802.1x认证详细剖析

客户端：是需要接入LAN/WLAN，享受switch提供服务的终端设备（比如PC、网络打印机），该终端设备通常需要安装一个客户端软件，用户通过启动这个客户端软件发起802.1X认证，同时客户端必须支持EAPOL协议。

认证系统：通常为支持802.1X协议的网络设备,它为客户端提供接入局域网的端口。认证系统在客户端和认证服务器之间充当代理角色，它跟客户端之间通过EAPOL协议进行通信，跟认证服务器之间通过EAPOver Radius报文或者标准的Radius报文进行通信。

认证服务器：通常为Radius服务器，用于实现对用户进行认证、授权和计费。认证服务器通过检验客户端发送来的身份标识，来判断该用户是否有权使用认证系统所提供的网络服务。当用户通过认证后，认证服务器会把用户的相关信息传递给认证系统，由认证系统构建动态的访问控制列表，用户的后续流量就将接受上述参数的监管。

以上三个部分,除客户端系统外，认证系统和认证服务器之间既可以分布在两个不同的物理实体上，也可以是集中在一个物理实体上，后者指的是由认证系统独立完成用户的认证授权，即本地认证。

3.涉及协议

3.1EAPOL协议

EAPOL(EAPoverLANs)是802.1X协议定义的一种报文封装格式，主要用于在客户端和设备端之间传送EAP协议报文，以允许EAP协议报文在LAN上传送。EAPOL数据包的格式如图2所示：

                               
                                          

图3.EAPOL的帧结构

PAEEthernet Type：2字节，该值表示以太网协议类型，802.1X为其分配的协议类型为0x888E。

ProtocolVersion：1字节，表示EAPOL帧的发送方所使用的协议版本号，表1为目前存在的版本号

版本号	含义
0x01	支持IEEEStd 802.1X-2001
0x02	支持IEEEStd 802.1X-2004
0x03	支持IEEEStd 802.1X-2010

表1. EAPOL帧使用的版本号

PacketType：1字节，表示EAPOL数据帧类型，目前支持的数据类型见表2

类型	说明
EAP-Packet(值为0x00)：认证信息帧	表示该EAPOL帧承载了一个EAP数据包
EAPOL-Start(值为0x01)：认证发起帧	这两种类型的帧仅在客户端和设备端之间存在
EAPOL-Logoff(值为0x02)：退出请求帧
EAPOL-Key(值为0x03)：密钥信息帧	支持对EAP报文的加密（无线接入专用）
EAPOL-Encapsulated-ASF-Alert(值为0x04)	用于支持ASF（AlertingStandards Forum）的Alerting消息

表2.EAPOL帧类型

PacketBody Length：2字节，表示数据域的长度，也就是PacketBody字段的长度，单位为字节。当EAPOL数据帧的类型为EAPOL-Start或EAPOL-Logoff时，该字段值为0，表示后面没有PacketBody字段。

PacketBody：表示数据内容，该部分内容由PacketType决定，长度有PacketBody Length决定。

3.2EAP协议

802.1X协议采用EAP(ExtensibleAuthenticationProtocol，可扩展认证协议)来实现客户端、认证系统和认证服务器之间认证信息的交互。通过支持EAP协议，可以使用认证服务器来实现各种认证机制，认证系统仅仅需要传送认证信息，并根据认证返回的结果控制受控端口的状态。EAP数据包的格式如图4所示：

图4.EAP的帧结构

Code：1字节，该值表示EAP帧类型,共有4种：Request、Response、Success、Failure。

Identifier：1字节，该值用于匹配Request消息和Response消息。

Length：2字节，该值表示EAP帧的总长度，包含Code、Identifier、Length和Data域，单位为字节。

Data：EAP包的内容,由Code类型决定：

Success和Failure类型的包没有Data域，相应的Length域的值为4；

Request和Response类型数据包的Data域的格式如图5所示

图5.Request和Response类型数据包的Data域的格式

Type字段目前支持的类型见表3，前3种表示特殊含义，其余的值表示EAP支持的认证方式

Type值	含义
1	Identity（用户名信息）
2	Notification（警告信息）
3	Nak(客户端对Request中的认证方式不支持时回复用)
4	MD5-Challenge
5	OneTime Password (OTP)
6	GenericToken Card (GTC)
13	EAP-TLS
17	EAP-LEAP
18	EAP-SIM
21	EAP-TTLS
23	EAP-AKA
25	EAP-PEAP
26	EAP-MSCHAPV2
33	EAP-TLV
38	EAP-TNC
43	EAP-FAST
46	EAP-PAX
47	EAP-PSK
48	EAP-SAKE
49	EAP-IKEV2
50	EAP-AKA-PRIME
51	EAP-GPSK
254	ExpandedTypes
255	Experimentaluse

