ĐỒ ÁN BẢO MẬT TRONG WiMAX VÀ THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES

Dựa trêncác khóa mã được trao đổi giữa BS và SS, hệ thống thực hiện việc mã hóa bằngthuật toán AES các thông tin cần thiết và truyền đi trong mạng.. Đồ án này sẽ đi tìm hiểu quá trình bả

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WiMAX 1

1.1 Giới thiệu chương: 1

1.2 Giới thiệu về công nghệ WiMAX: 1

1.3 Môi trường truyền trong mạng WiMAX: 3

1.3.1 LOS (Light of Sight): 3

1.3.2 NLOS (Non-Light of Sight): 4

1.4 Cấu trúc của một hệ thống WiMAX: 5

1.4.1 Cấu trúc phân lớp: 5

1.4.2 Lớp PHY: 5

1.4.2.1 Các giao diện: 6

1.4.2.2 TDD và FDD: 8

1.4.3 Lớp MAC: 10

1.4.3.1 Cấu trúc lớp MAC: 10

1.4.3.2 Kỹ thuật truy cập kênh: 14

1.4.3.3 Chất lượng dịch vụ QoS: 14

1.4.3.4 Hỗ trợ di động: 16

1.4.3.5 Quản lý nguồn năng lượng: 17

1.5 Kết luận chương: 17

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT TRONG WiMAX 18

2.1 Giới thiệu chương: 18

2.2 Cơ bản về bảo mật WiFi: 18

2.2.1 Bảo mật bằng WEP (Wired Equivalent Access): 19

2.2.2 Bảo mật bằng WPA (Wifi Protected Access): 20

2.3 Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX: 22

2.3.1 Liên kết bảo mật SA (Security Association): 22

2.3.1.1 DSA (Data Security Association): 23

2.3.1.2 ASA (Authorization Security Association): 25

2.3.2 Cơ sở chứng thực: 27

2.3.2.1 HMAC (Hashed Message Authentication Code): 27

2.3.2.2 Chứng nhận X.509: 28

2.3.2.3 Giao thức chứng thực mở rộng (EAP): 29

2.3.3 Giao thức bảo mật và quản lý khóa: 30

2.3.3.1 Chứng thực và trao đổi khóa AK: 30

2.3.3.2 Trao đổi TEK: 31

2.3.4 Mã hóa dữ liệu: 33

2.3.5 Kết luận chương: 33

Chương 3 THUẬT TOÁN MÃ HÓA AES 34

3.1 Giới thiệu chương 34

3.2 Các khái niệm toán học của AES 34

3.2.1 Phép cộng 34

3.2.2 Phép nhân 35

3.2.3 Đa thức với các hệ số trong trường hữu hạn GF(28) 36

3.3 Quá trình mã hóa bằng thuật toán AES 39

3.3.1 Thuật toán mã hóa của AES 39

3.3.2 Thủ tục biến đổi SubBytes() 41

3.3.3 Thủ tục biến đổi ShiftRows() 43

3.3.4 Thủ tục biến đổi MixColumns() 43

3.4.2 Thiết lập ma trận khởi tạo 46

3.4.3 Thủ tục biến đổi RotWord() 46

3.4.4 Thủ tục XOR với Từ hằng số vòng Rcon[r] 47

3.4.5 Thủ tục XOR với các Từ được tạo ra trước 48

3.5 Quá trình giải mã AES 48

3.5.1 Thủ tục biến đổi InvShiftRows() 50

3.5.2 Thủ tục biến đổi SubByte() 50

3.5.3 Thủ tục biến đổi InvMixColumns() 51

3.5.4 Thủ tục AddRoundKey() 51

3.5.5 Sự lựa chọn Round Key 51

3.6 Ưu nhược điểm của AES 53

3.6.1 Ưu điểm 53

3.6.2 Nhược điểm 53

3.6.3 Các phương pháp tấn công 54

3.7 Kết luận chương 55

Chương 4 CHƯƠNG TRÌNH MÃ HÓA BẰNG THUẬT TOÁN AES 56

4.1 Giới thiệu chương 56

4.2 Mục đích của chương trình 56

4.3 Giao diện chính của chương trình 56

4.4 Mã hóa 59

4.4.1 Trường hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi hexa 59

4.4.2 Trường hợp bản gốc và khóa mã là chuỗi ký tự 60

4.4.3 Trường hợp bản gốc là chuỗi ký tự và khóa mã là chuỗi hexa 60

4.4.4 Trường hợp bản gốc là chuỗi hexa và khóa mã là chuỗi ký tự 61

4.4.5 Nhận xét 62

4.5 Giải mã 62

4.5.1 Giải mã với khóa mã là chuỗi hexa 62

4.5.2 Giải mã với khóa mã là chuỗi hexa 63

4.5.3 Nhận xét 63

4.6 Tấn công bằng phương pháp Brute Force 64

4.6.1 Với khóa mã có độ dài nhỏ hơn 128 bit 64

4.6.1.1 Nhận xét 65

4.6.2 Với khóa mã có độ dài bằng 128 bit 65

4.6.2.1 Khóa mã là chuỗi ký tự 65

4.6.2.2 Nhận xét 67

4.7 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 69

AAS Adaptive Antenna System

ACI Adjacent Channel Interference

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Loop

AES Advanced Encryption Standard

ARQ Automatic Retransmission Request

ASA Authorization Security Association

ATM Network Asynchronous Transfer Mode

BPSK Binary Phase Shift Keying

BS Base Station

BTC Block Turbo Code

CBR Constant Bit Rate

CID Connection Identifier

CPE Customer Premise Equipment

CPS Common Part Sublayer

CRC Cyclic Redundancy Checks

CS Centralized Scheduling

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CTC Concatenated Turbo Code

DES Data Encryption Standard

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DHMAC Downlink Hash-based Message Authentication Code

DL-MAP Downlink Map

DL-MAP Downlink Map

DoS Denial of Service

DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification

DSL Digital Subscriber Line

DSA Data Security Association

EAP Extensible Authentication Protocol

EC Encryption Control

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EKS Encryption Key Sequence

ERT-VR Extended Real Time Variable

FDD Frequency Division Multiplexing

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communications

HCS Header Check Sequence

IEEE Institute of Electrical anh Electronics Engineers

ITU International Telecommunication Union

IV Initialising Vectors

LOS Line Of Sight

MAC Media Access Control

MAC CPS Mac Common Part Sublayer

MAC CS Mac Service Specific Convergence Sublayer

MAC PDU MAC Protocol Data Unit

MSDU Mac Service Data Unit

NLOS Non Line Of Sight

nrtPS Non Real Time Polling Service

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PDA Persional Digital Assitant

PDU Protocol Data Units

PHY Physical Layer

PKM Privacy Key Management

PMP Point MultiPoint

16QAM 16-State Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SC Single Carrier

SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio

SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SS Subscriber Station

SSCS Service-Specific Convergence Sublayer

TDD Time Division Duplexing

TDMA Time Division Multiple Access

TKIP Temporal Key Integrity Protocol

VoIP Voice over IP

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiLANs Wireless Local Area Networks

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WirelessHUMAN Wireless HighSpeed Unlicensed Metropolitan Area Networks

WISPs Wireless Internet Providers

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WEP Wired Equivalent Privacy

