Securing Wireless Communications Using SAE and ECC
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
SAE作为一种无线通信协议标准，在该领域具有重要的应用价值。它整合了多个密码学组件，在保障信息安全性方面表现出显著优势。其中一种重要的安全电子密码学方法即SECP系统是基于椭圆曲线理论构建的。其参数由两个随机选择的质数a和b构成，在实际应用中展现出独特的优势。这些特性使其在安全性方面超越了普通ECC系统。此外 SECP不仅能够实现数据的安全传输还能满足数字签名认证以及解密需求。采用该方法进行数据加密后 无疑能有效防止中间攻击篡改或重放等问题的发生 这对于保障通信系统的安全性至关重要 因此 在实际应用中必须确认双方使用的加密体系是否符合这一标准 并且必须确保整个通信过程的所有环节都符合规定程序 本文将深入探讨SAE的技术细节 并提供一个基于SECP实现SAE的具体案例说明 这种方法不仅能够提升数据的安全性还能够简化复杂的通信流程 这对于现代无线网络的安全性建设具有重要意义
2.概述 SAE的核心目标是为无线网络提供强大的安全性机制，并有效应对现实场景中常见的通信问题。根据SAE的框架规范，在任何协议实施过程中双方设备都应严格遵守既定的安全标准；若存在违规操作，则可能导致通信过程中的安全隐患。为了确保安全的有效性，在实施相关技术之前必须先深入了解各方设备的核心功能特性；根据具体需求选择适合的安全等级划分策略——例如将信息划分为"非加密"、"WEP"、"WPA/WPA2"或"WPS"等不同层次的安全等级。无论采用何种加密方案均需通过FIPS-140-2认证流程来确保其安全性达标；此外还需要特别注意的是SECP这种加密技术虽然在保障敏感信息方面表现一般但仍然具备一定的实用性——它能够对关键数据进行基本层面的安全防护但无法应用于实时传输的数据如视频流等媒体内容；不过SECP因其高效的加密速度和较低的资源消耗特点仍然可以在信号条件较差且带宽有限的环境下得到应用。
除了SAE外, 还有一些相关标准持续发展中, 如 EAP-FAST、PPP Over LAN 和 802.1AR 等. 这些标准均与SAE紧密相连. 在本文里, 我将深入探讨 SAE 及其相关知识的基础内容.
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关键词 安全认证核心引擎, 无线网络安全技术, 现代电子安全理论, 密码学, 椭圆曲线加密算法, FIPS-140-2认证标准, 实时通信系统, 在线多媒体数据传输
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概念阐述
1.安全认证引擎（Secure Authentication Engine）简介
基于当前研究现状，在密码学领域已知的安全计算体系中包含多种高效的安全计算协议
该系统采用先进的无线通信协议架构，在其核心组件中集成了多种密钥交换算法与数字签名机制。通过设备端到端的数据传输通道，在完成对设备参数设置与服务接入请求的初步鉴定期望后，在线性代数运算基础上实现了对... 该系统通过设备端到端的数据传输通道，在完成对设备参数设置与服务接入请求的初步鉴定期望后，在线性代数运算基础上实现了对... 通过设备端到端的数据传输通道，在完成对设备参数设置与服务接入请求的初步鉴定期望后，在线性代数运算基础上实现了对... 通过设备端到端的数据传输通道，在完成对设备参数设置与服务接入请求的初步鉴定期望后，在线性代数运算基础上实现了对... 通过设备端到端的数据传输通道，在完成对设备参数设置与服务接入请求的初步鉴定期望后，在线性代数运算基础上实现了对...
