Segurança no IEEE 802.16e - Unisinos

Cassiano Jung, Diego Férri, Eduardo Molon, Ivan
Wendt, Rodrigo Porto

Introdução
O que é WiMAX
O Inicio do WiMAX
Arquitetura do protocolo
Vantagens
Desvantagens
Segurança no WiMAX
Utilização no Brasil
Futuro do WiMAX
Conclusão
Referencias

O que é WiMAX ?
IEEE WirelessMAN ou ainda “Air Interface for Fixed
Broadband Wireless Access Systems”.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access), é nome popular.
WiMax é uma tecnologia de rede sem fio para redes
metropolitanas, baseada no padrão IEEE 802.16.
Possibilita a conexão através de quilômetros de
distancia.
Permite uma taxa de transmissão de até 74 Mbit/s.

Comparação com outras tecnologias
Figura 1: Comparação da área de cobertura com outras tecnologias
Fonte: http://www.eliteltelecom.com.br/noticias2.htm

O inicio do WiMAX
A primeira versão do 802.16 surgiu em 2001;
WiMAX utilizava frequências de 10 GHz a 66GHZ;
LOS (Line of Sight): Significa “Com Visada Direta”
Somente equipamentos do mesmo fabricante;
Em 2003 há modificação no padrão possibilitando a
interoperabilidade;
Ainda em 2003 o IEEE publicou a versão 802.16a
Utiliza frequência de 2 a 11GHz, incluindo bandas
licenciadas e não licenciadas. NLOS sem Visada
direta.

Wimax- Padrões Atuais
Em 2004 surge a versão 802.16-2004(IEEE 802.16d),
conhecido também como WiMAX Fixo.
É essencialmente independente de freqüência ,
permitindo NLoS – Non-Line-ofoSight (sem linha de
visada direta) na extremidade inferior da faixa de
freqüência(abaixo de 3 GHz).
Modulação base OFDM(Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) com 256 subportadoras.

Wimax- Padrões Atuais
Em 2005 Conhecido WiMAX Móvel, IEEE 802.16e,
Adiciona especificações de mobilidade (WMANs móveis).
Aspectos como largura de banda limitada (um máximo de
5 MHz).
Com velocidade mais lenta e antenas menores
possibilitam o mobilidade veicular (até 150 Km/h).
Opera nas faixas de 2 a 6 GHZ que consistem,
principalmente, em faixas licenciadas. As aplicações
móveis são aptas para operar abaixo de 3 GHz
Algumas aplicações fixas utilizam a 802.16e devido às
suas melhores características.

Wimax- Padrões Atuais
Fonte:http://www.sohand.icmc.usp.br/~rigolin/downloads/sbrc2008/minicursos/MC02.pdf

Arquitetura do 802.16
No padrão IEEE 802.16 são especificadas a camada física
(PHY) e a camada de acesso ao meio (MAC) para as redes
metropolitanas de banda larga sem fio (BWA).
Na camada física são especificados:
Espectro de freqüência;
Esquema de modulação;
Técnicas de correção de erros;
Sincronização entre transmissor e receptor;
Taxa de dados e a estrutura de multiplexação.

Arquitetura do 802.16
MAC encontra-se dividida em três subcamadas: a
Convergência de Serviços (Convergence Sub-layer - CS), a
subcamada de Parte Comum Common Part Sub-layer -
CPS) e a de Privacidade (Privacy Sublayer-PS).
Na camada MAC são especificadas as funções associadas
aos serviços oferecidos aos usuários, que incluem a
transmissão de dados em quadros e o controle do acesso ao
meio sem fio compartilhado.

Arquitetura do 802.16
Fonte: http://www.sohand.icmc.usp.br/~rigolin/downloads/sbrc2008/minicursos/MC02.pdf

Camada Física
Para faixa de 10 a 66 GHz, é usada modulação de
portadora única. Camada conhecida na versão padrão por
WirelessMAN-SC (Single Carrier).
Para operar na banda 2-11GHz, é necessário alterar as
especificações da camada física para suportar propagação
NLOS.

Camada Física
3 modos operação, camada física do modo PMP:
Portadora-única PHY (PHYical Layer);
256-point FFT OFDM PHY (Fast Fourier Transform
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Phyical
Layer), conhecido na literatura como OFDMA 256
2048-point FFT OFDMA PHY (Fast Fourier Transform
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access
PHYical Layer), conhecido na literatura como OFDMA 2K.
Porém, o modo mais comumente utilizado é o OFDM 256.

