WO2006134001A1 - Verfahren und anordnung zum sicheren übertragen von daten in einem ad hoc netzwerk - Google Patents

Verfahren und anordnung zum sicheren übertragen von daten in einem ad hoc netzwerk Download PDF

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WO2006134001A1
WO2006134001A1 PCT/EP2006/062096 EP2006062096W WO2006134001A1 WO 2006134001 A1 WO2006134001 A1 WO 2006134001A1 EP 2006062096 W EP2006062096 W EP 2006062096W WO 2006134001 A1 WO2006134001 A1 WO 2006134001A1
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Michael Bahr
Michael Finkenzeller
Matthias Kutschenreuter
Christian SCHWINGENSCHLÖGL
Norbert Vicari
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L63/04—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks
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    • H04L63/0464—Network architectures or network communication protocols for network security for providing a confidential data exchange among entities communicating through data packet networks wherein the data content is protected, e.g. by encrypting or encapsulating the payload using hop-by-hop encryption, i.e. wherein an intermediate entity decrypts the information and re-encrypts it before forwarding it
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    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/04—Protocols specially adapted for terminals or networks with limited capabilities; specially adapted for terminal portability

Definitions

  • the invention relates to a method for the secure transmission of data in a multipath method using the communication system according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an arrangement for carrying out the method according to the preamble of claim 15th
  • messages for example with voice information, picture information, video information, short message service (SMS), multimedia messaging service (MMS) or other data, are transmitted by means of electromagnetic waves via a radio interface between transmitting and receiving radio station.
  • the radio stations also referred to as nodes according to the network terminology, may be different types of subscriber radio stations or network radio stations such as radio access points or base stations, depending on the specific embodiment of the radio communication system.
  • the subscriber radio stations are mobile radio stations.
  • the electromagnetic waves are emitted at carrier frequencies which lie in the frequency band provided for the respective system.
  • Mobile radio communication systems are often called cellular systems e.g. according to the standard GSM (Global System for Mobile Communication) or UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) with a network infrastructure consisting e.g. Base stations, facilities for controlling and controlling the base stations and other network-side facilities formed.
  • GSM Global System for Mobile Communication
  • UMTS Universal Mobile Telecommunications System
  • WLANs wireless local ones Networks
  • AP access point
  • WLANs wireless local ones Networks
  • the cells covered by the radio access points (AP: access point) of the WLANs are small with diameters of, for example, a few hundred meters in comparison to conventional mobile radio cells.
  • Examples of different standards for WLANs are HiperLAN, DECT, IEEE 802.11, Bluetooth and WATM.
  • WLANs use the unlicensed frequency range around 2.4 GHz. Even in the 5 GHz range, there is a frequency band that is often used by WLAN but not uniformly regulated internationally.
  • data transfer rates of more than 50 Mbit / s can be achieved, with future WLAN standards (for example IEEE 802.1In), data transfer rates of more than 100 Mbit / s can be achieved.
  • the subscribers of the WLANs have available data rates that are significantly higher than those available from the third generation of mobile radio, such as a mobile network. offered by UMTS.
  • access to WLANs for high bit rate connections is advantageous for the transmission of large amounts of data, in particular in connection with Internet access.
  • the WLAN radio access points can also be used to connect to other communication systems, for example to the Internet.
  • the radio stations of the WLAN either communicate directly with a radio access point or, in the case of remote radio stations, via other radio stations which transmit the information between the radio station and the radio access point forward over a path between the radio station and the radio access point.
  • multi-hop communication systems which are also referred to as multi-hop communication systems
  • data is transmitted from a transmitting station to a terminal receiving station either directly via or through a plurality of intermediate relay stations.
  • the data can also be used over a large number of serially connected relay stations are transmitted, which is also referred to as multi-hop.
  • IEEE802.11i provides for the use of different keys per logical connection as can be seen from FIG.
  • this approach has the disadvantage that it is optimized only for a jump, but not for a multi-jump system.
  • PSK pre-shared key
  • the invention has for its object to provide a method for secure communication by radio in a multi-hop system, which avoids the mentioned disadvantage.
  • data is transmitted from a transmitting first Node to a second node receiving the data received by at least one arranged between the first and second node, the third node data and forwarded, the data is fragmented for transmission in packets containing a payload portion and at least one of the multiple jump associated first control data portion and a second control data portion associated with the network, and wherein the encryption of data is based on at least one first master key determined by the first node and the second node, only the payload portion is encrypted based on the first master key.
  • the method according to the invention advantageously results in end-to-end encryption of the user data. That the user data remains encrypted and protected until arrival at the destination node.
  • the intermediate nodes are also relieved, since they do not need to decrypt the user data, as is the case in approaches known from the prior art. They merely perform forwarding according to information contained in the control data portions. Delays that would arise through encryption and decryption, thereby largely avoided.
