简析无线网络加密算法之CCMP加密算法

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[导读] 为了加强无线网络的安全性，增加被破解的难度，局域网/城域网标准委员会提出了新的无线网络加密算法CCMP。详细说明该算法加密解密的实现过程，并给出相应代码。

无线网络产品因其灵活、便捷、无线等特点，正在被越来越多的人所使用。但是在我们享受无线网络带给我们诸多好处的同时，安全问题也给我们带来了巨大困惑。为局域网/城域网标准委员会先后给无线网络提出了3个标准的加密算法，即WEP、TKIP、CCMP加密算法，用来保护我们的无线网络。由于CCMP加密算法采用了比TKIP更高级的加密标准CCMP加密算法，CCMP被认为是目前无线网络比较安全和可靠的加密算法。在这里我将对这个加密算法给大家简单介绍一下。

在我们分析CCMP的加密解密过程之前，我们先说明一下CCMP核心加密算法AES，因为MIC和文件加密解密都需要使用该算法。

一、AES加密算法　

AES加密算法其目的是开发一种新的能保证政府信息安全的编码算法。密钥长度可为128、192、256bit。它的输出更具有随机性，对该密文破解需要几乎整个密码本及相关的不知道密钥的密文，加解密的密码本分开。安全性很高。

AES加密算法的具体算法说明可以从NIST的FIPS _PUB 197 _nAd—vanced _encry ption standard文档得到的。

∥加密

Cipher(byte in(4*Nbj, byte out[4*Nb], word w[Nb*(Nr+lyyfm）]为原文out[]为密文

Begin// _ _ _ _ _ w[]是由密钥扩展的密钥串

byte state[4,Nb]

state=m

AddRoundKey(srate, w[0, Nb-1D//与第一行密钥串异或

for round=lstepl to Nr?

SubBytes(state)//state的S盒置换

ShiftRows(state)//接行移位

MixColumns(state)//按列变换

AddRoundKey(state, w[round*Nb, (round+ lyNb -1])//与第round行密钥串异或

end for

SubBytes(state)

ShiIIRows(state)

AddRoundKey(slaLe, w[NPNb, (Nr+l)*Nb-ll)

out= sLate

end

∥解密

InvCipher(bytc m[4*Nb], byte out[4*Nb], wordw[Nb*

(Nr+I)D

begin

byte swe[4,Nb]

state= in

AddRoundKey(state, w[Nr*Nb, (Nr+l)*Nb-lD

for round – Nr-1 step -l downt01

InvStuftRows(staLe)//按行移位的逆变换

InvSubBytes(state)//S盒置换的逆变换

AddRourtd Key(state,w[round*Nb, (round+I)*Nb-1])

InvMixColumns(sWe)，，按列变换的逆变换

end for

InvShitIRows(staLe)

InvSubBytes(state)

AddRoundKey(state, w[0, Nb-1])

out= state

end

目前广泛使用的是rijndnal编写的AES加密算法，这个可以很轻松的从网上得到。

二、CCMP加密算法

了解了AES的加密和解密过程，接下来我们就开始说明CCMP的加密解密以及MIC的生成过程。CCMP的加密:首先我们从mpdu的MAC _Header提取结构AAD以及Nonce。如图１所示。AAD和Nonce提取办法如下：

然后我们计算出MIC,把它加入到数据域后面。生成8字节的CCMP Header与MAC Header组成加密帧的验证部分，这部分不需要加密。然后对数据域和MIC进行CTR( counter)模式的AES加密，量后加上FCS校验就生成了加密帧。

1、 MIC计算

CCMP的MIC计算是MPDUlevel的，与TKIP的MSDUlevel区射，提供更好的完叠性校验。首先把(Nonce，AAD，P(数据域原文)）从左刭右组成一个序列，然后再补上一些D字节，使之成为16字节倍数的序列。然后把它分隔成n个16字节块，用BO，B1，…，Bn表示。接着使用CBC-MAC计算出MIC使用的T(MAC值)，按照下列的算法计算：

x：= AES(k1 b0)

—k.|- AES(x,x? Bi) fori=l．，．，，n

T:= first-M-bytes( X~.)

其中AES(K，B)为密钥K的AES加密。T取X序列的低M个字节。M为MIC的长度。

特别的．B0，B1一……Bn序列中．B0是由Nonee组成的MIC IV．Bl．B2是由MAC Header也即AAD组成的MIC HEADERI，2；B3从开始就是数据域原文分翻成的16字节块。

Adata位当AAD长度大千0时置l，否列为0。后面3bit为NUC长度域，值为(M-2)，2。最后为信息的长度域，值为1-1.2为信息长度的范围。一般M=8．L=2，列Flag为Ox59．量终的MIC值还需要将个值与后续CTR加密的so值【前M个字节）异或。表示如下：

MIC=T? _flrsL-M-bytes(SO).

2、CTR加密

取得7 MiC之后，就可以对数据域和MIC进行CTR加密．首先把数据城分钠成16个字节块，量后囊余的字节不用朴零．用Ai表示．MIC部分是单独CTR计算的。

Si= AES(K,CTR_PRELOAD(i)); //i从O刭m Ei=Si? Ai;UEi为加密好的16字节块

特别的对于数据域量后一个16字节块，可能不满16个字节，只有x(O<x<16)个字节，郝异或时，只要取Si中的前x个字节。

对予MIC部分

E(MIC)= S0:? MLC

CTR_PRELOAD(i)的结构如下：

Counter从i=0开始不断自增1

1个字节的Flag域：

只有最后3个bir的信息长度城。当L-2时，Flag值

为Ox01．

3、CCMP的解密

从加密的MPDU中得到CCMP Header与MACHeader．然后计算出AAD．Nonce．算出每个CTR PRELOAD．从而通过ctrR解密得到数据域原文以及rvnc．使用前一节MIC的计算方法算出当前的MIC．与解密后的rvnc比较，进行校验．在这里我们给出CTR解密的过程。

CTRN解密

对加密的数据城进行16字节分割，用EI表示。加密的rvnc．FCS前的8个字节，用E(MIC)表示，单独取出进行CTR解密，数据域的原文16宇节块，用Ai表示。

则解密过程如下：

si= AES(K,CTI乙PRELOAD(i》;仇从0到m

Ai=Si7 Ei=Si? Si? Ai;

特别的对于加密的数据域最后一个16字节块．可能不满16个字节，只有y(O<y<16)个字节，鄢异或时，只要取Si中的前y个字节。

对于MJC部分

MIC=S0？E(MIC)

通过上面的表述，你基本可以知道CCMP如何操作的。

CCMP的计算还是比较复杂，一方面可能增加了成本，一方面却大大加强了无线网络的安全．目前，它一般会和身份验证服务RADIUS以及密钢管理一起提供一个安全、可靠、可以信赖的无线环境。

小知识之CCMP ：

CCMP（Counter CBC-MAC Protocol） 计数器模式密码块链消息完整码协议。