WPA Wifi Protocol Access

Ngày nay với xu thế phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, công nghệ thôngtin và viễn thông là hai lĩnh vực có những bước tiến rõ nét nhất Trong đó, côngnghệ mạng không dây đang ngày một phát triển và đang trở nên phổ biến trong các

tổ chức, doanh nghiệp Và WiMAX là một trong những công nghệ không dây đangđược quan tâm nhất hiện nay Nó có khả năng cung cấp kết nối vô tuyến băng rộngvới tốc độ truy cập cao và cự ly vùng phủ sóng lớn Tuy nhiên, cũng giống như cácmạng không dây khác, nhược điểm lớn nhất của WiMAX là tính bảo mật do sự chia

sẻ môi trường truyền dẫn và những lỗ hổng tại cơ sở hạ tầng vật lý

Tính bảo mật của mạng không dây WiMAX dựa trên ba quá trình cơ bản làchứng thực, trao đổi khóa và mã hóa dữ liệu Chứng thực giữa hai thiết bị là bướcđầu tiên trong quá trình nghiên cứu bảo mật mạng không dây Từ đó xác định tính

an toàn của các thiết bị để chúng tiếp tục thực hiện quá trình trao đổi khóa Dựa trêncác khóa mã được trao đổi giữa BS và SS, hệ thống thực hiện việc mã hóa bằngthuật toán AES các thông tin cần thiết và truyền đi trong mạng

Đồ án này sẽ đi tìm hiểu quá trình bảo mật mạng WiMAX, đó là quá trìnhchứng thực và trao đổi khóa được thực hiện khi thiết lập cơ chế bảo mật mạng dựatrên cấu trúc khung các bản tin trao đổi giữa BS và SS Bên cạnh đó trình bày chitiết về thuật toán mã hóa AES được dùng trong mạng WiMAX Sử dụng phần mềmMatlab để mô phỏng quá trình mã hóa và giải mã dựa vào thuật toán AES, bên cạnh

đó ta đi mô phỏng tấn công bằng phương pháp Brute Force để thể hiện tính bảo mậtthông tin khi sử dụng thuật toán mã hóa AES

Đồ án được chia thành bốn chương được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về WiMAX

Chương này sẽ giới thiệu đến người đọc một số vấn đề cơ bản về mạngWiMAX, cấu trúc và các kỹ thuật được sử dụng trong các lớp PHY và MAC củamạng không dây WiMAX

Chương 2: Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX

quá trình chứng thực, quá trình trao đổi khóa và quá trình mã hóa dữ liệu Dựa vàocấu trúc khung các bản tin, các chứng nhận số và các giao thức trao đổi thông tintrong mạng.

Chương 3 : Thuật toán mã hóa AES

Chương này trình bày chi tiết các thủ tục được dùng trong quá trình mã hóa vàgiải mã sử dụng thuật toán AES Đưa ra các ưu nhược điểm của thuật toán này cùngmột số phương án tấn công đã có thể gây ảnh hưởng đến thuật toán mã hóa AEScũng như mạng WiMAX

Chương 4: Chương trình mô phỏng thuật toán mã hóa AES

Chương này ta sẽ thực hiện mã hóa và giải mã các trường hợp dữ liệu đầu vàokhác nhau, và thực hiện mô phỏng việc tấn công để tìm khóa mã bằng phương phápBrute Force để chứng tỏ rằng trong thời điểm hiện tại thuật toán này mang tính bảomật cao

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn

tận tình của Thầy Ths.Nguyễn Duy Nhật Viễn, em xin chân thành cảm ơn Thầy.

Đồng thời, em cũng rất cảm ơn tất cả Thầy Cô thuộc khoa Điện Tử Viễn Thông,Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã nhiệt tình dạy dỗ em trong suốt 5 năm học tập tạitrường

Do trình độ, kiến thức cũng như thời gian có hạn, cho nên trong đồ án nàychắc chắn còn nhiều sai sót, mong quý Thầy Cô đóng góp ý kiến để em có thể hoànthiện kiến thức của mình hơn nữa

Đà Nẵng, ngày 16 tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Mai Nhật Nam

Chương này giới thiệu về WiMAX, giới thiệu qua các chuẩn IEEE 802.16,802.16 OFDM, 802.16-2004 OFDMA, 802.16e và tìm hiểu khái quát về lớp MAC

và PHY trong WiMAX Qua đó thấy được những ưu nhược điểm của WiMAX sovới các thế hệ trước

1.2 Giới thiệu về công nghệ WiMAX:

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là tiêu chuẩnIEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cáchlớn

Ngày nay để truy nhập vào Internet chúng ta có rất nhiều phương thức, nhưngchia ra làm hai mảng chính là truy cập có dây và không dây Đối với kênh truyền códây thì tốc độ đáp ứng cao hơn, ổn định hơn nhưng lại cần có đường dây kết nối,các đường thuê kênh riêng thì giá thành cao mà không dễ dàng triển khai đối vớicác khu vực có địa hình phức tạp Cũng chính từ những khó khăn đó người ta lại tạo

ra mạng vô tuyến như các hệ thống thông tin di động, công nghệ WiFi, WiMAX…

Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbit/s quá thấp so vớinhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2.5G) chophép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũngchưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet

Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượtquá 2Mb/s Với mạng WiFi chỉ có thể áp dụng cho các thiết bị trao đổi thông tin với

khoảng cách ngắn Với thực tế như vậy, WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương

tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và Wifi Hệthống WiMAX có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s vàvới bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km Mô hình phủ sóngcủa mạng WiMAX tương tự như mạng điện thoại tế bào Bên cạnh đó, WiMAX

cũng hoạt động mềm dẻo như Wifi khi truy cập mạng Mỗi khi một máy tính muốntruy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.

Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sửdụng có thể di chuyển nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sửdụng có thể di chuyển ở tốc độ đi bộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạmanten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lêntới 8 km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)

Gồm có 2 phần:

WiMAX cố định (Fixed WiMAX)

WiMAX di động (Mobile WiMAX)WiMAX cố định cung cấp khả năng truy cập được mạng không dây ở vị trí cốđịnh, ít di chuyển hay có thể di chuyển ở tốc độ thấp Đây là một mệnh đề thườngxuyên được sử dụng để chỉ đến những hệ thống được xây dựng trên chuẩn 802.16d.WiMAX di động cung cấp khả năng truy cập được mạng không dây khi thiết

bị kết nối đang di chuyển với tốc độ cao Đây là một mệnh đề thường xuyên được

sử dụng để chỉ đến những hệ thống được xây dựng trên chuẩn 802.16e WiMAX diđộng bao hàm luôn cả WiMAX cố định

Hình 1.1 Sự kết nối BS và SS trong mạng WiMAX

1.3 Môi trường truyền trong mạng WiMAX:

Trong vô tuyến chia ra 2 loại môi trường truyền chính là LOS (truyền theo tầmnhìn thẳng) và NLOS (truyền không theo tầm nhìn thẳng) Công nghệ WiMAX pháttriển và tối ưu hóa cho ra đời khả năng phủ sóng không theo tầm nhìn thẳng, trongkhi nhiều công nghệ chỉ cung cấp khả năng phủ sóng LOS

Công nghệ WiMAX có khoảng cách phủ sóng lên tới 50km ở môi trườngLOS, bán kính cell lên đến 8km ở điều kiện NLOS

Hình 1.2 Môi trường truyền LOS và NLOS

Trong một đường truyền NLOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không cóchướng ngại vật giữa phía phát và phía thu Một đường truyền LOS yêu cầu phải cóđặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật Nếu khôngđảm bảo điều kiện này tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể Không gian miền Fresnel phụthuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu

Hình 1.3 Truyền sóng trong môi trường LOS

Dịch vụ truy cập LOS dùng anten hướng thẳng trực tiếp đến các tòa nhà haycác điểm tập trung sử dụng dịch vụ Kết nối LOS thì mạnh và ổn định hơn, vì thế

mà việc gởi dữ liệu theo đường này sẽ ít xảy ra lỗi

Trên một đường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản xạ vànhiễu xạ Tín hiệu tới là tổng hợp các thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp,các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tín hiệunày có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quantới đường trực tiếp là khác nhau

Hình 1.4 Truyền sóng trong môi trường NLOS

Do mạng tế bào không ngừng mở rộng trong khi sử dụng lại tần số ngày càng

có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu điểm để giảm nhiễu đồng kênh giữa các celllân cận Tuy nhiên điều này lại làm cho các trạm gốc phải hoạt động trong điều kiệnNLOS Các hệ thống LOS không thể hạ thấp độ cao của anten bởi làm thế sẽ ảnhhưởng đến tầm nhìn thẳng từ CPE (thiết bị tại nhà khách hàng) tới trạm gốc Côngnghệ NLOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt được ở nhiều điềukiện địa hình phức tạp Không những thế, công nghệ này cũng giảm thiểu được yêucầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp đặt) và nâng cao độ chính xác của các công cụhoạch định NLOS

1.4 Cấu trúc của một hệ thống WiMAX:

Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:

 Lớp con tiếp ứng (Convergence)

 Lớp đa truy nhập (MAC layer)

 Lớp truyền dẫn (Transmission)

 Lớp vật lý (Physical)

Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêuchuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên như mô tả ở hình dướiđây

 FDD.

