3.3.3. Методы криптографической защиты

Набор алгоритмов шифрования данных, аутентификации данных и шифрования TEK называется криптографическим комплексом

(Cryptographic Suite). Установленные стандартом IEEE 802.16e-2005, 2009

криптографические комплексы сведены в табл. 3.1.

		Таблица 3.1
Криптографические комплексы IEEE 802.16e-2005, 2009
Алгоритм шифрования	Алгоритм аутен-	Алгоритм шифрования
данных	тификации данных	TEK
Не производится	Не производится	Не производится
Режим CBC, DES с	Не производится	3-DES со 128-битным
56-битным ключом		ключом
Не производится	Не производится	RSA с 1024-битным клю-
		чом
Режим CBC, DES с	Не производится	RSA с 1024-битным клю-
56-битным ключом		чом
Режим CCM, AES со	Не производится	Режим ECB, AES со
128-битным ключом		128-битным ключом
Алгоритм шифрования	Алгоритм аутен-	Алгоритм шифрования
данных	тификации данных	TEK
Режим CCM, AES со	Режим CCM, AES со	Режим ECB, AES со
128-битным ключом	128-битным ключом	128-битным ключом
Режим CCM, AES со	Режим CCM, AES со	AES со 128-битным клю-
128-битным ключом	128-битным ключом	чом, с шифрованием клю-
		ча
Режим CBC, AES со	Не производится	Режим ECB, AES со
128-битным ключом		128-битным ключом
Режим CTR, AES со	Не производится	Режим ECB, AES со
128-битным ключом		128-битным ключом
для MBS c 8-битным
ROC

156

Алгоритм шифрования	Алгоритм аутен-	Алгоритм шифрования
данных	тификации данных	TEK
Режим CTR, AES со	Не производится	AES со 128-битным клю-
128-битным ключом		чом, с шифрованием клю-
для MBS c 8-битным		ча
ROC

Как видно из табл. 3.1, блочное шифрование в WIMAX производится в одном из четырех режимов: ECB, CBC, CTR и CCM. Данные режимы различаются осуществляемыми операциями над блоками шифруемых данных, способом формирования инициализирующего вектора (если он используется) и возможностью аутентификации данных.

Режим шифрования ECB

Режим ECB (Electronic CodeBook) представляет собой простейшую схему блочного шифрования данных (рис. 3.9). В этом случае не производится аутентификация данных, и не используются инициализирующие векторы.

		Шифрование			Дешифрование
		Незашифрованный	Незашифрованный		Зашифрованный	Зашифрованный
		блок 1	блок 2		блок 1	блок 2
	TEK	шифрование	шифрование	TEK	дешифрование	дешифрование
		AES	AES		AES	AES
		Зашифрованный	Зашифрованный		Незашифрованный	Незашифрованный
		блок 1	блок 2		блок 1	блок 2
		Рис. 3.9. Шифрование и дешифрование данных в режиме ECB

Режим шифрования CBC

В режиме CBC (Cipher-Block Chaining) каждый блок данных, подлежащий шифрованию, побитно складывается по модулю 2 с результатом шифрования предыдущего блока данных. Первый блок побитно складывается с инициализирующим вектором (рис. 3.10). Аутентификация данных в данном режиме не производится.

157

	Шифрование			Дешифрование
	Незашифрованный	Незашифрованный	ИнициализируюЗашифрованный		Зашифрованный
	блок 1	блок 2	щий вектор	блок 1	блок 2
Инициализиру
-ющий вектор			TEK	дешифрование	дешифрование
				AES/DES	AES/DES
TEK	шифрование	шифрование
	AES/DES	AES/DES
	Зашифрованный	Зашифрованный		Незашифрованный	Незашифрованный
	блок 1	блок 2		блок 1	блок 2
	Рис. 3.10. Шифрование и дешифрование данных в режиме CBC

Инициализирующий вектор в случае шифрования по алгоритму DES формируется при побитном сложении по модулю 2 инициализирующего вектора, сгенерированного БС для конкретного TEK, и номера кадра, в котором передается MAC PDU. В случае шифрования по алгоритму AES инициализирующий вектор генерируется в несколько этапов (рис. 3.11).

	Заголовок Generic MAC	Полезная нагрузка MAC PDU			CRC
		(необязательное поле)			(необязательное поле)

	Заголовок	Информация о	MAC-адрес МС
			XOR
	Generic MAC	синхронизации
			Счетчик PDU
	48 бит	32 бита	48 бит
		XOR

Инициализирующий вектор, сгенерированный БС для TEK

TEK			AES
			шифрование

Инициализирующий вектор в режиме CBC

Рис. 3.11. Формирование инициализирующего вектора в режиме CBC

при использовании алгоритма AES

158

Как видно из рис. 3.11, такой способ формирования инициализирующего вектора обеспечивает его уникальность для каждого шифруемого

PDU.

