基于UML模型的NGN業(yè)務(wù)安全分析

2009/03/24

圖1 NGN基礎(chǔ)架構(gòu)模型擴(kuò)展

　　該擴(kuò)展針對Link和Node和兩個元類增加了NGN中關(guān)于承載和節(jié)點的定型。可以根據(jù)需要對該模型作進(jìn)一步擴(kuò)展，如可以增加關(guān)于接入網(wǎng)承載的定型等。

2.基于UMLsec的威脅分析

　　針對圖1中定義的定型以及對網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成威脅的攻擊者的類型，可以定義出威脅函數(shù)TheatA(s)。其中A表示攻擊者類型，這里假定攻擊者為具備一般能力的外部攻擊者，即其可以竊聽到廣播信道上的數(shù)據(jù)流量，并可以插入或刪除數(shù)據(jù)流量，能夠利用系統(tǒng)漏洞入侵系統(tǒng);表示為模型中定義的定型威脅函數(shù)的值域為{delete，read，insert，access}。根據(jù)NGN中承載網(wǎng)絡(luò)和計算節(jié)點的特性，我們可以得出如下威脅函數(shù)，如表1所示。

　　攻擊者對于IP承載的數(shù)據(jù)能夠執(zhí)行讀寫和刪除操作，故其能夠針對IP承載的業(yè)務(wù)進(jìn)行攻擊。如攻擊者可以修改正常的SIP消息以改變呼叫的路由，發(fā)出BYE等SIP消息拆除正常的SIP會話，通過截獲RTP承載的語音包并解碼以實現(xiàn)竊聽，可以在IP網(wǎng)絡(luò)中插入大量數(shù)據(jù)降低VoIP的QoS實現(xiàn)DoS攻擊，等等。

　　軟設(shè)備通常基于通用的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等軟件。這些通用軟件以及協(xié)議棧的實現(xiàn)都可能具備能被攻擊者利用的漏洞。通過這些安全漏洞，攻擊者可以對這些設(shè)備發(fā)起拒絕服務(wù)攻擊(DoS)或獲得設(shè)備的訪問權(quán)。

　　由于NGN的基礎(chǔ)設(shè)施針對一般攻擊者的攻擊函數(shù)值通常都不為空，因此需要在業(yè)務(wù)開發(fā)和部署時利用安全機(jī)制來保證業(yè)務(wù)的安全。

3.業(yè)務(wù)的安全需求分析

　　業(yè)務(wù)的安全需求可能包括用戶信息的機(jī)密性、完整性、業(yè)務(wù)本身的可用性等方面。NGN中不同類型的業(yè)務(wù)有著不同的安全需求，如會話類業(yè)務(wù)的主要安全需求是可用性，消息類業(yè)務(wù)的主要安全需求是完整性。同一類型的業(yè)務(wù)其安全需求應(yīng)該也是可以根據(jù)業(yè)務(wù)場景定制的，如普通兩方呼叫要求即使在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)入侵的情況下也應(yīng)保證呼叫的正確路由，并確保語音流的服務(wù)質(zhì)量。而如果用戶要求呼叫需被保密，則還需保證信令消息的機(jī)密性和語音流的機(jī)密性，需要對信令和語音流進(jìn)行加密處理。不同業(yè)務(wù)的安全需求是安全特性的組合。利用建模語言，業(yè)務(wù)所需要的安全特性可以抽象成為安全感知的類來表示。這些類中的功能可以使用安全應(yīng)用接口提供的安全能力實現(xiàn)，而業(yè)務(wù)的安全需求則表示為類的組合。為了清晰表達(dá)業(yè)務(wù)的安全需求，并便于業(yè)務(wù)安全需求的實現(xiàn)，本文將業(yè)務(wù)的安全需求抽象為細(xì)粒度的安全功能類，每個安全功能類表達(dá)了業(yè)務(wù)對其各個組件(如信令、媒體、業(yè)務(wù)功能等)的不同安全特性(如機(jī)密性、完整性、認(rèn)證等)的需求。

　　下面以基于SIP的兩方會話為例說明如何使用UMLsec描述業(yè)務(wù)安全需求。假定兩方呼叫發(fā)生在同一SIPProxy轄域的兩個用戶之間，要求保證用戶UA與SIPProxy之間的信令的完整性，不能被非法入侵者篡改。該場景的用例圖和部署圖分別如圖2、圖3所示。

