Tacacs+认证详细调研

 

1 、TACACS+概述

1.1   什么是TACACS+

TACACS+（Terminal Access Controller Access Control System，终端访问控制器控制系统协议）是在TACACS协议的基础上进行了功能增强的安全协议。该协议与RADIUS协议的功能类似，采用客户端/服务器模式实现NAS与TACACS+服务器之间的通信。

1.2  TACACS+的用途

TACACS+协议主要用于PPP和VPDN（Virtual Private Dial-up Network，虚拟私有拨号网络）接入用户及终端用户的AAA。AAA是Authentication、Authorization、Accounting（认证、授权、计费）的简称，是网络安全的一种管理机制，提供了认证、授权、计费三种安全功能。

认证：确认访问网络的远程用户的身份，判断访问者是否为合法的网络用户。

授权：对不同用户赋予不同的权限，限制用户可以使用的服务。例如用户成功登录服务器后，管理员可以授权用户对服务器中的文件进行访问和打印操作。

计费：记录用户使用网络服务中的所有操作，包括使用的服务类型、起始时间、数据流量等，它不仅是一种计费手段，也对网络安全起到了监视作用。

2、 TACACS+协议介绍

2.1 TACACS+基本消息交互流程

下图是TACACS+协议的基本信息交互流程：

 

以Telnet用户认证过程为例，基本消息交互流程如下：

(1) Telnet用户请求登录设备。

(2) TACACS+客户端收到请求之后，向TACACS+服务器发送认证开始报文。

(3) TACACS+服务器发送认证回应报文，请求用户名。

(4) TACACS+客户端收到回应报文后，向用户询问用户名。

(5) 用户输入用户名。

(6) TACACS+客户端收到用户名后，向TACACS+服务器发送认证持续报文，其中包括了用户名。

(7) TACACS+服务器发送认证回应报文，请求登录密码。

(8) TACACS+客户端收到回应报文，向用户询问登录密码。

(9) 用户输入密码。

(10) TACACS+客户端收到登录密码后，向TACACS+服务器发送认证持续报文，其中包括了登录密码。

(11) TACACS+服务器发送认证回应报文，指示用户通过认证。

(12) TACACS+客户端向TACACS+服务器发送授权请求报文。

(13) TACACS+服务器发送授权回应报文，指示用户通过授权。

(14) TACACS+客户端收到授权回应成功报文，向用户输出设备的配置界面。

(15) TACACS+客户端向TACACS+服务器发送计费开始报文。

(16) TACACS+服务器发送计费回应报文，指示计费开始报文已经收到。

(17) 用户请求断开连接。

(18) TACACS+客户端向TACACS+服务器发送计费结束报文。

(19) TACACS+服务器发送计费结束报文，指示计费结束报文已经收到。

2.2 TACACS+消息类型

由2.1可知TACACS+共有7种类型的消息：

1、Authentication_START

2、Authentication_CONTIUNE

3、Authentication_REPLY

4、Authorization_REQUEST

5、Authorization_RESPONSE

6、Accounting_REQUEST

7、Accounting_REPLY

由于我们只关心认证流程所以只涉及到以上的1、2、3类型报文及TACACS+报文头，共计四中类型的报文，以下分别对其报文结构加以说明。

2.3  TACACS+报文结构

2.3.1  TACACS+报文头

所有的TACACS+数据包都使用12字节长的包头，结构如下：

 

下面对各个字段分别进行说明：

1)  Major：TACACS+主版本号，取值为0x0C

2)  Minor：TACACS+次版本号，用于向后兼容扩展，一般为0。

3)  Packet Type:定义包的类型，取值：

#define TAC_PLUS_AUTHEN         1     // authentication表示认证

#define TAC_PLUS_AUTHOR         2     // authorization表示授权

#define TAC_PLUS_ACCT           3     // accounting表示计费

4)  Sequence No:当前会话中的数据包序列号。会话中的第一个TACACS+数据包序列号必须为1，其后的每个数据包序列号逐次加1。因此客户机只发送奇序列号数据包，而TACACS+ Daemon只发送偶序列号数据包。当序列号达到255时， 会话会重启并置回序列号为1。

5)  Flags：用来示一些特殊条件，比如不加密（0x01），支持单连接多会话（0x04）等

6)  Session_id：为TACACS+会话的ID，是个随机数。

7) Length：为TACACS+报文除头部之外的长度

2.3.2  Authentication 消息

TACACS+认证有三种类型数据包：开始(START)、继续(CONTINUE)和回复(REPLY)。客户端(client)发送START和CONTINUE数据包，服务端(daemon)发送REPLY数据包。

    认证开始时，客户端发送一个START消息到服务端，该消息描述了要执行的身份验证类型，可能还包括用户名和一些认证数据。起始数据包仅作为TACACS+舍话开始或者会话重置后紧接着的第一个消息（会话重置可能是由服务端的回复包发起的）。起始数据包的序列号总是等于1。服务端发送一个REPLY包以响应START包。回复包表明认证是否结束或者继续。如果认证继续，则回复包将指明所需要的新的认证信息。客户端取出相关信息并以CONTINUE包的形式进行返回。服务端以REPLY包来回复START包或者CONTINUE包，直到客户端在CONTINUE包指示要中止，此时会话将立即中止。

