CN100337442C - 一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加密领域，尤其涉及一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法。一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于包括以下步骤：a.发送端利用初始化向量和加密密钥产生伪随机密钥序列；b.将伪随机密钥序列与欲传送数据进行加密；c.将b步骤产生的数据与完整性密钥利用完整性算法计算出完整性校验码ICV1；d.将步骤c产生的完整性校验码附加到步骤b产生的数据后，形成报文并传递给接收端；e.接收端将上述数据进行解密，得到传送的数据。本发明完整性保护与机密性保护分离，有助于提高实施完整性保护的执行效率；对于完整性保护，可以不必运行加密，就可以实现完整性保护。

Description

一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法

技术领域

本发明涉及加密领域，尤其涉及一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法。

技术背景

无线局域网(WLAN)系统是逐渐发展壮大的一种无线通信系统，可以使得移动用户使用计算机通过WLAN无线机制与网络进行通信。在移动用户和网络之间的空中接口，由于数据和信息都会通过无线电波进行传输，所以有更多的机会泄漏信息。对于信息主要保护两个方面：机密性和完整性。机密性是指传输的信息经过处理之后，即使非法接收者得到信息也无法知道传输的真实数据，从而防止信息泄漏；完整性是指信息经过传输之后，能够保持原始的数据，中间不能够被篡改。对于WLAN系统传输的空中接口数据，对于信息的机密性和完整性都需要进行保护。

目前，对于机密性基本都是通过加密来实现的。对于完整性，可以通过CRC算法进行校验，也可以通过哈西鉴权算法生成校验码来实现完整性保护。完整性保护的机制就是能够将大量的数据变换成有限长度的数值，这个有限长度就称为校验码，一个好的完整性算法要求原始数据变化一点点，能够引起校验码中超过半数的数值变化，而且是不可预见的。

在WLAN系统中，传递的信息如果被修改了，而没有通过一些途径修改传递的信息对应的校验码，那么接收方通过重新计算原始信息，计算出校验码，并与传输过来的比较，根据哈西鉴权算法的特点，修改过原始信息之后，其校验码必定会变化，所以，接收者可以知道传递过来的数据已经被非法篡改了。

与本发明相关的现有技术一

WLAN系统采用有线等效加密方案(WEP)来加密保护WLAN网络中的授权用户信息，防止任意的窃听活动，保护信息的机密性。其中对于信息的完整性保护是通过对于加密完成的数据运算CRC校验，将校验码附在WEP加密后的报文后面构成组直接传递的报文。加密和完整性保护过程如图1所示。

WEP算法的核心算法是RC4，图中的RC4PRNG是伪随机数产生器，伪随机数产生器的种子seed是由初始化向量(IV)和密钥(secret key)串联成的向量。产生的伪随机数的字节数等于传输的报文MPDU的字节数再加上4。为了防止中间传输途中对于MPDU的篡改，对于MPDU采用CRC-32算法进行了一次完整性校验，产生一个校验值，填充在ICV字段。WEP机制应用在MPDU消息体中，{初始化向量，消息体，完整性校验值}三元组是实际传输的数据。

图2描述了使用WEP算法加密之后构建成的数据帧，加密后的数据帧比最初的MPDU多出8字节，其中4字节存放初始化向量(IV)，其他4字节保存完整性校验值(ICV)，WEP ICV是一个32位的数据域，只通过计算数据PDU得到的。

目前WLAN完整性保护机制使得接收者接收之后，必须使用解密密钥通过WEP复杂的运算解密出报文，解密出的报文包括了真实数据和传递过来的ICV，同时，接收者将还原出的数据再通过CRC-32完整性校验算法计算ICV值，并与解密出的ICV值比较，如果相同才认为是中间没有篡改的报文。

现有技术一的缺点：

网络安全中，有多种手段可以向通信设备发送大量非法或者重复的数据包，导致设备忙于处理这些非法报文时，系统资源不够而瘫痪。上述方案的一个缺点就是非常容易招致这样的攻击，而且没有有效的防护手段。

如果恶意用户在通信设备的中间插入大量的非法报文，接收者为了知道报文是否完整的，必须计算ICV，也必须先通过解密算法还原出数据，而这个解密运算是比较耗时的。如果经过上述完整性机制验证，本报文是非法的，报文需要丢弃，那么耗时的WEP运算资源就浪费了，从而也容易导致上面的攻击。