圖3 信令完整性保護(hù)部署圖

　　圖3中的UA代表UserA或UserB的UA，因為兩個UA的信令交互需要通過Proxy，且其安全需求是一致的，故在圖中只表現(xiàn)出一方。UA和Proxy均是基于通用計算平臺的節(jié)點，其訪問控制需要受到保護(hù)，故對其標(biāo)記上定型《guardedaccess》。UA中除處理信令外，還需處理媒體流的編解碼與控制，這個用例中只涉及信令的安全性，故在UA中只關(guān)注進(jìn)行信令控制的組件。UA與Proxy之間的通信基于IP承載，根據(jù)表1定義的威脅函數(shù)：ThreatA(IP Carrier)={delete，read，insert}，信令的完整性在攻擊下可能遭到破壞，需要采用相應(yīng)的安全機(jī)制對信令交互加以保護(hù)。

　　Sender類和Receiver類是通過對通信安全功能的抽象而得出的兩個類。這兩個類具備保證發(fā)送方和接收方之間消息傳送的完整性的安全能力。通過在UA的信令控制功能和Proxy的呼叫控制功能中聚合這兩個類，可以在高層的需求層面上滿足UA和Proxy通信的信令完整性需求。

　　AccessGuard類是用于隔離對保護(hù)對象的訪問的類，通過在被保護(hù)對象上標(biāo)識{guard=AccessGuard}標(biāo)記，所有的對保護(hù)對象的訪問請求需先提交給AccessGuard類，AccessGuard類根據(jù)具體的訪問控制機(jī)制和訪問控制策略進(jìn)行訪問權(quán)限的判定后，訪問請求才能在被保護(hù)對象上執(zhí)行。

　　Sender類和Receiver類可以針對業(yè)務(wù)對安全需求的不同控制粒度進(jìn)一步細(xì)化，通過對send()方法的重載加以實現(xiàn)。如在調(diào)用send()方法時可以使用QoP[5，7](QualityofProtection)參數(shù)說明業(yè)務(wù)對安全功能的保護(hù)級別的需求。QoP體現(xiàn)了處理安全問題的開銷與安全保護(hù)需求之間的動態(tài)平衡。某一級別的QoP可以對應(yīng)于某一具體安全機(jī)制中所采用的加密算法強(qiáng)度、密鑰長度、認(rèn)證機(jī)制強(qiáng)度等。但目前QoP的定義還依賴于具體的安全機(jī)制，且具有一定的隨意性，沒有一個客觀的標(biāo)準(zhǔn)。

　　在更細(xì)的粒度上，用戶可以在send()方法中指定具體安全機(jī)制的相關(guān)參數(shù)，對所使用的安全機(jī)制進(jìn)行更精確的控制。

　　圖5是對通信機(jī)密性進(jìn)行保護(hù)的安全能力抽象類的類圖。其send()方法應(yīng)能保證消息的加密傳輸。Receiver類的receive()方法用于接收并解密消息。同完整性保護(hù)一樣，更加細(xì)致和更加可控的機(jī)密性保護(hù)可通過對send()和receive()方法的重載實現(xiàn)。

　　除了圖4和圖5中列舉的用于保護(hù)通信完整性和機(jī)密性以及實體訪問控制的安全能力抽象類外，還可以根據(jù)業(yè)務(wù)的實際安全需求抽象更多的安全能力抽象類。每個類實現(xiàn)某一特定的安全功能，如可以在多媒體會議中定義群密鑰管理功能抽象類，用于滿足群密鑰生成、分發(fā)與認(rèn)證的功能。

圖5 消息機(jī)密性安全功能類

二、業(yè)務(wù)安全的實現(xiàn)機(jī)制

　　基于上述分析，可以將NGN業(yè)務(wù)的安全需求從安全特性上加以劃分并進(jìn)行抽象，形成一系列細(xì)粒度的安全功能抽象類。通過對每一個安全功能抽象類的實現(xiàn)可以滿足業(yè)務(wù)的安全需求。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于模型驅(qū)動的細(xì)粒度的訪問控制框架AC-PIM，將一個統(tǒng)一的高層的訪問控制模型(AC-PIM)映射到多種具體的訪問控制機(jī)制中，如OASIS的SAML(SecurityAssertionMarkupLanguage)和XACML(eXtensible Access Control Markup Language)，OMG的RAD(Resource Access Decision Facility)以及Java Authentication and Authorization中定義的Java訪問控制模型。AC-PIM提供了一個實現(xiàn)圖4中的AccessGuard抽象類的途徑。

　　下面說明如何利用GSS-API實現(xiàn)保證通信完整性的安全能力抽象類，通過狀態(tài)圖說明保證通信完整性的Sender類的send()方法及Receiver類的receive()方法的GSS-API實現(xiàn)。本文中給出的是一個示意性的說明，忽略了一些錯誤處理過程。

