HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Khoa Viễn thông 1
------------o0o------------
BÀI TẬP LỚN
MẠNG TRUY NHẬP
MÃ HÓA BẢO MẬT
TRONG WIMAX
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Việt Hùng
Sinh viên : Văn Thị Ngân
Bùi Thị Huyền
Lê Thanh Bình
Nguyễn Thành Tiến
Nhóm : Nhóm 3
Lớp : D05VT2
Hà Nội, 11- 2008
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Viễn thông là một lĩnh vực phát triển mạnh mẽ, không chỉ gia tăng về mặt
dịch vụ mà vấn đề công nghệ cũng được quan tâm nhằm đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của người sử dụng, đặc biệt là vấn đề bảo mật thông tin của người sử
dụng trong môi trường truyền dẫn không dây wireless. Thông tin không dây
(wireless-hay còn được gọi là vô tuyến) đang có mặt tại khắp mọi nơi và phát
triển một cách nhanh chóng, các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng công
nghệ GSM và CDMA đang dần thay thế các hệ thống mạng điện thoại cố định
hữu tuyến.Các hệ thống mạng LAN không dây- còn được biết với tên thông
dụng hơn là Wi-fi cũng đang hiện hữu trên rất nhiều tòa nhà văn phòng, các khu
vui chơi giải trí. Trong vài năm gần đây một hệ thống mạng MAN không dây
(Wireless MAN) thường được nhắc nhiều đến như là một giải pháp thay thế và
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.....................................................................................................1
MỤC LỤC............................................................................................................3
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ......................................................................................9
DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................11
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ WIMAX.......................................................12
1.1. Giới thiệu về công nghệ Wimax.....................................................................12
1.1.1. Một số đặc điểm của Wimax............................................................14
1.1.2. Cấu hình mạng trong Wimax............................................................15
1.1.2.1. Cấu hình điểm-đa điểm..........................................................15
1.1.2.2. Cấu hình MESH.....................................................................16
1.2. Giới thiệu các chuẩn Wimax..........................................................................17
1.2.1. Một số chuẩn Wimax đầu tiên..........................................................18
1.2.1.1. Chuẩn IEEE 802.16d-2004....................................................20
1.2.1.2. Chuẩn IEEE 802.16e-2005....................................................20
1.2.2. Một số chuẩn IEEE 802.16 khác......................................................21
1.3. Lớp con bảo mật trong Wimax.......................................................................26
1.4. Kết luận...........................................................................................................27
CHƯƠNG II : CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA BẢO MẬT......................28
2.1. Giới thiệu về mã hóa bảo mật.........................................................................28
2.2. Các phương pháp mã hóa bảo mật.................................................................28
2.2.1.Mã hóa không dùng khóa...................................................................28
2.2.1.1. Hàm mũ rời rạc.......................................................................28
2.2.1.2. Hàm bình phương module.....................................................30
2.2.1.3. Bộ tạo bít ngẫu nhiên.............................................................30
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Mục lục
2.2.2. Mã hóa khóa bí mật...........................................................................33
3.1.2. Thuật toán mã hóa DES....................................................................67
3.1.3. DES trong Wimax.............................................................................85
3.2. Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến AES – Advanced Encryptiom Standard .........90
3.2.1. Giới thiệu về mã hóa AES................................................................90
3.2.2. Thuật toán mã hóa AES....................................................................93
3.2.3. AES-CCM trong Wimax.................................................................102
3.3. Kết luận.........................................................................................................106
KẾT LUẬN: ....................................................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO: ............................................................................108
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu Từ viết tắt
AES Advanced Encryption Standard
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
CBC Cipher Block Chaining
CCA Chosen ciphertext attack
CCM Counter with CBC-MAC
CPA Chosen- Plaintext attack
CRC Cyclic Redundancy Check
CS Service-Specific Convergence Sublayer
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
CTR Counter
DES Data Encryption Standard
DSL Digital Subcriber Line
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FDD Frequency Division Duplexing
FDM Frequency Division Multiplexing
FDMA Frequency Division Multiple Access
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RSA Rivest, Shamir, and Adleman
SA Security Association
SC Single Carrier
SHA Secure Hash Algorith
SET Secure Electronic Transmission
SS Subcriber Station
TDD Time Division Duplexing
TDM Time Division Multiplexing
TDMA Time Division Multiple Access
TEK Traffic Encryption Key
UNI User-to-Network Interface
VoIP Voice over IP
WiFi Wireless Fidelity
WIMAX Worldwide Interoperability Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metro Area Network
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................................................ 12
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ WIMAX .............................................................................................................. 13
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ............................................................................................................................. 13
Hình 1.1: Wimax network architecture .................................................................................................................................... 14
Hình 1.2: Mô hình truyền thông của Wimax ............................................................................................................................ 15
1.1.1.Một số đặc điểm của Wimax: ................................................................................................................ 16
Hình 1.3: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI ....................................................................................... 17
Hình 2.1 :Mô tả hàm một chiều ............................................................................................................................................... 32
2.2.1.2. Hàm bình phương module ................................................................................................................ 33
2.2.1.3. Bộ tạo bít ngẫu nhiên ........................................................................................................................ 34
