无线局域网中RADIUS协议原理与实现.doc

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无线局域网中RADIUS协议原理与实现

　1 引言
　　远程认证拨号用户服务协议（Remote Authentication Dial In User Service, RADIUS）最初是由Livingston公司提出的一个为拨号用户提供认证和计费的协议。后经多次改进，逐渐成为一项通用的网络认证、计费协议，并定义于IETF提交的RFC2865和RFC2866文件中。RADIUS协议以Client/Server方式工作，客户端为网络接入服务器（NAS），它向RADIUS服务器提交认证、计费等信息，RADIUS服务器处理信息并将结果返回给 NAS。
　　RADIUS协议的应用范围很广，在移动、数据、智能网等业务的认证、计费系统中都有所应用。无线局域网的802.1X认证框架中，在认证端也建议使用RADIUS协议。
　　本文将论述RADIUS协议的原理，并探讨它在WLAN中的应用及实现方案。
　　2 RADIUS协议
　　2.1 WLAN网络模型
　　实际商用的无线局域网，可以用局域网交换机来实现802.1X认证协议中的端口控制功能。为保证网络的安全性，在无线局域网的出口和认证端应加上防火墙。RADIUS服务器和数据库还可以采取主、备结构，以保证网络的健壮性。
　　网络模型如下图所示：

图1 无线局域网网络模型
　　无线局域网的认证端由RADIUS服务器、网络接入服务器（NAS）和数据库组成。其中：
　　NAS：作为RADIUS服务器的客户端，向RADIUS服务器转交用户的认证信息。并在用户通过认证之后，向RADIUS服务器发送计费信息。
　　RADIUS服务器：作为认证系统的中心服务器，它与NAS、数据库相连，它接受来自NAS提交的信息，对数据库进行相应的操作，并把处理结果返回给NAS。
　　数据库：用于保存所有的用户信息、计费信息和其他信息。用户信息由网络管理员添加至数据库中；计费信息来自于RADIUS服务器；其他信息包括日志信息等。
　　2.2 RADIUS的数据包结构
　　RADIUS是应用层的协议，在传输层它的报文被封装在UDP的报文中，进而封装进IP包。 RADIUS认证使用1812端口，计费使用1813端口。
　　以太网上的RADIUS封装后的包结构：
来
RADIUS数据包分为5个部分：
　　（1） Code:1个字节，用于区分RADIUS包的类型：常用类型有：
　　接入请求（Access-Request），Code=1；接入应答（Access-Accept），Code=2；接入拒绝（Access- Reject），Code=3；计费请求（Accounting-Request），Code=4等。
　　（2）Identifier:一个字节，用于请求和应答包的匹配。
　　（3）Length:两个字节，表示RADIUS数据区（包括Code, Identifier, Length, Authenticator, Attributes）的长度，单位是字节，最小为20，最大为4096。
　　（4）Authenticator:16个字节，用于验证服务器端的应答，另外还用于用户口令的加密。RADIUS服务器和NAS的共享密钥 (Shared Secret)与请求认证码(Request Authenticator)和应答认证码(Response Authenticator)，共同支持发、收报文的完整性和认证。另外，用户密码不能在NAS和RADIUS 服务器之间用明文传输，而一般使用共享密钥(Shared Secret)和认证码(Authenticator)通过MD5加密算法进行加密隐藏。
　　（5）Attributes:不定长度，最小可为0个字节，描述RADIUS协议的属性，如用户名、口令、IP地址等信息都是存放在本数据段。
　　2.3 RADIUS的认证、计费过程
　　如图1网络模型所示：
　　（1）申请者登录网络时，NAS会有一个客户定义的Login提示符要求申请者输入用户信息（用户名和口令），申请者输入相关的认证信息后，等待认证结果。
　　（2）NAS在得到用户信息后，将根据RADIUS的数据包格式，向RADIUS服务器发出“接入请求”（Access-Request）包。包中一般包括以下RADIUS属性值：用户名、用户口令、访问服务器的ID、访问端口的ID。
