡＧ列为ＳＴＡ的消息鉴别码且ＭＡＧ列＝日心ｃ（ＭＫ，

Ⅳ嬲｜｜Ｚ‘Ｐ

仃４Ｊ．２ⅣＪ刚ＣｅｒｔＪ刚ｘ‘Ｐ仃Ｊ刚．２），

Ｈ。。，（）为用于生成消息鉴别码的Ｈａｓｈ函数，

密钥跚伏ｉ，第ｉ个邻居ＭＰ向ＭＫＤ发送密钥传输

请求消息，ＭＫＤ收到密钥传输请求消息后将ＦＭＫ２

扩展为一个用于新加入的ＭＰ和该邻居ＭＰ的二级

主密钥ＳＭＫｉ，并通过密钥传输响应消息发送给该

邻居ＭＰ，其中密钥传输请求消息和密钥传输响应消息中是利用该邻居ＭＰ与ＭＫＤ之间已建立的单播密钥进行安全保护的。然后，新加入的ＭＰ和第

ＭＫ＝日ＫＤ（ｘ?Ｚ?Ｐ，Ｍ列ｌｌⅣ船），婊Ｄ（）为用于扩展

密钥的Ｈａｓｈ函数，ＭＡＣ。。为ＡＳ的消息鉴别码且

ｉ个邻居ＭＰ利用跚伏ｉ执行单播密钥协商过程建立

它们之间的单播密钥，用于保护它们之间的链路层数据通信。

２．１证书鉴别过程７

证书鉴别过程７的具体步骤如下。１）４Ｐ—＞４Ｓ：ＥＣＤＨｐ。。。。

ＭＡｑＪ＝Ｈ心ｃ（ＭＫ，Ⅳ船Ｚ?Ｐ％舳Ⅳ删ＣｅｒｔＳＴＡ

忪‘Ｐｆｆ％刚．：ｆｆＭＡＧ刚ｆｆ以ＰｆｆＣｅｒｔｓ刚ＥＣＤＨｐ。。。∞４ｓ

Ｊ，?Ｐ

ｆｆＲｅｓ。。ｆｆ％。），

％列为ＳＴＡ的签名且‰＝［Ⅳ胛ｌｌ弧，。忪?Ｐ｜｜ＩＤＡＰ

ｃｋ刚。２

ＭＡＣｓ刚］出，。，

％为ＡＰ的签名且％＝［弧，。％．：Ｒｅ。。ｘ?ＰＹ‘ＰＩＤＡＰＩＤｓ列Ｒｅｓ４ｓ％ｓＭＡｑｓｋ。，ｓ丸Ｐ

为ＡＰ的私钥，Ｒｅａ。。。为ＡＰ产生的接入结果。

相对于第３版ＷＡＩ协议中的证书鉴别过程，证书鉴别过程７中带单下划线的消息和字段是新增加的，而带双下划线的字段做了相应的扩展，目的是实现ＳＴＡ和ＡＳ之间的双向认证，并建立它们之间

ＥＣＤＨｐ。。。

２）４Ｓｊ４Ｐ：ＥＣＤｔｔｐ。。。Ｍｓｚ‘Ｐ％ｓ．２。

３）４Ｐ—｝Ｓ７×：Ⅳ。妒ＩＤＡｓ

ＣｅｒｔＡｐ

Ｍ。｜｜Ｚ?ＰｌＩ％舳。

４）Ｓ７么—｝４Ｐ：ＥＣＤＨｐ—，。ＪＪ仞艏Ｊ

Ⅳ。护｜｜Ⅳｓｚ４｜｜ｘ‘Ｐ｜｜ＩＤＡｅ｜｜Ｃｅｒｔｓ列

Ｏ＇ｓｒＡ．２

ＭＡＣ矗４

ＣｒＳｒＡ。

的ＭＫ。由于证书鉴别过程７只是新增加了一些消息

和字段，以及扩展了一些字段，所以它与第３版ＷＡＩ协议中的证书鉴别过程向后兼容。２．２性能对比分析

假设：新加入的ＭＰ通过ＭＡ接入ＷＬＡＮＭｅｓｈ网络并建立与ＭＡ之间的安全关联后，还需要与阳个邻居ＭＰ建立安全关联。表１给出了本文引言中所述的基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案和基于改进ＷＡＩ协议的安全关联方案的性能对比，其中，Ｅ为模指数运算，Ｆ为计算签名，Ｍ为消息认证码。