表3.EAP数据包中Type字段含义

Typedata的内容由Type决定。

与其说EAP是一个认证协议不如说EAP是一个认证框架，因为EAP本身不是认证协议，它自己不支持认证功能，它是为了承载多种认证协议而生的，EAP为扩展和协商认证协议提供了一个标准，让客户端和RADIUS服务器之间直接协商认证数据，将NAS（网络介入系统）网络设备从中解脱出来。

3.3RADIUS协议

RADIUS（RemoteAuthentication Dial In UserService用户远程拨入认证服务）是一种AAA的应用协议，意思就是同时兼顾验证（authentication）、授权（authorization）及计费（accounting）三种服务的一种网络传输协议。RADIUS数据包的格式如图6所示：

图6.RADIUS的帧结构

Code：1字节，指示RADIUS包的类型，支持的类型见表4

Code	报文类型	报文说明
1	Access-Request	方向Client->Server，Client将用户信息传输到Server以判断是否接入该用户。该报文中必须包含User-Name属性，可选包含NAS-IP-Address、User-Password、NAS-Port等属性。
2	Access-Accept	方向Server->Client，如果Access-Request报文中所有Attribute值都是可以接受（即认证通过），则传输该类型报文。
3	Access-Reject	方向Server->Client，如果Access-Request报文中存在任何Attribute值无法被接受（即认证失败），则传输该类型报文。
4	Accounting-Request	方向Client->Server，Client将用户信息传输到Server，请求Server开始计费，由该报文中的Acct-Status-Type属性区分计费开始请求和计费结束请求。该报文包含属性和Access-Request报文大致相同。
5	Accounting-Response	方向Server->Client，Server通知Client侧已经收到Accounting-Request报文并且已经正确记录计费信息。该报文包含端口上输入/输出字节数、输入/输出包数、会话时长等信息。
11	Access-Challenge	方向Server->Client，Server收到Client上报上来的用户信息后，如果通过，就发送访问质询给Client，让用户提供更多的附加信息以完成认证。

表4.RADIUS数据包中Code字段含义

Identifier：1字节，取值范围为0～255，用于匹配请求包和响应包。

Length：2字节，表示整个报文的有效长度。长度域范围之外的字节被认为是附加的，并在接受的时候超长部分将被忽略。如果包长比长度域给出的短，也必须丢弃，最小长度为20，最大长度为4096。

Authenticator：16字节认证字域，在不同报文中用法不一样。

a).在Access-Request包中的认证字称为请求认证字，是16字节随机数,认证字的值要不能被预测,并且在一个共享密钥的生命期内唯一。

b).在Access-Accept、Access-Reject和Access-Challenge包中的认证字称为访问回应认证字，访问回应认证字的值定义为MD5(Code+ID+Length+请求认证字+Attributes+Secret)

Attributes：属性域，用来在请求和响应报文中携带详细的认证、授权、信息和配置细节，来实现认证、授权、计费等功能，一条RADIUS报文中可以携带多条属性域。每条属性域采用（Type、length、Value）三元组的形式提供。属性域的格式见图7

图7.Attributes格式

Type：属性号，用来标识本条属性的类型，取值范围1～255,其中26号属性表示厂商私有属性。标准的属性号定义见表5

表5.Attributes中的Type字段含义

Length：表示整条属性域的长度，最小值为3

Value：记录了这条属性的具体特性，有6中属性值：整数(INT)；枚举(ENUM)；IP地址(IPADDR)；文本(STRING)；日期(DATE)；二进制字符串（BINARY)。

表5中，属性号79和80是RADIUS为支持EAP认证增加的两个属性：

a). EAP-Message

这个属性用来封装EAP数据包，属性号为79，如果EAP数据包长度大于253字节，可以对其进行分片，依次封装在多个EAP-Message属性中。

b).Message-Authenticator

属性号为80，主要用于在EAP认证过程中验证携带了EAP-Message属性的Radius报文的完整性，避免接入请求包被窜改。在含有EAP-Message属性的数据包中，必须同时也包含

Message-Authenticator，否则该数据包会被认为无效而被丢弃。此外,若接收端对接收到的Radius报文计算出的完整性校验值与报文中携带的Message-Authenticator属性的Value值不一致，该数据包也会被认为无效而丢弃。

