無線局域網(wǎng)中RADIUS協(xié)議的分析和設計

1 引言

　　遠程認證撥號用戶服務協(xié)議（Remote Authentication Dial In User Service, RADIUS）最初是由Livingston公司提出的一個為撥號用戶提供認證和計費的協(xié)議。后經(jīng)多次改進，逐漸成為一項通用的網(wǎng)絡認證、計費協(xié)議，并定義于IETF提交的RFC2865和RFC2866文件中。RADIUS協(xié)議以Client/Server方式工作，客戶端為網(wǎng)絡接入服務器（NAS），它向RADIUS服務器提交認證、計費等信息，RADIUS服務器處理信息并將結果返回給NAS。

　　RADIUS協(xié)議的應用范圍很廣，在移動、數(shù)據(jù)、智能網(wǎng)等業(yè)務的認證、計費系統(tǒng)中都有所應用。無線局域網(wǎng)的802.1X認證框架中，在認證端也建議使用RADIUS協(xié)議。

　　本文將論述RADIUS協(xié)議的原理，并探討它在WLAN中的應用及實現(xiàn)方案。

　　2 RADIUS協(xié)議

　　2.1  WLAN網(wǎng)絡模型

　　實際商用的無線局域網(wǎng)，可以用局域網(wǎng)交換機來實現(xiàn)802.1X認證協(xié)議中的端口控制功能。為保證網(wǎng)絡的安全性，在無線局域網(wǎng)的出口和認證端應加上防火墻。RADIUS服務器和數(shù)據(jù)庫還可以采取主、備結構，以保證網(wǎng)絡的健壯性。

　　網(wǎng)絡模型如下圖所示：

 

 

 

　　圖1  無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡模型

　　無線局域網(wǎng)的認證端由RADIUS服務器、網(wǎng)絡接入服務器（NAS）和數(shù)據(jù)庫組成。其中：

　　NAS：作為RADIUS服務器的客戶端，向RADIUS服務器轉(zhuǎn)交用戶的認證信息。并在用戶通過認證之后，向RADIUS服務器發(fā)送計費信息。

　　RADIUS服務器：作為認證系統(tǒng)的中心服務器，它與NAS、數(shù)據(jù)庫相連，它接受來自NAS提交的信息，對數(shù)據(jù)庫進行相應的操作，并把處理結果返回給NAS。

　　數(shù)據(jù)庫：用于保存所有的用戶信息、計費信息和其他信息。用戶信息由網(wǎng)絡管理員添加至數(shù)據(jù)庫中；計費信息來自于RADIUS服務器；其他信息包括日志信息等。

　　2.2  RADIUS的數(shù)據(jù)包結構

　　RADIUS是應用層的協(xié)議，在傳輸層它的報文被封裝在UDP的報文中，進而封裝進IP包。RADIUS認證使用1812端口，計費使用1813端口。

　　以太網(wǎng)上的RADIUS封裝后的包結構：

 

 

 

　　RADIUS數(shù)據(jù)包分為5個部分：

　?。?） Code:1個字節(jié)，用于區(qū)分RADIUS包的類型：常用類型有：

　　接入請求（Access-Request），Code=1；接入應答（Access-Accept），Code=2；接入拒絕（Access-Reject），Code=3；計費請求（Accounting-Request），Code=4等。

　　（2）Identifier:一個字節(jié)，用于請求和應答包的匹配。

　?。?）Length:兩個字節(jié)，表示RADIUS數(shù)據(jù)區(qū)（包括Code, Identifier, Length, Authenticator, Attributes）的長度，單位是字節(jié)，最小為20，最大為4096。

　?。?）Authenticator:16個字節(jié)，用于驗證服務器端的應答，另外還用于用戶口令的加密。RADIUS服務器和NAS的共享密鑰(Shared Secret)與請求認證碼(Request Authenticator)和應答認證碼(Response Authenticator)，共同支持發(fā)、收報文的完整性和認證。另外，用戶密碼不能在NAS和RADIUS 服務器之間用明文傳輸，而一般使用共享密鑰(Shared Secret)和認證碼(Authenticator)通過MD5加密算法進行加密隱藏。