５）４Ｐ—＞４Ｓ：Ⅳ４Ｐ．２

ｘ‘Ｐ

Ⅳｓｚ４ＣｅｒｔｓｒＡＣｅｒｔＡＰ

１１％刚．：｜｜ＭＡＧ刚ｌｌⅣ胛｜｜Ｙ‘Ｐ。

６）４Ｓｊ４Ｐ：Ｒｅｓ４ｓ％ｓＭＡｑｓ。

７）ＡＰ—÷Ｓ７么：｜｜Ｙ‘Ｐ｜｜ＩＤＡｅ

Ⅳｓｚ４

Ⅳ胆２

ｌｌ缘列｜｜Ｒｅｓ４ｓ％ｓＭＡｑｓ％。

ＡＳ，

～＝＝＝＝

Ｒｅａ。。。。。Ｘ‘Ｐ

其中，ＳＴＡ、ＡＰ和ＡＳ分别表示站（ＳＴＡ，ｓｔａｔｉｏｎ）、接入点（ＡＰ，ａｃｃｅｓｓｐｏｉｎｔ）币Ｈ

ＥＣＤＨｐ—，。为４Ｐ选择的ＥＣＤＨ参数，虮列和

％。分别为ＳＴＡ和ＡＳ产生的随机数，以Ｐ和以舢为

表１基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案和基于改进ＷＡＩ协议的安全关联方案的性能对比

万方数据

第７期肖跃雷等：可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案?９７?

在表１中，第１行性能参数是基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的交互消息数及相关计算量，第２行性能参数是基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的交互消息数及相关计算量。从表１可以看出，基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案比本文引言中所述的基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案在通信效率和计算量上都具有明显的优势，具体分析如下。

方案通信效率：当ｎ＝２时，２个方案中交互的消息数相同，但是，随着阳的值增大，与本文引言中所述的基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的交互消息数相比，基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的交互消息数越来越少。

方案计算量：２个方案中ＭＡ的计算量相同，而基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案中ＭＫＤ的计算量比本文引言中所述的基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案中ＭＫＤ的计算量增加了１Ｍ，但是，随着阳的值增大，与本文引言中所述的基于ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案中新加入的ＭＰ的计算量、阳个邻居ＭＰ的计算量和ＡＳ的计算量相比，基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案中新加入的ＭＰ的计算量、阳个邻居ＭＰ的计算量和ＡＳ的计算量越来越小。

