無線局域網(wǎng)中RADIUS協(xié)議的分析和設(shè)計(jì)

1 引言

　　遠(yuǎn)程認(rèn)證撥號(hào)用戶服務(wù)協(xié)議（Remote Authentication Dial In User Service, RADIUS）最初是由Livingston公司提出的一個(gè)為撥號(hào)用戶提供認(rèn)證和計(jì)費(fèi)的協(xié)議。后經(jīng)多次改進(jìn)，逐漸成為一項(xiàng)通用的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證、計(jì)費(fèi)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(luò)接入服務(wù)器（NAS），它向RADIUS服務(wù)器提交認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等信息，RADIUS服務(wù)器處理信息并將結(jié)果返回給NAS。

　　RADIUS協(xié)議的應(yīng)用范圍很廣，在移動(dòng)、數(shù)據(jù)、智能網(wǎng)等業(yè)務(wù)的認(rèn)證、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中都有所應(yīng)用。無線局域網(wǎng)的802.1X認(rèn)證框架中，在認(rèn)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(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方案。

　　2 RADIUS協(xié)議

　　2.1  WLAN網(wǎng)絡(luò)模型

　　實(shí)際商用的無線局域網(wǎng)，可以用局域網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)802.1X認(rèn)證協(xié)議中的端口控制功能。為保證網(wǎng)絡(luò)的安全性，在無線局域網(wǎng)的出口和認(rèn)證端應(yīng)加上防火墻。RADIUS服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)還可以采取主、備結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

　　網(wǎng)絡(luò)模型如下圖所示：

　　圖1  無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　無線局域網(wǎng)的認(rèn)證端由RADIUS服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器（NAS）和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中：

　　NAS：作為RADIUS服務(wù)器的客戶端，向RADIUS服務(wù)器轉(zhuǎn)交用戶的認(rèn)證信息。并在用戶通過認(rèn)證之后，向RADIUS服務(wù)器發(fā)送計(jì)費(fèi)信息。

　　RADIUS服務(wù)器：作為認(rèn)證系統(tǒng)的中心服務(wù)器，它與NAS、數(shù)據(jù)庫(kù)相連，它接受來自NAS提交的信息，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，并把處理結(jié)果返回給NAS。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)：用于保存所有的用戶信息、計(jì)費(fèi)信息和其他信息。用戶信息由網(wǎng)絡(luò)管理員添加至數(shù)據(jù)庫(kù)中；計(jì)費(fèi)信息來自于RADIUS服務(wù)器；其他信息包括日志信息等。

　　2.2  RADIUS的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

　　RADIUS是應(yīng)用層的協(xié)議，在傳輸層它的報(bào)文被封裝在UDP的報(bào)文中，進(jìn)而封裝進(jìn)IP包。RADIUS認(rèn)證使用1812端口，計(jì)費(fèi)使用1813端口。

　　以太網(wǎng)上的RADIUS封裝后的包結(jié)構(gòu)：

　　RADIUS數(shù)據(jù)包分為5個(gè)部分：

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

　　接入請(qǐng)求（Access-Request），Code=1；接入應(yīng)答（Access-Accept），Code=2；接入拒絕（Access-Reject），Code=3；計(jì)費(fèi)請(qǐng)求（Accounting-Request），Code=4等。

　?。?）Identifier:一個(gè)字節(jié)，用于請(qǐng)求和應(yīng)答包的匹配。

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

　?。?）Authenticator:16個(gè)字節(jié)，用于驗(yàn)證服務(wù)器端的應(yīng)答，另外還用于用戶口令的加密。RADIUS服務(wù)器和NAS的共享密鑰(Shared Secret)與請(qǐng)求認(rèn)證碼(Request Authenticator)和應(yīng)答認(rèn)證碼(Response Authenticator)，共同支持發(fā)、收?qǐng)?bào)文的完整性和認(rèn)證。另外，用戶密碼不能在NAS和RADIUS 服務(wù)器之間用明文傳輸，而一般使用共享密鑰(Shared Secret)和認(rèn)證碼(Authenticator)通過MD5加密算法進(jìn)行加密隱藏。

