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JP4981802B2 - Data encryption in communication networks - Google Patents
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Description

本発明はネットワークプロトコルに関する。より詳細には、本発明は通信ネットワークにおけるデータの暗号化に関する。   The present invention relates to network protocols. More particularly, the present invention relates to data encryption in communication networks.

通信ネットワークにおいては、鍵と呼ばれる秘密情報なしでネットワークノードまたは盗聴者が容易に情報を決定することが可能でないように、暗号化を用いて情報の不明瞭化が行われている。暗号は、暗号化を実行するためのアルゴリズムである。次期米国標準暗号(AES)などのブロック暗号は、「平文ブロック」と呼ばれる固定長ブロックのデータを暗号鍵で暗号化し、暗号化された「暗号文ブロック」を生成する、対称鍵暗号である。暗号鍵を用いて暗号文ブロックを解読し、平文ブロックを再現することが可能である。   In a communication network, information is obscured using encryption so that a network node or an eavesdropper cannot easily determine information without secret information called a key. The cipher is an algorithm for performing encryption. A block cipher such as the next American Standard Encryption (AES) is a symmetric key cipher that encrypts data of a fixed-length block called “plaintext block” with an encryption key and generates an encrypted “ciphertext block”. It is possible to decrypt the ciphertext block using the encryption key and reproduce the plaintext block.

暗号化されるデータストリームがブロックサイズより長いとき、ブロック暗号ではデータストリームを暗号化するために「動作モード」が用いられる。電子コードブック(ECB)モードと呼ばれる1つの動作モードでは、ストリームは複数のブロックへ分割され、各平文ブロックは暗号鍵を用いて個別に暗号化される。ECBモードでは、ストリームの異なる部分における同一の平文ブロックは同じ暗号文ブロックに対しマッピングされるので、元のデータストリームの一部のパターンが不明瞭化されない場合がある。   When the data stream to be encrypted is longer than the block size, the block cipher uses an “operation mode” to encrypt the data stream. In one mode of operation called electronic codebook (ECB) mode, the stream is divided into a plurality of blocks, and each plaintext block is individually encrypted using an encryption key. In ECB mode, the same plaintext block in different parts of the stream is mapped to the same ciphertext block, so some patterns of the original data stream may not be obscured.

暗号ブロック連鎖(CBC)モードと呼ばれる別の動作モードでは、ストリームは複数のブロックへ分割され、各平文ブロックは暗号化される前に先の暗号文ブロックに基づき(排他的論理和演算を用いて)処理される。CBCモードでは、各暗号文ブロックはすべての先の暗号文ブロックに依存しており、これによって元のデータストリームのパターンの不明瞭化が補助される。   In another mode of operation called cipher block chaining (CBC) mode, the stream is divided into blocks, and each plaintext block is based on the previous ciphertext block (using an exclusive OR operation) before being encrypted. )It is processed. In the CBC mode, each ciphertext block depends on all previous ciphertext blocks, which helps obfuscate the pattern of the original data stream.

第1の暗号文ブロックは、先の暗号文ブロックを有しないので、「初期化ベクトル」に基づき処理される。CBCモードブロック暗号または他の種類の暗号において用いられる初期化ベクトルによっても、ある形態の無作為化が提供される。異なるデータストリームに対し異なる初期化ベクトルを用いることによって、暗号化されたストリームからの元のデータストリームまたは暗号鍵についての情報を取得することは、より困難となる。初期化ベクトルは対応する暗号化ストリームを解読するために(暗号鍵と共に)用いられ、(暗号鍵と異なり)セキュリティを損なうことなく、対応する暗号化ストリームと共にネットワークを通じて送信可能である。   Since the first ciphertext block does not have the previous ciphertext block, it is processed based on the “initialization vector”. An initialization vector used in CBC mode block ciphers or other types of ciphers also provides some form of randomization. By using different initialization vectors for different data streams, it becomes more difficult to obtain information about the original data stream or encryption key from the encrypted stream. The initialization vector is used (with the encryption key) to decrypt the corresponding encrypted stream, and (unlike the encryption key) can be transmitted over the network with the corresponding encrypted stream without compromising security.

一態様では、一般に、本発明はネットワークにおける通信方法を特徴とする。この方法は、上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化し、ストリームを生成する工程と、ストリームを複数のセグメントに分割する工程と、少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化する工程と、暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含むことと、少なくとも幾つかの暗号化されたブロックは暗号化されたセグメント内の他の1つ以上の暗号化されたブロックに基づき暗号化されることと、ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に下位データユニットを供給する工程と、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含むことと、を含む。   In one aspect, in general, the invention features a communication method in a network. The method encapsulates content of a plurality of upper data units from an upper layer to generate a stream, a step of dividing the stream into a plurality of segments, and a step of individually encrypting at least some segments. The encrypted segment includes a plurality of encrypted blocks, and at least some of the encrypted blocks are encrypted based on one or more other encrypted blocks in the encrypted segment. And providing a lower data unit to a physical layer handling physical communication over a network, and at least some of the lower data units each include a plurality of encrypted segments.