Lớp PHY là lớp chịu trách nhiệm về quá trình truyền của khung Giao diện đầutiên của nó là WirelessMAN-SC Nó hoạt động trong dải tần số 10-66GHz, đượcthiết kế để ứng dụng trong LOS và thông qua điều chế sóng mang đơn Nó đượcchọn bởi vì nó đủ lớn để cung cấp cho mạng viễn thông không dây băng thông rộng

Do tầm quan trọng trong việc quảng cáo ngày càng tăng trong dải tần số 2-11GHzcho NLOS nên một nhóm làm việc trong IEEE 802.16 đã phát triển thêm 3 loại giaodiện Ba loại giao diện mới là: WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM vàWirelessMAN-OFDMA

 WirelessMAN-SCa: đây là giao diện sử dụng điều chế sóng mang đơn

 WirelessMAN-OFDM: sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giaovới 256 sóng mang

 WirelessMAN-OFDMA: sử dụng truy cập ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao với 2048 sóng mang để cung cấp nhiều hơn một sóng mang trênmột trạm thuê bao SS

Ngày nay, do FFT cho phép làm việc với số lượng sóng mang lớn nênWirelessMAN-HUMAN đã ra đời

1.4.2.1 Các giao diện:

1.4.2.1.1 Đặc tả WirelessMAN-SCa:

WirelessMAN-Sca dựa vào công nghệ điều chế sóng mang đơn Các thànhphần trong PHY này gồm:

 Các định nghĩa TDD và FDD, một trong hai phải được hỗ trợ

 Đường lên TDMA, đường xuống TDM hoặc TDMA

 Điều chế thích ứng Block và mã hóa FEC cho cả đường lên và đườngxuống

 Cấu trúc khung mà cho phép sự cân bằng và chỉ tiêu đánh giá kênh được cảithiện đối với môi trường LOS và các môi trường trải rộng trễ được mở rộng

 FEC ràng buộc vào nhau sử dụng Reed-Solomon và điều chế được mã hóamắt lưới thực dụng với chèn tùy chọn.

 Các tùy chọn FEC BTC và CTC bổ sung

 Tùy chọn không FEC sử dụng ARQ cho điều khiển lỗi

 Tùy chọn phân tập truyền mã hóa thời gian không gian (STC)

 Các thiết lập tham số và các bản tin MAC/PHY mà thuận tiện cho các bổsung AAS tùy chọn

1.4.2.1.2 Đặc tả WirelessMAN-OFDM:

WirelessMAN-OFDM PHY dựa vào điều chế ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao (OFDM) với 256 sóng mang Đa truy cập của các trạm thuê bao khác nhaudựa vào đa truy cập phân chia thời gian (TDMA)

Lớp PHY OFDM hỗ trợ các hoạt động TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS

cả FDD và H-FDD

Mã hóa sửa lỗi trước FEC: một lược đồ mã xoắn RS-CC tốc độ thay đổiđược kết hợp, hỗ trợ các tốc độ mã hóa 1/2, 2/3, 3/4 và 5/6 BTC tốc độ thay đổi(tùy chọn) và mã CTC cũng được hỗ trợ tùy chọn

Truyền kênh con ở đường lên là một tùy chọn cho một SS, và sẽ chỉ được

sử dụng nếu các tín hiệu BS có khả năng giải mã các truyền dẫn như vậy

1.4.2.1.3 Đặc tả WirelessMAN-OFDM:

Lớp PHY OFDMA WirelessMAN cũng có thiết kế dựa trên điều chế OFDM,

sử dụng lược đồ 2048 sóng mang OFDM Đa truy cập được thực hiện bằng cáchgán một tập con các sóng mang cho một máy thu cá nhân, và vì vậy nó được xemnhư là OFDMA

Lớp PHY OFDMA hỗ trợ hai hoạt động TDD và FDD.

CC (mã xoắn) là lược đồ mã hóa được yêu cầu và các tốc độ mã hóa giốngnhau được hỗ trợ như được hỗ trợ bởi lớp PHY OFDM Các lược đồ mã hóa BTC

và CTC được hỗ trợ tùy chọn Các mức điều chế giống nhau cũng được hỗ trợ STC

và AAS với SDMA được hỗ trợ, cũng như MIMO

1.4.2.2 TDD và FDD:

1.4.2.2.1 Hệ thống FDD (Frequency Division Duplexing System):

Trong các hệ thống FDD các đường UL và DL được cấp phát riêng biệt trêncác dải tần số Các kênh UL và DL được nhóm vào trong các khối kề nhau của từngcặp kênh như hình bên dưới Một cặp kênh UL và DL bị chia cắt bởi tần số100MHz

Hình 1.6 Phổ trong hệ thống FDD

Ưu điểm của hệ thống FDD

 Truyền UL và DL đồng thời và liên tục: Hệ thống FDD cung cấp sự hoạt

động song công có ứng dụng rất phổ biến như thoại, nơi mà lưu lượng của UL

và DL yêu cầu không cần đối xứng Hơn nữa, sự truyền liên tục giúp làm giảmtrể lớp MAC bằng cách cho phép sự phản hồi trực tiếp để cung cấp cho cácyêu cầu kênh truyền

 Giảm giao thoa của hệ thống: Nhờ khoảng cách lớn giữa 2 đường UL và DL,

từ BS đến BS, từ SS đến SS giao thoa xảy ra sẽ giảm xuống đáng kể

 Giảm đi việc lập kế hoạch mạng: Một khi sự giao thoa của BS-BS được giảm

nhỏ, network radio planning thì dễ dàng hơn cho các hệ thống FDD



Nhược điểm của các hệ thống FDD

 Phân bố kênh cố định: Trong hệ thống FDD sự phân bố kênh UL và DL

được ấn định Trong khi nó cung cấp các lợi ích cho các lưu lượng đối xứng,

nó có thể dẫn đến việc các băng thông bị bỏ hoang trong khi các ứng dụng thìkhông đối xứng Dẫn đến lưu lượng dữ liệu và việc truy cập internet bị ảnhhưởng lớn, băng thông cần thiết của người dùng cho việc tận dụng các kênhtruyền một cách linh động trở nên quan trọng hơn

 Băng bảo vệ: FDD yêu cầu một băng bảo vệ để phân chia kênh cho đường UL

và DL

 Chi phí phần cứng cao: FDD yêu cầu một máy phát, một thiết bị thu chuyên

biệt và một bộ phối hợp Hơn nữa, bộ lọc RF được yêu cầu cô lập với haiđường UL và DL Các chi phí trên cao thì cũng có thể chấp nhận tại các BSnhưng tại các SS thường sử dụng FDD bán song công (H-FDD) nhằm mụcđích đưa các chi phí ở đây hạ thấp