Camada Física
Na técnica de modulação OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing), os blocos de bits são agrupados e
modulado em uma das 256 subportadoras.
Por sua maior eficiência em situações NLOS e por ser
menos exigente em termos de requisitos para sincronização,
a especificação WMAN-OFDM foi a adotada pelo WiMAX
Forum para certificação de topologia PMP (Ponto-
MultiPonto). A mesma interface aérea WMAN-OFDM é
definida pelo padrão IEEE 802.16 para o modo Mesh.

Camada MAC
A camada MAC é orientada a conexão;
Na topologia PMP, protocolo da subcamada MAC é
simples no sentido estação base para o usuário (downlink),
pois só existe um transmissor.
Já no sentido inverso, do usuário para a estação base
(uplink), existem múltiplos assinantes competindo pelo
acesso, resultando num protocolo mais complexo.

QoS no Wimax
A camada MAC do WiMAX possui uma arquitetura
orientada a conexão desenvolvida para suportar uma
variedade de aplicações, incluindo serviços de voz e
multimídia.
Fornecimento de QoS nas redes WiMAX está associado à
transferência de quadros da subcamada MAC, usando o
conceito de fluxo de serviço.

QoS no Wimax
Identificador de fluxo de serviço (SFID - Service Flow
IDentifier), fluxo unidirecional de quadros, caracterizado
por um conjunto de parâmetros de QoS tais como: latência,
retardo e garantias de vazão.
É possível escalonar os fluxos de serviço na rede WiMAX.
Um fluxo de serviço, está associado a uma única conexão.
Uma conexão é identificada com identificador de conexão
(CID - Connection IDentifier).

QoS no Wimax
Cinco designações para fluxo de serviço, devem ser
suportados pela Base Station (BS) para o transporte de
dados sobre a conexão:
Fonte: http://www.sohand.icmc.usp.br/~rigolin/downloads/sbrc2008/minicursos/MC02.pdf

Topologia
Na topologia de rede são definidos os seguintes elementos:
A BS (Base Station) são equipamentos que controlam e
gerenciam as conexões WiMAX. tendo suporte a IP, ATM
Ethernet ou E1/T1.
A SS (Subscriber Station) permite o usuário acessar a rede,
por intermédio do estabelecimento com enlace a BS. Todos
os SS no mesmo sector e no mesmo canal de freqüência
recebem a mesma informação. Identificado por um endereço
MAC único 48bits.

Topologia IEEE 802.16
Dois tipos ponto-multi-ponto(PMP) e Mesh:
Em PMP, stação base tem a função de coordenar e
retransmitir todo o tráfego entre as estações assinantes da
rede,
Toda SS tem a obrigatoriedade de comunicar-se com a BS
para transmitir qualquer tipo de dado para outra SS.

Topologia IEEE 802.16
No Mesh cada SS pode comunicar-se diretamente com as
SS vizinhas sem qualquer coordenação com a BS, Mesh
típicas, têm-se ainda alguns nós que farão o papel de BS,
conectando a rede Mesh ao link de backhaul (Internet,
telecomunicações, etc.)
O padrão exige que um equipamento operando no modo
Mesh suporte, necessariamente, o padrão de operação PMP.

Arquitetura do protocolo
Figura 2: Arquitetura da rede WiMax.
Fonte: Figueiredo, 2010.

Segurança
O padrão IEEE 802.16 especifica uma subcamada de
segurança inserida na camada MAC (Medium Access
Control), definindo:
Mecanismos de autenticação;
Protocolos;
Certificados do tipo X.509.;
Criptografia DES e AES.

Segurança
Um dos Mecanismos é o de associações de segurança (SA
–Security Associations)
São informações de controle compartilhadas entre uma BS
e uma ou mais SS
Protege as conexões de transporte
Dois tipos de SAs são utilizados no IEEE 802.16-2004:
Associações de segurança de dados;
Associações de segurança de autorização;

Associações de Segurança de Dados
São uma seqüência de informações trocadas com a finalidade de
prover confidencialidade dos dados, como:
(i) identificador de 16 bits (SAID – Security Association
Identifier) o qual torna a chave única;
(ii) duas chaves de criptografia de tráfego (TEK – Traffic
encryption keys), uma constitui-se a chave em operação e outra é
empregada quando essa primeira expira-se;
(iii) um vetor de inicialização de 64 bits para cada uma das duas
TEK;
(iv) um indicador para o tipo de associação de dado definida
(primária, estática ou dinâmica).