4.认证的基本过程

802.1X系统支持EAP中继方式和EAP终结方式与远端RADIUS服务器交互完成认证。以下关于两种认证方式的过程描述，都以客户端主动发起认证为例。

4.1EAP中继方式

这种方式是IEEE802.1X标准规定的，将EAP(可扩展认证协议)承载在其它高层协议中，如EAPover

RADIUS，以便扩展认证协议报文穿越复杂的网络到达认证服务器。一般来说，EAP中继方式需要RADIUS服务器支持EAP属性：EAP-Message和Message-Authenticator，分别用来封装EAP报文及对携带EAP-Message的RADIUS报文进行保护。下面以EAP-MD5方式为例介绍基本认证流程，如图8所示

图8.IEEE 802.1X认证系统的EAP中继方式交互流程

a).当用户有网络连接需求时打开802.1X客户端程序,输入已经申请、登记过的用户名和密码,发起连接请求(EAPOL-Start报文)。此时，客户端程序将发出请求认证的报文给NAS,开始启动一次认证过程。

b).认证系统收到开始认证的请求后，将发出一个请求帧(EAP-Request/Identity报文)要求用户的客户端程序发送输入的用户名。

c).客户端程序响应认证系统发出的请求,将用户名信息通过应答帧(EAP-Response/Identity报文)发送给认证系统。

d).认证系统则将客户端送上来的数据帧经过封包处理后(RADIUSAccess-Request报文)转发给认证服务器进行处理。

e).认证服务器收到认证系统转发上来的用户名信息后,将该信息与数据库中的用户名表相比对,找到该用户名对应的密码信息，用随机生成的一个加密字对它进行加密处理，同时也将此加密字通过RADIUSAccess-Challenge报文传送给认证系统，再由认证系统解封包处理后（EAP-Request/MD5Challenge报文）传给客户端程序。

f).客户端程序收到由认证系统传来的加密字后，用该加密字对口令部分进行加密处理，生成

EAP-Response/MD5Challenge报文，并通过认证系统封装为RADIUSAccess-Request报文传给认证服务器。

g).认证服务器将收到的已加密的密码信息(RADIUSAccess-Request报文)和本地经过加密运算后的密码信息进行对比，如果相同，则认为该用户为合法用户，反馈认证通过的消息(RADIUSAccess-Accept报文和EAP-Success报文)，并向认证系统发出打开端口的指令，允许用户的业务流通过端口访问网络。否则，反馈认证失败的消息(EAP-Failure报文)，并保持认证系统端口的关闭状态，只允许认证信息数据通过而不允许业务数据通过。

h).客户端也可以发送EAPOL-Logoff报文给认证系统，主动要求下线。设备端把端口状态从授权状态改变成未授权状态，并向客户端发送EAP-Failure报文。

4.2EAP终结方式

EAP终结方式将EAP报文在认证系统上终结，并转换成标准的Radius协议完成认证、授权和计费。设备端与Radius服务器之间可以采用PAP(PasswordAuthentication Protocol,密码验证协议)或者CHAP(ChallengeHandshake AuthenticationProtocol,质询握手验证协议)认证方法。以下以CHAP认证方式为例介绍认证流程,如图9所示

图9.IEEE 802.1X认证系统的EAP终结方式交互流程

a～c).认证过程的前3步与EAP中继方式完全相同。

d).认证系统收到客户端送上来的数据帧(EAP-Response/Identity报文)后，没有上传至认证服务器，而是本地随机生成一个加密字，并将将此加密字的通过数据帧(EAP-Request/MD5Challenge报文)交给客户端程序。

e).客户端程序收到加密字(EAP-Request/MD5Challenge报文)后，用该加密字对口令部分进行加密处理，生成EAP-Response/MD5Challenge报文发送给认证系统。

f).认证系统收到加密密码(EAP-Response/MD5Challenge)后，用CHAP协议对用户名、加密口令、加密字等认证信息重新封装成标准的Radius报文(RADIUSAccess-Requeset报文)，送给认证服务器进行处理。

g).认证服务器收到的认证信息(RADIUSAccess-Requeset报文)后，根据收到的用户名信息在数据库中查找对应的密码信息，用收到的加密字对密码信息进行加密处理得到自己的加密密码。然后和收到的加密密码信息进行对比，如果相同，则认为该用户为合法用户，反馈认证通过的消息(RADIUSAccess-Accept报文)给认证系统。

h).认证系统向客户端程序反馈认证通过消息(EAP-Success报文)，将端口状态改为授权状态，允许用户通过该端口访问网络。

i).客户端也可以发送EAPOL-Logoff报文给认证系统，主动要求下线。设备端把端口状态从授权状态改变成未授权状态，并向客户端发送EAP-Failure报文。