1.4.2.2.2 Hệ thống TDD (Time Division Duplexing System):

Một hệ thống TDD không yêu cầu các cặp kênh tần số cho đường UL và DLcũng không yêu cầu một băng bảo vệ Thay vào đó hệ thống TDD sử dụng cùngmột kênh cho hai đường truyền UL và DL nhưng xét trong miền thời gian Mỗikênh gồm có một đường dành cho DL và một dành cho khung con của đường ULnhư hình mô tả bên dưới

Hình 1.6 Cấu trúc TDD

Hệ thống TDD sử dụng các băng bảo vệ giữa đường truyền từ DL đến UL và

từ UL đến DL Các băng bảo vệ này được gọi là TTG (Transmit/receive TransitionGap) và RTG (Receive/transmit Transition Gap) Nói chung là các TTG thì lớn hơn

RTG để cho phép thời gian trễ lên xuống của tín hiệu từ viền của các sestor là chấpnhận được

Ưu điểm của hệ thống TDD

 Linh hoạt trong việc cấp dải thông cho UL và DL: Hệ thống TDD thì linh

hoạt trong việc cấp phát dải thông cho UL và DL một cách đơn giản, bằngcách thay đổi khoảng cách giữa các khung con

 Chi phí phần cứng rẻ hơn FDD: Các chi phí phần cứng của hệ thống TDD

thì rẻ hơn hệ thống FDD bởi vì các bộ tạo dao động và các bộ lọc được dùngchung cho cả hai đường UL và DL

Nhược điểm của hệ thống TDD

 Vấn đề giao thoa: Giao thoa trong hệ thống TDD xuất hiện tại vị trí các BS

gần nhau gây ra sự không đồng bộ với các khung và sự bất đối xứng của UL

và DL

 Giao thoa khi sử dụng: Khi có nhiều hoạt động thực hiện trong một vùng địa

lý điều này có thể làm cho các cell của những hoạt động khác nhau bị chồnglên nhau gây ra hiện tượng giao thoa giữa các kênh cạnh nhau(ACI-adjacentchannel interference) Các sự hoạt động cần phải góp phần để cho việc xảy raACI là nhỏ nhất(ví dụ như ta có thể đặt một vật chắn vật lý giữa các BS sửdụng những kênh kề nhau), tuy nhiên trên thực tế điều này không xảy ra được

và giải pháp cho trường hợp này sẽ để lại một băng bảo vệ khá lớn giữa cácbăng đã sử dụng

1.4.3.1 Cấu trúc lớp MAC:

Lớp MAC bao gồm 3 lớp con:

 Lớp con quy tụ dịch vụ chuyên biệt (SSCS) cung cấp một giao diện đến cáclớp trên thông qua một điểm truy cập dịch vụ CS (SAP-service access point)

 Lớp con phần chung (CPS-common part sublayer) cung cấp các chức năngcho phần lõi của lớp MAC, chẳng hạn như tạo lập đường uplink, yêu cầubăng thông, điều khiển kết nối, tự động yêu cầu lặp lại (ARQ).

 Lớp con bảo mật (PS-Privacy Sublayer) cung cấp việc chứng nhận và thựchiện mã hóa dữ liệu

Hìn

h 1.7 Lớp MAC

Nhiệm vụ đầu tiên của lớp MAC cung cấp một giao diện lớp vận chuyển bậtcao và lớp vật lý Lớp MAC mang những gói từ các lớp trên-các gói này được gọi làcác đơn vị dịch vụ dữ liệu MAC (MAC service data units-MSDUs) và tập hợpchúng vào trong giao thức đơn vị dữ liệu MAC (MAC protocol data units-MPDUs)cho việc truyền trong không khí Chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005thiết kế lớp MAC bao gồm lớp con quy tụ để có thể giao tiếp với các giao thức lớpcao hơn, chẳng hạn như ATM, TDM voice, Ethernet, IP và nhiều giao thức chưađược công bố

Lớp MAC được thiết kế từ cơ bản đến việc hỗ trợ tốc độ cao của đỉnh bit trongkhi phát các bản tin chất lượng dịch vụ giống như ATM hay DOCSIS Lớp MACWiMAX sử dụng chiều dài MPDU thay đổi và đưa ra nhiều phương thức truyền để

mang lại hiệu quả cao nhất Ví dụ, nhiều MPDU có chiều dài giống hay khác nhau

có thể tập hợp vào trong một burst đơn lưu giữ ở đầu của lớp PHY Tương tự, nhiềuMPDU từ các dịch vụ lớp cao hơn có lẽ được nối với nhau vào trong một MPDUđơn để lưu vào đầu header của lớp MAC Ngược lại, những MSDU lớn được chiathành những đoạn MPDU nhỏ hơn và được gởi qua nhiều khung nhịp

Hình bên dưới là ví dụ cho các khung dạng MAC PDU(packet data unit) khácnhau Mỗi khung MAC được gắn vào một header chung GMH(generic MACheader) chứa thông tin nhận dạng kết nối CID(connection identifier), chiều dàikhung và 32 bít CRC, các header con, phần dữ liệu đã mã hóa Phần tải trọng củalớp MAC mang thông tin vận chuyển hoặc sử dụng để quản lý Ngoài các MSDU,phần tải trọng vận chuyển có thể chứa thông tin yêu cầu băng thông hay yêu cầuđược truyền lại Kiểu của tải trọng mang thông tin vận chuyển được nhận biết bằngphần header con đứng ngay trước nó Ví dụ về header con thông qua việc đóng gói

và phân đoạn header con Lớp MAC của WiMAX cũng hỗ trợ cơ chế ARQ dùng đểyêu cầu phát lại những MSDU đã phân mảnh hoặc chưa phân mảnh Độ dài khunglớn nhất là 2047 byte được đại diện bởi 11 bít trong phần GMH

Bảng 1.1 : Các ví dụ khác nhau của khung MAC PDU

Gói MSDU

có kíchthước cốđịnh

Gói MSDU

có kíchthước cốđịnh

Gói MSDU

có kíchthước cốđịnh

GMH SH PSH

KíchthướcMSDU cóthể thayđổi hay 1đoạn

PSH

Kích thướcMSDU cóthể thayđổi hay 1đoạn

Kích thước MSDU cóthể thay đổi hay 1 đoạn CRC

(e) ARQ and MSDUs payload

(f) Khung quản lý MAC

1.4.3.2 Kỹ thuật truy cập kênh:

Trong WiMAX, lớp MAC ở các BS chịu trách nhiệm cấp phát băng thông chotất cả người sử dụng, ở cả hai đường uplink và downlink Chỉ có trong thời gian các

MS thực hiện một vài điều khiển về việc chỉ định dải thông thì khi đó nó sẽ cónhiều phiên hay nhiều kết nối với các BS Trong trường hợp đó thì BS sẽ cấp phátdải thông đến MS, và tại MS sẽ được chia ra nhiều phần cho nhiều kết nối Còn lạitất cả việc lập lịch khác trên đường uplink và downlink đều do các BS giải quyết.Đối với đường downlink, các BS có thể cấp phát dải thông cho mỗi MS dựa trênnhững nhu cầu về lưu lượng đến mà không cần thông tin yêu cầu từ MS Ngược lạiđối với đường uplink, mọi sự cấp phát đều phải thông qua các yêu cầu từ MS

BS cấp phát tài nguyên dùng chung hay chia sẻ đến mỗi MS, có thể dùng đểyêu cầu băng thông Quá trình này được gọi là quá trình kiểm tra tuần tự (Polling).Polling có thể thực hiện cho từng MS (dùng unicast) hay một nhóm các MS(multicast) Việc sử dụng multicast polling được dùng khi băng thông sử dụng bịthiếu do dùng quá nhiều MS Khi polling được dùng trong multicast, sự phân chiakhe cho việc yêu cầu băng thông là một khe dùng chung WiMAX định nghĩa sựtruy cập tranh chấp và kỹ thuật phân giải cho trường hợp khi có nhiều hơn một MScùng cố gắng để sử dụng khe chung đó Nếu nó đã định vị trí gởi lưu lượng, thì các