　　（3）当RADIUS服务器收到“接入请求”包后，首先验证NAS的共享密码与RADIUS服务器中预先设定的是否一致，以确认是所属的 RADIUS客户端。在查验了包的正确性之后，RADIUS服务器会依据包中的用户名在用户数据库中查询是否有此用户记录。如果用户信息不符合，就向 NAS发出“接入拒绝”（Access-Reject）包。NAS在收到拒绝包后，会立即停止用户连接端口的服务要求，用户被强制退出。
　　（4）如果用户信息全部符合，服务器向NAS发出“接入质询”包（Access-Challenge），对用户的登录请求作进一步的验证。其中包括：用户口令、用户登录访问服务器的IP、用户登录的物理端口号等。NAS收到“接入质询”包后，将消息显示给用户，要求用户进一步确认登录请求。用户再次确认后，RADIUS服务器将比较两次的请求信息，决定如何响应用户（发送Access-Accept、Access-Reject或再一次的 Access-Challenge）。
　　（5）当所有的验证条件和握手会话均通过后，RADIUS服务器会将数据库中的用户配置信息放在“接入接受”（Access-Accept）包中返回给NAS，后者会根据包中的配置信息限定用户的具体网络访问能力。包括服务类型：SLIP、PPP、Login User、Rlogin、Framed、Callback等等。还包括与服务类型相关的配置信息：IP地址、时间限制等等。
　　（6）在所有的验证、授权完成后，局域网交换机的控制端口被打开。用户可以通过交换机进入网络。同时，NAS向RADIUS服务器发送 “计费请求开始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服务器开始计费。当用户下网时，NAS向RADIUS服务器发送“计费请求结束”包（Accounting- Request Stop），RADIUS服务器根据计费包的信息计算用户使用网络的费用。
　　3 WLAN模型中RADIUS认证系统的设计与实现
　　3.1 WLAN网络模型的简化
　　在实验室的模拟环境下，由于网络用户少，可以采用中、小型的数据库来存放所需信息，并可以将RADIUS服务器与数据库在同一主机上实现。局域网交换机可以实现端口控制功能。网络结构可简化如下：

图2 实验室环境下WLAN网络模型
3.2 NAS设计
　　（1）RADIUS客户端处理程序：负责接收申请者的信息；向RADIUS服务器提交认证、计费、管理等数据包；向申请者返回相应结果。
　　（2）服务器管理程序：为了方便网络管理员对RADIUS服务器和数据库的管理，在NAS主机上，还可以运行服务器管理程序，管理程序的功能应该包括有：管理员模块（添加、删除网络管理员，设置管理员权限等）；用户信息模块（实现用户的查询、添加、删除等操作）；计费信息模块（查询用户的计费信息，创建、修改、删除各种不同的计费方式，）；日志信息模块等。
　　（3）用户信息的提交：用户需要向NAS提交用户信息，有多种方法可以实现，最简单的方法是采用Web方式提交。在NAS上建立一个Web服务器，这样，用户可以直接使用浏览器来和NAS交互，Web服务器接受到用户提交的信息后，把这些信息传给RADIUS的客户端处理程序。后者把这些信息封装成 RADIUS的接入请求（Access-Request）包格式，通过认证端口（1812）向RADIUS服务器提出认证请求。
　　（4）计费信息的提交：认证通过之后，NAS客户端程序通过认证端口（1812）向RADIUS服务器发送包含有用户名、用户IP、上网起始时间等信息的“计费请求开始”包（Accounting-Request Start），通知RADIUS服务器开始计费。RADIUS服务器在数据库中纪录下相应项，并返回“计费响应”包（Accounting- Response）。当用户下网时，NAS向RADIUS服务器发送包含有结束时间、数据流量等信息的“计费请求结束”包（Accounting- Request Stop）。后者返回“计费响应”包（Accounting-Response）确认。
　　（5）服务器管理程序的提交：也通过RADIUS客户端处理程序来向RADIUS服务器提交。客户端处理程序将管理程序的请求包装成标准的 RADIUS包格式，并通过为服务器管理程序定义一个端口号提交给RADIUS服务器。
　　3.3 RADIUS服务器设计
　　RADIUS服务器处理来自NAS的各项数据和实现对数据库的操作，并返回相应的结果。RADIUS客户端和服务器端的协议通信采用Socket编程来实现。
