一种基于TLS的安全多播系统的分析与实现

论文摘要

随着高带宽应用和多媒体业务日益普及,带宽的急剧消耗和网络拥挤问题也越发突出。由于多播技术能从根本上减轻网络负担,从而成为发展的热点,但安全问题却阻碍了多播应用的发展,成为一个亟待解决的问题。MSEC工作组已经制定了多个组密钥管理协议,包括GSAKMP、GDOI、MIKEY。在所支持的数据安全协议方面,MSEC协议簇虽然声称是可扩展的,但从已经支持的协议看,主要是ESP和AH协议,其工作于网络层。目前,利用IPSec技术为多播数据提供安全保护,已经成为构建多播安全系统的一个重要研究方向,但这种方案在兼容性方面存在隐患,且缺乏灵活性。在传输层上实现安全多播还处于研究初步阶段。本论文介绍并分析了一种基于传输层安全(TLS,Transport Layer Security)协议的集中式的传输层安全多播通信(TLSMC,Transport Layer Secure MulticastCmmunication)协议。该协议由数据安全和组密钥管理两部分组成。其中,数据安全部分参考了TLS记录协议,它为多播通信数据提供安全保护,包括加密、完整性保护、抗重放、源认证、组认证等。而组密钥管理部分借鉴了TLS和GDOI协议,它主要负责管理组安全关联。TLSMC协议工作在UDP之上,运行于传输层和应用层之间,是一个独立的安全层,向应用层提供一组标准应用程序接口。本论文主要进行了如下几个方面的工作:1)介绍了多播通信安全中的风险以及影响多播通信安全的因素,研究了IETF的MSEC工作组制定的主要的组密钥管理协议,并分析了在网络层、传输层、应用层上为多播数据提供安全服务的特点;2)详细描述了TLS技术的架构和协议的内容;3)介绍了一个基于TLS的多播安全协议TLSMC,并分析了TLSMC的安全性和应用性;4)将系统按照功能分解成模块,实现了系统的重要数据结构,然后参考了套接字网络编程,设计了TLSMC的API,通过调用TLSMC的API,本文实现了一个安全多播实例。随着多播技术应用的普及,多播安全也面临极大考验。本文介绍并实现了一种基于TLS的集中式多播安全协议,其满足多播通信中数据机密性、完整性、身份认证、前向安全、后向安全等方面安全要求,且兼容性和扩展性好,可部署性高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 多播技术
• 1.2.1 单播、广播与多播技术
• 1.2.2 多播技术的应用
• 1.3 多播安全研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 文章组织结构
• 第二章 多播通信安全关键技术
• 2.1 多播通信安全概述
• 2.1.1 多播通信的安全风险
• 2.1.2 影响多播通信安全的因素
• 2.2 数据安全机制
• 2.2.1 网络层安全机制
• 2.2.2 传输层安全机制
• 2.2.3 应用层安全机制
• 2.2.4 各种安全机制比较
• 2.3 组密钥管理
• 2.3.1 组密钥管理协议
• 2.3.2 组密钥管理算法
• 2.4 小结
• 第三章 TLS技术
• 3.1 TLS体系
• 3.1.1 TLS协议的组成
• 3.1.2 TLS协议的主体
• 3.2 TLS记录协议
• 3.2.1 连接状态
• 3.2.2 分片
• 3.2.3 压缩/解压缩
• 3.2.4 记录保护
• 3.2.5 会话
• 3.3 TLS握手协议簇
• 3.3.1 握手协议
• 3.3.2 报警协议
• 3.3.3 改变密码说明协议
• 3.4 总结
• 第四章 基于TLS的安全多播协议
• 4.1 基于TLS的安全多播协议的设计原则
• 4.2 基于TLS的安全多播协议的体系与结构
• 4.3 TLSMC记录协议
• 4.3.1 传输层映射
• 4.3.2 压缩/解压缩
• 4.3.3 记录保护
• 4.3.4 会话
• 4.4 TLSMC组密钥管理协议
• 4.4.1 初始交换
• 4.4.2 上拉交换
• 4.4.3 下推交换
• 4.4.4 消息交换
• 4.5 TLSMC安全性分析
• 4.6 TLSMC应用性分析
• 4.7 小结
• 第五章 基于TLS的安全多播系统的设计与实现
• 5.1 系统设计与实现的原则
• 5.2 系统模块分解
• 5.3 数据结构设计与实现
• 5.3.1 数据安全模块结构设计与实现
• 5.3.2 组密钥管理模块数据结构设计与实现
• 5.4 系统接口
• 5.4.1 组员端接口
• 5.4.2 服务器端接口
• 5.5 一个符合TLSMC协议的实例系统
• 5.6 小结
• 总结
• 参考资料
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间所发表学术论文