  • a specific second master key is formed by the respective transmitting first node and a neighboring node which is suitable as the third node, and preferably the first control data portions are encrypted on the basis of the second master key
  • the information associated with the multiple jump method is generally the path provided for the packets included, also not evaluable; which again significantly increases the security of the system.
  • the key is based on a master key resulting from sending nodes and neighboring nodes, only the neighboring node is able to decipher and evaluate the control data portion and according to the information contained therein. If necessary, initiate forwarding to a neighboring neighbor.
  • a further improvement of the encryption and thus the security is achieved if a second key derived from the first master key is determined and a first key derived from the second master key is determined, the packets for transmission in the respective first node are each encrypted in such a way that the first control data part is encrypted with the first key, the user data portion is encrypted with the second key, the second control data portion remains unencrypted and the packets are subsequently transmitted to the third node, the third node decrypts the encrypted with the first key first control data portion and the Evaluates control data portion, wherein in the event that the third node corresponds to the second node, the user data to decrypt with the second key decrypted and the transmission stopped and in the event that the third node is not the second node en, the third node is set as the first node and the steps starting with the derivation of a first key - it is not necessary to regenerate the second key since, according to the invention, only one end-to-end, i.
  • Source node-to-sink encryption of user data is required - to be repeated.
  • the improvement in security results from the fact that in the derivation of keys further ciphering measures can be taken, which make it difficult for an attacker or eavesdropper to decrypt the data, such as generating the second key using a random number generator, so that in each further transmission usually non-repeating keys are formed.
  • packets containing only routing messages generated by the multiple-jump method are completely encrypted, they too are generally for negotiating a route in the run-up to the actual user data transmission exchanged data for an attacker not evaluable, so that a concentration of attacks on the intermediate nodes to be used for the transmission is not possible. This establishes a further security level, which also does not result in any delay in the transmission of user data.
  • the routing packets are generated according to a routing protocol, so that a standardized communication between the nodes or networks is secured.
  • the routing message packets can be generated within the second layer 2 of the OSI reference model or within the third layer of the OSI reference model, since these are particularly suitable for implementing the method according to the invention.
  • an AODV protocol, OLSR protocol or derivatives thereof will act as protocols.
  • the second control data component is then formed by header data in accordance with IEEE802.il and the first control data component by header data according to the multiple jump method, since this corresponds to the usual procedure and thus a communication system configured in this way and the networks contained therein can carry out the method according to the invention without any major changeover.
  • An efficient method for data encryption results when encryption takes place using a 128-bit long key according to the Counter Mode CBC MAC protocol "CCMP".
  • the arrangement according to the invention for transmitting data in a multi-jump method is characterized by means for carrying out the method according to one of the preceding claims.
  • FIG. 1 a key agreement in a single-jump system according to IEEE802.1X
  • FIG. 2 shows the structure of a user data packet in a communication system according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a key hierarchy as it is based on the embodiment of the invention.
  • Figure 4 schematically and simplifies a flow chart according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 schematically illustrates a key agreement known from the prior art according to IEEE802.11i in a network standardized according to IEEE802.1X.
  • EAP Extensible Athetication Protocol
  • PMK Physical Master Key
  • a second step S2 the agreed master key PMK is now communicated to the access point AP, so that it generates in subsequent steps S3 to S6 in a so-called handshake message exchange a key necessary for communication between terminal T and access point AP for a transmission session ,
  • a random sequence is generated in the access point AP in the third step S3 and transmitted to the terminal T, which likewise generates random sequence in the fourth step S4 and transmits it in encrypted form to the access point AP using the random sequence of the access point AP in the fifth step S5, in connection with the master key, a key valid for the connection between access point AP and terminal T is generated in access point AP and encrypted to the terminal T with its random sequence and the terminal T and access point AP both have the information enabling the generation of a so-called "pairwise transient key" (PTK), which is valid for the duration of the session.
  • PTK airwise transient key
  • the data is distributed to packets, such as one shown in FIG. 2, which comprises a user data part N, and at least a first control data part MH is required for the processing of the multi-jump method, as well as a second control data component IH, which is formed according to IEEE802.il exist.
  • FIG 3 is also shown schematically on which security hierarchy embodiment of the invention is based.
  • Encryption of data results, as shown, from a first level El, which is characterized by a master key (Pairwise Master Key - PMK), out of which by means of a second level E2 occurring random number generation (PNRG) a Pairwise Transient Key (PTK), which according to TKIP 512 or according to AES-CCMP can be 384 bits in length, leads, as can be seen in the fourth level E4, in each case a part for the encryption of certain types of data, eg 128 bits for EAPoI Encryption Fl, 128 bits for EAPoI MIC F2 and 128 bits for Data Encryption F3.
