CN1726670A - 安全的无线局域网或城域网及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了安全的无线局域网或城域网及相关方法。根据其提供的安全的无线局域网或城域网(10)和数据通信设备(11n)，其中所述设备(11n)在包括密文和初始化向量的加密消息中传送明文。所述设备可以包括种子发生器(20)，以便使用密钥、设备地址和变化的参考值来执行单向算法以便产生种子。另外，还可以包括一个随机初始化向量(IV)发生器(21)，以便产生随机IV，而且一个密钥加密器(22)可以根据所述种子和所述随机IV，产生一个密钥序列。此外，还可以包括一个逻辑电路(23)，以便根据所述密钥序列和明文产生密文，而且一片无线通信器件(25)可以连接到所述逻辑电路(23)和所述随机IV发生器(21)，以便无线传送所述加密消息。

Description

安全的无线局域网或城域网及相关方法
技术领域
本发明涉无线网络的领域，更具体地说，涉及无线局域网和城域网及相关方法。
背景技术
过去几年来无线网络已经经历了加速发展。两个具体的实例是无线局域网(LAN)和城域网(MAN)，典型情况下二者都包括几部无线电台(如带有无线以太网卡的膝上电脑)，它们通过例如射频信号，与一个或多个接入点(如服务器)进行通信。固定的节点可以用于提供所述无线LAN/MAN和有线网络(例如电话网络)之间的桥梁，同时也便利了无线节点之间的通信。当然，在某些无线LAN/MAN中，所述无线电台也可以在有限范围内进行相互直接对等网络通信。
为了规范无线LAN/MAN之内的通信，已经制定的更突出的标准之一是电气和电子工程师学会802 LAN/MAN标准委员会的标准，标题为“IEEE Standards for Information Technology-Telecommunications and Information Systems-Local andMetropolitan Area Network-Specific Requirements-Part 11：Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specification”，1999，因此其全部内容在此引用作为参考。除了提供无线通信协议以外，所述802.11也定义了有线等效加密(WEP)算法，它用于保护无线信号免受偷听，因为典型情况下无线信号比有线网络上传送的信号更易于被截取。WEP依靠在无线电台和接入点之间共享的一只密钥。所述密钥用于在传输前加密数据包，并且使用一种完整性检验以确保在所述传输期间数据包不被修改。
尽管如此，近来已经发现所述WEP算法对外部攻击的免疫力不像当初所相信的那么强。例如，在2001年7月意大利罗马的MOBICOM上，Borisov等人的标题为“Intercepting mobilecommunications：The Insecurity of 802.11”的文章中，作者阐述了WEP中的许多弱点。具体地说，已注意到当使用相同的初始化向量(IV)和密钥加密两条消息时，就会出现严重的安全隐患。因为这可能泄漏这两条消息的有关信息。更具体地说，按照WEP消息，使用异或运算产生密文。通过使用相同的IV对从这两条消息产生的密文进行异或运算，所述密钥流就会抵销，那么就有可能恢复明文。同样，这种密钥流的重复使用也容易受到解密辞典攻击的破坏。在解密辞典攻击中，将许多消息进行存储和比较，以便发现使用相同的IV产生的多条消息。
不仅如此，在Fluhrer等人2001年8月在讨论加密技术中选定领域的第八届年度研讨会上发表的标题为“Weaknesses in the KeyScheduling Algorithm of RC4”的发言中，概述了WEP的密钥次序安排中的几个弱点并且提出了利用这些弱点的一种方法，通常称为“Fluhrer攻击”。其他人随后已经实现了Fluhrer攻击并建立了其生存能力。参见如Stubblefield et al.，“Using the Fluhrer，Mantin，andShamir Attack to Break WEP，”AT&T Labs Technical ReportTD-4ZCPZZ，August 6，2001。