2.密码学技术 基于SAE协议框架，在通信双方确定了密钥管理策略后实施。即便采用不同的加密方案或技术路径，在数据传输过程中仍采用相同的密钥管理策略以确保信息准确无误地传递出去。
SAE系统整合了以下三种核心的安全组件：
- AES分组密码算法；
- 基于哈希的技术；
- 椭圆曲线公私钥体系。
（1）AES块加密算法
AES（Advanced Encryption Standard）是一种卓越的分组加密方案。该标准由美国联邦政府所采纳。该方案通过将明文划分为多个部分来进行处理，并对每一个部分执行加密操作。 AES算法通过一个硬件组件来管理轮密钥更新过程，并最终使得整个加密流程能够实现较高的安全性。
（2）SHA-256散列算法
SHA-256算法属于加密哈希函数的一种，在信息处理领域具有重要地位。该算法能够处理任意长度的信息输入，并生成固定位数的哈希值。其计算结果形成一个256位长的二进制字符串，在这一过程中可以区分出两个关键部分：其中前缀部分占用了前224位二进制数据；剩余的部分则包含了原始消息的具体内容信息。主要包含四个关键特性：无碰撞特性（即无碰撞性）、抗分 Birthday 性质（即抗修改性）、弱抗碰撞性和简便实现四个特性。
（3）SECP椭圆曲线加密算法
椭圆曲线加密算法（Elliptic Curve Cryptography, 简称 ECC）是一种密码系统。它将公钥与私钥结合使用。该算法基于参数 a 和 b 以及点 P 来构造。在公私钥对的操作过程中, 私密键始终不可泄露。该算法具有三项关键特性: 1) 计算强度大; 2) 处理速度较快; 3) 具备抗中间人攻击的能力。
2.安全电子密码学（Secure Electronic Communication Protocol）简介
作为一种基于可靠的身份认证机制的安全电子密码学（Secure Electronic Communication Protocol, SECp）协议，在实际应用中能够有效保障通信双方的身份验证需求以及数据传输过程中的完整性与机密性。该协议通过集成一种先进的数字签名方案，在确保通信参与者身份的同时实现了对信息传输过程的全面防护。在2009年11月2日正式由国家标准化管理委员会（ISO/IEC JTC1/SC14）颁布实施的基础上，在全球范围内得到了广泛认可并被大量应用于实际场景中。
该方案采用一种创新的密码学方法称为SECp。该方案采用椭圆曲线加密算法（ECC）。其基于将加法运算替代于乘法运算的方法进行计算操作。计算速度极快且易于实现这一特点使其成为高效的安全通信方案的关键优势之一。在SECp方案中椭圆曲线上的线性点群和固定时间差EC TD分别用于完成消息的安全加密与数字签名这一双重功能使得其在实际应用中具有很高的可靠性与安全性
SECp具有显著的优势在于其卓越的安全性和适应性强，并特别适用于高度敏感的数据加密需求；该方案不仅在传统业务领域展现出独特价值，在新兴技术应用中也表现突出，并广泛应用于支付系统、移动支付平台以及 VPN 服务等场景。
- 实施细节
（1）加密流程
整个加密流程如下图所示：
（a）设备首先生成一对密钥（公钥和私钥），分别用来进行加密和解密。
（b）用户设备A向服务设备B发送信息。
（c）设备A将信息加密，并使用公钥加密后的密文作为消息发送给设备B。
（d）设备B接收到密文后，先使用私钥解密得到明文。
（e）设备B利用消息摘要算法生成消息的摘要。
设备B在生成摘要后使用私钥进行签名，并将所附的签名信息附加到密文后发送给设备A
（g）设备A接收到密文和签名后，验证签名信息的有效性。
（h）验证成功后，设备A利用相同的密钥进行解密，将明文重新获取。
（2）密钥协商过程
服务端密钥协商流程如下：首先由服务端依次生成一对私有密钥（包含公钥和私钥），随后将该公钥发送至客户端。当客户端接收到公钥后，会通过以下方式处理：随机产生一个一次性非对称加密（Nonce）值，并对该Nonce值进行加密后再传输回服务端。当服务端接收到加密后的Nonce值后，则利用自身的私有密钥对之进行解密并重新生成Nonce值。接着，在完成上述操作后，服务端将所获取到的Nonce值用于生成共享秘密键（Shared Secret Key），随后对该公钥再次进行加密并发送至客户端。最终，在此过程中完成后的双方均获得了相同的共享秘密键从而实现双方的安全通信基础
- 客户端密钥协商流程：客户端首先创建一对密钥（包含公钥和私钥），并将其公钥传输给服务端。服务端接收到公钥后会生成一个随机数nonce，并使用公钥对其进行加密处理后传输给客户端。客户端接收到加密后的nonce后会利用自身的私钥进行解密，并生成对应的nonce值。随后，客户端会生成一个共享密钥，并将该公钥再次加密传输给服务端。服务端则使用自己的私钥解密该数据并生成共享密钥。至此，双方已成功建立一致的共享密钥。
以上，完成了对称密钥协商过程。
（3）通信链路加密
为确保通信链路的安全性，采用 industry-standard TLS 协议。该协议通过 end-to-end encryption mechanism ensures data integrity, confidentiality, and authenticity throughout the transmission process. 此外, 该协议还可实现身份认证、数据完整性校验等功能. TLS 协议依赖于 trusted CA authority 机构负责颁发公钥证书. CA机构被视为可信赖的第三方实体.