　?。?）Attributes:不定長度，最小可為0個字節(jié)，描述RADIUS協(xié)議的屬性，如用戶名、口令、IP地址等信息都是存放在本數(shù)據(jù)段。

　　2.3 RADIUS的認證、計費過程

　　如圖1網(wǎng)絡模型所示：

　?。?）申請者登錄網(wǎng)絡時，NAS會有一個客戶定義的Login提示符要求申請者輸入用戶信息（用戶名和口令），申請者輸入相關的認證信息后，等待認證結果。

　?。?）NAS在得到用戶信息后，將根據(jù)RADIUS的數(shù)據(jù)包格式，向RADIUS服務器發(fā)出“接入請求”（Access-Request）包。包中一般包括以下RADIUS屬性值：用戶名、用戶口令、訪問服務器的ID、訪問端口的ID。

　　（3）當RADIUS服務器收到“接入請求”包后，首先驗證NAS的共享密碼與RADIUS服務器中預先設定的是否一致，以確認是所屬的RADIUS客戶端。在查驗了包的正確性之后，RADIUS服務器會依據(jù)包中的用戶名在用戶數(shù)據(jù)庫中查詢是否有此用戶記錄。如果用戶信息不符合，就向NAS發(fā)出“接入拒絕”（Access-Reject）包。NAS在收到拒絕包后，會立即停止用戶連接端口的服務要求，用戶被強制退出。

　?。?）如果用戶信息全部符合，服務器向NAS發(fā)出“接入質(zhì)詢”包（Access-Challenge），對用戶的登錄請求作進一步的驗證。其中包括：用戶口令、用戶登錄訪問服務器的IP、用戶登錄的物理端口號等。NAS收到“接入質(zhì)詢”包后，將消息顯示給用戶，要求用戶進一步確認登錄請求。用戶再次確認后，RADIUS服務器將比較兩次的請求信息，決定如何響應用戶（發(fā)送Access-Accept、Access-Reject或再一次的Access-Challenge）。

　?。?）當所有的驗證條件和握手會話均通過后，RADIUS服務器會將數(shù)據(jù)庫中的用戶配置信息放在“接入接受”（Access-Accept）包中返回給NAS，后者會根據(jù)包中的配置信息限定用戶的具體網(wǎng)絡訪問能力。包括服務類型：SLIP、PPP、Login User、Rlogin、Framed、Callback等等。還包括與服務類型相關的配置信息：IP地址、時間限制等等。

　?。?）在所有的驗證、授權完成后，局域網(wǎng)交換機的控制端口被打開。用戶可以通過交換機進入網(wǎng)絡。同時，NAS向RADIUS服務器發(fā)送 “計費請求開始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服務器開始計費。當用戶下網(wǎng)時，NAS向RADIUS服務器發(fā)送“計費請求結束”包（Accounting-Request Stop），RADIUS服務器根據(jù)計費包的信息計算用戶使用網(wǎng)絡的費用。[!--empirenews.page--]WLAN模型中RADIUS認證系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)#e#

 

　　3  WLAN模型中RADIUS認證系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　3.1  WLAN網(wǎng)絡模型的簡化

　　在實驗室的模擬環(huán)境下，由于網(wǎng)絡用戶少，可以采用中、小型的數(shù)據(jù)庫來存放所需信息，并可以將RADIUS服務器與數(shù)據(jù)庫在同一主機上實現(xiàn)。局域網(wǎng)交換機可以實現(xiàn)端口控制功能。網(wǎng)絡結構可簡化如下：

 

 

 

