DE60024800T2 - Schlüsselverwaltung zwischen kabeltelefonsystemadapter und signaleinrichtungkontrolle - Google Patents

Schlüsselverwaltung zwischen kabeltelefonsystemadapter und signaleinrichtungkontrolle Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Schlüsselverwaltung für Client-Server-Systeme und insbesondere auf ein skalierbares Schlüsselverwaltungssystem zur Verwendung in IP-Telefonie-Netzen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In einem Internetprotokoll-(IP-)Telefonie-Netz kann ein Netzwerk-Server für das Aufsetzen von Telefonanrufen mit bis zu 100 000 Clients verantwortlich sein. Die Clients können über Kabeltelefonieadapter-Vorrichtungen (CTA-Vorrichtungen) an das Telefonie-Netz gekoppelt sein. Um die Anrufsignalisierung zu sichern, wird zwischen jedem Client und dem Server eine Internetprotokollsicherheits-Assoziation (IPSec-Assoziation) aufgesetzt. Dies muss rechtzeitig geschehen, um den CPU-Aufwand am Server und die Verzögerung beim Aufsetzen der Anrufe zu minimieren.
  • Um eine große Anzahl an Clients bewältigen zu können, muss die Schlüsselverwaltung so schnell wie möglich sein. Zum Beispiel könnten Sicherheitsassoziationen verloren gehen, wenn ein Server abstürzt oder zu beschäftigt ist, um alle seine Clients zu bewältigen. Die verlorenen Sicherheitsassoziationen müssen dann bei Bedarf wieder neu eingerichtet werden. Die manuelle Administration von Clients ist aufgrund hoher Aufwandkosten und eines Fehlens der Skalierbarkeit ungeeignet. Andere Techniken, die in Architekturen verwendet werden, welche nicht mit der IP-Telefonie verwandt sind, sind ebenfalls ungeeignet, das sie nicht die gewünschte Skalierbarkeit und den gewünschten niedrigen Administrationsaufwand bieten.
  • US 5 867 495 betrifft ein System für Telefonanrufe, Daten und andere Multimedia-Informationen, die durch ein hybrides Netz geleitet werden, welches den Transfer von Informationen über das Internet unter Verwendung von Telefonie-Leitinformationen und Internetprotokoll-Adresseninformationen einschließt. Eine Medienauftragserfassung erfasst die vollständigen Verbraucherprofilinformationen für einen Verbraucher. Diese Profilinformationen werden von dem System während des ganzen Medienerlebnisses zum Leiten, Verrechnen, Überwachen, Berichten und für andere Mediensteuerfunktionen verwendet. Verbraucher können eine größere Zahl an Aspekten eines Netzes verwalten, als vorher möglich war, und Netzaktivitäten von einem zentralen Punkt steuern. Verbrauchern wird Telefonkarten-Zugang geboten, der typische Anrufe sowie Medientransfers über das hybride Netz unterstützt.
  • WO98/36522 betrifft ein Verfahren und einen Apparat zum Verbessern der Sicherheit einer Nachricht, die durch einen Netzwerk-Server von einem Client-Computer an einen Zielserver gesendet wird. Eine sichere Verbindung zum Empfangen und Übertragen von Daten wird zwischen dem Client-Computer und dem Netzwerk-Server eingerichtet. Es werden Informationen zur Identifizierung des Client und Informationen zur sicheren Authentifizierung von einem Validierungszentrum verwendet. Netzwerk-Server können die Client-Authentifizierungsinformationen verwenden, um die Erlaubnis des Validierungszentrums für den Zugriff auf den Zielserver zu erhalten.
