SE525794C2 - Förfarande och system för att överföra hemlig data i ett kommunikationsnätverk - Google Patents

Description

25 30 mätningen görs i samma polarisationstillstând, och mätning av en fotons polarisationstillstånd i ett inkorrekt polarisationstillstånd kommer att resultera i förlust av kunskap om dess initiala polarisationstillstånd. Emellertid är kvantkryptering begränsad till överföring i optiska media och användning av speciella anordningar. Vidare är det svårt att överföra polariserade fotoner långa sträckor.

Det finns andra välkända krypteringstekniker med allmänna nycklar, så som de välkända Diffie-Hellman-Merkle-, RSA-, och ElGamal-krypteringsalgoritmerna för allmänna nycklar.

Uppfinningen i sammandrag Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande respektive ett system för att överföra hemlig data, så som krypteringsnyckeldata, i ett kommunikationsnätverk på ett säkert sätt.

Det är i detta avseende ett särskilt syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett sådant förfarande och ett sådant system, som övervinner de begränsningar hos, eller endast utgör alternativ till, de inom området tidigare kända teknikerna som ovan beskrivits.

Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett sådant förfarande och ett sådant system, vilka är tillförlitliga, robusta och lätta att implementera, och vari krypteringen är beroende av mottagarens plats och överföringsmediet. Ännu ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett sådant förfarande och ett sådant system, 10 15 20 25 30 ffwñ wrïfl »WU 1 X1' vilka är speciellt inrättade att användas i trådlösa nätverk, såsom WLAN.

Dessa syften uppnås, enligt föreliggande uppfinning, medelst förfaranden och system enligt de bifogade patentkraven.

Ett förfarande för att överföra hemlig data innefattar, enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, följande steg. En första signal som innefattar en godtycklig datasekvens, t.ex. en slumpmässigt vald datasekvens, sänds till en terminal över ett överföringsmedium, varvid den första signalen saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning eller -uppskattning, dvs. för att beräkna överföringsmediets överföringsfunktion för den första signalen. En andra signal som innefattar en datasekvens som är identisk med den godtyckliga datasekvensen som den mottogs av terminalen efter att ha förvrängts av överföringsmediet och möjligen av terminalen, mottas från terminalen, varvid den andra signalen innefattar information erforderlig för att utföra kanalbestämning.

Sedan beräknas inversen av överföringsmediets överföringsfunktion och möjligen terminalförvrängningen för den första signalen, baserat på den godtyckliga datasekvensen och datasekvensen som mottogs från terminalen. Slutligen sänds en tredje signal innefattande en hemlig datasekvens, företrädesvis innehållande krypteringsnyckeldata, multiplicerad med inversen av överföringsfunktionen för att i förväg kompensera för förvrängningarna införda av överföringsmediet och möjligen terminalförvrängningen, till terminalen över överföringsmediet, varvid den tredje signalen saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning. Om överföringsmediet för den första och den 10 15 20 25 30 ÛÛÛ .k w .__ «-' I / “f rf' fw 4 tredje signalen som sänts till terminalen är identiska, vilket kräver att förfarandet utförs tillräckligt snabbt så att terminalens position och den omgivande miljön inte ändras under tiden mellan sändningarna, kan den hemliga datasekvensen läsas av terminalen i klartext.

Eftersom den överförda datasekvensen är helt okänd för alla utom avsändaren och inte innehåller redundans för att göra kanalbestämning möjlig finns det inte något sätt att bestämma den överförda datasekvensen från den mottagna förvrängda datasekvensen. Överföringsmediets överföringsfunktion för sändning till terminalen används för att dölja den hemliga datasekvensen, och därigenom möjliggöra för terminalen att läsa den hemliga datasekvensen i klartext.

Eftersom överföringsfunktionerna skiljer sig från en terminal till en annan i nätverket, kan inte en tjuvlyssnare läsa den hemliga datasekvensen. Tjuvlyssnaren har inga möjligheter att härleda vare sig den godtyckliga datasekvensen eller överföringsfunktionen. Som en konsekvens kan inte heller den hemliga datasekvensen härledas.

Företrädesvis implementeras föreliggande uppfinning i ett trådlöst nätverk, så som ett WLAN, vari signalerna är kraftigt förvrängda av överföringsmediet, dvs. luften.

Således varierar överföringsfunktionerna kraftigt från en terminal till en annan.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med uppfinningen framgår nedan av den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av den föreliggande uppfinningen, vilka visas i de bifogade figurerna 1-2, som endast är åskådliggörande och således inte begränsande för uppfinningen. 10 15 20 25 30 Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig. 1 är en schematisk illustration av tre terminaler förbundna i ett WLAN, varvid överföringsfunktionerna för en signal, som skickats från en av terminalerna till de två andra, visas.