如图所示，TLS协议的主要功能涉及证书验证等技术手段。这些技术手段由CA证书负责验证发送方身份信息，并通过消息认证码（MAC）确保数据完整。在对称密码体制中协商使用何种加密方案，则需要依靠多种类型的加密算法配合完成这一过程——其中包括对称加密算法、哈希函数以及密钥交换机制等要素。此外还有压缩编码技术的存在，则有助于降低数据传输规模
（4）消息验证
SAE标准并未明确指出消息验证的具体方式；可以通过采用多种手段来实现消息验证；例如使用序列号、时间戳以及摘要算法等。
用于序列号验证的机制：其基本原理是相对简单且易于实现的一种数据完整性校验方法。在服务端系统中设置了持续递增的序列号计数器，并规定每当接收到一条新消息时系统将自动比较当前记录的序列号与上一次记录值之间的关系进行判断：若当前记录的序列号大于上一次记录，则判定该消息未发生丢失；反之则表明该消息存在丢失现象。
基于时戳验证的方法相较于基于序列号的方法更具准确性。该方法要求服务端持续更新并管理一个维护时戳，并存档接收消息的时间戳值。若当前时分针达到或超过维护时戳值的两倍，则判断当前连接已处于断开状态。
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摘要验证:该方法具有以下功能——它是一种用于消息完整性校验的技术方案。具体而言，在服务端设置了这样一个机制：它会建立一个独立的索引库用于存储所有已接收的消息唯一标识码；每当系统接收新的数据包时（即每个接收的消息），都会自动计算其唯一标识码，并将结果存储在本地索引库中。当系统检测到重复的标识码时（即发现有重复的数据包出现），则预示着原始信息可能存在异常或被篡改的情况。
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签名验证:签名验证提供了消息身份验证的方式。其次,客户端向服务端发送待验证的消息请求,服务端生成并发送相应的签名文件。客户端接收到消息及签名文件后,通过解密 signature file 来确认其有效性,随后利用消息进行必要的验证操作。若待验证的消息被恶意篡改,则该过程将会失败
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加密校验: 在信息传递过程中对信息内容进行加密运算以获得其摘要值，并将该摘要附加到原信息中发送出去。接收端收到该信息后会再次执行相同的运算得到新的摘要，并与存储或传输中的原始摘要进行比对。若两者一致，则表明信息未被篡改或损坏。
混合验证指的是包括两种及以上的多种验证方式结合在一起加以运用的方法
（5）通信加密模式
通信加密模式是由SAE标准所定义的一系列通信加密方案以满足多种不同的通信需求基于此标准SAE归类为五种不同的通信加密模式
通信加密模式是由SAE标准所定义的一系列通信加密方案以满足多种不同的通信需求基于此标准SAE归类为五种不同的通信加密模式
WEP：无线电通信的安全性（Wireless Ethernet Encryption, WEP）是标准协会电子安全（SAE）体系中的一种通信加密规范。按照这一规范，在客户端与服务器之间仅实现单播传输而不进行组播传输，并且服务器可以直接向指定的客户端发送加密数据包，在这种情况下没有任何身份验证机制参与其中。该规范还存在潜在风险：如果路由器被移除或服务器无法与新版本的客户端建立连接，则可能导致数据泄露或连接中断的情况发生
无线局域网安全协议（WPA/WPA2）作为安全通信协议结构的一种替代方案，在该体系下实现了广播通信功能，并通过共享密钥实现数据加密；其内置身份认证功能可有效防止中间人攻击和数据篡改等问题；但该协议面临时延挑战，在建立连接的过程中需经历多阶段协商流程。
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WPS：Wi-Fi Protected Setup（WPS）作为另一种通信加密方案，在SAE体系中占据重要地位。该方案赋予客户端安全配置无线网络的能力，并支持通过无线网络进行设备连接。具体而言，在该方案下，数字证书认证服务器用于身份验证，并通过客户端身份确认机制来保障数据传输的安全性与完整性。
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LEGACY：一种常见的通信加密模式称为LEGACY，在这种情况下，它们通常采用包括ESA、TKIP和MIC在内的多种加密算法。
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混合方案：混合型加密方案是一种中级加密模式，在综合考虑WPA/WPA2与传统加密方案优点的基础上, 能够以良好的性能和较高的可用性来提供服务
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如其他密码学标准一样, SAE标准规范了密钥协商协议和密钥存储方法。为实现密钥协商协议, SAE规范了多种协议方案,包括椭圆曲线 Diffie-Hellman (ECDH)、安全素因子 Diffie-Hellman (SRP)、迪尔曼- key key exchange (DHKE) 和 Password-Based Key Derivation Function 2 (PBKDF2) 等。为实现密钥存储, SAE规范了一种存储格式。
（6）实现案例