  • PNRG random number generation
  • PTK Pairwise Transient Key
  • FIG. 4 shows a flowchart as it results on the basis of the method according to the invention based on the above-mentioned system.
  • a connection from a source node S to a destination node D is initiated.
  • a reactive routing protocol such as AODV
  • the connection establishment starts with the broadcast of a route request message for the discovery of a neighboring node suitable for forwarding to D.
  • the message is forwarded by the intermediate node I to the destination node D.
  • keys derived from the master key GMK available for group communication are used.
  • the destination node D reports back to the source node S that a route has been found.
  • This message is sent directly from node D to node I, node I forwards the message directly to node S.
  • the found route is activated and can then be used for data traffic.
  • the encryption of the messages at time T2 is performed as follows:
  • the message from node D to node I is encrypted with a key derived from the master key PMK (I, D) to be used for communication between D and I.
  • the message forwarded from node I to node S is encrypted with a key derived from master key PMK (I, S) to be used for communication between I and S.
  • a secure data connection between source node S and destination node D is possible with the mechanisms described in IEEE 802. Hi and with the aid of an AAA server reachable from the multihop network, a master key PMK (S, D) between source node S and destination node D is agreed.
  • a common example used in IEEE 802. Hi for master key negotiation is a Radius server and communication over EAP, 802. Ix.
  • This master key PMK (S, D) to be used for communication between S and D is used at a fourth time T4 as follows:
  • Data packets for transmission between source node S and destination node D consist inter alia of header information which is used for Forwarding the data in a multiple hop network of each forwarding node (in the example node I) must be used.
  • the data portion of the data packets must first be read again in the destination node D.
  • the header information for the transmission from S to I is encrypted with a key derived from the key PMK (S, I), decrypted in the intermediate node I, and forwarded to the destination node D with a key derived from the key PMK (I, D) encrypted.
  • the data component of the data packet is encrypted in the source node S with the key derived at the third time T3 between S and D master key PMK (S, D) derived key.
  • the data portion can be forwarded transparently and without changes to the destination node D where it is decrypted with a key derived from the master key PMK (S, D).

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Anordnung zum Übertragen von Daten in einem ein Mehrsprungverfahren nutzenden Kommunikationssystem mit zumindest einem aus mindestens einem Knoten bestehenden Netzwerk, werden Daten von einem sendenden ersten Knoten zu einem die Daten empfangenden zweiten Knoten durch zumindest einen zwischen dem ersten und zweiten Knoten angeordneten dritten Knoten die Daten jeweils empfangen und weitergeleitet, wobei die Daten zur Übertragung in Pakete fragmentiert werden, die einen Nutzdatenanteil und zumindest einen dem Mehrsprungverfahren zugeordneten ersten Steuerdatenanteil sowie einen dem Netzwerk zugeordneten zweiten Steuerdatenanteil aufweisen, und wobei die Verschlüsselung von Daten auf Grundlage zumindest eines durch den ersten Knoten und den zweiten Knoten bestimmten ersten Masterschlüssel erfolgt, wird lediglich der Nutzdatenanteil auf Grundlage des ersten Masterschlüssels verschlüsselt.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUM SICHEREN ÜBERTRAGEN VON DATEN IN EINEM AD HOC NETZWERK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Übertragen von Daten in einem ein Mehrsprungverfahren nutzenden Kommunikationssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 15.
In FunkkommunikationsSystemen werden Nachrichten, beispielsweise mit Sprachinformationen, Bildinformation, Videoinformation, SMS (Short Message Service) , MMS (Multimedia Messaging Service) oder anderen Daten, mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Funkstation übertragen. Bei den Funkstationen, gemäß der Netzwerkterminologie auch als Knoten bezeichnet, kann es sich hierbei je nach konkreter Ausgestaltung des Funkkommunikationssystems um verschiedenartige Teilnehmerfunkstationen oder netzseitige Funkstationen wie Funkzugangspunkte oder Basisstationen handeln. In einem Mobilfunkkommu- nikationssystem handelt es sich bei zumindest einem Teil der Teilnehmerfunkstationen um mobile Funkstationen. Das Abstrah- len der elektromagnetischen Wellen erfolgt mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Frequenzband liegen.
Mobilfunkkommunikationssysteme sind oftmals als zellulare Systeme z.B. nach dem Standard GSM (Global System for Mobile Communication) oder UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) mit einer Netzinfrastruktur bestehend z.B. aus Basisstationen, Einrichtungen zur Kontrolle und Steuerung der Basisstationen und weiteren netzseitigen Einrichtungen ausge- bildet.