Режим шифрования CTR

В режиме CTR (CounTeR) выполняется шифрование уникальных инициализирующих векторов, которые после этого побитно складываются по модулю 2 с блоками данных (рис. 3.12). Режим CTR применяется для широковещательных посылок по защищенному каналу. Аутентификация данных в данном режиме не производится.

	Шифрование				Дешифрование
	Инициализирую-		Инициализирую-		Инициализирую-		Инициализирую-
	щий вектор 1		щий вектор 2		щий вектор 1		щий вектор 2
TEK	шифрование		шифрование	TEK	шифрование		шифрование
	AES/DES		AES/DES		AES/DES		AES/DES
Незашифро-			Незашифро-	Зашифро-			Зашифро-
ванный блок 1		ванный блок 2		ванный блок 1		ванный блок 2
	Зашифрованный		Зашифрованный		Незашифрованный		Незашифрованный
	блок 1		блок 2		блок 1		блок 2
Рис. 3.12. Шифрование и дешифрование данных в режиме CTR

При генерировании инициализирующих векторов применяется счетчик по нескольким позициям (Rollover Сounter, ROC). Счетчик имеет длину 8 бит, причем 3 наиболее значимых бита используются для отсчета номера кадра (по модулю 8), а следующие 5 бит — для отсчета номера MAC PDU. Инициализирующий вектор для первого блока шифрования формируется следующим образом:

1). Генерируется 32-битная строка, в которой 8 наиболее значимых битов представляют собой ROC, а последующие 24 бит — 8-битный номер текущего фрейма, повторенный 3 раза.

2). Полученная строка повторяется 4 раза, генерируя 128-битное начальное значение счетчика.

159

При шифровании каждого последующего блока данных значение этого 128-битного счетчика увеличивается на 1. Значение ROC помещается перед зашифрованной полезной нагрузкой MAC PDU (рис. 3.13).

	Заголовок	ROC	Зашифрованная полезная	CRC
	Generic MAC		нагрузка MBS	(необязательное поле)

Рис. 3.13. Формат MAC PDU в режиме шифрования CTR

Режим шифрования CCM

Режим CCM (Counter with CBC-MAC) является сочетанием режима шифрования CTR и режима аутентификации данных CBC-MAC. В этом случае к полезной нагрузке MAC PDU добавляются:

номер передаваемого пакета данных (Packet Number, PN), который обнуляется при получении нового TEK;

аутентификационный код полезной нагрузки MAC PDU.

Формат MAC PDU в режиме шифрования CCM представлен на рис. 3.14.

L байт

Полезная нагрузка MAC PDU

L+12 байт

4 байта

8 байт

PN

Полезная нагрузка MAC PDU

Аутентификаци-

онный код

Рис. 3.14. Формат MAC PDU в режиме шифрования CCM

На первом этапе обработки полезной нагрузки MAC PDU вычисляется ее аутентификационный код в режиме CBC-MAC (рис. 3.15).

160

Незашифрованный	Незашифрованный	Незашифрованный
блок 1	блок 2	блок N

	Инициализиру
	-ющий вектор
	TEK	шифрование	шифрование	шифрование
		AES/DES	AES/DES	AES/DES
				Аутентифика-
				ционный код

Рис. 3.15. Вычисление аутентификационного кода полезной нагрузки

MAC PDU в режиме CBC-MAC

Полезная нагрузка объединяется с полученным аутентификационным кодом, после чего производится их совместное шифрование в режиме CTR. Однако в данном случае инициализирующие векторы генерируются иначе. Сначала создается основная 13-байтная часть вектора (рис. 3.16), в которой используется первые 5 байт заголовка Generic MAC (за исключением поля HCS) и значение PN. Далее этот вектор дополняется 1-байтной константой, а также значением длины полезной нагрузки до шифрования или номером шифруемого блока.

5 байт

4 байта

4 байта

Заголовок Generic MAC

0x00000000

PN

0x19	Основная часть	Длина полезной
	вектора	нагрузки
1 байт	13 байт	2 байта
	Инициализирующий вектор
	первого блока

0x01	Основная часть	Счетчик блока
	вектора	шифрования
1 байт	13 байт	2 байта
	Инициализирующий вектор
	последующих блоков

Рис. 3.16. Формирование инициализирующего вектора в режиме CCM

161