  • Keines der obigen Dokumente erörtert jedoch ein System, das ein einfaches und leicht skalierbares Schlüsselverwaltungssystem bereitstellt, das den Bedarf an einer Hauptspeicherstelle für eine große Anzahl an Sicherheitsassoziationen umgeht. Ferner gibt es bei den obigen Dokumenten keine Möglichkeit, nach einem Verlust einer Assoziation mit einem Server, oder wenn ein Client auf einen anderen Server schaltet, schnell umzuschlüsseln.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schließt eine hochgradig skalierbare Schlüsselverwaltungsarchitektur für sichere Client-Server-Systeme, die in IP-Telefonie-Netzen verwendet werden, ein, wobei der kryptographische Zustand nur von den Clients gespeichert zu werden braucht. Diese Architektur nutzt bestehende Schlüsselverwaltungsprotokolle, Kerberos mit der PKINIT-Erweiterung (Erweiterung mit öffentlichem Schlüssel), um ein IP-Telefonie-System bereitzustellen, das ein hohes Maß an Skalierbarkeit aufweist. In dem Fall von verlorenen Sicherheitsassoziationen berücksichtigt die Architektur leichte Umschlüsselungsoperationen, die es den Clients ermöglichen, die verlorene Assoziation schnell wieder einzurichten oder auf einen anderen Server zu schalten.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einrichten eines sicheren Kanals zwischen einem IP-Telefonie-Endpunkt und einem Server in einem IP-Telefonie-Netz bereitgestellt. Der Endpunkt ist an einen Verbraucher gekoppelt und der Server ist an das IP-Telefonie-Netz gekoppelt. Das Verfahren umfasst Schritte des Übertragens einer Anforderung eines Sicherheitstickets von dem Endpunkt an ein Schlüsselverteilungszentrum, des Empfangens des Sicherheitstickets von dem Schlüsselverteilungszentrum, des Übertragens einer Anforderung eines Unterschlüssels vom Endpunkt zum Server, des Empfangens des Unterschlüssels von dem Server und des Einrichtens eines sicheren Kanals zwischen dem Endpunkt und dem Server unter Verwendung des Unterschlüssels.
  • Ein besseres Verständnis der Beschaffenheit und der Vorteile der hier offenbarten Erfindungen kann unter Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Patentschrift und die beigefügten Zeichnungen realisiert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Telefonie-Netz, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
  • 2 zeigt ein Nachrichtenaustauschschema zum Einrichten eines sicheren Nachrichtenkanals gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 zeigt ein Verfahren zum Einrichten eines sicheren Nachrichtenkanals unter Verwendung der Nachrichten aus 2.
  • BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen das Einrichten eines sicheren Kanals zwischen einem IP-Telefonie-Endpunkt und einem Server in einem IP-Telefonie-Netz vor. In den hier erörterten Ausführungsformen stellt eine Kabeltelefonieadapter-Vorrichtung (CTA-Vorrichtung) den IP-Telefonie-Endpunkt dar, und eine Signalisierungssteuereinheit (SC) stellt den Server dar. Die vorliegende Erfindung ist jedoch zur Verwendung mit anderen Arten von Netzendpunkten und Servern, die hier nicht erörtert werden, geeignet.