　　圖2  實驗室環(huán)境下WLAN網(wǎng)絡模型

　　3.2  NAS設計

　?。?）RADIUS客戶端處理程序：負責接收申請者的信息；向RADIUS服務器提交認證、計費、管理等數(shù)據(jù)包；向申請者返回相應結果。

　?。?）服務器管理程序：為了方便網(wǎng)絡管理員對RADIUS服務器和數(shù)據(jù)庫的管理，在NAS主機上，還可以運行服務器管理程序，管理程序的功能應該包括有：管理員模塊（添加、刪除網(wǎng)絡管理員，設置管理員權限等）；用戶信息模塊（實現(xiàn)用戶的查詢、添加、刪除等操作）；計費信息模塊（查詢用戶的計費信息，創(chuàng)建、修改、刪除各種不同的計費方式，）；日志信息模塊等。

　?。?）用戶信息的提交：用戶需要向NAS提交用戶信息，有多種方法可以實現(xiàn)，最簡單的方法是采用Web方式提交。在NAS上建立一個Web服務器，這樣，用戶可以直接使用瀏覽器來和NAS交互，Web服務器接受到用戶提交的信息后，把這些信息傳給RADIUS的客戶端處理程序。后者把這些信息封裝成RADIUS的接入請求（Access-Request）包格式，通過認證端口（1812）向RADIUS服務器提出認證請求。

　　（4）計費信息的提交：認證通過之后，NAS客戶端程序通過認證端口（1812）向RADIUS服務器發(fā)送包含有用戶名、用戶IP、上網(wǎng)起始時間等信息的“計費請求開始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服務器開始計費。RADIUS服務器在數(shù)據(jù)庫中紀錄下相應項，并返回“計費響應”包（Accounting-Response）。當用戶下網(wǎng)時，NAS向RADIUS服務器發(fā)送包含有結束時間、數(shù)據(jù)流量等信息的“計費請求結束”包（Accounting-Request Stop）。后者返回“計費響應”包（Accounting-Response）確認。

　?。?）服務器管理程序的提交：也通過RADIUS客戶端處理程序來向RADIUS服務器提交。客戶端處理程序?qū)⒐芾沓绦虻恼埱蟀b成標準的RADIUS包格式，并通過為服務器管理程序定義一個端口號提交給RADIUS服務器。

　　3.3  RADIUS服務器設計

　　RADIUS服務器處理來自NAS的各項數(shù)據(jù)和實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，并返回相應的結果。RADIUS客戶端和服務器端的協(xié)議通信采用Socket編程來實現(xiàn)。

　?。?）對數(shù)據(jù)庫的操作：RADIUS服務器通過數(shù)據(jù)庫接口與數(shù)據(jù)庫建立起連接。在RADIUS服務器中用SQL語句實現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)庫操作模塊（如：用戶、計費、管理員等信息的查詢、添加、修改等操作），當RADIUS服務器需要對數(shù)據(jù)庫操作時，就調(diào)用相應的模塊。

　　（2）認證包處理：通過*認證端口（1812），來監(jiān)測NAS提交的認證數(shù)據(jù)包，收到認證包后，查詢數(shù)據(jù)庫驗證用戶，并把結果以RADIUS數(shù)據(jù)包格式從1812端口返回。對于多個用戶申請并發(fā)的情況，使用多線程方式處理。

　　（3）計費包的處理：當用戶的認證通過時，查詢該用戶計費信息。確定其計費類型、費率等。當*到NAS在計費端口（1813）提交計費包后，就向數(shù)據(jù)庫中添加“計費請求開始”包中所提交的計費信息（包括用戶名、上網(wǎng)起始時間等）。在收到用戶下網(wǎng)的“計費請求結束”后，根據(jù)包中提交的用戶結束時間、數(shù)據(jù)流量等信息，計算用戶的上網(wǎng)時長和數(shù)據(jù)流量，并根據(jù)用戶計費類型來計算出用戶本次上網(wǎng)費用，記錄入數(shù)據(jù)庫。