Außer diesen weiträumig organisierten (supralokalen) zellularen, hierarchischen Funknetzen gibt es auch drahtlose lokale Netze (WLANs, Wireless Local Area Networks) mit einem in der Regel räumlich deutlich stärker begrenzten Funkabdeckungsbereich. Die von den Funkzugangspunkten (AP: Access Point) der WLANs abgedeckten Zellen sind mit Durchmessern von beispiels- weise einigen hundert Metern im Vergleich zu üblichen Mobilfunkzellen klein. Beispiele verschiedener Standards für WLANs sind HiperLAN, DECT, IEEE 802.11, Bluetooth und WATM.
Oftmals wird für WLANs der nicht lizenzierte Frequenzbereich um 2,4 GHz benutzt. Auch im 5 GHz Bereich existiert ein oft von WLAN genutztes, international jedoch nicht einheitlich reguliertes Frequenzband. Mit herkömmlichen WLANs lassen sich Datenübertragungsraten von über 50 Mbit/s erreichen, mit künftigen WLAN Standards (z.B. IEEE 802.1In) lassen sich Da- tenübertragungsraten von über 100 Mbit/s erzielen. Somit stehen den Teilnehmern der WLANs Datenraten zur Verfügung, die erheblich höher liegen als diejenigen, die von der dritten Mobilfunkgeneration, wie z.B. von UMTS, angeboten werden. Damit ist für die Übertragung von großen Datenmengen, insbeson- dere in Verbindung mit Internetzugriffen, der Zugriff auf WLANs für hochbitratige Verbindungen vorteilhaft.
Über die WLAN Funkzugangspunkte kann auch eine Anbindung an andere Kommunikationssysteme, so z.B. an das Internet erfol- gen. Hierzu kommunizieren die Funkstationen des WLAN entweder direkt mit einem Funkzugangspunkt oder bei weiter entfernten Funkstationen über andere Funkstationen, welche die Informationen zwischen der Funkstation und dem Funkzugangspunkt über einen Pfad zwischen der Funkstation und dem Funkzugangspunkt weiterleiten. In solchen als Mehrsprung-Kommunikationssystem bezeichneten Kommunikationssystemen, die auch als Multi-Hop- Kommunikationssysteme bezeichnet werden, werden Daten von einer sendenden Station aus zu einer letztendlich empfangenden Station entweder direkt über oder eine Vielzahl zwischen- geschalteter Zwischen- bzw. Relaisstationen übertragen. Neben der Übertragung von Daten über eine einzige zwischengeschaltete Relaisstation können die Daten auch über eine Vielzahl in Reihe hintereinander geschaltete Relaisstationen übertragen werden, was auch als Multi-Hop bezeichnet wird.
Für nicht Multi-hop WLAN Systeme ist es bekannt Sicherheits- mechanismen einzusetzen, die ein belauschen der übertragenen Daten verhindern sollen. Beispielsweise sieht IEEE802.11i hiefür die Verwendung von unterschiedlichen Schlüsseln je logischer Verbindung vor wie aus der Figur 1 zu entnehmen ist. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass er nur für einen Sprung optimiert ist, nicht jedoch für ein Mehrsprungsystem.
Hierzu gibt es Varianten, die diesen Nachteil beheben sollen. Beispielsweise existiert ein Ansatz, bei dem ein so genannter „pre shared key" (PSK) zum Einsatz kommt. Dabei wird ein für das gesamte Netzwerk gültiger Schlüssel gebildet, welcher zur Authentifizierung und Schlüsselvereinbarung verwendet wird. Dies bringt jedoch eine Erniedrigung des Sicherheitsniveaus mit sich.
Für zukünftige Standards wird daher diskutiert, für jede Verbindung einen unterschiedlichen Schlüssel zu verwenden. Dies belastet aber das System, da in jedem Knoten Ver- und Entschlüsselungen durchgeführt werden, die die Übertragung der Daten verzögern und damit gerade für Anwendungen mit Echt- Zeitanforderung, wie Voice over IP, ein Hemmnis darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur sicheren Kommunikation per Funk in einem Mehrsprungsystem anzugeben, welches den genannten Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 15.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Übertragen von Daten in einem ein Mehrsprungverfahren nutzenden Kommunikationssystem mit zumindest einem aus mindestens einem Knoten bestehenden Netzwerk, werden Daten von einem sendenden ersten Knoten zu einem die Daten empfangenden zweiten Knoten durch zumindest einen zwischen dem ersten und zweiten Knoten angeordneten dritten Knoten die Daten jeweils empfangen und weitergeleitet, wobei die Daten zur Übertragung in Pakete frag- mentiert werden, die einen Nutzdatenanteil und zumindest einen dem Mehrsprungverfahren zugeordneten ersten Steuerdatenanteil sowie einen dem Netzwerk zugeordneten zweiten Steuerdatenanteil aufweisen, und wobei die Verschlüsselung von Daten auf Grundlage zumindest eines durch den ersten Knoten und den zweiten Knoten bestimmten ersten Masterschlüssel erfolgt, wird lediglich der Nutzdatenanteil auf Grundlage des ersten Masterschlüssels verschlüsselt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in vorteil- hafter Weise eine Ende-zu-Ende Verschlüsselung der Nutzdaten. D.h. die Nutzerdaten bleiben bis zur Ankunft beim Zielknoten verschlüsselt und damit geschützt. Zudem sind aber auch die Zwischenknoten entlastet, da sie die Nutzdaten nicht zu entschlüsseln brauchen, wie es in aus dem Stand der Technik be- kannten Ansätzen der Fall ist. Sie führen lediglich eine Weiterleitung gemäß von in den Steuerdatenanteilen enthaltenen Informationen durch. Verzögerungen, die durch Ver- und Entschlüsselungen entstehen würden, werden dadurch weitestgehend vermieden.
