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。

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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。

    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：

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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。
    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：

   
    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。