　?。?）Attributes:不定長(zhǎng)度，最小可為0個(gè)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(rèn)證、計(jì)費(fèi)過程

　　如圖1網(wǎng)絡(luò)模型所示：

　　（1）申請(qǐng)者登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)，NAS會(huì)有一個(gè)客戶定義的Login提示符要求申請(qǐng)者輸入用戶信息（用戶名和口令），申請(qǐng)者輸入相關(guān)的認(rèn)證信息后，等待認(rèn)證結(jié)果。

　　（2）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(wù)器發(fā)出“接入請(qǐng)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(wù)器的ID、訪問端口的ID。

　　（3）當(dāng)RADIUS服務(wù)器收到“接入請(qǐng)求”包后，首先驗(yàn)證NAS的共享密碼與RADIUS服務(wù)器中預(yù)先設(shè)定的是否一致，以確認(rèn)是所屬的RADIUS客戶端。在查驗(yàn)了包的正確性之后，RADIUS服務(wù)器會(huì)依據(jù)包中的用戶名在用戶數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)立即停止用戶連接端口的服務(wù)要求，用戶被強(qiáng)制退出。

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

　?。?）當(dāng)所有的驗(yàn)證條件和握手會(huì)話均通過后，RADIUS服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)根據(jù)包中的配置信息限定用戶的具體網(wǎng)絡(luò)訪問能力。包括服務(wù)類型：SLIP、PPP、Login User、Rlogin、Framed、Callback等等。還包括與服務(wù)類型相關(guān)的配置信息：IP地址、時(shí)間限制等等。

　?。?）在所有的驗(yàn)證、授權(quán)完成后，局域網(wǎng)交換機(jī)的控制端口被打開。用戶可以通過交換機(jī)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，NAS向RADIUS服務(wù)器發(fā)送 “計(jì)費(fèi)請(qǐng)求開始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服務(wù)器開始計(jì)費(fèi)。當(dāng)用戶下網(wǎng)時(shí)，NAS向RADIUS服務(wù)器發(fā)送“計(jì)費(fèi)請(qǐng)求結(jié)束”包（Accounting-Request Stop），RADIUS服務(wù)器根據(jù)計(jì)費(fèi)包的信息計(jì)算用戶使用網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用。WLAN模型中RADIUS認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)#e#

　　3  WLAN模型中RADIUS認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1  WLAN網(wǎng)絡(luò)模型的簡(jiǎn)化

　　在實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境下，由于網(wǎng)絡(luò)用戶少，可以采用中、小型的數(shù)據(jù)庫(kù)來存放所需信息，并可以將RADIUS服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)在同一主機(jī)上實(shí)現(xiàn)。局域網(wǎng)交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)端口控制功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化如下：

　　圖2  實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下WLAN網(wǎng)絡(luò)模型

　　3.2  NAS設(shè)計(jì)

　?。?）RADIUS客戶端處理程序：負(fù)責(zé)接收申請(qǐng)者的信息；向RADIUS服務(wù)器提交認(rèn)證、計(jì)費(fèi)、管理等數(shù)據(jù)包；向申請(qǐng)者返回相應(yīng)結(jié)果。

　　（2）服務(wù)器管理程序：為了方便網(wǎng)絡(luò)管理員對(duì)RADIUS服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，在NAS主機(jī)上，還可以運(yùn)行服務(wù)器管理程序，管理程序的功能應(yīng)該包括有：管理員模塊（添加、刪除網(wǎng)絡(luò)管理員，設(shè)置管理員權(quán)限等）；用戶信息模塊（實(shí)現(xiàn)用戶的查詢、添加、刪除等操作）；計(jì)費(fèi)信息模塊（查詢用戶的計(jì)費(fèi)信息，創(chuàng)建、修改、刪除各種不同的計(jì)費(fèi)方式，）；日志信息模塊等。