  • 1 zeigt einen Abschnitt eines Telefonie-Netzes 100, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Um auf das Telefonie-Netz zuzugreifen, bietet CTA 102 einem Verbraucher 104 Zugang über eine Hybridfaser-Coax-Kopfstelle (HFC-Kopfstelle) 106. Die HFC-Kopfstelle 106 weist das Leistungsvermögen auf, anderen Verbrauchern Zugang zu bieten, wie bei 108 gezeigt. Die HFC-Kopfstelle ist auch an eine Signalisierungssteuereinheit (SC) 110 gekoppelt, die an eine Telefonie-Netzhaupttrasse 114 gekoppelt ist. Die Signalisierungssteuereinheit wird verwendet, um den Zugang des CTA zum Telefonie-Netz zu steuern. Ein Schlüsselverteilungszentrum (KDC) 112 ist ebenfalls an die Telefonie-Netzhaupttrasse 114 gekoppelt. Das KDC 112 gibt Kerberos-Tickets aus, die wiederum dazu verwendet werden, Unterschlüssel für sichere Verbindungsprotokolle wie etwa das IPSec-ESP-Protokoll (ESP encapsulating security payload, Verkapselungssicherheitsnutzlast) oder andere sichere Verbindungen zu erzeugen. Das Netz 100 schließt außerdem ein Kundendienstberater-Zentrum (KDB-Zentrum) 116, eine bereitstellende Zertifizierungsautorität (CA) 118 und einen Verrechnungshauptrechner 120 ein. In dem Netz 100 kann der Verbraucher 104 somit über den CTA 102 unter Verwendung eines sicheren Protokolls auf die Telefoniehaupttrasse 114 zugreifen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen die Verwendung des Kerberos-Protokolls mit PKINIT-Erweiterung mit öffentlichem Schlüssel für die Schlüsselverwaltung ein. Dieses Protokoll basiert auf Kerberos-Tickets, die Cookies sind, welche mit dem Schlüssel des bestimmten Servers verschlüsselt sind. Das Kerberos-Ticket wird verwendet, um sowohl einen Client gegenüber einem Server zu authentifizieren als auch einen Sitzungsschlüssel einzurichten, der in dem Ticket enthalten ist. Das Zugreifen auf Kerberos-Dienste kann unter Verwendung des Standards GSS-API (= Generic Security Service Application Program Interface, generische Sicherheitsdienst-Anwenderprogramm-Schnittstelle) vorgenommen werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird von dem CTA eine Zweiweg-Authentifizierung mit Zertifikaten mit öffentlichem Schlüssel verwendet, um ein Sicherheitsticket in der Form eines Signalisierungssteuereinheit-Tickets von dem KDC zu erhalten. An den CTA wird ein entsprechender Sitzungsschlüssel geliefert, der entweder mit dem öffentlichen Schlüssel des CTA oder mit einem geheimen, von einem Diffie-Hellman-Austausch abgeleiteten versiegelt ist. Das Signalisierungssteuereinheit-Ticket wird über eine relativ lange Zeitspanne, zum Beispiel über Tage oder Wochen, behalten. Die Länge dieser Spanne kann auf der Basis der Netzleistungserfordernisse angepasst werden. Zusätzlich dazu wird das Signalisierungssteuereinheit-Ticket dafür verwendet, einen symmetrischen Sitzungsschlüssel einzurichten, der wiederum verwendet wird, um einen Satz Schlüssel zur Verwendung mit dem IPSec-ESP-Modus einzurichten. Die von IPSec verwendeten Schlüssel sind nicht von dem Sitzungsschlüssel selbst abgeleitet. Stattdessen wird für jeden Telefonanruf ein weiterer zufallsverteilter Schlüssel (d. h. ein Unterschlüssel) erzeugt und dann dafür verwendet, die IPSec-Schlüssel abzuleiten. Auf diese Weise braucht die Signalisierungssteuereinheit ihren Zustand nicht beizubehalten. Nachdem sie alle erforderlichen Schlüssel aus dem Unterschlüssel abgeleitet und Signalisierungsnachrichten mit dem CTA ausgetauscht hat, kann die Signalisierungssteuereinheit das Ticket zusammen mit allen zugehörigen Schlüsseln verwerfen.
  • Die Verwendung des Kerberos-Protokolls mit der PKINIT-Erweiterung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bietet mehrere Vorteile. So muss zum Beispiel die Signalisierungssteuereinheit ihren Zustand nicht beibehalten – Kerberos-Tickets brauchen nur von den Endpunkten (CTAs) behalten zu werden. Außerdem können IPSec-Sicherheitsassoziationen abgebaut werden, wenn sie nicht länger gebraucht werden, und mit effizienter Schlüsselverwaltung auf der Basis der Kerberos-Tickets schnell wieder eingerichtet werden. Das Protokoll läuft über sowohl TCP- als auch UDP-Protokolle und ist ein weithin erhältlicher Standard, wobei verschiedene Anbieter sowohl Kerberos als auch PKINIT unterstützen.
