无线网络协议的形式化分析与设计

论文摘要

随着信息技术和网络技术的飞速发展,信息网络的广泛应用已成为社会进步和发展的重要标志之一。传统有线网络由于受环境条件的制约,在物理、逻辑和成本方面普遍存在着一系列问题,发展可行的无线通信网络技术作为现有网络的扩充已成为数据网络发展的重要方向。而解决数据安全的安全协议和解决路径选择的路由协议则是构建无线网络体系结构的两大基石,具有非常重要研究意义。本论文分别对可证明安全的认证及密钥交换安全协议和无线Mesh网络路由协议的分析与设计进行了比较深入的研究,研究内容包括:安全协议形式化分析与设计理论的研究;Internet密钥交换协议的分析与设计;无线Mesh网络的双向认证和漫游接入协议的分析与设计以及无线Mesh网络混合路由协议的设计、仿真分析与性能比较。主要研究成果有:1.介绍了CK安全模型和UC安全模型的基本概念、安全理论和形式化方法,分析了这些安全模型的安全属性,归纳总结了可证明安全模型下安全协议设计的一般性方法和步骤。2.对Internet密钥交换协议IKEv2进行了安全分析,并针对其存在的认证失败和发起者主动身份保护问题提出了改进方案。新的方案通过对通信对方的身份进行签名来实现有效的身份认证,同时还能够保证通信双方对交互消息内容的不可否认性,实现对协议发起者的主动身份保护。3.针对IEEE 802.11s规范的接入认证协议不支持双向的802.1X认证端口开放,基于“通用可组合”的安全模型与DH交换,利用组合与信任传递技术设计了一种新的接入认证协议,实现了申请者S和认证服务器AS之间的双向认证。针对Mesh节点漫游接入的特殊安全需求,提出了一种新的无线Mesh网漫游接入认证协议,可以较好的支持Mesh网络的漫游场景,满足接入的安全需求,并能为移动用户提供身份保护。4.针对无线Mesh网络路由协议存在的一些诸如效率较低,扩展性不强等问题,提出了一种新的Mesh网络多径路由协议。新协议结合了分布式路由与集中式路由的优点,将数据链路层的平面路由方法拉伸成类似于IP路由的多级路由框架,提高了协议的执行效率,增强了Mesh网络的可扩展性和可用性。仿真分析表明,新协议在多个性能参数上优于原有协议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线网络协议
• 1.1.1 无线网络安全协议
• 1.1.2 无线网络路由协议
• 1.2 安全协议的形式化方法与理论
• 1.2.1 计算机安全方法
• 1.2.2 计算复杂性方法
• 1.2.3 形式化方法的国内研究现状
• 1.3 路由协议的仿真方法与工具
• 1.3.1 网络协议的仿真方法
• 1.3.2 OPNET 仿真工具
• 1.4 本文的主要工作及结构安排
• 1.4.1 主要工作与贡献
• 1.4.2 本文结构安排
• 第二章 协议的形式化分析与设计理论
• 2.1 Canetti-Krawczyk 模型
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 认证与非认证链路模型
• 2.1.3 认证器与会话密钥安全
• 2.1.4 CK 模型的安全性分析
• 2.2 Universally Compassable 模型
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 现实、理想模型与环境机
• 2.2.3 UC 仿真理论
• 2.2.4 混合模型及UC 安全定义
• 2.2.5 UC 安全定理
• 2.2.6 UC 安全协议设计
• 2.2.7 UC 安全研究展望
• 2.3 总结
• 第三章 Internet 认证及密钥交换协议
• 3.1 Internet 密钥交换协议
• 3.1.1 IPSec 简介
• 3.1.2 IKEv1 简介
• 3.1.3 IKEv2 简介
• 3.2 IKEv2 的安全性分析
• 3.2.1 IKEv2 中的认证失败问题
• 3.2.2 IKEv2 中的身份暴露问题
• 3.3 改进协议WIKE 的设计与分析
• 3.3.1 改进方案WIKE
• 3.3.2 WIKE 安全性分析
• 3.3.3 WIKE 性能分析
• 3.4 改进协议WIKEv2 的设计与分析
• 3.4.1 改进方案WIKEv2
• 3.4.2 WIKEv2 安全性证明
• 3.4.3 WIKEv2 性能分析
• 3.5 总结
• 第四章 无线Mesh 网络安全协议研究
• 4.1 无线局域网及安全协议
• 4.1.1 WLAN 及安全协议
• 4.1.2 WLAN Mesh 及安全协议
• 4.2 可证明安全的无线Mesh 网认证协议
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 新的Mesh 网认证协议MAKE
• 4.2.3 新协议MAKE 的安全性证明
• 4.2.4 新协议MAKE 的性能分析
• 4.3 UC 安全的无线Mesh 网漫游认证协议
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 无线Mesh 网络漫游安全需求
• 4.3.3 新的Mesh 网漫游认证协议MRAP
• 4.3.4 新协议MRAP 的安全性证明
• 4.3.5 新协议MRAP 的性能分析
• 4.4 总结
• 第五章 无线Mesh 网络路由协议研究
• 5.1 无线Mesh 网路由设计原则
• 5.2 无线Mesh 网原路由协议及分析
• 5.3 新的Mesh 网路由协议WMRP
• 5.4 新协议WMRP 的特性分析
• 5.5 新协议WMRP 的性能评估
• 5.5.1 仿真实验平台
• 5.5.2 性能评估参数
• 5.5.3 仿真结果与分析
• 5.6 总结
• 第六章 结束语
• 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