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Network Working Group M. Oehler Request for Comments: 2085 NSA Category: Standards Track R. Glenn NIST February 1997
重复性攻击保护的HMAC-MD5 IP 认证 （RFC2085――HMAC-MD5 IP Authentication with Replay Prevention） 本文作用 本文详细说明了一种互联网标准传输协议，本文需要讨论和改进的建议。要得到规定和本协议 的状态，请参考最新版的"Internet Official Protocol Standards" (STD 1)，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（IP Authentication Header）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 1.2 Keys 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）[RFC-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协议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）[RFC-1825]用来决定是否包含AH。 需要熟悉以下下文献："Security Architecture for the Internet Protocol"(Internet协议安全结构) [RFC-1825], "IP Authentication Header"（IP认证报头） [RFC-1826],以及"HMAC-MD5: Keyed-MD5 for Message Authentication"（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：
- 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。 1.2 Keys “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协议的应用都必须（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
+---------------+---------------+---------------+---------------+ | Next Header | Length | RESERVED | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | SPI | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | Replay Prevention | | | +---------------+---------------+---------------+---------------+ | | + Authentication Data | | | +---------------+---------------+---------------+---------------+ 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
Next Header(下个报头), RESERVED（保留）, 和SPI（安全参数索引） 字段在[RFC-1826]中讲 述了。Length（长度） 字段是Replay Prevention（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 Replay Prevention（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 Authentication Data（认证数据）字段将直接跟在SPI字段后面。Replay Prevention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（SHOULD NOT）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 [RFC-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[RFC-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(K XOR opad, MD5(K XOR ipad, 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Hugo Krawczyk.写的文章，使用的格式来源于William Simpson 和 Perry的文章，重复性攻击保护直接引自Jim Hughes的文章。 参考文献 [RFC-1825] Atkinson, R., "Security Architecture for the Internet Protocol", RFC 1852, Naval Research Laboratory, July 1995. [RFC-1826] Atkinson, R., "IP Authentication Header", RFC 1826, August 1995. [RFC-1828] Metzger, P., and W. Simpson, "IP Authentication using Keyed MD5", RFC 1828, August 1995. [RFC-1321] Rivest, R., "The MD5 Message-Digest Algorithm", RFC 1321, April 1992. [HMAC-MD5] Krawczyk, H., Bellare, M., and R. Canetti, "HMAC: Keyed-Hashing for Message Authentication", RFC 2104, February 1997. [ESP-DES-MD5] Hughes, J., "Combined DES-CBC, MD5, and Replay Prevention Security Transform", Work in Progress. 作者地址 Michael J. Oehler National Security Agency Atn: R23, INFOSEC Research and Development 9800 Savage Road Fort Meade, MD 20755 EMail: mjo@tycho.ncsc.mil Robert Glenn NIST Building 820, Room 455 Gaithersburg, MD 20899 EMail: rob.glenn@nist.gov RFC2085――HMAC-MD5 IP Authentication with Replay Prevention 重复性攻击保护的HMAC-MD5 IP 认证
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