  • In einer Ausführungsform innerhalb des PKINIT-Protokolls wird RSA sowohl für Schlüssellieferung als auch Authentifizierung verwendet. In einer anderen Ausführungsform kann eine PKINIT-Option verwendet werden, wobei Diffie-Hellman für den Schlüsselaustausch verwendet wird und RSA zur Authentifizierung verwendet wird. Im Allgemeinen eignen sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit allen öffentlichen Schlüsselalgorithmen in PKINIT sowohl zur Authentifizierung als auch für Schlüsselaustausche.
  • 2 zeigt ein Nachrichtenaustauschschema 200, das veranschaulicht, wie der CTA Kerberos verwendet, um den Unterschlüssel zu erhalten, der wiederum dazu verwendet wird, um IPSec-ESP-Schlüssel für die Signalisierungsnachrichten vom CTA zur Signalisierungssteuereinheit abzuleiten. In dem Austauschschema 200 werden nur einige der Informationen, die in den Nachrichten befördert werden, bereitgestellt, um eine deutliche Beschreibung des Protokolls zu präsentieren. Das Austauschschema 200 zeigt Nachrichten, die an dem CTA 102 übertragen oder empfangen werden, bei Linie 220, Nachrichten, die an dem KDC 112 übertragen oder empfangen werden, bei Linie 222 und Nachrichten, die an der Signalisierungssteuereinheit 110 übertragen oder empfangen werden, bei Linie 224.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm 300, das veranschaulicht, wie die Nachrichten von 2 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgetauscht werden.
  • Bei Block 302 wird eine PKINIT-Anforderung, die ein Sicherheitsticket anfordert, welches in der Form des oben näher erörterten Kerberos-Tickets vorliegen könnte, von dem CTA 102 an das KDC 112 gesendet, wie durch Nachricht 202 gezeigt. Diese Anforderung schließt die CTA-Signatur und das CTA-Zertifikat ein, welche von dem KDC verwendet werden, um den CTA zu authentifizieren. Diese Anforderung befördert auch die aktuelle Zeit, die von dem KDC verwendet wird, um zu verifizieren, dass diese Nachricht keine Wiedergabe oder Neuübertragung einer alten Nachricht ist. Die PKINIT-Anforderung enthält auch einen Zufallswert (Nonce genannt), der verwendet wird, um eine nachfolgende PKINIT-Antwortnachricht an diese Anforderung zu binden. Falls ein Diffie-Hellman-Austausch verwendet wird, schließt der CTA auch seine Diffie-Hellman-Parameter und den öffentlichen Wert in der PKINIT-Anforderung ein.
  • Bei Block 304 empfängt und verifiziert das KDC 112 die PKINIT-Anforderung und gibt dann an den CTA ein Sicherheitsticket für die Signalisierungssteuereinheit aus (hier im Folgenden als Signalisierungssteuereinheit-Ticket oder SC-Ticket bezeichnet), welches mit dem Dienstschlüssel der Signalisierungssteuereinheit verschlüsselt ist. Im Inneren dieses verschlüsselten Sicherheitstickets befinden sich ein symmetrischer Sitzungsschlüssel, seine Gültigkeitsdauer und die CTA-Identität. In diesem Schritt wird außerdem das Sicherheitsticket in einer PKINIT-Antwort, die von Nachricht 204 gezeigt wird, zurück an den CTA 102 geschickt. Die PKINIT-Antwortnachricht enthält auch das Zertifikat des KDC und die Signatur zur Authentifizierung des KDC, zusammen mit der Nonce von der PKINIT-Anforderung, um gegen Wiedergaben zu schützen. Wenn ein Diffie-Hellman-Austausch verwendet wird, platziert das KDC auch seinen öffentlichen Diffie-Hellman-Wert in dieser Nachricht.