Associações de Seg. de Autorização
Tem o objetivo de promover a autenticação dos
dispositivos aumentando a segurança dos usuários da rede.
As principais informações são:
(i) um certificado X.509 identificando a estação assinante;
(ii) uma chave de autorização (AK - Authorization Key) de
160 bits, compartilhada entre a BS e a SS. O uso dessa
chave resulta na autorização para conexões de transporte;
(iii) uma chave de criptografia (KEK - Key Encryption
Key) para distribuir as TEKs;

Associações de Seg. de Autorização
(iv) duas chaves de downlink e outras de uplink HMAC
(Keyed-hash Message Authentication Code), fornecem
autenticidade dos dados das chaves de distribuição das
mensagens entre as BS e SS;
(v) uma lista de SA de dados.

Autorização e protocolo PKM
(Privacy and Key Management)
Executado quando um cliente deseja associar-se a
estação base.
Possibilita a BS identificar formalmente uma SS.
Promove transferência segura dos dados entre SSs e
BS.
Três mensagens padrões são trocadas pelas estações:
Duas enviadas pelo usuário;
E a última é a resposta da estação base.

Criptografia
O algoritmo AES (Advanced Encryption Standard) é
utilizado para criptografar as TEK.
As certificações X.509 utilizam a criptografia RSA,
assim como
Entrega da chave de autorização (AK);
E a chave de criptografia de chaves (KEK)
A criptografia HMAC é empregada no protocolo de
gerência de chaves e privacidade (PKM) para codificar a
chave de autorização, SAID e as TEKs e na associação de
segurança de autorização.

Processo de Autenticação e Troca de
Chaves
Figura 3: Processo de Autenticação e Troca de Chaves [4].
1° SS envia uma mensagem (AuthenticationInfMess)
contendo seu Certificado de fabricante.
Para que a BS verifique a confiabilidade do SS.

Processo de Autenticação e Troca de
Chaves
Figura 3: Processo de Autenticação e Troca de Chaves [4].
2° Logo após SS envia outra mensagem
(AuthorizationReqMess) contendo:
Requisição de AK (Authorization Key);
Certificado de cliente;
Uma lista de possíveis algoritmos de criptografia;

Processo de Autenticação e Troca de
Chaves
Figura 3: Processo de Autenticação e Troca de Chaves [4].
3° BS cria e envia a (AuthorizationRepMess)
contendo:
AK (criptografada com a chave publica do SS);
Seqüência de números com 4 bits (identifica AK);
Tempo de vida de AK;

Processo de Autenticação e Troca de
4° SS calcula:
Chaves
Figura 3: Processo de Autenticação e Troca de Chaves [4].
KEK (Chave criptografia de chaves);
Message Authentication keys (HMAC_Key) do AK.
5° Após autenticado Inicia a troca de TEKs para
criptografar os dados

AMEAÇAS E VULNERABILIDADES
Ataques de tortura de água - “water torture”: neste tipo,
o invasor envia uma série de quadros a qualquer estação da
rede a fim de descarregar bateria do dispositivo da vítima;
Ataque Jamming- ruídos são introduzidos ao canal para
congestionar o sinal legítimo da BS, impossibilitando ou
diminuindo a taxa de transmissão do canal.
O scrambling- um refinamento da técnica de jamming,
específico para pequenos intervalos de tempo e particular
para alguns frames. Esse tipo de ataque, embaralha
informações de controle ou gerência do canal e afeta a
continualidade dos serviços habituais da rede.

AMEAÇAS E VULNERABILIDADES
Roubo de identidade- consiste em reprogramar o
dispositivo do atacante com o endereço de hardware da
vítima.
Ataques de falsas estações base- acontecem quando um
usuário imita o comportamento de uma BS, ludibriando um
conjunto de estações assinantes.