Fig. 2 är ett schematiskt flödesdiagram som visar ett förfarande för säker överföring enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Fig.1 visar en första 11, en andra 12 och en tredje 13 terminal eller transceiver förbundna i ett WLAN, varvid en signal skickas från den första terminalen 11 via luften för att mottas av den andra terminalen 12. Typiskt kan emellertid den tredje terminalen 13, som kan vara en tjuvlyssnare, också höra signalen. Eftersom den luftburna signalen påverkas av omgivningarna, speciellt eventuella hinder i dess väg, ser den väldigt olika ut för den andra 12 och tredje 13 terminalen, eftersom de är belägna på olika platser. I Fig. 1 visas schematiskt med pilarna 14, 15 signalvägarna från den överförande terminalen 11 till den andra 12 och tredje 13 terminalen.

En överföringsfunktion H” En kan associeras med var och en av signalvägarna 14, 15 för signalen som överförts från terminalen 11, där respektive överföringsfunktion HU En visar hur förvrängningen av överföringsmediet påverkar signalen, dvs. förutsatt att A är signalen som utsänds av den första terminalen 11 kommer den andra terminalen 12 ta emot den förvrängda signalen AJQ, och den tredje terminalen 13 kommer 10 15 20 25 30 r.- rf' f'- _!! x.. __ ~. i / NA' att ta emot den förvrängda signalen Agg. I trådlösa nätverk är överföringsfunktionerna H1,Ig typiskt helt olika.

Uppfinningen använder sig av de icke-permanenta och okända överföringsfunktionerna hos överföringsmediet. Förutsatt att den överförda informationen är helt okänd och inte innehåller redundans för att göra kanalbestämning möjlig, finns det inte något sätt att veta vad den mottagna informationen sändes som. Detta används i den föreliggande uppfinningen för att dölja den hemliga datan.

Med hänvisning till Fig. 2, som är ett schematiskt flödesdiagram och visar ett förfarande för säker överföring, kommer en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning beskrivas.

Den första terminalen ll sänder, i ett steg 21, en första signal innefattande en godtycklig datasekvens A1 via luften.

Den godtyckliga datasekvensen A1 är företrädesvis en slumpmässigt vald datasekvens, som inte har något samband med någon tidigare Överförd data. Den första signalen saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, dvs. känd datakod för att beräkna överföringsmediets överföringsfunktion för den första signalen.

Den andra terminalen 12 mottar, i ett steg 22, den första signalen. Datasekvensen innesluten i den mottagna signalen är nu förändrad av överföringsfunktionen H1 och den andra terminalen 12 mottar därför datasekvensen AJQ. En tjuvlyssnare, dvs. den tredje terminalen 13 mottar datasekvensen Agg och förutsatt att överföringsfunktionen H, förorsakar tillräcklig förvrängning, kan inte den tredje terminalen 13 urskilja någon information avseende den 10 15 20 25 30 ursprungligen sända godtyckliga datasekvensen A,. Självklart kan inte den andra terminalen 12 heller urskilja den godtyckliga datasekvensen A1, förutsatt att överföringsfunktionen H1 förorsakar tillräcklig förvrängning.

Därefter sänder den andra terminalen 12, i ett steg 23, en andra signal tillbaka till den första terminalen 11 över en oskyddad kanal, dvs. genom att använda sig av ett standardprotokoll för att möjliggöra kanalbestämning. Den andra signalen innefattar den mottagna förvrängda datasekvensen AJQ.

Om den tredje terminalen 13 hör denna signal är den enda information den kan härleda den mottagna förvrängda datasekvensen Afig. Detta ger emellertid inte den tredje terminalen 13 någon användbar information. Den första terminalen ll, å andra sidan, kan beräkna överföringsfunktionen H¿ och dess invers Hfl från den kända sända godtyckliga datasekvensen A1 och den mottagna förvrängda datasekvensen AJQ.

När den första terminalen ll har mottagit den andra signalen och tagit fram den förvrängda datasekvensen Agfi, beräknar den således, i ett steg 24, inversen av överföringsfunktionen Hfl baserat på den godtyckliga datasekvensen A1 och den förvrängda datasekvensen A35. Den första terminalen 11 kompenserar sedan i förväg för överföringsfunktionen H1. Om man antar att en hemlig datasekvens K, t.ex. en krypteringsnyckel, ska sändas till den andra terminalen 12, beräknar den första terminalen ll den i förväg kompenserade datasekvensen KHJI.

Sedan sänder den första terminalen ll, i ett steg 25, en tredje signal innefattande den hemliga datasekvensen K i 10 15 20 25 30 "'É7f“fl vfq-.J 1. ' förväg kompenserad med inversen av överföringsfunktionen Hfl, dvs. datasekvensen KH{1, på ett sätt så att kanalbestämning omöjliggörs.