本発明のこの態様の実施形態は、次の特徴のうちの1つ以上を含んでよい。
各セグメントは複数のデータブロックに分割され、各暗号化されたセグメントはオーバ
ヘッド情報に関連しており、各下位データユニットは関連するオーバヘッド情報であり、第1の下位データユニット内の第1の暗号化されたセグメント内の第1の暗号化されたブロックは、暗号鍵と、第1の暗号化されたセグメント内の第2の暗号化されたブロック、または、少なくとも部分的には第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の一部および第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部のうちの1つ以上から導出される初期化ベクトルのいずれかとを用いて、第1のデータブロックから形成される。
Embodiments of this aspect of the invention may include one or more of the following features.
Each segment is divided into a plurality of data blocks, each encrypted segment is associated with overhead information, each subordinate data unit is associated overhead information, and the first cipher in the first subordinate data unit The first encrypted block in the encrypted segment includes an encryption key and a second encrypted block in the first encrypted segment, or at least partially in the first cipher Using an initialization vector derived from one or more of the portion of overhead information associated with the segmented segment and the portion of overhead information associated with the first subordinate data unit, Formed from data blocks.

初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、下位データユニットを受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連したオーバヘッド情報から導出される。
下位データユニットを供給する工程は一連の物理層ブロックを形成する工程を含み、各物理層ブロックは暗号化されたセグメントおよび同暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報を含む。
The initialization vector is derived, at least in part, from overhead information associated with at least some functions other than encryption for receiving subordinate data units.
Providing the lower data units includes forming a series of physical layer blocks, each physical layer block including an encrypted segment and overhead information associated with the encrypted segment.

暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報は、ヘッダおよび完全性検査シーケンスのうちの1つ以上を含む。
完全性検査シーケンスは、ヘッダおよび暗号化されたセグメントに基づき算出される巡回冗長検査符号を含む。
The overhead information associated with the encrypted segment includes one or more of a header and an integrity check sequence.
The integrity check sequence includes a cyclic redundancy check code that is calculated based on the header and the encrypted segment.

初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分と、第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分との両方から導出される。   The initialization vector is derived at least in part from both the portion of overhead information associated with the first encrypted segment and the portion of overhead information associated with the first subordinate data unit.

この方法は、さらに、異なる下位データユニットに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む。   The method further includes selecting a portion of overhead information associated with the first subordinate data unit based on which portion of the overhead information may be different for different subordinate data units.

下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分は、発信元の識別子および宛先の識別子のうちの1つ以上の少なくとも一部を含む。
この方法は、さらに、異なるセグメントに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む。
The portion of overhead information associated with the subordinate data unit includes at least a portion of one or more of a source identifier and a destination identifier.
The method further includes selecting a portion of overhead information associated with the first encrypted segment based on which portion of the overhead information may be different for different segments.

第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分は、第1の暗号化されたセグメントに関連したシーケンス番号と、下位データユニット内の第1の暗号化されたセグメントの位置を識別する情報と、第1の暗号化されたセグメントが生成されたセグメント内の上位データユニット間の境界の位置を識別する情報と、のうちの1つ以上の少なくとも一部を含む。   The portion of overhead information associated with the first encrypted segment identifies the sequence number associated with the first encrypted segment and the location of the first encrypted segment within the subordinate data unit. And at least a portion of one or more of the information and information identifying a location of a boundary between higher data units in the segment from which the first encrypted segment was generated.

各暗号化されたセグメントは独立に再送信可能である。
少なくとも一部のセグメントは前方誤り訂正を用いて符号化される。
この方法は、さらに、新たな初期化ベクトルを用いてセグメントを再暗号化する工程を含む、受信に成功していないセグメントを再送信する工程を含む。
Each encrypted segment can be retransmitted independently.
At least some segments are encoded using forward error correction.
The method further includes retransmitting a segment that has not been successfully received, including re-encrypting the segment with the new initialization vector.

この方法は、さらに、少なくとも幾つかのセグメントに関連したパディングを削減するようにセグメントの長さを選択する工程を含む。
選択される長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの倍数である。
The method further includes selecting a segment length to reduce padding associated with at least some of the segments.
The length selected is a multiple of the cipher block size used for cipher block chain mode encryption of the segment.

初期化ベクトルの長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗
号ブロックサイズの長さと同じである。
上位層は媒体アクセス制御層を含む。
The length of the initialization vector is the same as the length of the encryption block size used for the encryption block chain mode encryption of the segment.
The upper layer includes a medium access control layer.

別の態様では、一般に、本発明はネットワークを通じて情報を送信するための装置を特徴とする。この装置は、通信媒体へ信号を接続するように構成された回路と、回路へ接続されたネットワークインタフェースモジュールと、を備える。ネットワークインタフェースモジュールは、上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化してストリームを生成し、ストリームを複数のセグメントに分割し、少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化し、ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に下位データユニットを供給するように構成された回路を含む。暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、少なくとも幾つかの暗号化されたブロックは暗号化されたセグメント内の他の1つ以上の暗号化されたブロックに基づき暗号化され、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む。   In another aspect, in general, the invention features an apparatus for transmitting information over a network. The apparatus comprises a circuit configured to connect a signal to a communication medium and a network interface module connected to the circuit. The network interface module generates a stream by encapsulating the contents of a plurality of upper data units from an upper layer, divides the stream into a plurality of segments, individually encrypts at least some segments, and physically transmits them through the network. Includes circuitry configured to provide lower data units to a physical layer handling communications. The encrypted segment includes a plurality of encrypted blocks, at least some of the encrypted blocks are encrypted based on one or more other encrypted blocks in the encrypted segment; At least some of the subordinate data units each include a plurality of encrypted segments.