书鉴别过程”的形式化描述与上述证书鉴别过程７有所区别。

证书鉴别过程”的具体步骤如下（由于以中绑

定ＢＫ，所以步骤３）中需要传输Ｙ?Ｐ且Ⅳ胛＝ＮＡｐ．：）：

１）４Ｐ—｝４Ｓ：ＥＣＤＨｐ。。。。。

２）４Ｓｊ４Ｐ：ＥＣＤＨｐ。。。Ⅳ船ｚ‘Ｐ％ｓ．２。

３）４Ｐ—｝Ｓ７么：

Ⅳ。妒

ＩＤＡｓ

Ｃｅｒｔｂ

ＥＣＤＨｐ。。。

Ｍｓｚ‘Ｐ％舳Ｙ‘Ｐ。

４）Ｓ７么—｝４Ｐ：

Ⅳ。护｜｜Ⅳｓｚ４｜｜ｘ?Ｐ｜｜上Ｄ｜｜｜Ｃｅｒｔ。ＥＣＤＨｐ—，。ＩＤＡｓ吒．２

Ｙ‘Ｐ

ＭＡＣａ．２

ＰＣＲ。｛肌纪。｝‰。。

Ｃｅｒｔ（ＡⅨ衄）吒吒，２

５）４Ｐ—｝４Ｓ：

Ⅳ。护．２ⅣＪ列

＝＝＝一

吒．２

吒ＭＡｅ。

Ｃｅｒｔ。

Ｃｅｒｔｂ

ｘ‘Ｐ

ＭＡｃａ．２Ⅳ。护Ｙ‘Ｐ

ＰＣＲ。｛肌纪。｝‰。。Ｃｅｒｔ（ＡｌＫｐｋ．。）％．２

ＰＣＲ＃

｛肌％｝‰。Ｃｅｒｔ（ＡⅨｐｋ，声）。

６）４Ｓ—＞４Ｐ：Ｒｅｓ４ｓ仃船ＭＡｃＡｓ。

７）４Ｐ—｝Ｓ７么：ⅣＪ列Ⅳ。护．２

Ｒｅａ。。。。。ｘ‘Ｐ

Ｙ‘Ｐ

３可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关

联方案

可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案如图２所示。

证书鉴别过程”一单播密钥一一协商过程一

苗翱｝自簖章日七ｈ

观ＩＤａ

ＭＡＧ。

Ｒｅｓ４ｓ％ｓＭＡｃＡｓ

ＰＣＲ口Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐｋ．口）％吒

其中，ａ为ＳＴＡ的用户，甜为ＳＴＡ的平台，ｂ

证书鉴别过程”

密钥分发

消息

高；寸＊ｇ

为ＡＰ的用户，∥为ＡＰ的平台，ＩＤ和∞。分别为ａ

和ｂ的身份标识，Ｃｅｒｔ。和Ｃｅｒｔｔ分别为和的证，

ａ

ｂ

书，ＰＣＲ。和ＰＣＲ。分别为甜和∥的平台配置寄存器

（ＰＣＲ，ｐｌａｔｆｏｒｍ

ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ

密钥传输请求消亘

弯钥传输响应消恿

单播密钥协商过程

ｒｅｇｉｓｔｅｒ）值，ＳＭＬ。和

ＳＭＬ。分别为甜和∥的存储度量日志（ＳＭＬ，ｓｔｏｒｅｄ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｌｏｇ）ｐ１，Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐｋ。口）和Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐｋ。口）

图２司信计算环境ｒ的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方粟

分别为甜和∥的平台身份证明密钥（ＡＩＫ，ａｔｔｅｓｔａｔｉｏｎ

ｉｄｅｎｔｉｔｙ

图２所示的可信环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案与图１所示的基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的区别主要体现于证书鉴别过程”，它是对图１中的证书鉴别过程７的改进。由于证书鉴别过程”引入了平台认证，所以证书鉴别过程”中的认证包含用户认证和平台认证，从而对证

ｋｅｙ）｛ｌＩ＝；书ｐ１，４啄，。和４晖ｋ，卢分别为甜和

∥的ＡＩＫ公钥，致列埘为ＳＴＡ和４ｓ之间建立的平台

配置保护密钥，尼。附。为ＡＰ和ＡＳ之间建立的平台配

置保护密钥，吒．：为ａ的签名且吒．：＝［ｘ?Ｐｋ，ｓｋａ为

ａ的私钥，Ｒｅｓ船＝％．２虬ｚ４

Ｒｅｂ

Ｃｅｒｔ。｜｜Ｃｅｒｔｂ｜｜Ｒｅａ

ＰＣＲ口Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐ蛐）ＲｅＡ厦，口尺‰，口ＰＣＲ声

万方数据

通信学报第３５卷

Ｃｅｒｔ（ＡⅨｐｋ，卢）尺ｅ臌，卢尺‰，卢，Ｒｅ。和Ｒｅｂ分别为Ｃｅｒｔ。和Ｃｅｒｔｂ的证书验证结果，尺‰．。和尺‰．口分

别为Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐ¨）和Ｃｅｒｔ（ＡＩＫｐ啪）的ＡＩＫ证书验证

程”只是新增加了一些消息和字段，以及扩展了一些字段，所以它与证书鉴别过程７向后兼容，从而也与第３版ＷＡＩ协议中的证书鉴别过程向后兼容。

结果，ＳＭＬ。和ＳＭＬ日的正确性分别为ＰＣＲ。和

４安全性分析

由于第３版ＷＡＩ协议已经被证明是安全的㈦１２］，所以对基于改进ＷＡＩ协议的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案和可信计算环境下的ＷＬＡＮＭｅｓｈ安全关联方案的安全性分析主要是对２个方案中的证书鉴别过程７和证书鉴别过程”进行安全性分析。下面利用利用串空间模型［１３＿５１来分析这２个方案中的证书鉴别过程７和证书鉴别过程”的安全性。４．１证书鉴别过程，白勺安全性分析