针对WEP中这些新发现的弱点，已经作出了几项努力增强WEP对外部攻击的免疫力。RSA Security Inc.开发的一种此类方法称为“快速数据包密钥法”。这种方法使用散列函数，它为无线LAN上所传送数据的每个数据包产生一个独特的伪随机密钥。所述散列函数以两个阶段实施。第一阶段包括密钥混合，把发送者的地址(TA)混合在临时密钥(TK)中，以确保以所述TK加密的不同用户使用不同的密钥流。
通过混合所述TA和所述TK，每个用户使用的是不同的密钥集。由无线电台向所述接入点发送的数据流使用的密钥集与由所述接入点向所述无线电台发送的数据流使用的密钥集不同。典型情况下这种输出存储在高速缓存中以便提高性能，并且能够重复使用以处理将来的使用相同TK和TA的数据包。第二阶段把第一阶段的输出与IV混合，并为每个数据包产生各数据包独特的密钥。为了避免密钥的任何重复，对按照所述TK加密的每个数据包使用一个不同的IV。
NextComm Inc.已经开发的另一种方法称为“密钥跳跃”。这种方法需要安全密钥频繁地切换，以便使入侵者更加难以适应空中的数据流，难以学会和破坏所述加密法。因而对WEP中使用的现有密钥集机制进行修改，使用过去定义的WEP密钥、基本服务集标识符(BSSID)和随机种子来产生“会话密钥”。在Ying 2002年2月所著的标题为“Key Hopping-A Security Enhancement Scheme forIEEE 802.11 WEP Standards”的白皮书中，可以找到这种方法进一步的细节。在 http：//www.nextcomm.com可查到。
上述诸方法的一个潜在缺点在于，不断地在所述网络中的不同节点上产生和/或分配临时的或者说会话的密钥是繁重的任务。另外，对于快速数据包密钥法，所述临时密钥分配机制尚未确定。在快速数据包密钥法中产生会话密钥也需要基础设施比如接入点，而且更不适于ad-hoc WLAN。
发明内容
所以考虑到上述背景，本发明的一个目的是为无线LAN/MAN提供具有增强安全特性的设备和方法。
一种安全的无线数据通信设备提供了本发明的这个和其他目的、特性和优点，以便在包括密文和初始化向量的加密消息中传送明文。所述设备可以包括种子发生器，以便使用密钥、设备地址和变化的参考值来执行单向算法。另外，还可以包括一个随机初始化向量(IV)发生器，以便产生随机IV，而且一个密钥加密器可以根据所述种子和所述随机IV，产生一个密钥序列。此外，还可以包括一个逻辑电路，以便根据所述密钥序列和明文产生密文，而且一片无线通信器件可以连接到所述逻辑电路和所述随机IV发生器，以便无线传送所述加密消息，它包括所述密文和随机IV。
更确切地说，所述单向算法可以是散列算法，比如单相散列算法。同时，所述无线通信器件也可以关联到媒体接入控制器(MAC)层，而且所述变化的参考值可以是MAC层的序列号。例如，所述变化的参考值的规模可以大于或等于大约12位。使用所述散列算法使得所述密钥对攻击比如所述Fluhrer攻击的免疫力高出许多。另外，使用所述序列号使得攻击比如解密辞典攻击更加不易得逞，因为它极大地扩大了此类攻击所需之辞典的规模。
不仅如此，还可以包括一个完整性检验器，以便根据所述明文产生一个完整性检验值。所述逻辑电路可以根据所述密钥序列、所述明文和所述完整性检验值，产生所述密文。另外，所述设备也可以包括一个链接器，以便链接所述明文和所述完整性检验值，而且所述逻辑电路可以根据所述密钥序列以及所述明文和所述完整性检验值的链接，产生密文。例如，所述完整性检验器可以包括一个检验和发生器。
所述设备也可以包括一个链接器，以便链接所述种子和所述随机IV，而且所述密钥加密器可以根据所述种子和所述随机IV的所述链接，产生所述密钥序列。优选情况下，所述随机IV的规模可以大于大约24位，这可以对例如解密辞典攻击提供更进一步的保护。所述逻辑电路可以是异或逻辑电路。同时，所述密钥也可以是静态密钥，而所述密钥加密器可以包括一个伪随机数发生器。
按照本发明的另一个方面，所述安全的无线数据通信设备可以包括一个随机IV发生器以产生随机IV，以及一个种子发生器，使用一只密钥，一个设备地址和所述随机IV来执行单相单向算法，产生一个种子。此外，所述设备也可以包括一个密钥加密器，以便根据所述种子产生密钥序列；一个逻辑电路，以便根据所述密钥序列和所述明文产生密文；以及一片无线通信器件，连接到所述逻辑电路和所述随机IV发生器，以便无线传送所述加密消息。