Den andra terminalen 12 kan sedan, i ett steg 26, när den mottar den tredje signalen, läsa den hemliga datasekvensen i klartext eftersom resultatet av förvrängningen av datasekvensen KHf1 införd av överföringsmediet är Kflffig = K.

Den tredje terminalen 13, dvs. tjuvlyssnaren, läser datasekvensen Kfijïg, vilken inte är densamma som K förutsatt att H, och H, skiljer sig. Föreliggande uppfinning baseras på det faktum att olika mottagare erfar olika överföringsfunktioner.

Vidare inkluderas även inexaktheter i mottagaren i överföringsfunktionen, vilket gör överföringsfunktionen mottagareberoende.

En fördel med föreliggande uppfinning är möjligheten att överföra hemlig data över ett osäkert medium. Säkerheten ökar med avståndet mellan de sändande och mottagande terminalerna eftersom överföringsfunktionerna skiljer sig mer över långa avstånd. Uppfinningen är primärt avsedd att användas i WLAN, men är också tillämpbar på vilken sorts nätverk som helst - trådlösa såväl som trådbundna nätverk, förutsatt att överföringsmediets överföringsfunktioner skiljer sig tillräckligt från plats till plats. En icke uttömmande lista över nätverk, i vilka föreliggande uppfinning är tillämpbar, innefattar ADSL-, VDSL-, XDSL-, CDSMA och W-CDMA-nätverk.

Vidare kan uppfinningen innefatta överföringar på en annan osäker kanal för att synkronisera den första terminalen ll 10 15 20 25 30 och den andra terminalen 12, så att den andra terminalen 12 vet när den första och möjligen den tredje signalerna sänds.

I ett WLAN överför den sändande terminalen ll, som kan vara en accesspunkt, data enligt ett standardprotokoll för WLAN.

Den andra terminalen 12, som kan vara en rörlig station, begär anslutning, dvs. tillåtelse att använda accesspunkten ll. Accesspunkten 11 informerar den mobila stationen 12 när och hur, dvs. på vilken kanal, den kommer att sända den första signalen innefattande den godtyckliga datasekvensen A1.

Den första signalen sänds sedan på ett icke standardiserat sätt, dvs. på ett sätt som gör kanalbestämning omöjlig. Den andra signalen kan sändas i klartext, dvs. sändas enligt WLAN-standard. Den tredje signalen måste emellertid sändas på samma sätt som den första signalen. När den hemliga datasekvensen, som i detta fall är en nyckel, har överförts, kan kommunikationen börja på en vanlig WLAN-kanal, med användning av nyckeln enligt ett krypteringsprotokoll för WLAN.

Den första och tredje signalen kan överföras på samma frekvensband som WLAN-standard använder sig av, med användning av t.ex. OFDM- eller cck-modulering, och med användning av samma hårdvara.

Vidare kan uppfinningen innefatta det avsiktliga tillägget av en ytterligare förvrängning vid mottagarsidan, vilket måste göras med avseende på både den första och den tredje signalen. Härigenom minskas sannolikheten att den tredje terminalen kan motta den hemliga datasekvensen i klartext, eftersom det blir mindre sannolikt att den tredje och den andra terminalen 13, 12 kommer att ha liknande överföringsfunktion. 10 15 20 VÛFT vdmw 'W 0 a 10 Om den andra terminalen 12 lägger till en förvrängning som har en överföringsfunktion H3, behöver inte den första terminalen erhålla information om den, eftersom så länge det gäller den första terminalen är proceduren identisk med den ovan beskrivna. Den andra terminalen 12 kommer att, i steget 23, sända till den första terminalen lldatasekvensen AJQH3 i den andra signalen, och den första terminalen ll kommer att, i steget 24, beräkna inversen av överföringsfunktionen Hgg, och, i steget 25, sända till den andra terminalen 12 den i förväg kompenserade datasekvensen K(HJg)'1i den tredje signalen. Den andra terminalen 12 tillämpar förvrängningen H3 en gång till när den tar emot den tredje signalen, och kommer således att, i steget 26, motta datasekvensen K(HJg)“HJg = K.

Vidare kan uppfinningen innefatta användning av aktiva antenner hos den första terminalen ll. Information i riktningen från den första terminalen ll till den andra terminalen 12 kan återskapas, t.ex. från data som den andra terminalen 12 sänder tillbaka till den första terminalen ll.

Sedan kan riktningsinformationen användas för att ställa in antennerna för att ytterligare minska risken för att en tjuvlyssnare kan höra hemlig data.