本発明の多く利点(その一部は本発明の様々な態様および実施形態のうちの一部においてのみ達成され得る)は、とりわけ、以下である。
セグメントの暗号化および解読のための初期化ベクトルを、少なくとも部分的には、セグメントにまたはセグメントを含む下位データユニットに関連したオーバヘッド情報から導出することによって、より高い通信効率(例えばペイロード対オーバヘッド比に関して)を達成可能である。オーバヘッド情報が下位データユニットを受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連している場合、初期化ベクトルによる追加のオーバヘッドは付加されない。
The many advantages of the present invention, some of which can be achieved only in some of the various aspects and embodiments of the present invention, are as follows:
Higher communication efficiency (eg, payload to overhead ratio) by deriving initialization vectors for segment encryption and decryption, at least in part, from overhead information associated with the segment or subordinate data units containing the segment Can be achieved). If the overhead information is related to at least some functions other than encryption for receiving the subordinate data unit, no additional overhead due to the initialization vector is added.

受信局が下位データユニットに対するオーバヘッド情報を受信した後、所与の暗号化されたセグメントに対する初期化ベクトルを導出するために必要な他の情報は、そのセグメントに関連したオーバヘッド情報のみである。各セグメントに対して独立なオーバヘッド情報からIVを導出することを含め、セグメントを独立に暗号化することによって、次いで、セグメントにおいて訂正不可能な誤りが検出されるとき、セグメントを復号するために再送信する必要があるのは、そのセグメントを含む下位データユニットの部分のみである。   After the receiving station receives overhead information for the subordinate data unit, the only other information necessary to derive the initialization vector for a given encrypted segment is the overhead information associated with that segment. By encrypting the segments independently, including deriving IV from the overhead information independent for each segment, then when an uncorrectable error is detected in the segment, it is re-encoded to decrypt the segment. All that needs to be transmitted is the portion of the subordinate data unit that contains the segment.

図1に示すように、ネットワーク構成2は、幾つかの通信局6〜10(例えば、計算装置または視聴覚装置)が互いに通信を行うための通信媒体3を備える。通信媒体3は、例えば、同軸ケーブル、光ファイバ、無シールドツイストペアケーブルまたは送電線など、1つ以上の種類の物理的な通信媒体を含むことが可能である。また、ネットワーク構成2は、ブリッジまたはリピータなどの装置を備えることも可能である。通信媒体3は、様々なネットワークトポロジー(例えば、バス、ツリー、スター、メッシュなど)のうちの任意のものにしたがって、ネットワーク構成2において通信局を接続することが可能である。   As shown in FIG. 1, the network configuration 2 includes a communication medium 3 through which several communication stations 6 to 10 (for example, a computing device or an audiovisual device) communicate with each other. The communication medium 3 can include one or more types of physical communication media, such as, for example, coaxial cables, optical fibers, unshielded twisted pair cables, or power transmission lines. The network configuration 2 can also include a device such as a bridge or a repeater. Communication medium 3 can connect communication stations in network configuration 2 according to any of a variety of network topologies (eg, bus, tree, star, mesh, etc.).

通信局は、所定のネットワークアーキテクチャにしたがって、互いに通信を行う。ネットワークアーキテクチャの複数の層を形成する抽象オブジェクトは、通信プロトコルと呼ばれることがある。通信プロトコルによって、通信サービスには、情報を送受信するために用いられるより上位のオブジェクト(アプリケーション処理、すなわち、より上位の層など)が提供される。例えば、一部のネットワークアーキテクチャでは、最下層は物理(PHY)層および媒体アクセス制御(MAC)層の通信プロトコルを含む。PHY層は、データと通信媒体3を通じて送信される信号波形との間の変換を行う。MAC層はデータリンク層の副層であり、例えば、開放型システム間相互接続(OSI)ネットワークアーキテクチャ標準にしたがって、PHY層に対するインタフェースを提供する。   The communication stations communicate with each other according to a predetermined network architecture. Abstract objects that form multiple layers of a network architecture are sometimes referred to as communication protocols. The communication protocol provides the communication service with higher objects (application processing, ie higher layers, etc.) that are used to send and receive information. For example, in some network architectures, the lowest layer includes physical (PHY) layer and medium access control (MAC) layer communication protocols. The PHY layer performs conversion between data and a signal waveform transmitted through the communication medium 3. The MAC layer is a sublayer of the data link layer and provides an interface to the PHY layer, for example, according to the Open Systems Interconnection (OSI) network architecture standard.

通信局6〜10は、それぞれの局に対しハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより通信プロトコルを実装する、それぞれのネットワークインタフェースモジュール12〜16を備える。これらの局は、用いられる特定の通信プロトコルが異なることもあるが、それらのプロトコルが互換性を有する場合、依然として互いに通信することが可能である。送信局の通信プロトコルは、受信局のピア通信プロトコルへデータユニットの形態でデータを送信する。各々の局にて、データユニットは通信プロトコルの複数の層(すなわち、「プロトコルスタック」)の間を上下に渡される。通信プロトコルは、より上位の層のプロトコルからサービスデータユニット(SDU)を受信し、プロトコル制御情報(PCI)を用いて(例えば、ヘッダとして)SDUをカプセル化し、より下位の層へSDUとして提供されるプロトコルデータユニット(PDU)を形成する。したがって、各下位層は上位層にサービスを提供し、カプセル化されたSDUがピアプロトコルへ配信されることを保証する。   The communication stations 6 to 10 include respective network interface modules 12 to 16 that implement a communication protocol by hardware, software, or a combination of hardware and software for each station. These stations may use different specific communication protocols, but can still communicate with each other if the protocols are compatible. The communication protocol of the transmitting station transmits data in the form of data units to the peer communication protocol of the receiving station. At each station, data units are passed up and down between multiple layers of communication protocols (ie, a “protocol stack”). The communication protocol receives a service data unit (SDU) from a higher layer protocol, encapsulates the SDU (eg, as a header) using protocol control information (PCI), and is provided as an SDU to the lower layer Forming a protocol data unit (PDU). Thus, each lower layer provides services to the upper layer to ensure that the encapsulated SDU is delivered to the peer protocol.