本发明的安全的无线数据通信方法方面是用于无线局域网(LAN)或者无线城域网(MAN)，它包括多台终端。所述方法可以包括在发送终端使用一只密钥，一个设备地址和一个变化的参考值执行一种单向算法产生一个种子。另外，在所述发送终端也可以产生一个随机IV，并且在所述发送终端也可以根据所述种子和所述随机IV产生一个密钥序列。所述方法也可以包括在所述发送终端使用所述密钥序列加密明文以产生密文，以及通过所述无线通信链接，从所述发送终端向一个接收终端发送所述密文和随机IV。
本发明的另一个相关的方法方面可以包括在所述发送终端产生一个随机IV，以及在所述发送终端使用一个密钥、一个设备地址和所述随机IV执行一个单相算法以产生一个种子。另外，所述方法也可以包括在所述发送终端根据所述种子产生一个密钥序列，在所述发送终端使用所述密钥序列加密明文以产生密文，以及通过无线通信链接，从所述发送终端向所述接收终端发送所述密文和随机IV。
附图简要说明
图1是无线LAN/MAN的一幅示意框图，它包括了根据本发明的安全的无线通信设备；
图2是图1中所述安全的无线通信设备的更详细的示意图；
图3是一幅示意框图，显示了图1中所述安全的无线通信设备的一个替代实施例；
图4是图3中所述安全的无线通信设备的更详细的示意框图；
图5是一幅流程图，展示了根据本发明的安全的无线数据通信方法；
图6是一幅流程图，展示了根据本发明的另一种安全的无线数据通信方法。
具体实施方式
现在将要在后文中参考这些附图(其中展示了本发明的若干优选实施例)，更全面地介绍本发明。不过，本发明也可以以许多不同的形式实施，不应当解释为局限于本文阐述的这些实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开材料完全周到，并且向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。相同的数字从始至终是指相同的元件，撇号用于指明替代实施例中类似的元件。
一开始，参考图1，一个无线LAN或MAN 10展示性地包括多台终端，即无线电台11a-11n以及一个接入点12。所述无线电台11可以是膝上型电脑、个人数据助理(PDA)或者其他适当的设备。此外，所述接入点12也可以是一台设备比如一台服务器，它提供了所述无线电台11a-11n与一个固定的或者说有线的通信网络(未显示)之间的桥梁。当然，优选情况下所述无线电台11和接入点12能够双向通信，而且根据本发明任何数目的无线电台和接入点都可以使用。
更确切地说，所述无线电台11n展示性地实施为(或者包括)一台安全的无线数据通信设备，用于在ad-hoc模式下向所述接入点12以及/或者向另一个无线电台以加密的消息传送明文，正如本领域的技术人员所理解。按照例如上述的802.11标准，当启用所述WEP安全功能时，所述加密的消息包括密文和一个初始化向量(IV)。正常情况下，所述IV用于在WEP中增加所述终端所用的所述共享密钥，对文本的每个数据包产生一个不同的密钥序列，因而避免了两份密文具有相同的密钥流。
如上所述，即使按照所述802.11标准要求使用了所述IV，WEP还是容易受到攻击，比如所述Fluhrer攻击。与所述802.11标准(其中所述密钥与所述IV相链接以产生一个密钥种子)相反，优选情况下所述无线电台11n包括一个种子发生器20，以便使用所述密钥、一个设备地址和一个变化的参考值执行一个单向算法，产生所述种子。应当注意，虽然本文介绍本发明时使用了所述802.11标准，但是本发明实施时也可以使用其他的无线LAN协议，比如蓝牙，正如本领域的技术人员所认同。
例如，所述单向算法可以是一种散列算法，比如MD5或SHA-1散列算法，为本领域的技术人员所公知。当然，也可以使用本领域的技术人员所公知的其他适当的单向算法。此类算法设计为使得从所述散列函数确定上行数据流(即所述算法处理的内容)极为困难。换言之，使用此类算法使得在密钥原始输入包括所述密钥的情况下，其他内容能够用于从所述算法产生相同的数值输出极为罕见。
正如本领域的技术人员将会认同的，所述WEP标准中所要求的密钥典型情况下是40位，可以由多种方法分配到所述无线电台11a-11n和接入点12，比如由一位网络管理员分配。所述设备地址也可以类似地由一位网络管理员例如按照所述无线LAN/MAN 10实施的具体软件和/或协议来分配。虽然不必在每一个实施例中使用节点地址，但是包括它之后，希望比较加密后网络消息以获取所述密钥的第三方就必须从仅仅一台终端比较消息。因此，从单一终端采集足够大量加密消息所增加的困难可以用作对许多潜在黑客的进一步威慑。
