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WiMAX数据传输加密方案设计与实现

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在各种通信设备和终端电子产品设计方法中,为使产品具有更强大的功能,越来越多地采用了嵌入式系统,WiMAX无线通信设备亦是如此。因此设计和开发现代网络和通信技术中的安全技术时,必须和嵌入式技术结合在一起。本文提出和实现了一种基于AES-CCM加密算法和ARM+VxWorks嵌入式系统的WiMAX无线接入设备加密技术解决方案,并给出了算法模块在设备中的应用方法。

来源:网界网 2009年5月29日

关键字: 无线网络 WiMAX 数据加密

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  在各种通信设备和终端电子产品设计方法中,为使产品具有更强大的功能,越来越多地采用了嵌入式系统,WiMAX无线通信设备亦是如此。因此设计和开发现代网络和通信技术中的安全技术时,必须和嵌入式技术结合在一起。本文提出和实现了一种基于AES-CCM加密算法和ARM+VxWorks嵌入式系统的WiMAX无线接入设备加密技术解决方案,并给出了算法模块在设备中的应用方法。

  1 算法实现原理

  AES对称密码已经广泛应用于数据的保密和数据完整性认证。在具体运用时,都会选择一种具体的工作模式。目前AES算法已有多种工作模式,例如:ECB,CBC,CFB,OFB,CRT,CCM,GCM和AESKW。其中CCM(Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code)模式是一种同时提供加密和鉴别服务的全新操作模式。

  1.1 CCM模式原理

  使用CCM模式的基本条件包括,发送方和接收方定义相同的分组密码算法Ek()(这里为AES加密算法)、密钥K、记数器发生函数、格式化函数F()和鉴别标记长度Tlen、有效载荷长度Plen、随机值N。加密算法过程如下:

  Step 1:计算格式化函数F(N,A,P),产生数据块序列B0,B1,…,Br(每块为128 b);

  

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  格式化函数F将N,A,P整合在一起,并分组为r个数据块。对数据块加密,得到MAC值T,加密计数器发生函数产生的计数块,加密所得sj和P与T异或得到密文C。解密过程则相反。

  1.2 AES算法原理

  AES算法加密过程由4个不同的处理阶段组成,称为:字节代换、行移位、列混淆、轮密钥加。输入数据数组state进行10轮上述处理后,得到加密密文。结构如图1所示。

  

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  2 WiMAX中CCM应用规则改进

  在802.16协议中规定PDU数据包加密后结构如图2所示。

  

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  6个字节的包头和4个字节的PN不需要经过加密处理。PN(Packet Number)在协议中规定用于防止重放攻击,如当前收到的数据包的PN小于前一个数据包的PN时,当前收到的数据包将被丢弃。PN在发第一个包时值为1,以后每发一个包则加1。由于PN和包头都未经加密处理,当窃听者得到一个PDU时,将得到当前PN,并推导出以后各个数据包的PN值。因此引进CCM模式虽然能提高攻击者进行重放攻击的难度和成本,但并不能在技术上彻底防止重放攻击。这里采用对PN进行加密处理来防止由于PN值泄露而遭受可能的重放攻击。加密算法选择AES算法,密钥为802.16协议中的密钥加密密钥(KEK)。AES,KEK在系统中是用于对传输加密密钥(TEK)进行加密处理的,本身已经存在于系统中,而且被良好地设计,在控制信息交互过程中,KEK定时更新。因此采用该方法不会给系统带来额外的开销,不需要引入新的加密算法,不需要维护密钥。采用该方法PDU加密后结构如图3所示。

  

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  由于对PN进行AES加密处理,因此加密后的PN长度将为16个字节。这降低了传输数据中有效载荷DATA的百分比,不过在实际应用中DATA往往达到上千或上万个字节。因此为提高安全性和抗攻击性,牺牲如此少的传输效率是值得的。

  3 AES-CCM算法实现及结果分析

  算法模块基于富士通3400 wiMAx开发板ARM+VxWorks平台开发,采用通用C库函数,可以方便地移植到各种需要安全加密处理的嵌入式产品中。程序提供两个接口,AES算法接口和AES-CCM算法接口。前者可以用于对传输加密密钥TEK的加密处理,后者可以用于对传输数据的加密处理,使用者只需简单的调用函数即可。程序框图如图4所示。

  

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  程序中实现了802.16 MAC PDU的构建、8 bCRC报头校验、32 bC2RC PDU校验、CCM加密模块、CCM解密模块、AES加密模块。