  • Die PKINIT-Antwort enthält auch eine zweite Kopie des Sitzungsschlüssels und seine in dem Sicherheitsticket zu findende Gültigkeitsdauer – vorgesehen, um von dem CTA entschlüsselt und verwendet zu werden. Diese zweite Kopie des Sitzungsschlüssels und seine zugehörigen Attribute sind entweder mit einem Diffie-Hellman abgeleiteten, geheimen Schlüssel verschlüsselt oder mit dem öffentlichen Schlüssel des CTA umhüllt. Umhüllt bedeutet hier, dass der Sitzungsschlüssel zusammen mit seinen zugehörigen Attributen nicht direkt mit dem öffentlichen Schlüssel des CTA verschlüsselt ist. In der PKINIT-Antwort wird der öffentliche Schlüssel verwendet, um einen zufallsverteilten symmetrischen Schlüssel zu verschlüsseln, der wiederum verwendet wird, um einen anderen symmetrischen Schlüssel zu verschlüsseln, der dann schließlich dazu verwendet wird, den Sitzungsschlüssel und seine Attribute zu verschlüsseln. Diese Ausführungsform verwendet den PKINIT Standard so, wie er ist, selbst wenn in diesem Fall Vereinfachungen an der PKINIT-Antwort möglich scheinen. Wird kein Diffie-Hellman-Austausch verwendet, dann enthält die Antwort Nachrichtenelemente, wie bei 226 gezeigt.
  • Bei Block 306 wird eine Anwendungsanforderung (AP-Anforderung), die einen Unterschlüssel anfordert, von dem CTA 102 an die Signalisierungssteuereinheit 110 gesendet, wie von Nachricht 206 gezeigt. Hierbei hat ein CTA bereits ein Signalisierungssteuereinheit-Ticket erhalten und initialisiert nun eine Schlüsselverwaltung mit der Signalisierungssteuereinheit, indem er ihr eine AP-Anforderungsnachricht sendet. Die AP-Anforderung enthält das Signalisierungssteuereinheit-Ticket zusammen mit dem CTA-Namen, dem Zeitstempel und einem Nachrichten-Hash, die alle mit dem SC-Sitzungsschlüssel verschlüsselt sind. Der Zeitstempel wird verwendet, um auf Wiedergaben von alten AP-Anforderungsnachrichten hin zu prüfen.
  • Bei Block 308 empfängt die Signalisierungssteuereinheit 110 eine AP- Anforderung. Mit ihrem Dienstschlüssel entschlüsselt sie zunächst das Sicherheitsticket und validiert es. Dann nimmt sie den Sitzungsschlüssel aus dem Ticket und verwendet ihn, um den Rest der AP-Anforderung zu entschlüsseln und zu validieren. Die Signalisierungssteuereinheit erzeugt dann einen zufallsverteilten Unterschlüssel und verschlüsselt ihn zusammen mit dem aktuellen Zeitstempel mit dem Sitzungsschlüssel. Sie platziert diese Informationen in eine AP-Antwortnachricht 208 und sendet sie zurück an den CTA.
  • Bei Block 310 empfängt und validiert der CTA die AP-Antwort, woraufhin er den Unterschlüssel mit der Signalisierungssteuereinheit teilt. Beide Seiten leiten unabhängig voneinander (mit irgendeiner Einwegfunktion) aus diesem Unterschlüssel einen Satz IPSec-Verschlüsselungs- und Authentifizierungsschlüssel ab. Daraufhin sind alle Signalisierungsnachrichten zwischen dem CTA und der Signalisierungssteuereinheit mit einem IPSec-Kanal geschützt. Diese Einrichtung des IPSec-Kanals ist symbolisch bei 210 in 2 veranschaulicht – obwohl dieser Schritt keinen Nachrichtenaustausch involviert.