Wird ein durch den jeweiligen sendenden ersten Knoten und einem als dritter Knoten geeigneten Nachbarknoten bestimmter zweiter Masterschlüssel gebildet und vorzugsweise die ersten Steuerdatenanteile auf Grundlage des zweiten Masterschlüssels verschlüsselt, so sind auch die dem Mehrsprungverfahren zugeordneten Informationen, die in der Regel den für die Pakete vorgesehenen Weg enthalten, ebenfalls nicht auswertbar; was die Sicherheit des Systems noch einmal deutlich erhöht. Da zudem der Schlüssel auf einen Masterschlüssel basiert, der sich durch senden Knoten und Nachbarknoten ergibt, ist auch nur der Nachbarknoten in der Lage den Steuerdatenanteil zu entziffern und auszuwerten und gemäß den enthaltenen Informa- tionen ggf. eine Weiterleitung hin zu einem nächsten Nachbarknoten zu initiieren.
Eine weitere Verbesserung der Verschlüsselung und damit der Sicherheit erzielt man, wenn ein vom ersten Masterschlüssel abgeleiteter zweiter Schlüssel ermittelt sowie ein vom zweiten Masterschlüssel abgeleiteter erster Schlüssel ermittelt wird, die Pakete für die Übertragung im jeweiligen ersten Knoten jeweils derart verschlüsselt werden, dass der erste Steuerdatenanteil mit dem ersten Schlüssel verschlüsselt wird, der Nutzdatenanteil mit dem zweiten Schlüssel verschlüsselt wird, der zweite Steuerdatenanteil unverschlüsselt bleibt sowie die Pakete im Anschluss hieran an den dritten Knoten übertragen werden, der dritte Knoten den mit dem ers- ten Schlüssel verschlüsselten ersten Steuerdatenanteil entschlüsselt und den Steuerdatenanteil auswertet, wobei im Falle, dass der dritte Knoten dem zweiten Knoten entspricht, die Nutzdaten anschließen mit dem zweiten Schlüssel entschlüsselt und die Übertragung beendet und im Falle, dass der dritte Knoten nicht dem zweiten Knoten entspricht, der dritte Knoten als erster Knoten gesetzt wird und die Schritte beginnend mit der Ableitung eines ersten Schlüssels - ein erneutes erzeugen des zweiten Schlüssel ist nicht notwendig, da ja erfindungsgemäß lediglich eine Ende-zu-Ende, d.h. Quellknoten-zu-Senke, Verschlüsselung der Nutzdaten erforderlich ist - wiederholt werden. Die Verbesserung der Sicherheit ergibt sich dabei daraus, dass bei der Ableitung von Schlüsseln weitere chiffrierende Maßnahmen vorgenommen werden können, die einem Angreife bzw. Lauscher das Entschlüsseln der Daten erschweren bzw. verhindern können, wie beispielsweise das Erzeugen des zweiten Schlüssels unter Verwendung eines Zufallsgenerators, so dass bei jeder weiteren Übertragung in der Regel sich nicht wiederholende Schlüssel gebildet werden.
Werden zudem gemäß durch das Mehrsprungverfahren erzeugte lediglich Routing Nachrichten enthaltenden Pakete vollständig verschlüsselt, sind auch die in der Regel zum Aushandeln eines Weges im Vorfeld der eigentlichen Nutzdatenübertragung ausgetauschte Daten für einen Angreifer nicht auswertbar, so dass eine Konzentration der Angriffe auf die für die Übertragung zu nutzenden Zwischenknoten nicht möglich ist. Hiermit wird also eine weitere Sicherheitsstufe etabliert, die zudem ebenfalls keine Verzögerung der Nutzdatenübertragung zur Folge hat .
Vorzugsweise werden dabei die Routing Pakete gemäß einem Routing Protokoll generiert werden, so dass eine standardisierte Kommunikation zwischen den Knoten bzw. Netzwerken gesichert ist .