Hình 2.2: Bộ tạo bít ngẫu nhiên ............................................................................................................................................... 34
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Danh mục hình vẽ
2.2.2. MÃ HÓA KHÓA BÍ MẬT ........................................................................................................................................ 36
Hình 2.3 : Mô hình đơn giản của mã hóa thông thường [7-sec2.1] .......................................................................................... 37
2.2.2.1. Mật mã Caesar .................................................................................................................................. 38
Hình 2.4 : “Máy” để thực hiện mã hóa Caesar [12] .................................................................................................................. 38
2.2.2.2. Mật mã Affine .................................................................................................................................... 39
2.2.2.3. Mật mã thay thế. ............................................................................................................................... 40
2.2.2.4. Các mã hoán vị ................................................................................................................................... 41
Bảng 2.1 : Mã hóa Scytale ........................................................................................................................................................ 42
2.2.2.5. Mật mã Hill ........................................................................................................................................ 42
2.2.2.6. Mật mã Vigenère ............................................................................................................................... 43
Hình 2.5 : The Vigenère Square [12] ........................................................................................................................................ 44
2.2.2.7. One - time pad .................................................................................................................................. 45
2.2.2.8. RC4 ..................................................................................................................................................... 47
2.2.2.9. DES ..................................................................................................................................................... 48
2.2.2.10. AES ................................................................................................................................................... 49
2.2.3. MÃ HÓA KHÓA CÔNG KHAI. ................................................................................................................................... 50
2.2.3.1. Mã RSA .............................................................................................................................................. 51
Hình 2.6: Mật mã hóa/ Giải mật mã hệ thống RSA. ................................................................................................................. 51
Bảng 2.2: Quá trình phân tích thừa số. .................................................................................................................................... 53
2.2.3.2. Hệ mật Rabin ..................................................................................................................................... 53
2.2.3.3. Hệ mật El Gamal ................................................................................................................................ 54
2.2.3.4. Hệ mật Mekle-Hellman. ..................................................................................................................... 54
2.2.3.5. Hệ mật Mc Elice ................................................................................................................................. 54
2.2.3.6. Mật mã đường cong Ellip. ................................................................................................................. 55
Bảng 3.10: Bảng S-box ........................................................................................................................................................... 100
Hình 3.15 : Dịch vòng trong 3 hàng cuối của bảng trạng thái ................................................................................................. 100
Hình 3.16: Hoạt động Mixcolumn trên từng cột của bảng trạng thái ..................................................................................... 101
Hình 3.17: XOR mỗi cột trong bảng trạng thái với một từ trong hệ thống khóa .................................................................... 102
Hình 3.18: Vòng lặp mã hóa AES [7] ....................................................................................................................................... 102
Bảng 3.11: Mở rộng khóa 128bit ........................................................................................................................................... 104
Hình 3.19 : InvShiftRows ........................................................................................................................................................ 104
Bảng 3.12 : Bảng S-box đảo .................................................................................................................................................... 105
Hình 3.20: Sơ đồ giải mã AES-128 .......................................................................................................................................... 106
Bảng 3.13: Mã hóa AES-128 ................................................................................................................................................... 107
3.2.3. AES-CCM TRONG WIMAX ............................................................................................................................... 107
Hình 3.21: Nonce. ................................................................................................................................................................. 109
Hình 3.22: CCM CBC Block ..................................................................................................................................................... 109
Hình 3.23 : CCM counter block .............................................................................................................................................. 109
Hình 3.24 : Quá trình mã hóa và tạo mã nhận thực bản tin ................................................................................................... 111
Hình 3.25: Mã hóa tải tin AES-CCM ........................................................................................................................................ 111
3.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................................................ 112
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................... 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................................. 114
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Danh mục bảng biểu
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các kiểu truy nhập trong Wimax 19
Bảng 2.1 : Mã hóa Scytale
Bảng 2.2: Quá trình phân tích thừa số.