定义１

证书鉴别过程７的串空间是以下４类串的

ＰＣＲ声所验证，尺‰，。和尺‰，声分别为ＳＭＬ。和

ＳＭＬ。的平台完整性评估结果，瓯为口的彳Ⅸ签名且％＝［日ＭＡ。（ＢＫ，ＭＰ），ＰＣＲ。］臌。，％为∥的４Ⅸ

签名且％＝［‰ｃ（ＢＫ，虮刚），ＰＣＲ卢］。甄。，％，：为甜的ＡＩＫ签名且吒，：＝［‰ｃ（ＭＫ，ＮＡ。），ＰＣＲ。］臌。。，

ＢＫ为ＳＴＡ和ＡＰ之间建立的基密钥且ＢＫ＝Ｈ。。（ｘｙＰ，ⅣＪ列Ⅳ胆２），

ＭＫｋ列珊＝日脚（ｘｚＰ，

４三Ｋ¨和ＡＩＫｓ啪分别为甜和∥的４上Ｋ私钥，

ＭＡＣａ．：为ａ的消息鉴别码且ＭＡｅ．：＝珥狮（ＭＫ，以ＪＺ‘Ｐ％踟Ⅳ删Ｃｅｒｔ。ｘ‘Ｐ吒．２），ＭＡＣＡｓ

为么ｓ的消息鉴别码且ＭＡ巴。＝日删ｃ（ＭＫ，

并集：１）发起者串ｓ∈Ｉｎｉｔ［ＳＴＡ，ＡＰ，４Ｓ，弧列，Ⅳ胛，

Ｎ心２，Ｎ蚯，ｘ‘Ｐ，Ｙ‘Ｐ，Ｚ‘Ｐ，ＣｅｒｔｓｒＡ，Ｃｅｒｔ，Ｒｅｓ珏，Ｒｅ心，

以ＪＺ‘Ｐ％踟Ⅳ删Ｃｅｒｔ。ｘ‘Ｐ吒．２

ｌｌ

ＭＡｅ．２

ＪＥｌ丑娟０一，他…。。］，迹为＜＋弼，叫，龟，＋吧，１，２４，＋ｍ５，

一ｍ。，＋ｍ，＞，与这类串相关联的主体为ＡＰ；２）响

１１％桫?ＰＩｌＲｅｓＡｓ１１％），吒为ａ的签名且吒＝［Ｎ。Ｐ

Ｍ列忪‘Ｐ｜｜ＩＤＡＰ｜｜Ｃｅｒｔ。ＥＣＤＨｐ。。。ＩＤＡＪ吒．２

Ｑ力（４上Ｋ蛐）

匝者卑ｓ∈Ｒｅｓｐ［ＳＴＡ，ＡＰ，ＡＳ，Ｎ

｜｜ＭＡｅ，：｜｜Ｙ‘Ｐ｜｜ＰＣＲ。ｌｌ｛肌纪。ｋ…

ｘ‘Ｐ，Ｙ‘Ｐ，Ｚ‘Ｐ，ＣｅｒｔｓｒＡ，Ｃｅｒｔ胛，Ｒ％，ＲｅＡｐ，且观。，

尺‰，ＲｅＡｐ，ＥＣＤＨｐ—，。］；４）入侵者串ｓ∈Ｐ。ｍｌ，

ｓｍ，Ｎ归，Ｎ归”ＮＡｓ，

吒吒。：］。屯，吒为ｂ的签名且吒＝［Ｍ列％．：

｜｜Ｒｅａ。。。忪?Ｐ｜｜Ｙ?Ｐｌｌ观ｌｌ哦｜｜ＲｅｓＡｓ

ｌｌ％ｓ｜｜ＭＡＣＡｓ

Ｒｅａ。。。］，迹为＜一鸭，＋ｍ。，一ｍ。＞，与类串相关联的主体为ＳＴＡ；３）服务者串Ｓ∈Ｓｅｒｖ［ＳＴＡ，ＡＰ，ＡＳ，

Ｎｓ阻，ＮＡＰ，Ｎ归？２，ＮＡｓ，ｘ?Ｐ，Ｙ?Ｐ，Ｚ?Ｐ，Ｃｅｒｔｓｍ，ＣｅｒｔＡＰ，

Ｐｃ尺∥Ｃｅｒｔ（ＡⅨｐｋ，∥）仃∥］。ｂ，ｓ吃为ｂ的私钥。

ＭＡＣａ为ａ的消息鉴别码且ＭＡＣ＝日心ｃ（ＢＫ，

Ⅳ４Ｐ