Dabei kann ein Generieren der Routing Nachrichten Pakete innerhalb der zweiten Schicht 2 des OSI-Referenzmodels oder in- nerhalb der dritten Schicht des OSI-Referenzmodels erfolgen, da sich diese für das Implementieren des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders eignen.
Vorzugsweise werden insbesondere bei Generieren innerhalb der dritten Schicht, ein AODV-Protokoll, OLSR-Potokoll oder Derivate hiervon als Protokolle fungieren.
Erfolgt Verschlüsselung gemäß Sicherungsverfahren nach IEEE802.1X, hat man ein bei heutigen Netzwerken weit verbrei- tetes Sicherheitsmodel als Grundlage, so dass ein Implementieren vereinfacht und eine Akzeptanz des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteigert wird. Dies gilt insbesondere wenn zumindest eines der Netzwerke nach dem IEEE802.il oder seinen Derivaten funktioniert.
Vorzugsweise wird dann der zweite Steuerdatenanteil durch Kopfdaten gemäß IEEE802.il sowie der erste Steuerdatenanteil durch Kopfdaten gemäß dem Mehrsprungverfahren gebildet werden, da dies der üblichen Vorgehensweise entspricht und somit ein derartig ausgestaltet Kommunikationssystem und die darin enthaltenen Netzwerke ohne große Umstellung das erfindungsgemäße Verfahren durchführen können. Ein effizientes Verfahren zur Datenverschlüsselung ergibt sich dabei, wenn Verschlüsselung unter Nutzung eines 128 Bit langen Schlüssels gemäß des Counter Mode CBC MAC Protokolls „CCMP" erfolgt.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Übertragen von Daten in einem Mehrsprungverfahren ist durch Mittel zur Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet .
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Beschreibung zu den Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine Schlüsselvereinbarung in einem Einfachsprungssystem nach IEEE802.1X,
Figur 2 : den Aufbau eines Nutzdatenpaketes in einem erfindungsgemäßen KommunikationsSystem,
Figur 3: schematisch Darstellung eine Schlüsselhierarchie wie sie dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zugrunde gelegt ist.
Figur 4: schematisch und vereinfacht ein Ablaufdiagram gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Figur 1 ist schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Schlüsselvereinbarung gemäß IEEE802.11i in einem gemäß IEEE802.1X standardisierten Netzwerk dargestellt.
Zu erkennen ist hierbei, dass es sich um ein auf Einfachsprünge beschränktes System handelt, denn der Sprung reduziert sich auf eine Zwischenstation, nämlich den dargestell- ten Access Point AP, welcher zwischen einem Teilnehmerendgerät T und einem so genannten Radius Server RS zur Überbrückung bzw. zum Etablieren einer drahtlosen Datenübertragung zwischen dem Radius Server RS und dem Teilnehmerendgerät (Terminal) T.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass in einem ersten Schritt Sl über das so genannte „Extensible Athentication Protocol" EAP ein Authentifizieren über das dargestellte gemäß IEE802.1X ausgestaltete Netzwerk erfolgt, welches dazu dient einen gemeinsamen Schlüssel zu vereinbaren, der als „Pairwise Master Key" (PMK) oder kurz Masterschlüssel bezeichnet wird.
In einem zweiten Schritt S2 wird nun der vereinbarte Masterschlüssel PMK dem Access Point AP mitgeteilt, so dass dieser in nun folgenden Schritten S3 bis S6 in einem so genannten Handshake Nachrichtenaustausch einen für die Kommunikation zwischen Terminal T und Access Point AP für eine Übertragungssitzung notwendigen Schlüssel erzeugen.
Hierzu wird in dem dritten Schritt S3 im Access Point AP eine Zufallsfolge erzeugt und an das Terminal T übermittelt, wel- ches im vierten Schritt S4 ebenfalls Zufallsfolge erzeugt und unter Verwendung der Zufallsfolge des Access Points AP diese verschlüsselt an den Access Point AP übermittelt, so dass im fünften Schritt S5 in Verbindung mit dem Masterschlüssel ein mit Gruppenschlüssel bezeichneter für die Verbindung zwischen Access Point AP und Terminal T gültiger Schlüssel in Access Point AP erzeugt und dem Terminal T mit seiner Zufallsfolge verschlüsselt mitgeteilt werden kann und das Terminal T und Access Point AP beide über die Informationen verfügen, die die Erzeugung eines so genannten „Pairwise Transient Key" (PTK) ermöglichen, welcher für die Dauer der Sitzung gültig ist .
Der erfolgreiche Abschluss dieser Erzeugung wird schließlich im sechsten Schritt S6 mit einer an den Access Point AP ge- richteten Bestätigungsnachricht verschlüsselt mit dem PTK quittiert . In einem siebten Schritt S7 kann nun die mittels Verschlüsselung gesicherte Datenübertragung zwischen Radius Server RS und Terminal T stattfinden.