另外，本方案采用了CRC-32算法来计算ICV，CRC-32算法本身并不具备哈西完整性鉴权算法的特点。哈西完整性鉴权算法要求输出对于输入是非线性的关系，并且输入的一位能够使得输出报文的超过半数数据得到变化。

没有采用完整性密钥，完整性检查完全依赖于WEP加密密钥，一旦加密密钥泄漏，那么完整性保护就彻底失去意义。

总结起来，方案一的缺点包括：

缺点1：采用的完整性校验算法不符合完整性鉴权算法的特点。太简单，保护级别低。

缺点2：没有采用完整性密钥，机密性与完整性保护是捆绑在一起的。没有相互增强安全性。

缺点3：目前完整性计算与加密的实施顺序非常容易招致简单的DOS攻击，而使得系统陷入瘫痪。

与本发明相关的现有技术二：

在802.11i中制定了两种新的加密/完整性保护协议，临时密钥完整性协议(TKIP)和无线强健认证协议(WRAP)。加密和完整性保护如图3所示：

七种完整性保护的字段MIC与技术方案一中的一样都是先计算出来，然后通过WEP加密形成密文。解密过程如图4所示：

对于完整性的检查，与方案一一样，是在耗时的解密运算之后才进行MIC码比对，如果相同，说明中间没有篡改。

现有技术二的缺点：

虽然比较先进的TKIP方案引入了完整性密钥，但是由于其完整性计算仍然排在加密之前进行，完整性检查时，仍然需要先通过解密才能够知道完整性，所以，与方案一具有同样的缺点，即无法有效抵抗恶意的报文攻击而陷入瘫痪。

缺点1：采用的完整性校验算法不符合完整性鉴权算法的特点。太简单，保护级别低。

缺点2：目前完整性计算与加密的实施顺序非常容易招致简单Dos攻击，而使得系统陷入瘫痪。

缺点3：完整性保护依赖于机密性，没有有效分离两者，所以，对于单纯的完整性保护，系统运行效率不高。

发明内容

基于现有技术如上所述的缺点，本发明提出一种增强完整性校验算法的安全性，将机密性与完整性相分离的保护方法。使得对于完整性保护，可以不必运行加密，就可以实现完整性保护。同时增强机密性自身的安全性，使数据的传输过程不必依赖于机密性。另外，还可以达到节约系统资源，抵抗非法攻击的目的。

为此，本发明采用如下方案：

一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，包括以下步骤：

a、发送端利用初始化向量和加密密钥产生伪随机密钥序列；

b、将伪随机密钥序列与欲传送数据进行加密；

c、将b步骤产生的数据与完整性密钥利用完整性算法计算出完整性校验码ICV1；

d、将步骤c产生的完整性校验码ICV1附加到步骤b产生的数据后，形成报文并传递给接收端；

e、接收端根据接收到的报文计算本地完整性校验码ICV2，并将其与ICV1相比较，根据比较结果判断是否需要解密以得到传送的数据。

所述的步骤e，进一步包括：

e1、接收端将接收到的报文与完整性密钥一起输入完整性算法，计算出本地完整性校验码ICV2；

e2、将ICV1与ICV2相比较，若不相同，则进入步骤e3，若相同，则进入步骤e4；

e3、将数据丢弃；

e4、将初始化向量与加密密钥输入密码发生器，产生随机密钥序列；

e5、利用伪随机密钥序列与加密后的数据，得到原始报文。

所述的步骤b，是通过将伪随机密钥序列与欲传送的数据进行异或操作。

所述的步骤e5，是将伪随机密钥序列与加密后的数据异或产生原始报文。

所述的步骤c中，该完整性算法为带有密钥的哈西鉴权函数。

所述的密钥为HMAC或者MD5。

本发明的方案中，由于完整性校验在解密之前进行，如果发现是非法报文，提前丢弃报文，避免后面无谓的解密运算，节约系统资源抵抗类似DOS攻击；

另外，本发明中机密性与完整性分离，执行效率更高；对于完整性保护，可以不必运行加密，就可以实现完整性保护。这样完全实现用户单独选择实施机密性还是完整性，增加灵活性；