例えば、送信局のMAC層プロトコルは受信局のMAC層プロトコルへMACプロトコルデータユニット(MPDU)を送信する。MPDUは、アプリケーション層ペイロードに加え、PCIや、MAC層および上位層のSDUに関連した他のオーバヘッド情報(例えば、ヘッダの情報または末尾の巡回冗長検査(CRC)符号)を含む。MAC層は、通信媒体3を通じて輸送されるPHYサービスデータユニット(PSDU)として、MPDUをPHY層へ提供する。PHYプロトコルデータユニット(PPDU)は、通信媒体3を通じて送信されるPSDUを表現する変調された信号波形を表す。   For example, the transmitting station's MAC layer protocol transmits a MAC protocol data unit (MPDU) to the receiving station's MAC layer protocol. The MPDU includes, in addition to the application layer payload, PCI and other overhead information related to the MAC layer and higher layer SDUs (eg, header information or tail cyclic redundancy check (CRC) code). The MAC layer provides the MPDU to the PHY layer as a PHY service data unit (PSDU) transported through the communication medium 3. The PHY protocol data unit (PPDU) represents a modulated signal waveform that represents the PSDU transmitted over the communication medium 3.

図2には、ネットワーク構成2によって使用可能な参照ネットワークアーキテクチャ50の一部における代表的なシステムインタフェースと、それに関連したデータユニットとを示す。この部分は各局にて実装されてよい。ネットワークアーキテクチャの3つの層、すなわち、ブリッジ/PAL 52、MAC 54、物理層(PHY)56の1つ以上の層を含むプロトコル適応層(PAL)を示す。ブリッジ/PAL 52、MAC 54、物理層(PHY)56は、それぞれM1インタフェース62、PSインタフェース64によって分離されている。 FIG. 2 shows an exemplary system interface and associated data units in a portion of the reference network architecture 50 that can be used by network configuration 2. This part may be implemented at each station. FIG. 2 illustrates a protocol adaptation layer (PAL) that includes one or more layers of a network architecture, namely, bridge / PAL i 52, MAC 54, and physical layer (PHY) 56. The bridge / PAL i 52, the MAC 54, and the physical layer (PHY) 56 are separated by an M1 interface 62 and a PS interface 64, respectively.

上位のインタフェースH1 58は、第i番目のホストインタフェースを表す。各プロトコルについて1つのインタフェースがサポートされている。H1インタフェース58は、ネットワークアーキテクチャ50の上位層に対する第i番目のホストプロトコルデータユニット(HPDU)68および第i番目のプロトコル適応層サービスデータユニット(PAL SDU)69の境界の点を定義する。 The upper interface H1 i 58 represents the i-th host interface. One interface is supported for each protocol. The H1 i interface 58 defines the boundary points of the i th host protocol data unit (H i PDU) 68 and the i th protocol adaptation layer service data unit (PAL i SDU) 69 for the upper layers of the network architecture 50. To do.

サポートされる各プロトコルについて、対応するブリッジ/PAL 52は、部分的にはホストソフトウェアにより、また部分的にはファームウェア、ハードウェアまたはその両方により、実装されてよい。アーキテクチャ50の例はIEEE 802.3および等時性ストリームプロトコルをサポートするとともに、インタフェース60を通じて他のネットワークの専用のプロトコルに対するアクセスを提供する。ブリッジ/PAL 52は、上位層適応(HLA)機能、ブリッジ機能またはその両方をサポートする。HLAおよびブリッジ動作の両方は、PALプロトコルデータユニット(PALPDU)70を含むホストデータパケットのMACサービスデータユニット(MSDU)71への翻訳と、反対にMACサービスデータユニット(MSDU)71のPALプロトコルデータユニット(PALPDU)70を含むホストデータパケットへの翻訳とをサポートし、また、H1インタフェース58から対応するネットワークインタフェース12〜16のアドレス(例えば、MACアドレス)へのホストアドレスの翻訳をサポートする。また、HLAおよびブリッジ動作は、MAC層に調和したストリームの確立に加え、トラフィッククラスおよびQoSパラメータの決定もサポートする。 For each supported protocol, the corresponding bridge / PAL i 52 may be implemented in part by host software and in part by firmware, hardware or both. The example architecture 50 supports IEEE 802.3 and isochronous stream protocols and provides access to dedicated protocols for other networks through the interface 60. Bridge / PAL i 52 supports higher layer adaptation (HLA) functions, bridge functions, or both. Both HLA and bridging operations involve translation of host data packets containing PAL protocol data units (PAL i PDUs) 70 into MAC service data units (MSDUs) 71, and conversely, PAL protocols in MAC service data units (MSDUs) 71. Supports translation into host data packets including data units (PAL i PDUs) 70, and translation of host addresses from the H1 interface 58 to corresponding network interface 12-16 addresses (eg, MAC addresses) To do. HLA and bridging operations also support the determination of traffic class and QoS parameters in addition to the establishment of a stream harmonized with the MAC layer.

