基于IEEE 802.16d的WiMAX安全研究
1、概述
IEEE 802.16d安全子層，提供鑒權、安全密鑰交換和加密并定義了加密封裝協議、密鑰管理（PKM）協議，提供多種管理信息和業務的加密密鑰和算法，并提供用戶認證和設備認證兩種認證方式。
2、體系結構
在802.16d版本中主要是通過在MAC（媒體接入控制）層中定義了一個安全子層來提供安全保障，如圖1所示。安全子層主要包括兩個協議：數據加密封裝協議和密鑰管理協議。其中數據加密封裝協議定義了IEEE 802.16 d支持的加密套件，即數據加密與完整性驗證算法，以及對MAC PDU載荷應用這些算法的規則。而密鑰管理協議則定義了從基站向用戶工作站分發密鑰數據的安全方式，兩者之間密鑰數據的同步以及對接入網絡服務的限制。
2.1 MAC層
IEEE 802.16d的安全規范主要存在于MAC層上。MAC層通過安全子層來實現安全策略，它提供了安全認證、安全密鑰交換和加密，其目標是提供接入控制和保證數據鏈路的機密性。
在WiMAX網絡中，當兩個節點建立一個鏈接時，它們通過一系列協議來確保兩者之間的機密性和惟一連接。基站（BS）和用戶站（SS）之間的握手機制是通過MAC層中的安全子層完成的，其中包含5個實體：安全聯盟（SA）、X.509證書、PKM認證、機密性密鑰管理和加密。
根據WiMAX的最初草案文件，通過安全子層提供機密性、校驗和加密，然而為了達到更好的安全保障，在無線協作骨干網中需要一種端到端的安全策略，它能提升最初草案中的安全機制。
2.2 物理層
IEEE 802.16d的安全機制主要位于MAC層的安全子層，大部分運算法則和安全機制也都工作于此。物理層和MAC層是緊密聯系在一起的，物理層上的安全策略主要以密鑰交換、編碼、解碼的形式存在，用于對入侵者隱藏數據信息。另外一個與物理層相關的方面就是傳輸功率。未經授權頻段的WiMAX與已獲授權頻段的WiMAX的功率水平相比較低，其目的是減少干擾半徑。
由于調制也是在物理層上完成的，基于這種考慮，其他安全措施也可以安置于物理層上。因為數據對應一個特定的接收者，不可能被其他接收者解碼，所以擴頻也可以作為一種安全措施。這意味著如果某個接收者不知道擴頻碼，即使擁有對數據的物理接入，也無法解碼該數據包。
2.3 安全層
WiMAX安全規范的核心基于MAC層協議棧的安全子層，大部分的算法和安全機制都以MAC控制信息的形式存在于此。所以，WiMAX可以自由地選取工作在7層模型中更高層（如網絡層、傳輸層、會話層等）上的安全機制，這些機制包括IP安全（IPSec）協議、傳輸層安全（TLS）協議和無線傳輸層安全（WTLS）協議。該子層提供接入控制，通過電子簽名認證用戶和設備，并且應用密鑰變換進行加密以保證數據傳輸的機密性。當兩個設備建立連接，協議發揮了確保機密性和認證接入設備的作用。BS和CPE（用戶端設備）之間的協調通信通過MAC層的安全子層實現。
3、802.16d的安全關鍵技術
3.1 包數據加密
包數據加密有3種方式：3-DES EDE（encrypt-decrypt-encrypt）、AES ECB（electronic codebook）、RSA 1 024 bit，密鑰在認證過程中分發，且動態更新。
3.2 密鑰管理協議
PKM使用X.509數字證書、RSA公鑰算法以及強壯的加密算法來實現BS和SS之間的密鑰交換。
PKM協議使用了C/S模型，在這個模型中，SS作為PKM的“Client”，向BS請求密鑰資源，而BS作為PKM的“Server”，對這些請求進行響應，確保了每個SS只收到向它授權的密鑰資源。PKM協議使用PKM-REQ和PKM-RSP等MAC管理消息完成這個過程。
PKM協議用公鑰加密機制在BS和SS之間建立共享密鑰（AK），確保后續TEK（數據加密密鑰）的安全交換。這種密鑰分發的兩層機制使得TEK的更新不再需要公鑰操作的計算代價。
3.3 安全聯盟
一個SA是BS和Client SS（一個或多個）之間為了支持在IEEE 802.16網絡上的安全通信而共享的一個安全信息集合。定義了3種SA：基本SA、靜態SA、動態SA。每個可管理的SS在初始化過程中都會建立一個基本SA。靜態SA由BS提供。動態SA根據特定服務流的初始化和終止而建立和刪除。靜態SA和動態SA都能被多個SS共享。
一個SA的共享信息應該包括在該SA上使用的cryptographic suite，還可能包括TEK和初始化向量。SA的具體內容取決于SA的cryptographic suite，SA由SAID惟一標識。
每個可管理的SS應該與BS之間建立一個惟一的基本SA，該SA的SAID應該等于該SS的Basic CID。
一個SA的密鑰資源（如DES密鑰和CBC初始化向量）都有一個有限的生命周期。當BS將SA密鑰資源發給SS時，它同時也提供了該密鑰資源的剩余生存時間。在SS當前持有的密鑰資源失效時，SS就會向BS請求新的密鑰資源。如果在新的密鑰收到之前，當前密鑰失效，SS就會重新進行網絡登錄。PKM協議規定了如何使BS和SS之間保持密鑰同步。