2.3.2.1 认证START报文格式：

 

1) Action:认证操作，合法值为：

TAC_PLUS_AUTHEN_LOGIN  =  Ox01 (甏录)

TAC PLUS ALTTHEN CHPASS=Ox02（修改密码）

TAC PLUS AUTHEN SENDPASS=Ox03（发送密码，已作废）

TAC PLUS AUTHEN SENDAUTH=Ox04（发送认证）

2) Priv lVl：认证权限级别，值域为0-15，可以在NAS客户端中设置，预设值为：

TAC PLUS PRIV LVL MAX=OxOf（最高级别）

TAC_PLUS_PRIV_LVL_ROOT=OxOf (ROOT用户级别)

TAC PLUS PRIV LVL USER=Ox01（普通用户级别）

TAC PLUS PRIV LVL MIN=Ox00（最低级别）

3) Authen_type:认证类型，合法值为：

TAC_PLUS_AUTHEN_TYPE_ASCII  =  Ox01 (ASCII值)

TAC_PLUS_AUTHEN_TYPE_PAP  =  Ox02 (PAP伤iX)

TAC_PLUS_AUTHEN_TYPE_CHAP  =  Ox03 (CHAP协iX)

TAC_PLUS_AUTHEN_TYPE_ARAP  =   Ox04 (ARAP协议)

TAC PLUS AUTHEN TYPE MSCHAP=Ox05（微软CHAP协议）

4) Service:认证服务，合法值为：

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_NONE  =  Ox00 c无服务 )

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_LOGIN  =  Ox01(登录)

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_ENABLE = Ox02 (enable服务)

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_PPP  =  Ox03 (PPP协议)

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_ARAP  =  Ox04 (ARAP协 iX)

TAC PLUS AUTHEN SVC PT=Ox05（负载类型）

TAC PLUS AUTHEN SVC RCMD=Ox06（远程命令）

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_X25 = Ox07 (x. 25协iX)

TAC_PLUS_AUTHEN_SVC_NASI  =  Ox08 (NASI服务)

TAC_PLUS_AUTHEN _SVC_FWPROXY=Ox09（防火墙代理）

其中ENABLE服务是指获得管理特权，类似于Linux系统中的“su”命令。NONE服务是在没有任何其它服务的情况下填写的。

5) User:用户名，可选值。

6) Port：客户端认证所使用的端口，由客户端指定。

7) Rem addr:远程地址，可选值，由客户端指定。

8) Data:负载数据。

2.3.2.2 认证REPLY报文格式：

 

1) Status:认证当前状态，合法值为：

TAC_PLUS_AUTHEN_STATUS_PASS  =  Ox01(通过)

TAC_PLUS_AUTHEN_STATUS_FAIL  =  Ox02 (失败)

TAC PLUS AUTHEN STATUS GETDATA=Ox03（获取数据）

TAC PLUS AUTHEN STATUS GETUSER=Ox04（获取用户名）

TAC PLUS AUTHEN STATUS GETPASS=Ox05（获取密码）

TAC PLUS AUTHEN STATUS RESTART=Ox06（重启会话）

TAC_PLUS_AUTHEN_STATUS_ERROR = Ox07(错误)

TAC_PLUS_AUTHEN_STATUS_FOLLOW   =   Ox21 (使用备用  deamon)

2) Flags:该字段包括各种位图格式的标志，定义值：

TAC PLUS REPLY FLAG NOECHO = Ox01应)

3) Server_msg:服务器返回给用户的提示信息，可选的。

4) Data:负载数据。

2.3.2.3 认证CONTINUE报文格式

 

1) Flags:该字段包括各种位图格式的标志，定义值：

TAC PLUS CONTINUE FLAG ABORT = Ox01c中止)

2) User_msg:用户输入信息，用于答复Server_msg。

3) Data:负载数据。

2.4各类认证类型详解

    Tacacs+认证协议支持ASCII值、PAP、CHAP、 ARAP协议、MS-CHAP等五种认证类型，现分别对其进行分析。

2.4.1 ASII值认证类型

         ASII认证类型在认证流程中共包含START报文、REPLY报文和CONTINUE报文，其中START报文中可以携带用户名信息也可以不携带（在continue中携带），具体流程如下：

 

图2-4-1-1 start报文不含用户信息认证流程

 

图2-4-1-2 start报文包含用户信息认证流程

2.4.2 PAP协议认证类型

    PAP认证类型只包含一个START报文和一个REPLY报文，START报文必须包含用户名信息和密码信息，其中用户名信息存储在START报文的user字段，密码存储在START报文的data字段，数据信息不需加密，认证流程如下：

 