MS không cần phải kiểm sóat vòng Thay vào đó, nó cho phép thực hiện yêu cầubăng thông theo ba cách

(1) Truyền một dải thông độc lập yêu cầu MPDU

(2) Gởi một băng thông yêu cầu sử dụng dải kênh (the randing channel).(3) Mang một băng thông yêu cầu trên những header MAC chung

1.4.3.3 Chất lượng dịch vụ QoS:

Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS rất cần thiết đối với hệ thống băng rộng khôngdây với các kênh được thiết kế đồng thời cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu vàvideo Các thuật toán QoS là rất cần thiết để đảm bảo việc sử dụng chung kênhkhông dẫn tới việc làm giảm chất lượng dịch vụ hoặc các lỗi dịch vụ Mặc dù trongthực tế các thuê bao đang dùng chung một đường truyền kết nối băng rộng với

nhiều thuê bao khác nhau nhưng họ mong đợi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp cáctính năng ở một mức độ chấp nhận được trong mọi điều kiện.

Để hỗ trợ một sự đa dạng trong việc ứng dụng, WiMAX đã định nghĩa nămchương trình dịch vụ được hỗ trợ bởi các BS để đưa ra các phương án vận chuyển

dữ liệu thông qua việc nối kết:

(1) Chấp nhận cấp các dịch vụ (UGS-Unsolicited grant services): Nó được

thiết kế để hỗ trợ các gói dữ liệu có kích thước cố định tại một tốc độ truyền bitkhông đổi (CBR-constant bit rate)

(2) Dịch vụ kiểm sóat vòng thời gian thực (rtPS-real time polling services):

Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ luồng dịch vụ thời gian thực, như là MPEGvideo, mà phát các gói dữ liệu có kích thước thay đổi theo một chu kỳ nhất định Sựbắt buộc của các tham số luồng dữ liệu được định nghĩa là tốc độ reserved traffic làcực tiểu, tốc độ sustained traffic là cực đại

(3) Dịch vụ kiểm sóat vòng không thời gian thực (nrtPS-non real time

polling services): Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ do trễ sai số của luồng dữ

liệu, như là FTP, qui định gói dữ liệu có kích cỡ thay đổi cho phép tốc độ được đảmbảo ở một tốc độ tối thiểu

(4) Dịch vụ Best-Effort (BE): Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ những

dòng dữ liệu, như các trình duyệt Wed, không yêu cầu đảm bảo về mức dịch vụ tốithiểu

(5) Dịch vụ tốc độ thời gian thực mở rộng (ERT-VR Extended real-time

variable rate service): Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng thời gian

thực, như VoIP với sự nén khi yên lặng, có tốc độ dữ liệu có thể thay đổi nhưng yêucầu về độ trễ và tốc độ dữ liệu phải được đảm bảo Dịch vụ này chỉ được định nghĩatrong chuẩn IEEE 802.16e-2005 mà không có trong IEEE 802.16-2004 Nó cũngđược quy vào như là dịch vụ kiểm tra tuần tự thời gian thực mở rộng ErtPS

Chuẩn WiMAX di động cung cấp gói công cụ cần thiết để hỗ trợ QoS cho đaứng dụng Trạm gốc WiMAX đinh vị các đường uplink và downlink thông qua việc

sử dụng một quy trình quản lý lưu lượng Quy trình này phản ánh các nhu cầu về

lưu lượng và các thông tin về các thuê bao cá nhân Sau đó các thuật toán tổng hợpđược triển khai nhằm đảm bảo đáp ứng các tham số QoS ứng dụng cụ thể Bảng sautóm tắt các loại QoS, các ứng dụng và các tham số QoS trong chuẩn 802.16e-2005:

 Di chuyển cách phức tạp: Có thể di động với tốc độ lên đên 120km/h có thểđược hỗ trợ với khả năng mất gói dữ liệu khoảng 1% trong khoảng thời giannhỏ(50ms)

Thời gian sống của pin (battery life) và thời gian chuyển giao (handoff) là haivấn đề tranh luận trong các ứng dụng di động WiMAX di động hỗ trợ chế độ ngủ(Sleep Mode) và chế độ rỗi (Idle Mode) cho phép vận hành MS hiệu quả WiMAX

di động cũng hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho phép MS có thể chuyển từmột BS này sang một BS khác với tốc độ di chuyển nhất định mà không bị giánđoạn kết nối.

1.4.3.5 Quản lý nguồn năng lượng:

WiMAX di động hỗ trợ hai chế độ vận hành hiệu năng – Sleep Mode và IdleMode:

 Sleep Mode là trạng thái mà MS ở trong giai đoạn trước khi có bất cứ traođổi thông tin gì với trạm gốc qua giao diện vô tuyến Nhìn từ phía trạm gốc, nhữnggiai đoạn này có đặc điểm là không khả dụng với MS cho cả hướng xuống (DL) hayhướng lên (UL) Chế độ Sleep Mode cho phép MS tối thiểu năng lượng tiêu thụ vàtối thiểu tài nguyên vô tuyến của trạm gốc Chế độ Sleep Mode cũng cung cấp khảnăng linh hoạt cho MS để dò các trạm gốc khác để thu thập thông tin hỗ trợ chuyểngiao (handoff) trong chế độ Sleep Mode

 Idle Mode cung cấp một cơ chế cho MS để sẵn sàng một cách định kỳ nhậncác bản tin quảng bá hướng xuống (DL) mà không cần đăng ký với một trạm gốcxác định nào khi MS di chuyển trong một môi trường có đường truyền vô tuyếnđược phủ sóng bởi nhiều trạm gốc Chế độ Idle Mode làm lợi cho MS bằng cáchloại bỏ yêu cầu chuyển giao (handoff) và các hoạt động bình thường khác và làm lợicho mạng và trạm gộc bằng cách loại bỏ giao diện vô tuyến và lưu lượng chuyểngiao (handoff) của mạng từ các MS không hoạt động trong khi vẫn cung cấp mộtphương pháp đơn giản để báo cho MS về lưu lượng DL đang xử lý

1.5 Kết luận chương:

Trong chương này chúng ta đã có những kiến thức cơ bản về một hệ thốngmạng WiMAX cũng như hiểu rõ về cấu trúc của nó Đặc biệt, các kỹ thuật ứngdụng trong lớp MAC sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu về quá trình bảo mật trongcác chương tiếp theo

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT TRONG WiMAX

2.1 Giới thiệu chương:

WiMAX là một công nghệ không dây đang nhận được nhiều sự quan tâm hiệnnay Tuy nhiên, cũng giống như các mạng không dây khác, nhược điểm lớn nhấtcủa WiMAX là tính bảo mật do sự chia sẻ môi trường truyền dẫn và những lỗ hổngtại cơ sở hạ tầng vật lý Mặc dù vấn đề bảo mật được coi là một trong những vấn đềchính trong quá trình xây dựng giao thức mạng của IEEE nhưng kỹ thuật bảo mật

mà IEEE qui định trong IEEE 802.16 (WiMAX) vẫn tồn tại nhiều nhược điểm.Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về cơ chế bảo mật của mạng không dâyWifi và WiMAX Thông qua các đặc điểm của bảo mật chỉ ra các giao thức quản lý

sự riêng tư của các SS như DSA và ASA Từ đó chúng ta đi tìm hiểu thêm giao thứcbảo mật và quản lý khóa dựa trên các cơ sở chứng thực như bản tin HMAC, kỹthuật X.509, và giao thức EAP