Für die Übertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches auf einem nach IEEE802.il ausgestalteten Netzwerk basiert, werden dabei die Daten auf Pakete, wie ein in Figur 2 dargestelltes, verteilt, welche aus einem Nutzdatenanteil N, sowie zumindest einen ersten Steuerdatenteil MH, welcher für die Abwicklung des Mehrsprungverfahrens erforderlich ist, sowie eines zweiten Steuerdatenanteils IH, welcher gemäß IEEE802.il gebildet wird, bestehen.
In der Figur 3 ist ferner schematisch dargestellt auf welcher Sicherheitshierarchie das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel basiert. Eine Verschlüsselung von Daten ergibt sich wie dargestellt ausgehend von einer ersten Ebene El, welche durch einen Masterschlüssel (Pairwise Master Key - PMK) gekennzeichnet ist, aus dem mittels einer in der zweiten Ebene E2 erfolgenden Zufallszahlenerzeugung (Pseudo Random Number Generator) - PNRG) zu einem Gruppenschlüssel (Pairwise Tran- sient Key - PTK), der gemäß TKIP 512 oder gemäß AES-CCMP 384 Bit lang sein kann, führt, von dem wie in der vierten Ebene E4 ersichtlich jeweils ein Teil für die Verschlüsselung von bestimmten Arten von Daten, z.b. 128 Bit für EAPoI Encryption Fl, 128 Bit für EAPoI MIC F2 und 128 Bit für Data Encryption F3, verwendet werden.
Die Figur 4 zeigt schließlich ein Ablaufdiagramm wie es sich auf Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf dem oben genannten System ergibt.
Zu erkennen ist, dass zu einem ersten Zeitpunkt Tl von einem Quellenknoten S ein Verbindungsaufbau zu einem Zielknoten D initiiert wird. Dabei wird im Ausführungsbeispiel implizit und ohne Einschränkung der Allgemeinheit von einem reaktiven Routingprotokoll wie z.B. AODV ausgegangen. Der Verbindungsaufbau startet mit dem Broadcast einer Route Request Nachricht zur Entdeckung eines zur Weiterleitung nach D geeigneten Nachbarknoten. Die Nachricht wird vom Zwischenknoten I an den Zielknoten D weitergeleitet. Für eine Ver- schlüsselung dieser Nachrichten werden vom für Gruppenkommunikation zur Verfügung stehenden Masterschlüssel GMK abgeleitete Schlüssel verwendet.
Darauf folgend wird zu einem zweiten Zeitpunkt T2 vom Ziel- knoten D an den Quellknoten S zurückgemeldet dass eine Route gefunden wurde. Diese Nachricht wird von Knoten D direkt zu Knoten I geschickt, Knoten I leitet die Nachricht direkt an Knoten S weiter. Dabei wird die gefundene Route aktiv geschaltet und kann danach für Datenverkehr verwendet werden.
Die Verschlüsselung der Nachrichten zum Zeitpunkt T2 wird wie folgt durchgeführt: Die Nachricht von Knoten D zu Knoten I wird mit einem vom für die Kommunikation zwischen D und I zu verwendenden Masterschlüssel PMK (I, D) abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt. Die von Knoten I nach Knoten S weitergeleitete Nachricht wird mit einem von für die Kommunikation zwischen I und S zu verwendenden Masterschlüssel PMK (I, S) abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt.