  3.1 算法关键模块实现

  3.1.1 CCM加密模块

  AES-CCM算法中,加密函数使用128 b密钥长度的AES算法。加密前后WiMAX MAC PDU结构变化如图5所示。

  

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  CCM加密模块流程如图6。该模块输入为密钥K和明文P。在计算MAC T和计数块S时,调用AES加密程序。

  

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  3.1.2 密钥K

  在密钥生成方法中,采用了随即函数rand()和系统时钟函数tickGet(),可以保证密钥的惟一性和更高的不可推测性。程序如下:

  

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  3.1.3 计数器发生函数

  计数器发生函数产生的计数块,由PDU报头,PN,递增的整数i构造,长16个字节即128 b。函数如下:ctr preload为数组名,该数组用于存放生成的计数块;modu为指向PDU数据的指针;pn vector为PN;i为递增的整数,每计算一次计数块后加1。

  3.2 算法模块应用方法设计和实现

  算法模块的应用方法主要根据TEK(传输加密密钥)和CID(连接标志)的对应关系设计。在802.16协议中每一个CID都对应惟一的密钥资源,因此可以根据CID找到对应的密钥。在系统中创建两个表,一个是TEK表:用于存放加密密钥;另一个是CID表:用于存放CID值和对应密钥索引。CID表中记录结构如图7所示。Type字段表示使用的加密方法,O表示DES-CBC,1表示AES-CCM;Key index字段值表示该CID标志对应的密钥信息,在TEK表中的索引位置;CID字段表示CID标志值。

  发送端算法模块调用流程:在数据发送前,系统检测报头中加密控制位的值,如为1则表示该PDU需要加密处理,再根据报头中密钥索引号及加密模式选择位,选择特定的加密算法和密钥,对数据进行加密处理,如加密方法为AES-CCM,则调用CC2M加密模块对数据进行加密。

  

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  接收端算法模块调用流程:当接收到一个PDU数据时,系统先检测报头中的CID标志值是否存在于本地CID表中,如不存在则丢弃该PDU;如存在则找到对应的CID记录,从中读取Type和Key index的值,根据Key index值,从TEK表中读取解密密钥,然后调用CCM解密模块对PDU进行解密处理。

  3.3 算法测试

  测试密钥Key和数据PDU如下:

  

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  发送端加密后的密文,一共包含3个部分。起始的10个字节为6个字节的PDU报头和4个字节的PN;从末尾算起的4个字节为32 b的CRC校验码;其余分别是33个字节的净荷密文和8个字节的分组链接模式校验码密文。

  接收端解密后的PDU起始10个字节为报头和PN;其后的33个字节和明文P的33个字节的数据净荷相同;最后的4个字节为CRC校验码,用于接收端的CRC校验。

  第44个到51个字节为解密后的8个字节的分组链接模式校验码。在CCM解密程序中,对解密后得到的PDU,计算分组链接模式校验码,将计算结果和解密所得的分组链接模式校验码相比较,若相同则表示密文在传输过程中没有被篡改破坏,这样可以校验传输数据的完整性。

  上述结果表明本文设计的AES-CCM模块和模块应用方法,能正常工作,能满足WiMAX设备的实际需要。

  4 方案比较

  当前,WiMAX设备方案提供商,对数据加密模块主要有2种实现方案:

  (1)采用专门的硬件算法模块;

  (2)采用高速DSP芯片。

  方法(1)的优点是速度快,价格便宜但可扩展性和可升级性不强;方法(2)既有速度快的优点,也有很好的可扩展性和可升级性,但成本比较高。在采用这2种方案的设备中,通常需要一个额外的嵌入式系统来控制通信设备的运行,因此系统会比较复杂,成本较高。

  本文的设计方法,将算法设计成嵌入式系统的一个软件模块,使用时只需直接调用即可。优点是:使用方便,而且由于系统没有外接独立的加密模块,可以有效地降低系统的复杂度和成本。缺点是:加密工作由主控CPU来完成,会占用相当一部分系统资源,因此适用于那些没有复杂功能的通信设备,例如端口较少的无线接入设备或WiMAX网卡等。

  5 结 语

  目前在IEEE 802.16和802.11i协议中,都采用AES-CCM算法为数据加密算法,并被包含在RFC3610中。在这种情形下,本文在对该算法深入分析后,对AES算法和CCM模式的隐患给出了改进,并给出了嵌入式WiMAX开发板平台下的AES-CCM算法实现和应用方法的设计及实现。

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