2.2 Cơ bản về bảo mật WiFi:

Vấn đề bảo mật là điểm khác nhau giữa Wifi và WiMAX hay nói cách khác làkhả năng bảo vệ thông tin phát đi tránh việc người khác truy cập lấy thông tin Bảomật là một trong những yếu điểm trong mạng Wifi, vì vậy mà các hệ thống mã hóabây giờ trở nên rất có giá trị Trong Wifi, việc mã hóa có ba kỹ thuật khác nhauđược đưa ra :

 WEP (Wired Equivalent Privacy): Mã hóa đối xứng RC4-cơ bản với 40 hay

104 bit mã hóa với một khóa tĩnh

 WPA (Wifi Protected Access): Một chuẩn mới do khối nghiên cứu Wifi sửdụng 40 hay 104 bit khóa WEP, thay đổi này trên mỗi gói để ngăn việc bẻkhóa Hàm thay đổi khóa này được gọi là TKIP (Temporal Key IntegrityProtocol)

 IEEE 802.11i/WPA2: IEEE đưa ra chuẩn 802.11i, nó sẽ là cơ sở cho việc

mã hóa mạnh hơn được thực hiện bởi thuật toán mã hóa AES Trong khốinghiên cứu Wifi sẽ thiết kế sản phẩm tuân theo chuẩn 802.11i như là WPA2.Tuy nhiên, sự bổ sung 802.11i sẽ đưa ra các quy định về việc nâng cấp phần

2.2.1 Bảo mật bằng WEP (Wired Equivalent Access):

WEP sử dụng mã hóa luồng RC4 cùng với một mã 40 bit và một vectơ ngẫunhiên 24 bit (initialization vector - IV) để mã hóa thông tin Thông tin mã hóa đượctạo ra bằng cách thực hiện phép toán XOR giữa keystream và plaintext Thông tin

mã hóa và IV sẽ được gửi đến người nhận Người nhận sẽ giải mã thông tin dựa vào

IV và khóa WEP đã biết trước Sơ đồ mã hóa được miêu tả bởi hình bên dưới:

Hình 2.1 Sơ đồ mã hóa bằng WEP Những điểm yếu về bảo mật của WEP

+ WEP sử dụng khóa cố định được chia sẻ giữa một AP và nhiều ngườidùng cùng với một IV ngẫu nhiên 24 bit Do đó, cùng một IV sẽ được sử dụng lạinhiều lần Bằng cách thu thập thông tin truyền đi, kẻ tấn công có thể có đủ thông tincần thiết để có thể bẻ khóa WEP đang dùng

+ Một khi khóa WEP đã được biết, kẻ tấn công có thể giải mã thông tintruyền đi và có thể thay đổi nội dung của thông tin truyền Do vậy WEP không đảmbảo được tính bí mật và sự trung thực của bản tin

+ Việc sử dụng một khóa cố định được chọn bởi người sử dụng và ít khiđược thay đổi (có nghĩa là khóa WEP không được tự động thay đổi) làm cho WEPrất dễ bị tấn công

+ WEP cho phép người dùng xác minh AP trong khi AP không thể xác minhtính trung thực của người dùng Nói một cách khác, WEP không cung ứng tính xácthực qua lại

2.2.2 Bảo mật bằng WPA (Wifi Protected Access):

WPA là kĩ thuật ra đời nhằm khắc phục những hạn chế của WEP WPA đượcnâng cấp chỉ bằng việc update phần mềm SP2 của Microsoft

WPA cải tiến 3 điểm yếu nổi bật của WEP:

+ WPA cũng mã hóa thông tin bằng thuật toán mã hóa đối xứng RC4 nhưngchiều dài của khóa là 128 bit và IV có chiều dài là 48 bit Một cải tiến của WPA đốivới WEP là WPA sử dụng giao thức TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) nhằmthay đổi khóa dùng AP và user một cách tự động trong quá trình trao đổi thông tin

Cụ thể là TKIP dùng một khóa nhất thời 128 bit kết hợp với địa chỉ MAC của userhost và IV để tạo ra khóa mã Khóa mã này sẽ được thay đổi sau khi 10 000 góithông tin được trao đổi

+ WPA sử dụng 802.1x/EAP để đảm bảo chứng thực qua lại nhằm chống lạitấn công man-in-middle Quá trình chứng thực của WPA dựa trên một server xácthực, với tên gọi RADIUS/DIAMETER Server RADIUS cho phép xác thực usertrong mạng cũng như định nghĩa những quyền nối kết của user Tuy nhiên trongmột mạng WiFi có thể dùng một phiên bản WPA-PSK Ý tưởng của WPA-PSK là

sẽ dùng một password chung cho AP và người dùng Thông tin xác thực giữa user

và server sẽ được trao đổi thông qua giao thức EAP EAP session sẽ được tạo ragiữa user và server để chuyển đổi thông tin liên quan đến việc nhận dạng của usercũng như của mạng Trong quá trình này AP đóng vai trò là một EAP proxy, làmnhiệm vụ chuyển giao thông tin giữa server và user Những bản tin chứng thực đượcmiêu tả trong hình bên dưới

Hình 2.2 Messages trao đổi trong quá trình nhận thực

+ WPA sử dụng MIC để tăng cường kiểm tra tính trung thực của thông tintruyền MIC là một bản tin 64 bit được tính dựa trên thuật toán Michael MIC sẽđược gửi trong gói TKIP và giúp người nhận kiểm tra xem thông tin nhận được có

bị lỗi trên đường truyền hoặc bị thay đổi bởi kẻ phá hoại hay không

Những điểm yếu của WPA

Điểm yếu đầu tiên của WPA là nó vẫn không giải quyết được service (DoS) attack Kẻ phá hoại có thể làm nhiễu mạng WPA WiFi bằng cách gửi

denial-of-ít nhất 2 gói thông tin với một khóa mã sai sau mỗi giây Trong trường hợp đó, AP

sẽ cho rằng một kẻ phá hoại đang tấn công mạng và AP sẽ cắt tất cả các nối kếttrong vòng một phút để trách hao tổn tài nguyên mạng Do đó, làm xáo trộn hoạtđộng của mạng và ngăn cản sự nối kết của những người dùng đã được cho phép.Ngoài ra WPA vẫn sử dụng thuật toán RC4 mà có thể dễ dàng bị bẻ gãy bởitấn công FMS Hệ thống mã hóa RC4 chứa đựng những khóa mã yếu Những khóa

mã yếu này có thể truy ra được khóa dùng để mã hóa Để có thể tìm ra khóa yếu củaRC4, chỉ cần thu thập một số lượng đủ thông tin truyền trên kênh truyền không dây

là có thể thực hiện được

WPA-PSK là một phiên bản yếu của WPA mà ở đó nó gặp vấn đề về quản lýpassword hoặc chia sẻ bí mật giữa nhiều người dùng Khi một người trong nhóm rờikhỏi nhóm, một password/secret mới cần phải được thiết lập.