Bảng 2.3: Bảng so sánh kích thước khóa một số loại mã.
Bảng 2.4: Bảng so sánh kích thước khóa một số loại mã.
Bảng 3.1. Hoán vị khởi tạo IP.
Bảng 3.2. Bảng lựa chọn E bit.
Bảng 3.3. Các hộp S
thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong băng tần từ 2 tới 6
GHz với phạm vi phủ sóng từ 2-5 km. Chuẩn này đang được hy vọng là sẽ mang
lại dịch vụ băng rộng thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với
các thiết bị như laptop, PDA tích hợp công nghệ Wimax [3].
Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng
cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống
WiMax gồm 2 phần [5][35]:
• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với
công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km
2
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
• Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được
thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WiFi
vẫn dùng
Hình 1.1: Wimax network architecture
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Hình 1.2: Mô hình truyền thông của Wimax
.
Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường
truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một
trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy
WiMax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa.
Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng
truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng, các anten
được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc
độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến
66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng
thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Hình 1.3: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI
1.1.2. Cấu hình mạng trong Wimax
Công nghệ Wimax hỗ trợ mạng PMP và một dạng của cấu hình mạng
phân tán là mạng lưới MESH [5].
1.1.2.1. Cấu hình mạng điểm- đa điểm (PMP)
PMP là một mạng truy nhập với một hoặc nhiều BS có công suất lớn và
nhiều SS nhỏ hơn. Người dùng có thể ngay lập tức truy nhập mạng chỉ sau khi
lắp đặt thiết bị người dùng. SS có thể sử dụng các anten tính hướng đến các BS,
ở các BS có thể có nhiều anten có hướng tác dụng theo mọi hướng hay một cung
[5].
Với cấu hình này trạm gốc BS là điểm trung tâm cho các trạm thuê bao
SS. Ở hướng DL có thể là quảng bá, đa điểm hay đơn điểm. Kết nối của một SS
đến BS được đặc trưng qua nhận dạng kết nối CID [5].
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Hình 1.4: Cấu hình điểm-đa điểm (PMP)
1.1.2.2. Cấu hình mắt lưới MESH
Với cấu hình này SS có thể liên lạc trực tiếp với nhau. Trạm gốc Mesh BS
kết nối với một mạng ở bên ngoài mạng MESH [5]. Kiểu MESH khác PMP là
trong kiểu PMP các SS chỉ liên hệ với BS và tất cả lưu lượng đi qua BS trong
khi trong kiểu MESH tất cả các node có thể liên lạc với mỗi node khác một cách
trực tiếp hoặc bằng định tuyến nhiều bước thông qua các SS khác.
Một hệ thống với truy nhập đến một kết nối backhaul được gọi là Mesh
BS, trong khi các hệ thống còn lại được gọi là Mesh SS. Dù cho MESH có một
hệ thống được gọi là Mesh BS, hệ thống này cũng phải phối hợp quảng bá với
các node khác.