Zu einem dritten Zeitpunkt T3 ist damit eine sichere Datenverbindung zwischen Quellknoten S und Zielknoten D möglich worüber mit den in IEEE 802. Hi beschriebenen Mechanismen und unter Zuhilfenahme eines aus dem Multihop-Netz erreichbaren AAA Servers ein Masterschlüssel PMK (S, D) zwischen Quellknoten S und Zielknoten D vereinbart wird. Ein gängiges Beispiel das in IEEE 802. Hi zur Vereinbarung von Masterschlüsseln verwendet wird sind ein Radius-Server und Kommunikation über EAP, 802. Ix. Dieser zur Kommunikation zwischen S und D zu verwendende Masterschlüssel PMK (S, D) wird zu einem vierten Zeit- punkt T4 wie folgt eingesetzt:
Datenpakete zur Übertragung zwischen Quellknoten S und Zielknoten D bestehen u.a. aus Headerinformation die zur geziel- ten Weiterleitung der Daten in einem Mehrsprungnetz von jedem weiterleitenden Knoten (im Beispiel Knoten I) genutzt werden müssen. Der Datenanteil der Datenpakete muss erst im Zielknoten D wieder gelesen werden können. Deswegen werden die Hea- derinformationen für die Übertragung von S nach I mit einem vom Schlüssel PMK (S, I) abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt, im Zwischenknoten I entschlüsselt und für die Weiterleitung zum Zielknoten D mit einem vom Schlüssel PMK (I, D) abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt. Der Datenanteil des Datenpaketes wird im Quellknoten S mit dem zum dritten Zeitpunkt T3 zwischen S und D vereinbarten Masterschlüssel PMK (S, D) abgeleiteten Schlüssel verschlüsselt. Damit sind zur Weiterleitung des Datenpaketes vom Knoten I nach Zielknoten D im Knoten I keine kryptographischen Operationen auf dem Datenteil des Da- tenpaketes erforderlich. Der Datenanteil kann transparent und ohne Änderungen an den Zielknoten D weitergeleitet werden wo er mit einem vom Masterschlüssel PMK (S, D) abgeleiteten Schlüssel entschlüsselt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Übertragen von Daten in einem ein Mehrsprungverfahren nutzenden Kommunikationssystem mit zumin- dest einem aus mindestens einem Knoten bestehenden Netzwerk, bei dem die Daten von einem sendenden ersten Knoten (S) zu einem die Daten empfangenden zweiten Knoten (D) durch zumindest einen zwischen dem ersten und zweiten Knoten (D) angeordneten dritten Knoten (I) die Daten je- weils empfangen und weitergeleitet, wobei die Daten zur Übertragung in Pakete fragmentiert werden, die einen Nutzdatenanteil und zumindest einen dem Mehrsprungverfahren zugeordneten ersten Steuerdatenanteil sowie einen dem Netzwerk zugeordneten zweiten Steuerdatenanteil aufwei- sen, und wobei die Verschlüsselung von Daten auf Grundlage zumindest eines durch den ersten Knoten (S) und den zweiten Knoten (D) bestimmten ersten Masterschlüssel (PMKl) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der Nutzdatenanteil auf Grundlage des ersten Master- schlüsseis (PMK) verschlüsselt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den jeweiligen sendenden ersten Knoten (S) und einem als dritter Knoten (I) geeigneten Nachbarknoten be- stimmter zweiter Masterschlüssel gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Steuerdatenanteile auf Grundlage des zweiten Masterschlüssels verschlüsselt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein vom ersten Masterschlüssel (PMK) abgeleiteter zweiter Schlüssel (PTK2) ermittelt wird, b) ein vom zweiten Masterschlüssel abgeleiteter erster Schlüssel (PTKl) ermittelt wird, c) die Pakete für die Übertragung im jeweiligen ersten Knoten (S) jeweils derart verschlüsselt werden, dass cl) der erste Steuerdatenanteil mit dem ersten Schlüssel (PTKl) verschlüsselt wird und c2) der Nutzdatenanteil mit dem zweiten Schlüssel
(PTK2) verschlüsselt wird, c3) der zweite Steuerdatenanteil unverschlüsselt bleibt. d) die Pakete an den dritten Knoten (I) übertragen werden, e) der dritte Knoten (I) den mit dem ersten Schlüssel (PTKl) verschlüsselten ersten Steuerdatenanteil entschlüsselt, f) der dritte Knoten (I) den Steuerdatenanteil auswertet, wobei fl) im Falle, dass der dritte Knoten (I) dem zweiten Knoten (D) entspricht, die Nutzdaten mit dem zweiten Schlüssel entschlüsselt und die Übertragung beendet, f2) im Falle, dass der dritte Knoten (I) nicht dem zweiten Knoten (D) entspricht, der dritte Knoten (I) als erster Knoten (S) gesetzt wird und die Schritte b) bis f) wiederholt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß durch das Mehrsprungverfahren erzeugte lediglich Routing Nachrichten enthaltenden Pakete vollständig verschlüsselt werden.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Routing Pakete gemäß einem Routing Protokoll generiert werden.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Generieren der Routing Nachrichten Pakete innerhalb der zweiten Schicht 2 des OSI- Referenzmodels erfolgt.
8. Verfahren nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Generieren der Routing Nachrichten Pakete innerhalb der dritten Schicht des OSI-Referenzmodels erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein AODV-Protokoll, OLSR-Potokoll oder Derivate hiervon als Protokolle fungieren.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselung gemäß Sicherungsverfahren nach IEEE802.1X und/oder IEEE802.11i erfolgt .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Netzwerke nach dem IEEE802.il oder seinen Derivaten funktioniert.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass der zweite Steuerdatenanteil durch Kopfdaten gemäß IEEE802.il gebildet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerdatenanteil durch Kopfdaten gemäß dem Mehrsprungverfahren gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselung unter Nut- zung eines 128 Bit langen Schlüssels gemäß des Counter Mode CBC MAC Protokolls „CCMP" erfolgt.
15. Anordnung zum Übertragen von Daten in einem ein Mehrsprungverfahren gekennzeichnet durch Mittel zur Durchfüh- ren des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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