再有增强了完整性算法的安全性，可以有效保证数据的完整性。

附图说明

图1是现有技术中加密和完整性保护过程示意图；

图2是现有技术中使用WEP算法加密之后构建成的数据帧结构示意图；

图3是现有技术中加密流程示意图；

图4是针对图3加密流程的解密流程示意图；

图5是本发明加密以及完整性计算过程示意图；

图6是本发明解密以及完整性校验过程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

如图5所示，是本发明所使用的加密及完整性计算过程的一个示意图，从图中可以看到，本发明涉及到了以下步骤：

a、IV与加密密钥输入密钥发生器，产生伪随机密钥序列；

b、伪随机密钥序列与明文异或产生加密后的数据；

将伪随机密钥序列与欲传送的明文进行加密，这里该加密的操作可以有多种，我们采取最常见的异或操作。

c、加密后的数据与IV串联起来，与完整性密钥一起输入完整性算法，计算出完整性校验码ICV；

将前述的数据与初始化向量串联起来，和完整性密钥一起，利用完整性算法计算出完整性校验码IVC。

在这里，基于增强完整性保护的的需要，选择带有密钥的哈西鉴权函数作为WIAN系统中的完整性算法，取代目前的CRC-32以及其他普通鉴权算法。具体可以使用密钥HMAC，密钥MD5等。

d、将ICV附加到加密后的数据与IV串联成的消息后面，构成可以传递的报文。

再将上述形成的可传递报文发送给接收端，由接收端进行解密操作。

如图6所示，是本发明解密以及完整性校验过程示意图，从图中可见，本发明的解密过程包括以下步骤：

A、将接收到的报文中加密后的数据与IV的串联的，与完整性密钥一起输入完整性算法，计算出本地完整性校验码ICV′；

在接收端使用相同的方法，也可以产生一个完整性校验码，ICV′，该ICV′可能与发送阶段产生的ICV相同，也可能不相同，我们使用它作为报文完整性的验证标准。

B、将ICV′与接收到的ICV进行比较。

如果两个校验码相同，说明中间报文没有被篡改，可以进入下一步的解密处理，转到流程C；如果校验码不相同，说明传输报文错误，需要丢包。并不进行后续的解密。

C、将IV与加密密钥输入密钥发生器，产生伪随机密钥序列；

D、伪随机密钥序列与加密后的数据异或产生原始明文。

本发明完整性保护在加密之后进行，完整性检查在解密之前进行；如果发现是非法报文，提前丢弃报文，避免后面无谓的解密运算，节约系统资源抵抗类似DOS攻击。

本发明完整性保护与机密性保护分离，有助于提高实施完整性保护的执行效率；对于完整性保护，可以不必运行加密，就可以实现完整性保护。这样完全实现用户单独选择实施机密性还是完整性，增加灵活性。

另外，本发明使用安全级别高的完整性算法；增强了完整性算法的安全性，可以有效保证数据的完整性。

同时，本发明在WLAN系统中完整性保护，使用单独的完整性密钥。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1、一种在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于包括以下步骤：

a、发送端利用初始化向量和加密密钥产生伪随机密钥序列；

b、将伪随机密钥序列与欲传送数据进行加密；

c、将b步骤产生的数据与完整性密钥利用完整性算法计算出完整性校验码ICV1；

d、将步骤c产生的完整性校验码ICV1附加到步骤b产生的数据后，形成报文并传递给接收端；

e、接收端根据接收到的报文计算本地完整性校验码ICV2，并将其与ICV1相比较，根据比较结果判断是否需要解密以得到传送的数据。

2、如权利要求1所述的在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于所述的步骤e，进一步包括：

e1、接收端将接收到的报文与完整性密钥一起输入完整性算法，计算出本地完整性校验码ICV2；

e2、将ICV1与ICV2相比较，若不相同，则进入步骤e3，若相同，则进入步骤e4；

e3、将数据丢弃；

e4、将初始化向量与加密密钥输入密码发生器，产生随机密钥序列；

e5、利用伪随机密钥序列与加密后的数据，得到原始报文。

3、如权利要求2所述的在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于所述的步骤b，是通过将伪随机密钥序列与欲传送的数据进行异或操作。

4、如权利要求3所述的在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于所述的步骤e5，是将伪随机密钥序列与加密后的数据异或产生原始报文。

5、如权利要求1所述的在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于所述的步骤c中，该完整性算法为带有密钥的哈西鉴权函数。

6、如权利要求5所述的在无线局域网中进行数据完整性保护的方法，其特征在于所述的密钥为HMAC或者MD5。

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