　?。?）服務器管理程序請求的處理：*管理程序請求的端口（自定義），收到后解包并執(zhí)行相應的處理函數(shù)。

　　3.4 數(shù)據(jù)庫的設計

　　用于保存所有的用戶信息、計費信息等。數(shù)據(jù)庫中包含的表項至少應包括以下幾類：

　　（1） 用戶信息：包括用戶名、口令、認證方式、訪問權限、付費方式等。

　　（2） 授權信息：服務器返回給用戶的授權等配置信息，如服務類型，會話時間等。

　?。?） 計費信息：存放與計費有關的各種統(tǒng)計信息。如：上網(wǎng)時間、計費費率、用戶

　　的歷次上網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量和費用、用戶帳戶余額等。

　?。?） 管理員信息：網(wǎng)絡管理員的ID號和口令、管理員的權限。

　　（5） NAS信息：RADIUS服務器所屬的各NAS紀錄。包括各NAS的ID號、與

　　RADIUS服務器的共享密碼等。

　　（6） 日志信息：保存用戶上網(wǎng)的歷史記錄、網(wǎng)絡管理員的登錄及操作紀錄。

　　3.5認證端各部分的實現(xiàn)：

　　操作系統(tǒng)：RADIUS服務器和NAS均采用Linux(Red Hat 9.0,內(nèi)核Linux-2.4.20-8)作為操作系統(tǒng)。

　　(1) NAS：

　　用Apache和Tomcat構建一個支持JSP的Web服務器，這樣申請者可以通過Web頁面來提交登錄信息。服務器管理程序主要是處理系統(tǒng)管理員的信息，用QT3.0完成用戶界面。RADIUS客戶端程序（C語言實現(xiàn)）將用戶或系統(tǒng)管理員提交的消息封裝成RADIUS包，并通過相應的端口轉(zhuǎn)發(fā)給RADIUS服務器。

　　(2) 數(shù)據(jù)庫：

　　采用MySQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，MySQL是一個多用戶、多線程SQL數(shù)據(jù)庫服務器。它由一個服務器守護程序mysqld和很多不同的客戶程序和庫組成。Red Hat 9.0中自帶有MySQL服務，將服務啟動即可。我們可以將RADIUS服務器與SQL數(shù)據(jù)庫相連，建立用戶數(shù)據(jù)庫和計費數(shù)據(jù)庫，對用戶信息和計費信息進行有效的管理。

　　(3) RADIUS服務器 ：

　　采用freeradius-0.9.0來搭建RADIUS服務器，實現(xiàn)RADIUS協(xié)議，并使用RADIUS服務器的EAP-Identity認證方式（即：RADIUS服務器對申請者的用戶名和口令進行認證）。另外，實現(xiàn)時，在freeradius的源碼中添加了數(shù)據(jù)庫處理模塊以及服務器管理程序處理模塊。

　　freeradius支持訪問SQL數(shù)據(jù)庫，首先需要建立RADIUS數(shù)據(jù)庫（以MySQL為例：mysql -uroot -prootpass radius < db_mysql.sql），建立后的數(shù)據(jù)庫會包含如下一些表項：radcheck：用于指明用戶的認證方式；radgroupcheck：將用戶分組進行管理，指明各組的屬性，如限定有些用戶組默認的認證結果就是Accept或Reject；radgroupreply：對各用戶組設定回應的屬性；usergroup：指明用戶與組的關系；radacct：存放與計費有關的各種統(tǒng)計信息。我們還可以添加一些我們所需的其他表項。

　　4  結束語

　　RADIUS協(xié)議最初作為撥號網(wǎng)絡中協(xié)議，由于它易于管理、可擴展性好等特點，而逐漸被廣泛使用，成為多種網(wǎng)絡的認證、授權和計費的協(xié)議。但RADIUS協(xié)議仍然存在諸如：基于Response Authenticatior對共享密鑰的攻擊、基于User-Password屬性對用戶密碼的攻擊等安全缺陷。這些都有待于作進一步的研究和完善。