M1インタフェース62は、すべてのプロトコル適応層に対し共通であり、所与のブリッジ/PAL 52とMAC層54との間の境界を定義する。PALプロトコルデータユニット(PALPDUs)70はMACサービスデータユニット(MSDU)71としてブリッジ/PAL 52からMAC層54へと下に渡され、反対にMAC層54からブリッジ/PAL 52へと上に渡される。 The M1 interface 62 is common to all protocol adaptation layers and defines the boundary between a given bridge / PAL i 52 and the MAC layer 54. PAL protocol data units (PAL i PDUs) 70 are passed down as MAC service data unit (MSDU) 71 from bridge / PAL i 52 to MAC layer 54, and vice versa from MAC layer 54 to bridge / PAL i 52 Passed to.

媒体アクセス制御(MAC)層54はブリッジ/PAL 52からのMACサービスデータユニット(MSDU)71を処理し、PHYサービスデータユニット(PSDU)73として物理層56に配信するためのMACプロトコルデータユニット(MPDU)72を生成する。MAC層54の処理は、例えば、PAL 52に対するサービスインタフェース、ネットワーク管理、承認制御、暗号化、誤り制御(ARQ)、再送信、エスカレーション、フレーミング、分割・再組立て、パケットのカプセル化・脱カプセル化、チャネルアクセス(無競合バースト、管理セッション、CSMA/CAなど)、タイムスタンプ、マルチメディアクロックによる同期、および無競合セッションを含む。 The medium access control (MAC) layer 54 processes the MAC service data unit (MSDU) 71 from the bridge / PAL i 52 and delivers it to the physical layer 56 as a PHY service data unit (PSDU) 73 ( MPDU) 72 is generated. The processing of the MAC layer 54 includes, for example, service interface for PAL 52, network management, admission control, encryption, error control (ARQ), retransmission, escalation, framing, fragmentation / reassembly, packet encapsulation / decapsulation Channel access (contention free burst, management session, CSMA / CA, etc.), time stamp, multimedia clock synchronization, and contention free session.

物理層シグナリング(PS)インタフェース64はMAC層54およびPHY 56を分離しており、MACプロトコルデータユニット(MPDU)72は、PHYサービスデータユニット(PSDU)73として、PSインタフェース64を通じてMAC層54からPHY 56へ、また反対にPHY 56からMAC層54へ渡される。   The physical layer signaling (PS) interface 64 separates the MAC layer 54 and the PHY 56, and the MAC protocol data unit (MPDU) 72 is connected to the PHY from the MAC layer 54 through the PS interface 64 as a PHY service data unit (PSDU) 73. 56 and vice versa from PHY 56 to MAC layer 54.

物理層(PHY)56プロトコルは、PHYプロトコルデータユニット(PPDU)信号74を送信するために様々な動作を提供する。PHYプロトコルデータユニット(PPDU)信号74は、変調方式にしたがってPSDU 73データが変調されるシンボルを含む。例えば、送電線媒体など共有の通信媒体を通じた直交周波数分割多重(OFDM)変調方式では、PHY 56は、前方誤り訂正(FEC)符号化、暗号化、物理キャリア感知、フレーム制御復号、誤り検出、およびOFDM通信に用いられるキャリア周波数の「トーンマップ」のチャネル推定および選択に必要な情報を提供することが可能である。   The physical layer (PHY) 56 protocol provides various operations for transmitting a PHY protocol data unit (PPDU) signal 74. The PHY protocol data unit (PPDU) signal 74 includes symbols in which PSDU 73 data is modulated according to a modulation scheme. For example, in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation scheme over a shared communication medium such as a transmission line medium, PHY 56 is forward error correction (FEC) encoding, encryption, physical carrier sensing, frame control decoding, error detection, It is possible to provide information necessary for channel estimation and selection of a “tone map” of carrier frequencies used for OFDM communication.

データと通信媒体を通じて送信される信号波形との間の変換を行うネットワークインタフェースモジュールの部分を実装するために、様々な通信システムアーキテクチャのうちの任意のものを用いることが可能である。OFDM変調では、データはOFDM「シンボル」の形態で送信される。各シンボルは所定の持続時間、すなわち、シンボル時間Tを有する。各シンボルは、互いに直交でありOFDMキャリアを形成する、N個の正弦キャリア波形の重ね合せによって生成される。各キャリアは、ピーク周波数fと、シンボルの開始から測定される位相φとを有する。これらの互いに直交なキャリアの各々について、正弦波形の全周期数はシンボル時間T以内に収まっている。すなわち、各キャリア周波数は、周波数間隔Δf=1/Tの整数倍である。キャリア波形の位相φおよび振幅Aは、得られる変調された波形の直交性に影響を与えることなく、(適切な変調方式にしたがって)独立に選択可能である。キャリアは、OFDM帯域幅と呼ばれる周波数f〜fの周波数範囲を占有する。 Any of a variety of communication system architectures can be used to implement the portion of the network interface module that performs the conversion between data and signal waveforms transmitted over the communication medium. In OFDM modulation, data is transmitted in the form of OFDM “symbols”. Each symbol has a predetermined duration, ie symbol time T s . Each symbol is generated by a superposition of N sinusoidal carrier waveforms that are orthogonal to each other and form an OFDM carrier. Each carrier has a peak frequency f i and a phase φ i measured from the start of the symbol. For each of these mutually orthogonal carriers, the total number of periods of the sinusoidal waveform is within the symbol time T s . That is, each carrier frequency is an integer multiple of the frequency interval Δf = 1 / T s . The phase φ i and the amplitude A i of the carrier waveform can be selected independently (according to the appropriate modulation scheme) without affecting the orthogonality of the resulting modulated waveform. The carrier occupies a frequency range of frequencies f 1 to f N called OFDM bandwidth.