Segurança no IEEE 802.16e
O padrão IEEE 802.16e traz novos requisitos de segurança,
com o propósito de minimizar os efeitos das
vulnerabilidades presentes no padrão IEEE 802.16-2004. As
principais mudanças quanto a segurança são:
(i) a utilização do padrão de criptografia AES (Advanced
Encryption Standard);
(ii) a introdução de padrões de autenticação mais robustos,
com autenticação mútua e a flexibilização da autenticação
para mecanismos baseados nos métodos do protocolo EAP
(Extensible Authentication Protocol);
(iii) uma segunda versão do protocolo PKM (PKMv2).

Segurança no IEEE 802.16e
A primeira mudança pretende sanar as vulnerabilidades
existentes pelo uso do DES (56 bits),
Sendo aumentada a robustez criptográfica com a
utilização o padrão AES (128 bits).
Porém este algoritmo criptográfico produz sobrecargas
computacionais, muitas vezes inadequadas aos
dispositivos móveis de baixo poder computacional.

Segurança no IEEE 802.16e
A segunda mudança tem o objetivo de suprir a ausência de
autenticação mútua entre as SS e BS;
Empregando a utilização de chaves públicas previstas no
certificados X.509, por ambas as partes;
Mas outros métodos de autenticação podem ser utilizados,
desde que se baseim em EAP;
Essa flexibilização visa não obrigar a utilização de
certificado digital, proporcionando um menor custo
financeiro, além de um melhor desempenho dos mecanismos
de handover.

Segurança no IEEE 802.16e
A segunda mudança tem o objetivo de suprir a ausência de
autenticação mútua entre as SS e BS;
Empregando a utilização de chaves públicas previstas no
certificados X.509, por ambas as partes;
Mas outros métodos de autenticação podem ser utilizados,
desde que se baseim em EAP;
Essa flexibilização visa não obrigar a utilização de
certificado digital, proporcionando um menor custo
financeiro, além de um melhor desempenho dos mecanismos
de handover.

Segurança no IEEE 802.16e
A implementação e o modo de operação do EAP não são
especificados no escopo do padrão IEEE 802.16e;
Dessa maneira dando margem para a implementação de
métodos vulneráveis a ataques;
Figura 4: Arquitetura da nova subcamada de segurança. O bloco “EAP/ método
EAP” encontra-se no escopo das recomendações e não nas especificações. [3].

Segurança no IEEE 802.16e
A terceira mudança inclui a segunda versão do protocolo
PKM (PKMv2);
Nessa nova versão, dois mecanismos de autenticação são
suportados: o RSA e o EAP;
Na primeira versão (PKMv1), a derivação das chaves de
autorização era apenas da BS;
No PKMv2, há a contribuição de ambas as partes, tanto da
BS como da SS, sendo que o 802.16e inclui autenticação
mútua;

Segurança no IEEE 802.16e
Da mesma forma que PKMv1, a SS envia o pedido de
autorização para a BS alvo, requerendo a AK;
Logo após enviar a mensagem de informação de
autenticação, sendo essa última a mesma descrita no
PKMv1;
Figura 5: Autenticação mútua entre SS(Subscriber Station) e BS(Base Station). [3].

Segurança no IEEE 802.16e
A mensagem de pedido de autorização do PKMv2
oriunda da SS adiciona um número randômico (nonces)
de 64-bits (RNs) na mensagem de requisição de
autorização;
Esse RNs é retornado na mensagem de resposta de
autorização da BS para a SS no processo de autenticação
de segurança;
Figura 5: Autenticação mútua entre SS(Subscriber Station) e BS(Base Station). [3].

Segurança no IEEE 802.16e
Nessa nova versão, dois mecanismos de autenticação são
suportados: o RSA e o EAP;
Na primeira versão (PKMv1), a derivação das chaves de
autorização era apenas da BS;
No PKMv2, há a contribuição de ambas as partes, tanto
da BS como da SS, sendo que o 802.16e inclui
autenticação mútua;
Figura 5: Autenticação mútua entre SS(Subscriber Station) e BS(Base Station). [3].

Segurança no IEEE 802.16e
O PKMv2 também adiciona outros números randômicos,
representados na figura 5 por RNb;
O certificado X.509 da BS e a assinatura da BS na
mensagem de resposta de autorização;
Figura 5: Autenticação mútua entre SS(Subscriber Station) e BS(Base Station). [3].