4.3两种方式的对比

EAP中继方式与EAP终结方式的认证流程十分类似，不同之处主要在于加密字的生成处理及传递方式。在EAP中继方式中，用来对用户口令信息进行加密处理的随机加密字由认证服务器生成，认证系统只是负责将EAP报文透传认证服务器，整个认证处理都由认证服务器来完成。而在EAP终结方式中，用来对用户密码信息进行加密处理的随机加密字由认证系统生成，认证系统会把用户名、随机加密字和客户端加密后的密码信息一起送给认证服务器,进行相关的认证处理。

从上面可以看出,由于认证流程中对于加密字的生成处理及传递方式不同，因此EAP中继与EAP终结两种认证方式其优缺点也很明显:

EAP中继方式优点是认证系统处理更简单，EAP上面承载的认证协议对认证系统是透明的，NAS设备不需要了解，也不需要支持，它只需要支持EAP即可，所以可以支持更多的认证方式，缺点则是认证服务器必须支持EAP；而EAP终结方式的优点是认证服务器无需升级，现有的Radius服务器可以继续使用，缺点是NAS设备处理更复杂。

5.具体实现原理

图10就是采用分层的方法为802.1X的实现划分出来的总框架图，交换机作为认证者角色，要实现的就是右边半张，很明显它被划分为上下两层：HigherLayer和LowerLayer。

LowerLayer层就是图中的802.1X模块，我们更习惯称为EAPOL层；相对应的，HigherLayer层我们通常也统称为EAP层。这样，实现802.1X认证者，实际上就变成了实现EAP层和EAPOL层，以及两者的交互。

图10.基于EAPOL层和EAP层的802.1X实现框架

802.1X认证EAPOL层的实现被定义在IEEE802.1X文档里（该标准到目前一共经历了3版，IEEE802.1X-2001、IEEE802.1X-2004、IEEE802.1X-2010，这里准备基于2004版本进行开发），而EAP层的实现被定义在RFC4137里（StateMachines for EAP Peer and Authenticator）。

IEEE802.1X-2004标准为EAPOL层总共定义了10个状态机，见表6

表6.EAPOL层状态机汇总

对于交换机来说，就是认证者角色，上表中标记了“O”的状态机一般不用于LAN环境下也不用考虑，所以作为认证者，实际需要实现的状态机一共5个。

5.1Port Timers state machine（Port定时器状态机，以下都简称PTSM）

图11. Authenticator Port Timers state machine

PTSM功能比较简单，就是每秒钟触发一次以从ONE_SECOND状态进入TICK状态。TICK状态的EA中，它将递减定时器变量的值，这些变量都是被其他状态机初始化和使用的。这些定时器变量的定义见表7

定时器变量名	含义
aWhile	和BEAUTH SM直接相关，用于计时EAPOL层传递eap-resp报文给EAP层，然后等待EAP层回复的时间，超时值为serverTimeout
quietWhile	和AUTHPAE SM直接相关，在quietWhile时间里，认证者不接受任何来自请求者的认证消息，超时值为reAuthPeriod
reAuthWhen	和RTSM直接相关，定义了认证者发起重认证的间隔，超时值为reAuthPeriod

表7.Authenticator PT SM定时器变量

5.2Authenticator PAE state machine（认证者PAE状态机，以下都简称AUTHPAE SM）

图 12.Authenticator PAE state machine

AUTHPAESM是802.1X在EAPOL层最核心的状态机之一，它主要负责处理接收到的EAPOL报文，这其实也表示它的工作是面向请求者的；同时它又负责执行认证的结果，归根到底也就是对PORT的管理。AUTHPAE SM整个运转过程基本如下：

a).首先受控端口被触发802.1X认证进入INITIALIZE，这里的主要EA是：portMode设置为Auto

b).从INITIALIZE无条件进入DISCONNECTED状态，这里的主要EA是：

authPortStatus设置为Unauthorized;

reAuthCount清0;

清除eapolLogoff标志

c).从DISCONNECTED会继续无条件进入RESTART状态，这里的主要EA是：

eapRestart设置为TRUE，用于通知EAP层状态机进入INITIALIZE

d).AUTH PAESM会一直处于RESTART状态，直到EAP层清除了eapRestart标志，这时候就会进入CONNECTING状态，主要的EA是：

清除reAuthenticate标志；

累加reAuthCount计数器

e).AUTH PAESM会一直处于CONNECTING状态，直到EAP层设置了eapReq标志，意味着需要发送一个eapol-request-identifier，这时候就会进入AUTHENTICATING状态，主要的EA是：

authStart设置为TRUE，用于通知BEAUTH SM

f).