所述802.11标准用于与多个应用控制层相关联的无线通信设备，其中之一是所述媒体接入控制器(MAC)层。所述MAC层典型情况下具有一个相关联的序列号，它随着所发送的每条加密消息而更新。根据本发明，所述变化的参考值可以方便地用所述MAC层序列号，尽管也可以产生或使用其他变化的参考值来产生所述密钥种子。例如，所述变化的参考值的规模可以大于或等于大约12位，这是所述MAC层序列号的典型规模。通过使用例如12位的变化的参考值，解密辞典攻击要成功的话，将不得不比对所述标准WEP协议大4096倍，使得此类攻击实质上不可行。
所述无线电台11n也展示性地包括一个随机IV发生器，以便产生随机IV，一个密钥加密器22用于根据所述种子和所述随机IV，产生一个密钥序列。当然，本领域的技术人员将会认同，在某些实施例中也可以使用其他类型的IV发生器，比如计数器或数值切换(即在两个或更多数值之间切换)设备。不过，随机IV生成将需要使成功地进行解密辞典攻击所用的辞典规模最大，所以在许多实施例中可能是优选的。
优选情况下所述密钥加密器22实施所述802.11标准中规定的RC4伪随机数生成算法，尽管在某些实施例中再次可以使用其他适当的随机数或密钥序列生成算法。在RC4的情况下，所述RC4密钥流的前256个字节(或其他数目的字节)可以丢弃，作为应对例如Fluhrer攻击的进一步安全措施，正如本领域的技术人员将会认同。
所述无线电台11n进一步展示性地包括一个逻辑电路23，以便根据所述密钥序列和来自明文源24的明文产生密文。所述明文源可以在例如所述无线电台11n中产生明文，或者它可以简单地是一个输入，以便从另一台终端接收要传递的文本。按照所述802.11标准，所述逻辑电路23典型情况下是异或逻辑电路(图2)，但是也可以使用本领域的技术人员公知的其他适当的逻辑电路。一个无线通信器件25连接到所述逻辑电路23和所述随机IV发生器21，以便无线地传送所述加密的消息，它包括所述密文和随机IV，如图所示。所述无线通信器件可以是任何适当的无线收发器件，它按照例如所述802.11或其他LAN协议(如蓝牙)运行。
现在再转向图2，更详细地显示了所述无线电台11n。如图所示，所述无线电台11n也包括一个完整性检验器26，以便根据要放到所述密文中的明文，产生一个完整性检验值或域。例如，所述完整性检验域可以实施为按照所述802.11标准的一个CRC-32检验和值，尽管也可以使用本领域的技术人员公知的其他适当的完整性检验值。此外，所述无线电台11n进一步包括一个链接器27，以便链接所述明文和所述完整性检验值，所述逻辑电路23可以根据所述密钥序列以及所述明文和所述完整性检验值的所述链接，产生所述密文。
同样，也包括一个链接器28，以便链接所述种子和所述随机IV，所述密钥加密器22因此根据所述种子和所述随机IV的所述链接，产生所述密钥序列。按照所述802.11标准，所述IV的规模为24位。而根据本发明，优选情况下所述随机IV的规模大于大约24位(如48位)，这对例如解密辞典攻击可以提供更进一步的保护。当然，如果需要也可以使用更大规模的IV，在随机产生IV时降低IV的即使唯一的冲突，正如本领域的技术人员所认同。
上述方法的一个具体优点在于，它不需要连续地产生和向所述无线LAN/MAN 10中的不同节点分配临时的或者说会话的密钥，而这正是使用上述快速数据包密钥法和密钥跳跃法的情形。相反，所述密钥可以是“静态的”密钥，它不需要频繁地改变来确保增强的安全性。当然，在某些实施例中，如果需要更进一步的安全增强，所述密钥可以定期(如每天、每月等)改变，正如本领域的技术人员将会认同。
图3和图4中展示了所述无线电台11n’的一个替代实施例。在这个实施例中，所述种子发生器20’使用所述密钥、所述设备地址和所述随机IV(与上述变化的参考值相反)，执行一种单相单向算法(如散列算法)，以便产生所述种子。通过使用如上所述的扩展IV(如48位)，使用解密辞典攻击来发现所述密钥将是极为不现实的，正如本领域的技术人员将会认同。在图3和图4中没有专门讨论的剩余元件类似于以上指出的元件，所以此处将不再进一步讨论。