　　（3）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(shí)現(xiàn)，最簡(jiǎn)單的方法是采用Web方式提交。在NAS上建立一個(gè)Web服務(wù)器，這樣，用戶可以直接使用瀏覽器來和NAS交互，Web服務(wù)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(qǐng)求（Access-Request）包格式，通過認(rèn)證端口（1812）向RADIUS服務(wù)器提出認(rèn)證請(qǐng)求。

　?。?）計(jì)費(fèi)信息的提交：認(rèn)證通過之后，NAS客戶端程序通過認(rèn)證端口（1812）向RADIUS服務(wù)器發(fā)送包含有用戶名、用戶IP、上網(wǎng)起始時(shí)間等信息的“計(jì)費(fèi)請(qǐng)求開始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服務(wù)器開始計(jì)費(fèi)。RADIUS服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中紀(jì)錄下相應(yīng)項(xiàng)，并返回“計(jì)費(fèi)響應(yīng)”包（Accounting-Response）。當(dāng)用戶下網(wǎng)時(shí)，NAS向RADIUS服務(wù)器發(fā)送包含有結(jié)束時(shí)間、數(shù)據(jù)流量等信息的“計(jì)費(fèi)請(qǐng)求結(jié)束”包（Accounting-Request Stop）。后者返回“計(jì)費(fèi)響應(yīng)”包（Accounting-Response）確認(rèn)。

　?。?）服務(wù)器管理程序的提交：也通過RADIUS客戶端處理程序來向RADIUS服務(wù)器提交。客戶端處理程序?qū)⒐芾沓绦虻恼?qǐng)求包裝成標(biāo)準(zhǔn)的RADIUS包格式，并通過為服務(wù)器管理程序定義一個(gè)端口號(hào)提交給RADIUS服務(wù)器。

　　3.3  RADIUS服務(wù)器設(shè)計(jì)

　　RADIUS服務(wù)器處理來自NAS的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，并返回相應(yīng)的結(jié)果。RADIUS客戶端和服務(wù)器端的協(xié)議通信采用Socket編程來實(shí)現(xiàn)。

　　（1）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作：RADIUS服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫(kù)接口與數(shù)據(jù)庫(kù)建立起連接。在RADIUS服務(wù)器中用SQL語句實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊（如：用戶、計(jì)費(fèi)、管理員等信息的查詢、添加、修改等操作），當(dāng)RADIUS服務(wù)器需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作時(shí)，就調(diào)用相應(yīng)的模塊。

　?。?）認(rèn)證包處理：通過*認(rèn)證端口（1812），來監(jiān)測(cè)NAS提交的認(rèn)證數(shù)據(jù)包，收到認(rèn)證包后，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)驗(yàn)證用戶，并把結(jié)果以RADIUS數(shù)據(jù)包格式從1812端口返回。對(duì)于多個(gè)用戶申請(qǐng)并發(fā)的情況，使用多線程方式處理。

　?。?）計(jì)費(fèi)包的處理：當(dāng)用戶的認(rèn)證通過時(shí)，查詢?cè)撚脩粲?jì)費(fèi)信息。確定其計(jì)費(fèi)類型、費(fèi)率等。當(dāng)*到NAS在計(jì)費(fèi)端口（1813）提交計(jì)費(fèi)包后，就向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加“計(jì)費(fèi)請(qǐng)求開始”包中所提交的計(jì)費(fèi)信息（包括用戶名、上網(wǎng)起始時(shí)間等）。在收到用戶下網(wǎng)的“計(jì)費(fèi)請(qǐng)求結(jié)束”后，根據(jù)包中提交的用戶結(jié)束時(shí)間、數(shù)據(jù)流量等信息，計(jì)算用戶的上網(wǎng)時(shí)長(zhǎng)和數(shù)據(jù)流量，并根據(jù)用戶計(jì)費(fèi)類型來計(jì)算出用戶本次上網(wǎng)費(fèi)用，記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

