WiMAX数据传输加密方案设计与实现(1)(3)

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，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。

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