图5中展示了本发明的安全的无线数据通信方法方面。所述方法开始(框50)于在发送终端在框51使用一只密钥、一个设备地址和一个变化的参考值执行一种单向算法以产生一个种子。在图1所示的实例中，所述发送终端是所述无线电台11n。当然，本领域的技术人员将会认同，任何其他的无线电台11和接入点12也都可以是根据本发明的发送终端。
另外，在所述发送终端可以在框52产生一个随机IV，所述发送终端也可以在框53在根据所述种子和所述随机IV，产生一个密钥序列。如上所述，本方法也可以包括在所述发送终端使用所述密钥序列加密明文以产生密文(框54)，以及在框55通过所述无线通信链接从所述发送终端向一台接收终端(在展示的实例中是所述接入点12)发送所述密文和随机IV，由此结束了本方法(框56)。所述无线电台11a-11n中的任何一台或所述接入点12再次都可以用作接收终端。
本发明的另一个相关的方法方面展示在图6的流程图中。所述方法开始(框60)于在发送终端在框61产生所述随机IV，以及在发送终端在框62使用所述密钥、所述设备地址和所述随机IV执行一种单相算法以产生一个种子。优选情况下，所述单相算法再次为单相散列算法，但是也可以使用其他适当的单向算法。
另外，所述方法也可以包括在发送终端在框63根据所述种子产生一个密钥序列，在发送终端在框64使用所述密钥序列加密明文以产生密文，以及通过无线通信链接从所述发送终端向所述接收终端发送所述密文和随机IV(框65)，由此结束了本方法。根据以上的说明，以上方法的其他方面对于本领域的技术人员将是显而易见的，所以本文将不再进一步讨论。

Claims (11)

1.一种安全的无线数据通信设备，用于在包含密文和初始化向量的加密消息中传送明文，所述设备包括：
种子发生器，使用密钥、设备地址和变化的参考值来执行单向算法，以便产生种子；
随机初始化向量(IV)发生器，用于产生随机IV；
密钥加密器，用于根据所述种子和所述随机IV，产生密钥序列；
逻辑电路，用于根据所述密钥序列和明文产生密文；以及
无线通信器件，连接到所述逻辑电路和所述随机IV发生器，以便无线传送包括所述密文和随机IV的所述加密消息。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述单向算法包含散列算法。
3.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述无线通信器件具有与之关联的媒体接入控制器(MAC)层；而且所述变化的参考值包含MAC层的序列号。
4.根据权利要求1的设备，进一步包含完整性检验器，用于根据所述明文产生完整性检验值。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于，所述逻辑电路根据所述密钥序列、所述明文和所述完整性检验值产生所述密文。
6.根据权利要求5的设备，进一步包含链接器，链接所述明文和所述完整性检验值；其中所述逻辑电路根据所述密钥序列以及所述明文和所述完整性检验值的所述链接产生所述密文。
7.根据权利要求1的设备，进一步包含链接器，链接所述种子和所述随机IV；其中所述密钥加密器根据所述种子和所述随机IV的所述链接产生所述密钥序列。
8.一种安全的无线数据通信方法，用于包含多台终端的无线局域网或城域网，所述方法包括：
在发送终端使用密钥、设备地址和变化的参考值执行单向算法，以便产生种子，
在所述发送终端产生随机初始化向量(IV)，
在所述发送终端根据所述种子和所述随机IV产生密钥序列，
在所述发送终端使用所述密钥序列加密明文以产生密文，以及
通过所述无线通信链接，从所述发送终端向接收终端发送所述密文和随机IV。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述单向算法包含散列算法。
10.根据权利要求8的方法，进一步包含在所述发送终端根据所述明文产生完整性检验值。
11.根据权利要求10的方法，其中加密包含使用所述密钥序列加密所述明文和完整性检验值以产生所述密文。
CNA038105640A 2002-05-10 2003-05-07 安全的无线局域网或城域网及相关方法 Pending CN1726670A (zh)

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