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

　　3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

　　用于保存所有的用戶信息、計(jì)費(fèi)信息等。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的表項(xiàng)至少應(yīng)包括以下幾類：

　?。?） 用戶信息：包括用戶名、口令、認(rèn)證方式、訪問權(quán)限、付費(fèi)方式等。

　　（2） 授權(quán)信息：服務(wù)器返回給用戶的授權(quán)等配置信息，如服務(wù)類型，會(huì)話時(shí)間等。

　　（3） 計(jì)費(fèi)信息：存放與計(jì)費(fèi)有關(guān)的各種統(tǒng)計(jì)信息。如：上網(wǎng)時(shí)間、計(jì)費(fèi)費(fèi)率、用戶

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

　?。?） 管理員信息：網(wǎng)絡(luò)管理員的ID號(hào)和口令、管理員的權(quán)限。

　?。?） NAS信息：RADIUS服務(wù)器所屬的各NAS紀(jì)錄。包括各NAS的ID號(hào)、與

　　RADIUS服務(wù)器的共享密碼等。

　?。?） 日志信息：保存用戶上網(wǎng)的歷史記錄、網(wǎng)絡(luò)管理員的登錄及操作紀(jì)錄。

　　3.5認(rèn)證端各部分的實(shí)現(xiàn)：

　　操作系統(tǒng)：RADIUS服務(wù)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(gòu)建一個(gè)支持JSP的Web服務(wù)器，這樣申請(qǐng)者可以通過Web頁(yè)面來提交登錄信息。服務(wù)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(shí)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(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)給RADIUS服務(wù)器。

　　(2) 數(shù)據(jù)庫(kù)：

　　采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，MySQL是一個(gè)多用戶、多線程SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。它由一個(gè)服務(wù)器守護(hù)程序mysqld和很多不同的客戶程序和庫(kù)組成。Red Hat 9.0中自帶有MySQL服務(wù)，將服務(wù)啟動(dòng)即可。我們可以將RADIUS服務(wù)器與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)相連，建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)用戶信息和計(jì)費(fèi)信息進(jìn)行有效的管理。

　　(3) RADIUS服務(wù)器 ：

　　采用freeradius-0.9.0來搭建RADIUS服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)RADIUS協(xié)議，并使用RADIUS服務(wù)器的EAP-Identity認(rèn)證方式（即：RADIUS服務(wù)器對(duì)申請(qǐng)者的用戶名和口令進(jìn)行認(rèn)證）。另外，實(shí)現(xiàn)時(shí)，在freeradius的源碼中添加了數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊以及服務(wù)器管理程序處理模塊。

　　freeradius支持訪問SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，首先需要建立RADIUS數(shù)據(jù)庫(kù)（以MySQL為例：mysql -uroot -prootpass radius < db_mysql.sql），建立后的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)包含如下一些表項(xiàng)：radcheck：用于指明用戶的認(rèn)證方式；radgroupcheck：將用戶分組進(jìn)行管理，指明各組的屬性，如限定有些用戶組默認(rèn)的認(rèn)證結(jié)果就是Accept或Reject；radgroupreply：對(duì)各用戶組設(shè)定回應(yīng)的屬性；usergroup：指明用戶與組的關(guān)系；radacct：存放與計(jì)費(fèi)有關(guān)的各種統(tǒng)計(jì)信息。我們還可以添加一些我們所需的其他表項(xiàng)。

　　4  結(jié)束語

　　RADIUS協(xié)議最初作為撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議，由于它易于管理、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，而逐漸被廣泛使用，成為多種網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)的協(xié)議。但RADIUS協(xié)議仍然存在諸如：基于Response Authenticatior對(duì)共享密鑰的攻擊、基于User-Password屬性對(duì)用戶密碼的攻擊等安全缺陷。這些都有待于作進(jìn)一步的研究和完善。