2.3 Các kỹ thuật bảo mật trong WiMAX:

Công nghệ WiMAX cung cấp sự riêng tư và an toàn cho người sử dụng khitruy cập vào mạng Sự riêng tư được thực hiện bằng cách mã hóa các kết nối giữacác SS và BS BS bảo vệ để ngăn cản việc truy cập trái phép, bằng cách giám sátviệc mã hóa các luồng dịch vụ trong mạng Giao thức bảo mật và quản lý khóa đượcdùng tại các BS để điều khiển việc phân phát khóa dữ liệu cho các SS Điều này chophép SS và BS được đồng bộ khóa dữ liệu

2.3.1 Liên kết bảo mật SA (Security

Association):

SA (Security Association) chứa các thông tin về bảo mật của một kết nối: tức

là các khóa và các thuật toán mã hóa được lựa chọn Các kết nối quản lý cơ sở và sơcấp không có SA Tuy vậy, tính nguyên vẹn của bản tin quản lý vẫn được đảm bảo.Kết nối có quản lý thứ cấp có thể có SA Các kết nối vận chuyển luôn chứa SA Có

2 loại SA là DSA (Data SA) và ASA (Authentication SA), tuy nhiên IEEE 802.16chỉ định nghĩa rõ ràng DSA SA - liên kết bảo mật được nhận dạng bằng SAID.WiMAX sử dụng hai kiểu của liên kết bảo mật đó là DSA(Data-SA) vàASA(Authorization-SA) Cấu trúc của một SA bao gồm chứng chỉ chứng nhận,khóa AK để chứng nhận việc sử dụng các đường liên kết, thời gian sống khóa AK,khóa mã KEK, đường DHMAC, đường UHMAC, và danh sách các chứng nhận cácDSA Hình bên dưới miêu tả sơ đồ cấu trúc SA

Hình 2.3 Sơ đồ lớp của cấu trúc SA 2.3.1.1 DSA (Data Security Association):

DSA (Data Security Association) có 16 bit nhận dạng SA, thông tin phươngthức mã hóa (chuẩn mã hóa cải tiến DES hoạt động theo cơ chế CBC) nhằm bảo vệ

dữ liệu khi truyền chúng trên kênh truyền và 2 TEK (Traffic Encrytion Key) để mãhóa dữ liệu: một khóa TEK đang hoạt động và một khóa dự phòng Mỗi TEK sửdụng một véctơ khởi tạo IV 64 bit Thời gian sống của một TEK nằm trong khoảng

từ 30 phút tới 7 ngày Có 3 loại DSA là:

Primary SA: được sử dụng trong quá trình khởi tạo liên kết, mỗi SS sẽ thiết

lập một primary SA duy nhất với BS

Static SA: được tạo ra từ BS Nó được dùng cho những mục đích trong BS,

thường nó được dùng cho những ứng dụng unicast

Dynamic SA: được tạo ra và hủy bỏ tương ứng với một dòng tin mới được tạo

ra hay kết thúc

Static SA và Dynamic SA có thể được sử dụng chung giữa các SS trong cácứng dụng multicast Các dòng tin hướng lên luôn sử dụng primary SA để mã hóa vìmỗi SS sẽ có một primary duy nhất Tuy nhiên các dòng tin hướng xuống từ BSdùng primary SA khi đó là ứng dụng unicast, còn trong ứng dụng multicast BS sẽ

dùng static SA hay dynamic SA Khi thực hiện kết nối, đầu tiên SA khởi tạo mộtDSA bằng cách sử dụng chức năng yêu cầu kết nối Một SS thông thường có 2 hoặc

3 SA, một cho kết nối quản lý thứ cấp, một cho kết nối cho cả đường lên và đườngxuống, hoặc sử dụng các SA tách biệt cho kênh đường lên và đường xuống BS đảmbảo rằng mỗi SS chỉ có thể truy nhập bằng SA mà nó cấp riêng cho SS

Bảng 2.1 Nội dung của DSA

 16 bit nhận dạng SA (SAID-SA identifier)

 Chuỗi mã hóa nhằm bảo vệ dữ liệu trong khi trao đổi trong mạng

 2 TEK(Traffic Encryption Key): một khóa đang được sử dụng và một khóadành cho việc dự phòng

 4-bit khóa nhận dạng, dành cho mỗi TEK

 Thời gian sống ít nhất của một TEK là 30 phút và nhiều nhất là 7 ngày Mặcđịnh khoảng thời gian sống là nửa ngày

 Vectơ khởi tạo cho mỗi TEK

 Kiểu của DSA (primary, static, dynamic)

Bảng trên đưa ra nội dung của một DSA, SAID được dùng để nhận dạng DSA.Chuỗi mã hóa định nghĩa như là một phương pháp mã hóa sẽ được dùng để mã hóa

dữ liệu Ban đầu, tiêu chuẩn IEEE 802.16 đưa ra chuẩn mã hóa dữ liệu (DES) trongdãy khối mật mã CBC Sau đó chuẩn IEEE 802.16e đã đưa ra thêm một số dạng mãhóa khác Trong các phần sau ta sẽ khảo sát vấn đề này

Khóa TEK được dùng trong việc mã hóa dữ liệu truyền đi giữa BS và SS.DSA định nghĩa có hai TEK, một khóa TEK để dùng và một khóa để dự phòng chotrường hợp khóa đang dùng bị mất đi Việc nhận biết hai khóa TEK này thông quacác bít nhận dạng khóa Thời gian sống một khóa TEK trong khoản từ ba mươi phútcho đến bảy ngày

DES trong mode CBC yêu cầu khởi tạo một vectơ để hoạt động Bởi vậy, mỗimột khóa TEK được đưa vào trong DSA Việc khởi tạo các vectơ có độ dài 64bit đểcung cấp cho các block có kích thước 64bit trong thuật toán mã hóa DES

Kiểu dữ liệu SA cũng được chỉ ra để thể hiện loại DSA nào đang được sử

Các DSA bảo vệ kết nối truyền giữa một hay nhiều SS và BS Đặc trưng củacác SS là có một SA dành cho kênh quản lý thứ cấp và SA dành cho đường kết nốiuplink và downlink hay tách các đường SA cho đường uplink và downlink Với kỹthuật multicasting, mỗi nhóm yêu cầu một SA nhằm chia sẻ cho từng thành viên của

nó, bởi vậy chuẩn cho phép có nhiều kết nối ID chia sẻ cho một SA đơn

2.3.1.2 ASA (Authorization Security Association):

ASA là SA chứng thực được chia sẻ giữa một BS và một SS Chúng đượcdùng bằng cách BS định cấu hình dữ liệu SA cho các SS

Quá trình nhận thực như sau: SS sử dụng chứng chỉ X.509 (trong đó có chứakhóa công khai của MS) để trao đổi các khả năng bảo mật với BS Sau đó BS tạo ra

AK và gửi nó tới MS, AK này được mã hóa bằng khóa công khai của MS sử dụnglược đồ mã hóa công khai RSA Quá trình nhận thực hoàn thành khi cả SS và BSđều sở hữu AK Quá trình nhận thực được minh hoạ như hình dưới:

Hình 2.4 Nhận thực trong IEEE 802.16 Bảng 2.2 Nội dung của ASA

 Dùng chứng nhận X.509 để xác định các SS

 160 bit khóa AK

 4bit nhận dạng khóa AK

 Thời gian sống của khóa AK thấp nhất 1 ngày và nhiều nhất là 70 ngày, trong đó mặc định là thời gian sống là 7 ngày.

 Khóa KEK để phân phối các khóa TEK

 Khóa downlink HMAC

 Các khóa uplink HMAC

 Danh sách mà DSA cho phép

Bảng trên chứa nội dung của một ASA Sử dụng chứng nhận X.509 cho phép

BS nhận biết được các SS

160 bit khóa AK được dùng để cấp phép cho BS và SS nhận ra nhau thông quaquá trình trao đổi khóa TEK 4bit nhận dạng khóa AK được sử dụng để phân biệtgiữa các khóa AK khác nhau Thời gian sống của một khóa AK là khoảng thời giantồn tại của một khóa AK Nó được mặc định là 7 ngày nhưng thời gian sống của AK

có thể nằm trong khoảng từ một đến 70 ngày

Khóa KEK được sử dụng để mã hóa các khóa TEK trong suốt quá trình traođổi khóa TEK Hai khóa KEK được sử dụng cho mã hóa và khóa này được lấy từkhóa AK Hai khóa KEK này được tính toán bằng cách như sau: đầu tiên gắn mộtchuỗi số hexa 53 53H, với giá trị 53H được lặp lại 64 lần Sau đó sử dụng thuật toánSHA-1 băm giá trị này để xử lý, cho đầu ra có độ dài 160 bit Cuối cùng, 128 bitđầu tiên của đầu ra được chia vào trong 2 khóa TEK 64 bit Hai khóa TEK này thìđược dùng trong ASA