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Sau đây là một vài chuẩn IEEE 802.16 cụ thể:
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Chuẩn 802.16d-2004
Chuẩn 802.16e-2005
Một số chuẩn khác:802.16f, 802.16g, 802.16h, 802.16i, 802.16j, 802.16k
Hình 1.6: IEEE 802.16 Wimax
.
1.2.1. Một số chuẩn Wimax đầu tiên
Wimax là một công nghệ truy nhập không dây băng rộng mà hỗ trợ truy
nhập cố định, lưu trú, xách tay và di động. Để có thể phù hợp với các kiểu truy
nhập khác nhau, hai phiên bản chuẩn dùng Wimax đã được đưa ra. Phiên bản
đầu tiên IEEE 802.16d-2004 sử dụng OFDM, tối ưu hóa truy nhập cố định và
lưu trú. Phiên bản hai IEEE 802.16e-2005 sử dụng SOFDMA hỗ trợ khả năng
xách tay và tính di động [4][19].
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Bảng 1.1: Các kiểu truy nhập trong Wimax
.
Chuẩn đầu tiên của Wimax Forum CERTIFIED được áp dụng vào cuối
năm 2005 và sẽ là chuẩn cho các dịch vụ băng rộng không dây trên nền IP đầu
tiên cho cả truy nhập cố định và bán cố định cho các ứng dụng PTP và MTP. Hỗ
trợ cho tính di chuyển và di động sẽ đưa ra sau đó trong một chương trình chứng
nhận riêng. Wimax Forum chứng nhận chuẩn đầu tiên hỗ trợ tính di động vào
đầu năm 2007, các mạng đầu tiên sẽ được triển khai ngay trong năm này.[4]
Trong đó, OFDM thêm đặc điểm trực giao vào FDM đa sóng mang. Trực
giao nghĩa là không gây ra nhiễu lên nhau. Trong OFDM các sóng mang con
được thiết kế để trực giao. Điều này cho phép các sóng mang con chồng lên
nhau và tiết kiệm băng tần. Do đó, OFDM đạt được cả tốc độ dữ liệu cao và
hiệu suất trải phổ cao. OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng
MIMO,và AAS cũng như hard và soft handoff. Nó cũng cái thiện được khả năng
tiết kiệm nguồn cho các thiết bị mobile và tăng cường bảo mật hơn[2][19].
Mã hóa bảo mật trong Wimax
Chương I : Giới thiệu về Wimax
Hình 1.8: Cấu hình di động chung của 802.16e
.
OFDMA đưa ra đặc tính của 802.16e như linh hoạt hơn khi quản lý các
thiết bị người dùng khác nhau với nhiều kiểu anten và các yếu tố định dạng khác
nhau. 802.16e đưa ra các yếu tố cần thiết khi hỗ trợ các thuê bao di động đó là
việc giảm được nhiễu cho các thiết bị người dùng nhờ các anten đẳng hướng và
cải thiện khả năng truyền NLOS. Các kênh phụ xác định các kênh con để có thể
gán cho các thuê bao khác nhau tuỳ thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu
dữ liệu của chúng. Điều này tạo điều kiện để nhà khai thác linh hoạt hơn trong
việc quản lý băng thông và công suất phát, và dẫn đến việc sử dụng tài nguyên
hiệu quả hơn [2][4].
1.2.2 Một số chuẩn 802.16 khác
Trong các chuẩn IEEE 802.16 còn một số chuẩn khác liên quan trong Wimax,
sau đây là một số chuẩn đó [2][19].
IEEE 802.16f
Nhóm nghiên cứu quản lí mạng-NMSG(Network Management Study
Group)của IEEE 802.16 được thành lập vào 8/2004. Mục đích của nhóm là định
nghĩa thông tin quản lí cơ bản-MIB(Management Information Base)cho lớp
MAC và PHY, liên quan tới quá trình xử lí. Nhóm làm việc thực hiện triển khai
Copyright: Tài liệu đại học ©