図3を参照すると、通信システム300は、通信媒体304を通じて受信機306へ信号(例えば、一連のOFDMシンボル)を送信するために送信機302を備える。送信機302および受信機306は、いずれも各局のネットワークインタフェースモジュールに組込可能である。通信媒体304は、送電線ネットワークを通じた1つの装置から別の装置への経路を表現し得る。   With reference to FIG. 3, communication system 300 includes a transmitter 302 for transmitting a signal (eg, a series of OFDM symbols) to a receiver 306 over a communication medium 304. Both the transmitter 302 and the receiver 306 can be incorporated into the network interface module of each station. Communication medium 304 may represent a path from one device to another through a transmission line network.

送信機302にて、PHY層を実装するモジュールは、MAC層からMPDUを受信する。MPDUは、スクランブル化、誤り訂正符号化、およびインタリーブ化などの処理を実行するために、符号器モジュール320へ送信される。   At transmitter 302, the module that implements the PHY layer receives the MPDU from the MAC layer. The MPDU is sent to the encoder module 320 to perform processes such as scrambling, error correction coding, and interleaving.

符号化されたデータはマッピングモジュール322へ供給される。マッピングモジュール322は、現在のシンボルに用いられるコンスタレーション(例えば、BPSK、QPSK、8−QAM、16−QAMコンスタレーション)に応じて一群のデータビット(例えば、1,2,3,4,6または10ビット)を取得し、それらのビットによって表現されるデータ値を現在のシンボルのキャリア波形の同相成分(I)および直角位相成分(Q)の対応する振幅にマッピングする。これによって、その実数部分がピーク周波数fのキャリアのI成分に対応し、その虚数部分がQ成分に対応する、対応する複素数C=Aexp(jφ)に関連した各データ値が生じる。これに代えて、変調されたキャリア波形にデータ値を関連付ける任意の適切な変調方式を用いることが可能である。 The encoded data is supplied to the mapping module 322. The mapping module 322 is a group of data bits (eg, 1, 2, 3, 4, 6 or the like) depending on the constellation used for the current symbol (eg, BPSK, QPSK, 8-QAM, 16-QAM constellation). 10 bits) and map the data values represented by those bits to the corresponding amplitudes of the in-phase component (I) and the quadrature component (Q) of the carrier waveform of the current symbol. Thus, each data value related to the corresponding complex number C i = A i exp (jφ i ) whose real part corresponds to the I component of the carrier of the peak frequency f i and whose imaginary part corresponds to the Q component is Arise. Alternatively, any suitable modulation scheme that associates data values with the modulated carrier waveform can be used.

また、マッピングモジュール322は、システム300が情報を送信するためにOFDM帯域幅内のキャリア周波数f,...,fのいずれを用いるかを決定する。例えば、フェージングを経験している一部のキャリアを回避することが可能であり、それらのキャリア上では情報が送信されない。あるいは、マッピングモジュール322は、そのキャリアについて、擬似ノイズ(PN)シーケンスからのバイナリ値を用いて変調されたコヒーレントBPSKを用いる。電力放射可能な媒体304上の制限された帯域(例えば、アマチュア無線帯域)に対応する一部のキャリア(例えば、キャリアi=10)については、それらのキャリア上ではエネルギーが送信されない(例えば、A10=0)。また、マッピングモジュール322は、「トーンマップ」にしたがって、キャリアの各々に対し用いられる変調の種類(すなわち、「トーン」)を決定する。トーンマップはデフォルトのトーンマップであってもよく、あるいは、受信局によって決定されるカスタマイズされたトーンマップであってもよい。 In addition, the mapping module 322 is configured to transmit carrier frequencies f 1 ,. . . , F N to be used. For example, some carriers experiencing fading can be avoided and no information is transmitted on those carriers. Alternatively, the mapping module 322 uses coherent BPSK modulated with binary values from a pseudo-noise (PN) sequence for that carrier. For some carriers (eg, carrier i = 10) corresponding to a limited band (eg, amateur radio band) on the power radiable medium 304, no energy is transmitted on those carriers (eg, A 10 = 0). The mapping module 322 also determines the type of modulation (ie, “tone”) used for each of the carriers according to the “tone map”. The tone map may be a default tone map or a customized tone map determined by the receiving station.

逆離散フーリエ変換(IDFT)モジュール324は、マッピングモジュール322がピーク周波数f,...,fを有するN個の直交キャリア波形に対し決定したN個の複素数(それらのうちの一部は未使用キャリアについて0であってよい)の組の変調を実行する。(サンプリングレートfにおける)離散時間シンボル波形S(n)を形成するために、変調されたキャリアをIDFTモジュール324によって結合する。これは、次式のように書くことができる: The inverse discrete Fourier transform (IDFT) module 324 is configured such that the mapping module 322 has peak frequencies f 1 ,. . . , F N is performed on a set of N complex numbers (some of which may be 0 for unused carriers) determined on N orthogonal carrier waveforms. Modulated carriers are combined by IDFT module 324 to form a discrete time symbol waveform S (n) (at sampling rate f R ). This can be written as:

Figure 0004981802
Figure 0004981802

ここで、時間のインデックスnは1からNへ進み、Aは振幅であり、φはピーク周波数f=(i/N)fによるキャリアの位相であり、j=√(−1)である。一部の実施形態では、離散フーリエ変換は、Nが2の累乗である高速フーリエ変換(FFT)に相当する。 Here, the time index n advances from 1 to N, A i is the amplitude, φ i is the phase of the carrier with the peak frequency f i = (i / N) f R , and j = √ (−1) It is. In some embodiments, the discrete Fourier transform corresponds to a fast Fourier transform (FFT) where N is a power of two.