　　（1）对数据库的操作：RADIUS服务器通过数据库接口与数据库建立起连接。在RADIUS服务器中用SQL语句实现所需的数据库操作模块（如：用户、计费、管理员等信息的查询、添加、修改等操作），当RADIUS服务器需要对数据库操作时，就调用相应的模块。
　　（2）认证包处理：通过*认证端口（1812），来监测NAS提交的认证数据包，收到认证包后，查询数据库验证用户，并把结果以RADIUS数据包格式从1812 端口返回。对于多个用户申请并发的情况，使用多线程方式处理。
　　（3）计费包的处理：当用户的认证通过时，查询该用户计费信息。确定其计费类型、费率等。当*到NAS在计费端口（1813）提交计费包后，就向数据库中添加“计费请求开始”包中所提交的计费信息（包括用户名、上网起始时间等）。在收到用户下网的“计费请求结束”后，根据包中提交的用户结束时间、数据流量等信息，计算用户的上网时长和数据流量，并根据用户计费类型来计算出用户本次上网费用，记录入数据库。
　　（4）服务器管理程序请求的处理：*管理程序请求的端口（自定义），收到后解包并执行相应的处理函数。
　　3.4 数据库的设计
　　用于保存所有的用户信息、计费信息等。数据库中包含的表项至少应包括以下几类：
　　（1） 用户信息：包括用户名、口令、认证方式、访问权限、付费方式等。
　　（2） 授权信息：服务器返回给用户的授权等配置信息，如服务类型，会话时间等。
　　（3） 计费信息：存放与计费有关的各种统计信息。如：上网时间、计费费率、用户
　　的历次上网的数据流量和费用、用户帐户余额等。
　　（4） 管理员信息：网络管理员的ID号和口令、管理员的权限。
　　（5） NAS信息：RADIUS服务器所属的各NAS纪录。包括各NAS的ID号、与
　　RADIUS服务器的共享密码等。
　　（6） 日志信息：保存用户上网的历史记录、网络管理员的登录及操作纪录。
　　3.5认证端各部分的实现：
　　操作系统：RADIUS服务器和NAS均采用Linux(Red Hat 9.0,内核Linux-2.4.20-8)作为操作系统。
　　(1) NAS：
　　用Apache和Tomcat构建一个支持JSP的Web服务器，这样申请者可以通过Web页面来提交登录信息。服务器管理程序主要是处理系统管理员的信息，用QT3.0完成用户界面。RADIUS客户端程序（C语言实现）将用户或系统管理员提交的消息封装成RADIUS包，并通过相应的端口转发给 RADIUS服务器。
　　(2) 数据库：
　　采用MySQL数据库来实现，MySQL是一个多用户、多线程SQL数据库服务器。它由一个服务器守护程序mysqld和很多不同的客户程序和库组成。Red Hat 9.0中自带有MySQL服务，将服务启动即可。我们可以将RADIUS服务器与SQL数据库相连，建立用户数据库和计费数据库，对用户信息和计费信息进行有效的管理。
　　(3) RADIUS服务器 ：
　　采用freeradius-0.9.0来搭建RADIUS服务器，实现RADIUS协议，并使用RADIUS服务器的EAP-Identity认证方式（即：RADIUS服务器对申请者的用户名和口令进行认证）。freeradius的代码是开源的，可以在www.freeradius.org上下载。另外，实现时，在freeradius的源码中添加了数据库处理模块以及服务器管理程序处理模块。
　　freeradius支持访问SQL数据库，首先需要建立RADIUS数据库（以MySQL 为例：mysql -uroot -prootpass radius < db_mysql.sql），建立后的数据库会包含如下一些表项：rADCheck：用于指明用户的认证方式；radgroupcheck：将用户分组进行管理，指明各组的属性，如限定有些用户组默认的认证结果就是Accept或Reject；radgroupreply：对各用户组设定回应的属性； usergroup：指明用户与组的关系；raDACct：存放与计费有关的各种统计信息。我们还可以添加一些我们所需的其他表项。
　　4 结束语
　　RADIUS协议最初作为拨号网络中协议，由于它易于管理、可扩展性好等特点，而逐渐被广泛使用，成为多种网络的认证、授权和计费的协议。但 RADIUS协议仍然存在诸如：基于Response Authenticatior对共享密钥的攻击、基于User-Password属性对用户密码的攻击等安全缺陷。这些都有待于作进一步的研究和完善。
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