WiMAX数据传输加密方案设计与实现

    0 引 言

    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)；

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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：

    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，