後処理モジュール326は、一連の連続的な(重なる可能性がある)シンボルを結合し、通信媒体304を通じた連続的なブロックとして送信可能な「シンボルセット」にする。後処理モジュール326は、プリアンブルを自動利得制御(AGC)およびシンボルタイミング同期に使用可能なシンボルセットの後部に付加する(prepend)。シンボル間およびキャリア間の干渉(例えば、システム300、通信媒体304またはその両方
の欠陥による)を軽減するため、後処理モジュール326は、シンボルの最後の部分の複製であるサイクリックプレフィックスを用いて各シンボルを延長することが可能である。また、後処理モジュール326は、シンボルセット内のシンボルのサブセットにパルス整形ウィンドウを適用し(例えば、2乗余弦窓または他の種類のパルス整形ウィンドウを用いて)、シンボルのサブセットを重ね合わせることなど、他の機能を実行することが可能である。
The post-processing module 326 combines a series of consecutive (possibly overlapping) symbols into a “symbol set” that can be transmitted as a continuous block through the communication medium 304. The post-processing module 326 prepends the preamble to a symbol set that can be used for automatic gain control (AGC) and symbol timing synchronization. To mitigate inter-symbol and inter-carrier interference (eg, due to defects in system 300, communication medium 304, or both), post-processing module 326 uses a cyclic prefix that is a duplicate of the last part of the symbol to It is possible to extend the symbol. The post-processing module 326 also applies a pulse shaping window to the subset of symbols in the symbol set (eg, using a raised cosine window or other type of pulse shaping window), overlays the subset of symbols, etc. It is possible to perform other functions.

アナログフロントエンド(AFE)モジュール328は、時間連続(例えば、ローパスフィルタ処理された)バージョンのシンボルセットを含むアナログ信号を通信媒体304に接続する。通信媒体304を通じた波形S(t)の時間連続バージョンの送信の効果は、通信媒体を通じた送信のインパルス応答を表す関数g(τ;t)を用いる畳み込みによって表現可能である。通信媒体304はノイズn(t)を付加してもよく、このノイズはジャマーによって放射されるランダムノイズ、狭帯域ノイズまたはその両方であってよい。   An analog front end (AFE) module 328 connects an analog signal including a time continuous (eg, low pass filtered) version of the symbol set to the communication medium 304. The effect of transmitting a time-continuous version of the waveform S (t) through the communication medium 304 can be expressed by convolution using a function g (τ; t) that represents the impulse response of the transmission through the communication medium. The communication medium 304 may add noise n (t), which may be random noise emitted by the jammer, narrowband noise, or both.

受信機306にて、PHY層を実装するモジュールは、通信媒体304から信号を受信し、MAC層に対するMPDUを生成する。AFEモジュール330は自動利得制御(AGC)モジュール332および時間同期モジュール334と共に動作し、離散フーリエ変換(DFT)モジュール336へサンプリングした信号データおよびタイミング情報を提供する。   At receiver 306, the module that implements the PHY layer receives signals from communication medium 304 and generates MPDUs for the MAC layer. The AFE module 330 works with an automatic gain control (AGC) module 332 and a time synchronization module 334 to provide sampled signal data and timing information to a discrete Fourier transform (DFT) module 336.

サイクリックプレフィックスを除去した後、受信機306はサンプリングした離散時間シンボルをDFTモジュール336に供給し、(N点のDFTを実行することによって)符号化されたデータ値を表現する一連のN個の複素数を抽出する。復調器/復号器モジュール338は、対応するビットシーケンスに対し複素数をマッピングし、適切なビットの復号(脱インタリーブ処理およびスクランブル解除を含む)を実行する。   After removing the cyclic prefix, the receiver 306 provides the sampled discrete time symbols to the DFT module 336 to represent a series of N numbers representing the encoded data values (by performing an N-point DFT). Extract complex numbers. Demodulator / decoder module 338 maps the complex number to the corresponding bit sequence and performs the appropriate bit decoding (including de-interleaving and descrambling).

送信機302または受信機306のモジュールを含む通信システム300の任意のモジュールは、ハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより実装可能である。   Any module of the communication system 300, including a transmitter 302 or receiver 306 module, can be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software.

一部の実施形態では、MPDUは、MSDUとMPDUとの間に必ずしも1対1の対応が存在しないように、MSDUのストリームから生成可能である。例えば、MACフレーミング処理では、一連のMACフレーム(または「サブフレーム」)の各々は1つ以上のMSDUから生成され、複数のMACフレームはMACフレームのストリームへと連結される。次いで、このMACフレームストリームは、MPDUに含まれ得る複数のセグメント(例えば、固定のサイズのセグメント)へと区分される。   In some embodiments, MPDUs can be generated from a stream of MSDUs such that there is not necessarily a one-to-one correspondence between MSDUs and MPDUs. For example, in the MAC framing process, each of a series of MAC frames (or “subframes”) is generated from one or more MSDUs, and multiple MAC frames are concatenated into a stream of MAC frames. The MAC frame stream is then partitioned into multiple segments (eg, fixed size segments) that can be included in the MPDU.