Segurança no IEEE 802.16e
Os números randômicos RNs e RNb são incluídos na
troca, e tanto a SS como a BS, podem checar a replicação
dos números;
Garantindo o tempo de atualização das mensagens, e
assim prevenindo contra ataques de repetição;
Figura 5: Autenticação mútua entre SS(Subscriber Station) e BS(Base Station). [3].

Segurança no IEEE 802.16e
O IEEE 802.16e adicionou segurança aos serviços de
transmissão em multicast e broadcast;
Sendo importante, pois nessas formas de transmissão
uma BS transmite simultaneamente dados para diversas
estações;
Para prover segurança nessa comunicação, foi
introduzida uma chave de criptografia de tráfego de
grupo comum;
(GTEK - Common Group Traffic Encryption Key)
encarregada de codificar e decodificar os dados.
Essa chave é conhecida por todo o grupo de comunicação
e atualizada periodicamente.

Segurança no IEEE 802.16e
Mesmo provendo as chaves de criptografia;
Existe a vulnerabilidade de que membros podem forjar
mensagens;
Ou distribuir o próprio tráfego de dados e chaves para
usuários não participantes do grupo,
Permitindo a esses não participantes a controlarem o
tráfego de dados para o qual não estavam habilitados.
Abre a vulnerabilidade de que cada membro do grupo,
depois de receber e decodificar a mensagem;
Pode também criptografar e autenticar uma mensagem
diferente da original e enviar como uma “real” BS;

Segurança no IEEE 802.16e
Mesmo coma as melhorias introduzidas no padrão IEEE
802.16e;
Ainda é importante a utilização de sistemas de
seguranças adicionais;
Pois algumas vulnerabilidades ainda persistem,
principalmente as de métodos EAP inseguros na
autenticação dos usuários e mensagens;
Além de que algumas técnicas desse padrão, baseadas em
robustez criptográfica são de difícil empregabilidade;
Em função da baixa capacidade computacional de alguns
tipos de dispositivos móveis.

Vantagens
O Wimax suporta uma área de cobertura grande se
comparado a outras tecnologias.
Permite transportar IP, Ethernet, ATM.
Possibilita altas taxas de transmissão de dados.
Possui a capacidade de superar obstáculos sem a
perturbação do trafego trocado entre os pontos.

Desvantagens
Em alguns países a tecnologia foi inviabilizada por utilizar
a mesma frequência de serviços já existentes
A tecnologia ainda se encontra num período de
maturação a ser atingido
O Custo da implementação é alto.
Utilizando frequências mais altas existem limitações
quanto a interferências pela chuva, causando diminuição
de taxas transferências.

Futuro Wimax
O novo padrão, conhecido como WirelessMAN-Advanced
ou WiMAX 2, oferecerá velocidades de download de mais
de 300 Mbps.
Durante a CEATAC, em outubro de 2010 no Japão, a
Samsung demonstrou uma versão provisória da WiMAX 2
e alcançou velocidade de 330 Mbps.
A nova WiMAX foi aprovada na última década, bem antes
da LTE, e, no ano passado, foi reconhecida como uma
rede 4G pela ITU, Porém, a LTE é mais usada pela
indústria, inclusive pela Clearwire, maior fornecedora de
rede WiMAX do mundo.

Referências
[1] Fundamentos da tecnologia WiMAX, Disponível em www.cpqd.com.br;
[2] Padrão WiMAX, http://dc270.4shared.com/doc/l2felPae/preview.html;
[3] Redes WiMAX: “Arquitetura, Protocolos, Segurança e QoS”, Flávia C.
Delicato , Luci Pirmez, Jaime Cesar Jr, Nilson Vianna, Aline Macedo de
Souza e Ana Liz S. Oliveira;
[4] Segurança em WiMAX, Gabriel Perazzo,
http://www.teleco.com.br/pdfs/tutorialsegwimax.pdf
[5] Security challenges in WiMAX technologies, SUMION, URSULEANU,
GRAUR, POTORAC http://www.usv.ro/prodoct/database/2010/21/publicate/02.pdf
[6] WIMAX, 802.16 Worldwide Interoperability for Microwave Access,
Nuno Ribau, Bruno Loureiro, Carlos Cardoso; Disponível em:
http://www.netstudio.com.pt/BrunoLoureiro/pdfs/papper_wimax.pdf
[7] WiMAX Security Architecture – Analysis and Assessment, Evren Eren,
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4488507