  • In der in 2 und 3 abgebildeten Ausführungsform der Erfindung wird der PKINIT-Austausch in großen Intervallen durchgeführt, um einen symmetrischen Zwischensitzungsschlüssel zu erhalten. Dieser Sitzungsschlüssel wird von dem CTA und der Signalisierungssteuereinheit (über das Signalisierungssteuereinheit-Ticket) geteilt.
  • In dieser Ausführungsform werden die PKINIT-Anforderungs-/Antwortnachrichten, die bei 202 und 204 gezeigt sind, über eine TCP/IP-Verbindung gesendet. Dies liegt daran, dass eine einzelne PKINIT-Anforderungs- oder Antwortnachricht, die einen öffentlichen Schlüssel und Diffie-Hellman-Informationen enthält, zu groß sein kann, um in ein einzelnes UDP-Paket zu passen. Die Verwendung von TCP-Protokoll anstelle von UDP-Protokoll kann eine gewisse Auswirkung auf die Leistung haben, aber da der PKINIT-Austausch in seltenen Intervallen erfolgt (im Abstand von Tagen oder Wochen) und nicht an Telefonanrufe gebunden ist, ist die Auswirkung auf die Leistung nicht signifikant.
  • Der Sitzungsschlüssel wird in den AP-Anforderungs- und AP-Antwortnachrichten, die bei 206, 208 gezeigt sind, verwendet und für jeden Telefonanruf ausgetauscht, um einen symmetrischen Unterschlüssel einzurichten. Dieser Unterschlüssel wird verwendet, um alle IPSec-ESP-Schlüssel und Anfangsfolgenummern, die für beide Richtungen verwendet werden, abzuleiten. Die AP-Anforderungs- und AP-Antwortnachrichten sind klein genug, um in ein einzelnes UDP-Paket zu passen, und laufen daher über UDP-Protokoll.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine hoch skalierbare Schlüsselverwaltungsarchitektur für sichere Client-Server-Systeme, die in IP-Telefonie-Netzen verwendet werden, bereit. Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass Abwandlungen an den obigen Verfahren und Ausführungsformen auftreten können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Demgemäß sollen die hiesigen Offenbarungen und Beschreibungen den Bereich der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, veranschaulichen, aber nicht einschränken.

Claims (4)

  1. Ein Verfahren zum Einrichten eines sicheren Kanals zwischen einem IP-Telefonie-Endpunkt (102, 220) und einem Server (110, 224) in einem IP-Telefonie-Netz (100), wobei der Endpunkt (102, 220) an einen Verbraucher (104) gekoppelt ist und der Server (110, 224) an das IP-Telefonie-Netz (100) gekoppelt ist, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Übertragen einer Anforderung eines Sicherheitstickets von dem Endpunkt (102, 220) an ein Schlüsselverteilungszentrum (112, 222) (202); Empfangen des Sicherheitstickets von dem Schlüsselverteilungszentrum (112, 222) (204); Übertragen des Sicherheitstickets zusammen mit einer Anforderung eines Unterschlüssels, der unter Verwendung eines Sitzungsschlüssels verschlüsselt ist, vom Endpunkt (102, 220) zum Server (110, 224) (206); Validieren des Sicherheitstickets an dem Server (110, 224) unter Verwendung des Sitzungsschlüssels, um die Unterschlüsselanforderung zu entschlüsseln, und Erzeugen eines Unterschlüssels, der mit dem Sitzungsschlüssel verschlüsselt und an den Endpunkt (102, 220) gesendet wird (308); Empfangen des Unterschlüssels von dem Server (110, 224) (208); und Einrichten eines sicheren Kanals zwischen dem Endpunkt (102, 220) und dem Server (110, 224) unter Verwendung des Unterschlüssels (310).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Endpunkt (102, 220) ein Kabeltelefonadapter (102) ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Server (110, 224) eine Signalisierungssteuereinheit (110) ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der sichere Kanal ein IPSec-Kanal ist.
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