IEEE802.11无线网络媒体访问控制及认证协议研究

论文摘要

近几年,随着无线通讯技术的飞速发展,IEEE 802.11无线网络已经被广泛应用。与此同时无线网络的性能和安全性也成为人们关注的焦点。媒体访问控制技术是影响无线网络性能的关键因素,接入认证协议是保证无线网络安全的基础。因此,对IEEE 802.11无线网络中媒体访问控制和认证协议的研究具有非常重要的意义。本文主要成果如下:1.针对WLAN基础结构模式中的IEEE 802.11 DCF协议,提出了一种基于分组到达率的性能分析模型。采用离散时间的三维马尔可夫链对系统节点建模,分析了终端数量、传输负载、二进制指数回退机制和MAC层有限队列对系统性能的影响,得到了归一化吞吐量、分组时延和丢包率。基于该模型,给出了有限负载下最小竞争窗口和分组长度的优化方法。仿真结果表明,模型能够有效地预测有限负载下DCF的性能,优化方法能够改善系统性能。2.根据无线局域网中实时多媒体业务低切换时延的需求,提出了一种基于移动预测的快速安全切换机制。利用终端移动模式和切换位置从邻居图中选择部分信道以单播方式扫描,降低了扫描时延。通过在扫描阶段提前计算临时会话密钥及加入消息认证码,保证扫描过程的安全性并减小重认证时延。仿真结果表明本方法的切换时延比其它方法显著减小。3. IEEE 802.11s中现有接入认证协议EMSA不能有效支持Mesh设备在不同安全域之间的快速切换。提出了WLAN Mesh网络安全接入完整解决方案:首先提出了一种新的接入认证协议,通过四轮的信息交互实现了Mesh节点、Mesh密钥分发者和认证服务器三者之间的相互认证和密钥确认,在此基础上提出了Mesh节点在Mesh密钥分发者之间的快速切换协议。理论分析证明新协议具有通用可组合安全属性,仿真分析说明该协议性能优于现有协议。4. 3G和无线局域网互连已经发展成为一种应用需求,互连的安全问题是当前的研究热点。3GPP提出的互连安全接入协议EAP-AKA,存在着假冒WLAN服务网络进行重定向攻击的缺陷,并且在移动用户漫游切换中存在着较大的时延问题。本文给出了改进的接入认证机制,对WLAN服务网络身份进行验证,利用快速签名、离线计费和局部化认证的机制,有效地提高了重认证过程的效率。利用LFSA协议,3G移动用户可以在WLAN网络中进行平滑地漫游切换,使互连网络可以提供更加完善、安全的服务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 IEEE 802.11 无线网络概述
• 1.1.1 IEEE 802.11 无线网络分类
• 1.1.2 IEEE 802.11 无线网络的技术标准
• 1.1.3 IEEE 802.11 无线网络的媒体访问控制技术
• 1.1.4 IEEE 802.11 无线网络的接入认证协议
• 1.2 IEEE 802.11 DCF 协议性能的研究
• 1.2.1 DCF 协议的性能分析方法
• 1.2.2 DCF 协议的性能优化方法
• 1.3 无线网络认证协议的研究
• 1.3.1 认证协议分类
• 1.3.2 认证协议的设计原则
• 1.3.3 认证协议的形式化分析方法
• 1.4 本文的主要工作和结构安排
• 第二章 有限负载下802.11 DCF 协议的性能分析及优化
• 2.1 引言
• 2.2 有限负载下802.11DCF 协议的性能分析模型
• 2.2.1 系统假设
• 2.2.2 三维马尔可夫模型
• 2.2.3 主要性能指标
• 2.2.4 仿真分析
• 2.3 有限负载下最小竞争窗口的优化
• 2.3.1 最优最小竞争窗口机制
• 2.3.2 仿真分析
• 2.4 有限负载下数据帧长的优化
• 2.4.1 衰落信道下的非饱和吞吐量
• 2.4.2 最优帧长机制
• 2.5 本章小结
• 第三章 IEEE 802.11 快速安全切换协议
• 3.1 引言
• 3.2 IEEE 802.11r 标准分析
• 3.2.1 IEEE 802.11r 标准简介
• 3.2.2 IEEE 802.11r 快速切换协议的安全性分析
• 3.2.3 IEEE 802.11r 快速切换协议的时延分析
• 3.3 改进的快速安全切换协议
• 3.3.1 移动预测模型
• 3.3.2 改进协议的切换过程
• 3.3.3 改进协议的安全性分析
• 3.3.4 改进协议的性能仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 802.11s Mesh 网络接入认证及切换协议
• 4.1 引言
• 4.2 802.11s EMSA 的介绍
• 4.3 可证明安全的 802.11s Mesh 接入认证及切换协议
• 4.3.1 系统模型与符号定义
• 4.3.2 初始接入认证协议
• 4.3.3 快速切换协议
• 4.3.4 协议安全分析
• 4.3.5 协议性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 3G-WLAN 接入认证协议
• 5.1 引言
• 5.2 EAP-AKA
• 5.2.1 EAP-AKA 协议介绍
• 5.2.2 EAP-AKA 协议安全性分析
• 5.3 离线计费机制
• 5.3.1 快速签名机制
• 5.3.2 快速签名的计费过程
• 5.4 局部快速签名认证机制
• 5.4.1 局部快速签名协议
• 5.4.2 WLAN 内的LFSA 的快速重认证流程
• 5.4.3 WLAN 间的LFSA 认证
• 5.5 局部快速签名认证机制的分析
• 5.5.1 安全性分析
• 5.5.2 性能仿真
• 5.5.3 其它考虑的问题
• 5.6 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 附录A：改进协议的安全证明
• A.1 Canetti-Krawczyk 模型及相关知识
• A.2 改进协议的形式化证明
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文和科研工作