图2-4-2-1 PAP协议类型认证流程

2.4.3 CHAP协议认证类型

CHAP认证类型只包含一个START报文和一个REPLY报文，START报文必须包含用户名信息和数据信息，其中用户名信息存储在START报文的user字段，数据存储在START报文的data字段，数据信息必须包含session_id、challenge和authentication。

    session_id必须占用1个字节，authentication必须用16个字节，challenge长度等与data总长度减去session_id长度和认证信息长度，authentication是由session_id、用户密码和challenge通过MD5加密生成。具体认证流程如下：

 

图2-4-3-1 CHAP协议类型认证流程

session_id	challenge	authentication
1 byte		16 bytes,auth=MD5(se_id,usr_pwd,challenge)

图2-4-3-2 START报文data字段数据结构

2.4.4 MS-CHAP协议认证类型

MS-CHAP认证类型只包含一个START报文和一个REPLY报文，START报文必须包含用户名信息和数据信息，其中用户名信息存储在START报文的user字段，数据存储在START报文的data字段，数据信息必须包含session_id、MS-challenge和MS-authentication。

    session_id必须占用1个字节，authentication必须用49个字节，challenge长度等与data总长度减去session_id长度和authentication长度，认证信息是由用户密码、challenge等通过MD4和DES加密生成。具体认证流程如下：

 

图2-4-4-1 MS-CHAP协议类型认证流程

session_id	challenge	authentication
1 byte		49bytes

图2-4-4-2 START报文data字段数据结构

MS-CHAPv1协议authentication组成

NTHASH=MD4(user_pwd)

ChallengeResponse=DES(NTHASH[0-7]、challenge)||DES(NTHASH[7-14]、challenge)||DES(NTHASH[14-21]、challenge)；challenge一般为8字节

ChallengeResponse封装在authentication的[24-47]字节中,并且authentication最后一个字节（49字节）值为1

图2-4-4-3 MS-CHAPv1authentication组成

MS-CHAPv2协议authentication组成

NTHASH=DES(toupper(user_pwd),MS-KEY(KGS!@#$%))

ChallengeResponse=DES(NTHASH[0-7]、challenge)||DES(NTHASH[7-14]、challenge)||DES(NTHASH[14-21]、challenge)；challenge一般为16字节

ChallengeResponse封装在authentication的[0-23]字节中,并且authentication最后一个字节（49字节）值为0

图2-4-4-4 MS-CHAPv2 authentication组成

2.4.5  ARAP协议认证类型

ARAP认证类型只包含一个START报文和一个REPLY报文，START报文必须包含用户名信息和数据信息，其中用户名信息存储在START报文的user字段，数据存储在START报文的data字段，数据信息必须包含ServerChallenge、ClientChallenge和authentication。

    ServerChallenge、ClientChallenge和authentication都只占用8个字节，authentication是由用户密码作为DES_KEY对ServerChallenge和ClientChallenge进行DES加密生成。具体认证流程如下：

 

图2-4-5-1 ARAP协议认证流程

ServerChallenge	ClientChallenge	authentication
8byte	8字节	8bytes

图2-4-5-2 START报文data字段数据结构

ARAP协议authentication组成

KEY=pwd各个字节分别左移一位

ChallengeResponse=DES(ServerChallenge，KEY)；challenge一般为8字节

图2-4-5-3 ARAP authentication组成

 

2.5  TACACS+数据包的加密

TACACS+支持除包头之外所有信息的加密，加密方法如下：

1) 将session_id、secret key, 版本号和sequence number一起进行MD5运算（其中secret key 为TACACS客户端和服务器之间的共享秘密），计算结果为MD5_1。

2) 后续的MD5运算将上次MD5运算的结果也纳入运算范围，如下：

MD5_1 = MD5{session_id, key, version, seq_no}

MD5_2 = MD5{session_id, key, version, seq_no, MD5_1}

....

MD5_n = MD5{session_id, key, version, seq_no, MD5_n-1}

3) 将所有的运算结果连接起来，直到总长度大于需要加密的数据的长度，然后截断到实际数据的长度，得到pseudo_pad：

pseudo_pad = {MD5_1 [,MD5_2 [ ... ,MD5_n]]} truncated to len(data)

4) 随后将需要加密的数据和上面的pseudo_pad进行XOR运算，得到密文：

ENCRYPTED {data} == data ^ pseudo_pad

由于TACACS+对整个数据包进行加密，私密性要好于RADIUS，窃听者无法根据报文的内容来猜测网络的配置和用户的身份。

3、TACACS+服务器环境配置

1.  硬软件要求

硬件：Pentium IV 处理器， 1.8 GHz 或者更高 
操作系统：Windows 2000 Server 、Windows Server 2003， Enterprise Edition or Standard 
Edition (Service Pack 1) 
内存：最小1GB 
虚拟内存：最小1GB 
硬盘空间：最小1GB可用空间，实际大小根据日志文件的增长，复制和备份的需求而定。 

2. 软件要求

浏览器：Microsoft Internet Explorer 6 或者更高版本
 JAVA运行环境：Sun JRE 1.4.2_04 或更高版本
TACACS+服务器：安装cisco ACS