　　圖6中，在send()方法被調(diào)用后，Sender首先檢測是否已有可用的安全上下文，如果可用的安全上下文已經(jīng)存在，則可以利用該上下文的句柄作為參數(shù)之一，調(diào)用GSS-API的Get_GetMIC()方法。參數(shù)還包括有待進(jìn)行簽名的消息和可選的QoP。如果對消息簽名可以正常完成，Sender就可以將消息與簽名后生成的token一起送到目的地。如果簽名發(fā)生異常，則可以通過返回的錯誤碼判斷原因。

圖6 {integrity}Sender的GSS-API實現(xiàn)

　　如果在調(diào)用GSS_GetMIC()方法之前不存在可用的安全上下文，則Sender需要首先與Receiver之間建立安全上下文，通過安全機(jī)制信息的交互建立好安全上下文后可以繼續(xù)調(diào)用GSS_GetMIC()方法對需要發(fā)送的消息簽名。

　　通信完整性抽象類Receiver用于對消息完整性進(jìn)行檢測，過程如圖7所示。經(jīng)過GSS_VerifyMIC()方法檢測接收到的消息及其簽名是否一致以判定其完整性。如果沒有合適的上下文可用，則應(yīng)先建立安全上下文然后再調(diào)用GSS_VerifyMIC()。

圖7 {integrity}Receiver的GSS-API實現(xiàn)

　　如果需要實現(xiàn)的機(jī)密性保護(hù)，則Sender類和Receiver類的約束用{secrecy}表示�？赏ㄟ^GSS-API的GSS_Warp()方法和GSS_Unwrap()方法實現(xiàn)Sender和Receiver的安全功能。

　　Sender和Receiver還可以通過NGSS-API來實現(xiàn)。NGSS-API是ParlayAPI架構(gòu)下的安全應(yīng)用接口，對網(wǎng)絡(luò)的安全能力進(jìn)行抽象，并為業(yè)務(wù)提供安全能力。NGSS-API中提供了IpCredentialManager、IpContextManager、IpContext等類分別用于管理證書、管理安全上下文以及基于安全上下文的完整性、機(jī)密性等網(wǎng)絡(luò)中的安全機(jī)制提供的安全能力。使用NGSS-API實現(xiàn)通信的完整性、機(jī)密性保護(hù)的過程與GSS-API類似。

　　GSS-API和NGSS-API都可用于實現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)安全需求抽象出的安全功能抽象類。GSS-API通常由本地的程序語言類庫實現(xiàn)，適合于運行在終端和網(wǎng)絡(luò)實體上的業(yè)務(wù)實例使用，保證本地與目的地交互的安全性。NGSS-API基于ParlayAPI，主要面向應(yīng)用服務(wù)器等第三方業(yè)務(wù)實體，適合于運行在應(yīng)用服務(wù)器上、與Parlay網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互的業(yè)務(wù)實例使用，其安全需求通過Parlay網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的實體實現(xiàn)，保證整體的安全性。GSS-API考慮的安全粒度是消息級的，而NGSS-API考慮的安全粒度相對要大一些，從應(yīng)用服務(wù)器業(yè)務(wù)邏輯的視點出發(fā)，保證一個呼叫方或一個用戶接口的安全性。

　　GSS-API和NGSS-API都獨立于具體的安全機(jī)制，可以采用不同的安全機(jī)制和安全協(xié)議實現(xiàn)。

三、結(jié)語

　　本文根據(jù)NGN的網(wǎng)絡(luò)特點對UMLsec進(jìn)行了擴(kuò)展，利用擴(kuò)展后的UMLsec對NGN的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和業(yè)務(wù)的安全需求進(jìn)行了分析。將NGN業(yè)務(wù)的安全需求抽象成細(xì)粒度的安全能力抽象類，用UMLsec加以描述，通過這些類的組合完整表達(dá)NGN業(yè)務(wù)所需的安全特性。通過對安全能力抽象類的實現(xiàn)可以滿足NGN業(yè)務(wù)的安全需求。本文通過用例說明了如何利用安全應(yīng)用接口實現(xiàn)安全能力抽象類。基于安全應(yīng)用接口的實現(xiàn)與具體安全機(jī)制的細(xì)節(jié)無關(guān)，且具有可移植性，使得業(yè)務(wù)的安全特性在不同的環(huán)境下可通過不同的安全機(jī)制實現(xiàn)。下一步的研究工作將包括對業(yè)務(wù)可用性等安全特征進(jìn)行建模，并完善需求模型與實現(xiàn)模型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，以實現(xiàn)模型之間的自動轉(zhuǎn)換與驗證。

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