Hai khóa HMAC, một cho đường uplink và một cho đường downlink, đượcđưa ra để tạo thành các bản tin HMAC trong suốt quá trình trao đổi khóa TEK.Khóa trên đường uplink được dùng để tạo một bản tin HMAC để phát đi, trong khikhóa trên đường downlink được dùng để tạo bản tin HMAC cho phía nhận nhằmxác thực bản tin Khóa uplink thu được bằng cách ghép một chuỗi hexa có giá trị3A 3AH, với giá trị 3AH lặp lại 64 lần, với khóa AK, sau đó sử dụng thuật toánSHA-1 để băm giá trị này và tạo ra được khóa HMAC có độ dài 160 bit Khóa chođường downlink được xử lý tương tự như trên, nhưng chuỗi hexa nối với AK có giátrị 5C 5CH

Một danh sách chứng nhận DSA được đưa vào ASA, được cung cấp cho SScác thông tin của DSA để có thể tạo bản tin yêu cầu phù hợp

2.3.2.1 HMAC (Hashed Message Authentication Code):

Bản tin HMAC được sử dụng để cung cấp bản tin nhận thực Bằng việc sửdụng bản tin HMAC, người nhận có thể kiểm tra ai đã gởi bản tin đó Điều này là cóthể vì người gởi đã tạo một bản tin HMAC thông báo chỉ sử dụng một khóa bí mậtgiữa người gởi và người nhận Khi người nhận thu được bản tin, nó xử lý bản tinHMAC sử dụng khóa bí mật chung và so sánh với kết quả nhận được trước đó

từ người gởi sau khi đã xử lý Nếu bản tin HMAC phù hợp thì người gởi được xácnhận

Hình 2.5 Quá trình tạo bản tin HMAC

Bản tin HMAC được coi như là hàm của một khóa key và bản tin Hình trên

mô tả việc xử lý để tạo ra bản tin HMAC Đầu tiên, băm khóa key, đã được giớithiệu trong phần ASA, được thực hiện phép XOR với một ipad, có giá trị 36 36H,với 36H được lặp lại 20 lần để phù hợp với kích thước của key được băm Giá trị

160 bit này được gắn vào đầu của bản tin, mà sau đó bản tin sẽ bị băm Chuẩn IEEE802.16 dùng thuật toán SHA-1 để thực hiện việc hàm băm

Khóa key tiếp tục được XOR với một opad, có giá trị 5C 5CH, với 5CH đượclặp lại 20 lần để phù hợp với kích thước của khóa Giá trị thu được có độ dài 160 bit

này cũng được gắn vào đầu ra kết quả của lần băm trước đấy Vậy kết quả sẽ có 2giá trị sau khi thực hiện hàm băm SHA-1 để tạo ra bản tin HMAC cuối cùng.

2.3.2.2 Chứng nhận X.509:

Chứng nhận X.509 được sử dụng để cho phép BS nhận diện SS Mỗi lầnchứng thực, người dùng phải mang một dấu hiệu để truy cập

Hình 2.6 Sơ đồ chứng nhận X.509

Bảng bên dưới mô tả các thông số trong chứng nhận X.509.

Các dữ liệu mở rộng đưa ra dưới đây không phải được định nghĩa bởi chuẩn IEEE802.16 mà bởi tổ chức chuyên cung cấp chứng nhận số

Bảng 2.5: Miền chứng nhận X.509

Số Serial Số nguyên duy nhất được đưa ra bởi CA

Ký hiệu Đối tượng được nhận ra và các tham số để lựa

chọn thuật toán chứng nhận tín hiệu

Nhà cung cấp chứng thực Tên nhà cung cấp chứng thực số nơi đưa ra

chứng nhận

Giá trị Thời hạn để chứng nhận một giá trị

Subject Tên của thực thể mà có khóa public đuợc chứng

nhận trong miền khóa public

Thông tin về khóa công khai Bao gồm khóa công khai, các thông số, và nhận

Issuer ID duy nhất Chọn miền để chấp nhận dùng lại tên trên miền

thời gian

Subject ID duy nhất Chọn miền để cho phép dùng lại tên subject trên

miền thời gian

Ký hiệu thuật toán Nhận dạng các đối tượng và các tham số để đưa

ra thuật toán cần sử dụng

Chữ ký điện tử Nhận dạng chu kỳ số hóa của ký hiệu về cú pháp

của phần tóm lược để phân biệt các quy tắc mãhóa cho phần còn lại của chứng nhận

Có hai kiểu chứng nhận: chứng nhận nhà sản xuất và chứng nhận các SS Mộtchứng nhận nhà sản xuất, để xác định nhà sản xuất thiết bị, có thể đây là chứngnhận tự nhà sản xuất đưa ra hay thông qua một hãng thứ 3 đưa ra Một chứng nhận

SS điển hình được tạo ra và được ký hiệu bởi nhà sản xuất ra trạm đó Nó được sửdụng để nhận ra một thuê bao gồm cả địa chỉ MAC của nó trong trạm đó Các BS

có thể sử dụng chứng nhận của nhà sản xuất để xác định chứng nhận các thuê bao,cho phép nó xác định là có phải thiết bị là hợp pháp không

2.3.2.3 Giao thức chứng thực mở rộng (EAP):

Chuẩn IEEE 802.16e giới thiệu một giải pháp để thực hiện sơ đồ chứng thựcdựa trên cơ sở chứng nhận X.509 Sơ đồ mới này được coi là mềm dẻo hơn và dựatrên giao thức EAP Để thực hiện được chứng thực trong suốt thời gian thiết lậpđường truyền,các bản tin EAP được mã hóa trực tiếp vào bên trong các khung quản

lý Cộng thêm với hai bản tin PKM, đó là PKM EAP request và PKM EAPresponse, được thêm vào để truyền dữ liệu EAP

Hiện nay phương pháp EAP hỗ trợ cho việc bảo mật cần thiết trong mạngkhông dây là vấn đề đang được nghiên cứu, bởi vậy tiêu chuẩn IEEE 802.16e khôngđưa ra một phương pháp EAP đặc biệt-dựa trên các phương pháp chứng thực đã sửdụng

2.3.3 Giao thức bảo mật và quản lý khóa:

SS sử dụng giao thức PKM để chứng thực và thu khóa lưu lượng từ BS Giaothức PKM có thể được chia ra làm 2 phần:

 Chứng thực SS và trao đổi khóa AK

 Trao đổi khóa TEK

2.3.3.1 Chứng thực và trao đổi khóa AK:

Giao thức PKM được sử dụng để thực hiện việc trao đổi khóa AK từ BS đến

SS Một BS nhận được một ký hiệu nhận thực, nó sẽ định kỳ tìm kiếm việc cấpphép Việc trao đổi khóa AK hoàn thành việc trao đổi ba bản tin Sơ đồ bên dưới thểhiện việc trao đổi ba bản tin này

Bản tin thứ hai được gởi từ SS đến BS ngay sau bản tin thứ nhất Bản tin nàyđưa ra yêu cầu một khóa AK và danh sách các SAID để nhận diện SA và như vậy

SS được cấp phép

BS sử dụng chứng nhận của SS để xác định có thực hiện cấp phép hay không.Nếu có, BS sẽ trả lời bằng bản tin thứ ba BS sử dụng khóa công khai của SS, đượclấy thông qua quá trình chứng nhận của nó, và dùng để mã hóa AK bằng thuật toán

mã hóa công khai RSA Sau khi mã hóa, bản tin được gán thêm SeqNo, dùng để

Danh sáchSAID

3

Chứng nhận của nhà sản xuất1

2