以下我会向大家展示一个使用SECP来实现SAE加密方案的具体案例，并旨在帮助大家更好地了解如何在自己的项目中集成SECP模块。
设想存在一个WiFi热点设备，并允许它作为接入点供无线客户端进行连接。为了增强整个通信过程中的安全性，请确保采用SAE标准作为基础。该系统将使所有传输的数据经过加密编码处理，并确保参与者身份信息的真实有效性。
服务端实现：
第一步，创建一个基于SECP的Socket，并绑定监听地址。
import socket
from crypto_lib import *
skt = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
skt.bind(('localhost', 8080))
skt.listen()
代码解读第二步，等待客户端连接。
client_sock, client_addr = skt.accept()
print("Client connected from", client_addr)
代码解读第三步，进行密钥协商，并发送公钥给客户端。
server_privatekey = generate_privatekey()
server_publickey = get_publickey(server_privatekey)
msg = "Hello Client!" + server_publickey.decode('utf-8')
encrypted_data = encrypt(msg.encode(), server_publickey)
client_sock.sendall(encrypted_data)
代码解读第四步，接收客户端的公钥，并创建共享密钥。
encrypted_publickey = client_sock.recv(4096).decode('utf-8')
publickey = decrypt(bytes.fromhex(encrypted_publickey), server_privatekey)
shared_secret = create_shared_secret(bytes.fromhex(publickey[:64]), bytes.fromhex(publickey[64:]))
代码解读第五步，进行数据加密传输。
while True:
data = client_sock.recv(4096)
if not data:
break
encrypted_data = encrypt(data, shared_secret)
client_sock.sendall(encrypted_data)
代码解读客户端实现：
第一步，读取服务器的公钥，并发送公钥给服务器。
import ssl
from crypto_lib import *
context = ssl.create_default_context()
with context.wrap_socket(socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM), server_hostname='localhost') as s:
s.connect(('localhost', 8080))
while True:
data = s.recv(4096).decode('utf-8')
if data == '':
print("Connection closed by the server")
exit()
elif 'Hello' in data:
publickey = data[-512:]
privatekey = generate_privatekey()
msg = str(get_publickey(privatekey)).encode().hex()
encrypted_msg = encrypt(msg.encode(), publickey.encode())
s.sendall(encrypted_msg)
shared_secret = create_shared_secret(privatekey, bytes.fromhex(publickey))
# Set up message verification mechanism here...
代码解读第二步，接收服务器发送的公钥，并计算共享密钥。
encrypted_publickey = s.recv(4096)
publickey = decrypt(encrypted_publickey, privatekey)
shared_secret = create_shared_secret(bytes.fromhex(publickey[:64]), bytes.fromhex(publickey[64:]))
代码解读第三步，进行数据解密传输。
while True:
try:
encrypted_data = s.recv(4096)
decrypted_data = decrypt(encrypted_data, shared_secret)
except ValueError:
continue
else:
print("Received:", decrypted_data)
代码解读观察到，在本例中对SECP模块的集成过程进行了详细说明，并为用户提供了一个快速构建安全通信系统的参考方案。