Claims (9)

10 15 20 25 30 [nr- rjzfia V<_».J i/ly' 11 PÅTENTKRÅV

1. Förfarande för att sända hemlig data i ett kommunikationsnätverk, k ä n n e t e c k n a t a v stegen att: - en första signal innefattande en godtycklig datasekvens (A1) sänds (21) till en terminal (12) över ett överföringsmedium (14), varvid nämnda första signal saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, - en andra signal innefattande en datasekvens (AJL; Aggflg, som är identisk med den godtyckliga datasekvensen, som den mottogs (22) av terminalen efter att ha förvrängts av nämnda överföringsmedium (14) och valfritt av nämnda terminal, tas emot (23) från nämnda terminal (12), där nämnda andra signal innefattar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, - inversen av överföringsfunktionen (Hf1; (HJg)“) för nämnda överföringsmediums förvrängning och valfritt nämnda avsiktliga terminalförvrängning beräknas baserat på nämnda godtycklig datasekvens (A1) och nämnda datasekvens (AJL; AJgH,) som mottagits från nämnda terminal beräknas (24), och - en tredje signal innefattande en hemlig datasekvens (K) multiplicerad med inversen av nämnda överföringsfunktion (Hf1; (HJg)“) för att kompensera för nämnda överföringsmedium och valfritt nämnda avsiktliga terminalförvrängning sänds (25) till nämnda terminal (12) över nämnda överföringsmedium (14) för att därigenom möjliggöra för nämnda terminal att härleda nämnda hemliga datasekvens (K), varvid nämnda tredje signal saknar information erforderlig för att utföra 10 15 20 25 30 kanalbestämning, och därvid omöjliggöra för en tjuvlyssnare att härleda nämnda hemliga datasekvens (K).

2. Förfarande enligt patentkrav 1, varvid nämnda hemliga datasekvens (K) innefattar en hemlig nyckel.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda kommunikationsnätverk är ett trådbaserat nätverk så som ett XDSL-modulerat nätverk.

4. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda kommunikationsnätverk är ett trådlöst nätverk så som ett WLAN, CDSMA- eller ett W-CDMA-baserat nätverk.

5. Förfarande enligt något av patentkraven 1-4, varvid - nämnda datasekvens (AJ¶; AJQH3) innefattad i andra nämnda signal mottagen från nämnda terminal (12) är identisk med den godtyckliga datasekvensen som den mottogs av terminalen efter att ha förvrängts av nämnda överföringsmedium och nämnda terminal, och - nämnda överföringsfunktion, vars invers beräknats baserat på nämnda godtyckliga datasekvens (A1) som överförts till nämnda terminal, och nämnda datasekvens (AJgH3)som mottagits från nämnda terminal, är överföringsfunktionen (HJg,för nämnda överföringsmedium och nämnda terminalförvrängning.

6. System för överföring av hemlig data i ett kommunikationsnätverk k ä n n e t e c k n a t a v att: - en första transceiver (11) är inrättad att till en andra transceiver (12), över ett överföringsmedium (14), sända (21) 10 15 20 25 30 l-flpïfl vhJ 1/24' 13 en första signal innefattande en godtycklig datasekvens (A1), varvid nämnda första signal saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, - nämnda andra transceiver (12) är inrättad att till nämnda första transceiver (11) sända (23) en andra signal innefattande en datasekvens(AJg; AJQH3), som är identisk med den godtyckliga datasekvensen som den mottogs (22) av nämnda andra transceiver (12) efter att ha förvrängts av nämnda överföringsmedium och valfritt nämnda andra transceiver, varvid nämnda andra signal innefattar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, - nämnda första transceiver (ll) är vidare inrättad att (H1H3)'1) för nämnda överföringsmedium och valfritt nämnda förvrängning beräkna (24) inversen av överföringsfunktionen (H{1; utförd av nämnda andra transceiver baserat på nämnda godtyckliga datasekvens (A1) och nämnda datasekvens (A¿g; AJQHS) som mottagits från nämnda andra transceiver, och - nämnda första transceiver (11) är vidare inrättad att till nämnda andra transceiver (12) över nämnda överföringsmedium (14) sända (25) en tredje signal innefattande en hemlig datasekvens (K) multiplicerad med inversen av nämnda överföringsfunktion (H{1; (HJg)“), för att därigenom kompensera för förvrängningarna införda av nämnda överföringsmedium och valfritt nämnda andra transceiver, och möjliggöra för nämnda andra transceiver (12) att härleda nämnda hemliga datasekvens (K), varvid nämnda tredje signal saknar information erforderlig för att utföra kanalbestämning, och därvid omöjliggöra för en tjuvlyssnare att härleda nämnda hemliga datasekvens (K). 14

7. System enligt patentkrav 6, varvid nämnda hemliga datasekvens (K) innefattar en hemlig nyckel.

8. System enligt patentkrav 6 eller 7, varvid nämnda kommunikationsnätverk är ett trådlöst nätverk.

9. System enligt patentkrav 8, varvid nämnda trådlösa nätverk är ett WLAN.