ｍ２，ｍ３，ｍ４，ｉｎ５，ｍ６和ｍ７分别为证书鉴别过程７中７个步骤中所发送的消息。

定理１假设如下。１）∑为证书鉴别过程７的串空间，Ｃ为∑中含有一个发起者串Ｓ的丛，发起者串

ｌｌⅣ删ｌｌ

ｘ‘Ｐ

ｌｌ仍４Ｐ｜｜Ｃｅｒｔ。｜｜ＥＣＤＨ…。。｜｜ＩＤＡｓ

ｌｌ仃啦｜｜ＭＡＣ啦｜｜Ｙ‘Ｐ｜｜ＰＣＲ。¨ＳＭＬ。ｋ…Ｃｅｒｔ

（４ⅨＤｋ。。）吒吒。：吒）。ＭＡＧ为ｂ的消息鉴别码

且ＭＡＧ＝日心ｃ（ＢＫ，Ｍ列Ⅳ胆２

１１％ｌｌ吒）。

觋观ＲｅｓＡｓ％ＭＡ％觋ｌｌ国彳（觚‰，口）

Ｒｅａ。。。忙?ＰＩｌＹ?Ｐ

ｓ钓迹为：Ｓ∈ｌｎｉｔ［ＳＴＡ，ＡＰ，ＡＳ，Ｎ姒，Ｎ归，Ｎ归２，ＮＡｓ，

ｘ‘Ｐ，Ｙ‘Ｐ，ｚ‘Ｐ，ＣｅｒｔｓｒＡ，Ｃｅｒｔ胛，Ｒ％ｚ４，Ｒｅ。４Ｐ，ＥｃＤ日二。。，

Ｒｅａ。。。］。２）ｓ‰，ｓ％，ｓｋＡｓ荏群。３）ｘ?Ｐ、Ｙ?Ｐ

和Ｚ．Ｐ唯一产生于∑中，且ｘ．Ｐ≠Ｙ．Ｐ≠Ｚ．Ｐ。那么Ｃ中存在一个响应者串ｆ∈Ｒｅｓｐ［ＳＴＡ，ＡＰ，ＡＳ，

ＮｓＴＡ，Ｎ心，Ｎ心２，Ｎ蟠，ｘ‘Ｐ，Ｙ‘Ｐ，Ｚ‘Ｐ，ＣｅｒｔｓＴＡ，ＣｅｒｔＡＰ，

相对于上述证书鉴别过程７和证书鉴别过程”中带单下划线的消息和字段是新增加的，而带双下划线的字段做了相应的扩展，目的是在ＢＫ的建立过程中引入了ＳＴＡ和ＡＰ之间的双向平台认证，以及

Ｒｅｓ列，尺％，ＥＣＤＨｐ—一尺吃。。。］和一个服务者串

ｒ∈Ｓｅｒｖ［ＳＴＡ，Ａ｝，Ａｓ，Ｎ咒Ａ，Ｎ心，Ｎ心２，Ｎ蠼，ｘ‘Ｐ，ｙ?Ｐ，

在ＭＫ的建立过程中引入了ＡＳ对ＳＴＡ的平台认证，从而确保ＢＫ和ＭＫ的建立过程没有受到各个平台

的恶意攻击。此外，对ＳＴＡ的平台认证，可以有效地防止病毒、木马等通过ＳＴＡ的平台带入ＷＬＡＮ

ｚ‘Ｐ，Ｃｅｒｔｓ列，Ｃｅｒｔ胛，Ｒｅｓ列，尺％，ＥＣＤＨｐ。。。］。

证明

由定义１、假设２）和假设３）可知，

仃。ｃｔｅｒｍ（＜Ｓ，４＞）唯一源发于一个响应者串ｔ∈Ｒｅｓｐ［ＳＴＡ，ＡＰ，ＡＳ，Ｎｓｍ，Ｎ啦，ＮＡＰ２ｔ，ＮＡｓ，ｘ?Ｐ，Ｙ’Ｐ，ｚ‘Ｐ，ＣｅｒｔｓｒＡ，Ｃｅｒｔｘｐ，Ｒ９洲’，ＲｅＡｐ’，ＥＣＤ日。。。。，Ｒｅａｃ。。。。’］。

Ｍｅｓｈ网络。值得注意的是：ＳＴＡ和ＡＳ在导出ＭＫ

时还导出了它们之间的平台配置保护密钥纭尉爿ｓ，

用于保护平台认证过程中的ＳＭＬ。由于证书鉴别过

万方数据