3.3.1 SA與連接之間的映射
下列規則用于連接與SA之間的映射關系。
◆所有的傳輸連接應該映射到一個已經存在的SA。
◆多播傳輸連接可能映射到任意一個靜態或動態SA。
◆Secondary Management連接應該映射到基本SA。
◆Basic和Primary Managemnet連接不應該映射到任何SA。
在實際應用中，上述這些映射關系的實現是通過在DSA-XXX消息中包含SA的SAID和相應的CID來實現的。Secondary Management連接和基本SA之間的映射不必明確指出。
3.3.2 動態SA的建立和映射
動態SA是BS為了響應特定的下行業務流的enabling和disabling而動態建立和終止的SA。SS通過DSx消息的交換獲得特定的privacy-enabled業務流與它的動態分配的SA之間的映射。
通過向SS發送SA add message，BS能動態建立SA。一旦收到一個SA add message，SS就會為該消息中的每個SA開始一個TEK狀態機。
當建立一個服務流時，SS可能在DSA-REQ或DSC-REQ消息中傳送一個已經存在的SA的SAID。BS檢查此SA的SS是否得到授權，然后利用DSA-RSP或DSC-RSP消息相應地產生正確的響應。
在BS發起的動態服務流建立過程中，BS可能將一個新的服務流和一個已經存在的、SS支持的SA進行映射，這個SA的SAID在DSA-REQ或DSC-REQ中發送給SS。
3.3.3 Cryptographic Suite
Cryptographic Suite是SA中用于數據加密、數據認證以及TEK交換的方法的集合，它應該是表1中的某一個。
4、WiMAX安全機制存在的問題及未來改進
從前面802.16d版本安全機制可以看出，安全機制主要存在以下問題。
◆單向認證。只能基站認證工作站，工作站不能認證基站，這樣可能導致中間人攻擊。
◆認證機制缺乏擴展性。認證機制只是基于X.509證書，因此缺乏擴展性。
◆缺乏抗重放保護。攻擊者可以通過截獲數據包進行重放來對系統發起攻擊。
◆在802.16d版本對數據的加密采用的是DES-CBS算法，這種算法的密鑰長度只有56 bit，容易遭受到窮舉攻擊。
802.16e為了解決802.16d中安全機制存在的一些問題，主要做了以下改進。
◆新的PKM協議，PKMv1僅提供基于設備的單向認證，PKMv2提供MAC層的用戶鑒權和設備認證雙重認證。用戶認證采用類似Wi-Fi的體系結構，增加了認證中繼單元，即WiMAX安全框架由請求者、認證中繼、認證系統和認證服務器系統4部分組成。認證系統（AAA代理）和認證服務器系統（AAA服務器）之間的交互采用封裝方式。
◆引進了AES-CCM數據加密協議。AES-CCM是基于AES的CCM模式，該模式結合了Counter（計數器）模式（用于數據保密）和CBC-MAC（cipher block chaining message authentication code）模式（用于數據完整性鑒權），這樣就解決了802.16d版本中安全機制缺乏抗重放保護和加密算法本身不安全的問題。
◆在802.16e中為了支持快速切換，引進了預認證的概念。
◆多播安全方面，WiMAX論壇目前只提供了一些草案：多播傳輸連接可以映射到任何靜態的或動態的安全關聯，用于更新TEK的密鑰請求和密鑰回應消息通過Primary管理連接來裝載。
但是802.16e安全仍然有很多問題需要進一步改進。
在IEEE 802.16e中提出了雙向認證概念，它需要BS頒發數字證書，但是使用雙向認證時也允許單向認證存在，并且增加了系統代價和實現復雜度，新廠商加入時會引起所有廠商的信任列表更新，這些有待改進。
要想真正保證WiMAX的安全性，還必須擴大安全子層，對管理信息進行加密；規范授權SA；規范隨機數發生器；改善密鑰管理；實現包括WLAN、WAPI等的無線多網互通安全機制報告，最后還要考慮與2G、3G系統共用AAA體系的過程。WiMAX在標準制定中已經將SS接入控制的安全性需求放在了重要的位置上，一些最新的認證和密鑰管理技術被引入標準。然而，這些安全接入控制技術在實際操作中還存在諸多問題，如如何合理使用，是否存在其他安全問題，是否符合網絡部署地區實際情況等。國外的廠家一般根據標準的要求和WiMAX論壇的要求制定自己產品和解決方案的安全方案，在芯片層面增加了安全的部件來實現傳輸數據的安全，另外也在應用層面上支持802.1x、RADIUS等認證機制來提高整個運營系統的認證安全。國內的廠家研究一般側重于增強認證體系的引入，如EAP、EAP-SIM、EAP-AKA等認證技術，強調與2G、3G網絡的統一安全認證結合過程。
在當前的802.16e安全機制中增加了多播的建議，但這也帶來了基站負擔加重和更新及回應密鑰請求效率低等問題。
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