図4を参照すると、MACフレームストリーム100は、長さの変化する可能性のあるMACフレームの連続的なストリームを含む。セグメント102はMACフレームストリーム100の一部から形成される。セグメント102およびMACフレームの相対的なサイズに応じて、セグメントは、1つのMACフレームの一部、複数のMACフレームまたはその両方を含むことが可能である。したがって、セグメントはMACフレーム間の0または1つ以上の境界を含むことが可能である。各セグメントについて、MAC層は、そのセグメント内の第1のMACフレーム境界のオフセットを記録する。この境界情報はセグメントと共に送信され、受信されるセグメントからMACフレームを区別するために受信局によって用いられる。他のMACフレーム境界(存在する場合)は先のMACフレームの情報(例えば、MACフレームの長さの情報)から決定可能であるので、セグメントにおける第1のMACフレーム境界で充分である。受信局が先のMACフレームからのセグメントを破棄し、次のMACフレームによる受信を継続する必要がある場合、MACフレ
ーム境界情報によって、受信局が次のMACフレームの開始部を見出すことが可能となる。また、各セグメントはセグメントシーケンス番号(SSN)に関連付けられている。SSNはMACフレームストリームの第1のセグメントに対し0に初期化され、新たなセグメントが形成されるとき、1だけインクリメントされる。SSNによって、受信局において、順序通りでないセグメントの受信と、複製の検出とが可能となる。
Referring to FIG. 4, the MAC frame stream 100 includes a continuous stream of MAC frames that can vary in length. The segment 102 is formed from a part of the MAC frame stream 100. Depending on the relative sizes of the segment 102 and the MAC frame, the segment can include a portion of a MAC frame, multiple MAC frames, or both. Thus, a segment can include zero or more boundaries between MAC frames. For each segment, the MAC layer records the offset of the first MAC frame boundary within that segment. This boundary information is transmitted with the segment and used by the receiving station to distinguish the MAC frame from the received segment. Since the other MAC frame boundaries (if any) can be determined from the information of the previous MAC frame (eg, the length information of the MAC frame), the first MAC frame boundary in the segment is sufficient. When the receiving station needs to discard the segment from the previous MAC frame and continue reception with the next MAC frame, the receiving station can find the start of the next MAC frame by the MAC frame boundary information. Become. Each segment is associated with a segment sequence number (SSN). The SSN is initialized to 0 for the first segment of the MAC frame stream and incremented by 1 when a new segment is formed. SSN enables the receiving station to receive out-of-order segments and to detect duplicates.

MACフレームストリーム100の終止部は、セグメントがMPDUへカプセル化される(PSDUとしてPHY層へ送出される)とき、一度にセグメント102を完全に充填するのに充分なデータを含んでいない場合がある。そのような場合、MACフレームストリーム100はパッド部分104を用いてパディングを行うことが可能であり(例えば、0を詰め込む)、そうして完全なセグメント102を形成することが可能である。MACフレームストリームのパディングを行い最後のセグメント(例えば、図3の「セグメントn」)を形成することは、セグメントがPHY層への送出のために処理される直前まで遅延させることが可能であり、次のMACフレームがMACフレームストリーム100に付加されるための時間を許容することが可能となる。セグメントの残部におけるパディングの存在を示すために、パッド部分104の開始部に所定のデータ値を含めることが可能である。   The end of the MAC frame stream 100 may not contain enough data to completely fill the segment 102 at a time when the segment is encapsulated into an MPDU (sent to the PHY layer as a PSDU). . In such a case, the MAC frame stream 100 can be padded with a pad portion 104 (eg, padded with zeros), thus forming a complete segment 102. Padding the MAC frame stream to form the last segment (eg, “Segment n” in FIG. 3) can be delayed until just before the segment is processed for delivery to the PHY layer, It is possible to allow time for the next MAC frame to be added to the MAC frame stream 100. A predetermined data value can be included at the beginning of the pad portion 104 to indicate the presence of padding in the remainder of the segment.

セグメント102は、MAC層およびPHY層による信頼可能な配信サービスの対象となるエンティティとして取り扱われる。各セグメント102は、各セグメントが他のセグメントのいずれも必要とすることなく受信局にて解読可能であるように、個別に暗号化可能である。例えば、CBCモードブロック暗号(例えば、CBCモードによる128ビットのAES暗号)は、MACフレームストリーム100のデータを、所与のサイズ(例えば、128ビット、すなわち、16バイト)のデータブロック(すなわち、「平文ブロック」)に分割することによって使用可能である。セグメントの最後のデータブロックにパディングを行う必要を除去するため、データブロックのサイズの倍数となるようにセグメントのサイズを選択することが可能である。したがって、各暗号化されたセグメント106は、所定数の暗号化されたブロック(すなわち、「暗号文ブロック」)を含む。   The segment 102 is handled as an entity that is a target of reliable delivery service by the MAC layer and the PHY layer. Each segment 102 can be individually encrypted so that each segment can be decrypted at the receiving station without requiring any of the other segments. For example, a CBC mode block cipher (eg, a 128-bit AES cipher in CBC mode) converts data of the MAC frame stream 100 into a data block (ie, “128 bits, ie, 16 bytes”) of a given size (ie, “ It can be used by dividing it into plaintext blocks "). To eliminate the need to pad the last data block of the segment, the segment size can be selected to be a multiple of the data block size. Thus, each encrypted segment 106 includes a predetermined number of encrypted blocks (ie, “ciphertext blocks”).

MAC層は、MPDU 110のPHYブロック(PB)108内に、各々の暗号化されたセグメント106を送信する。PB 108のPB本体(PBB)フィールド114は、暗号化されたセグメント106をPB 108のペイロードとして搬送する。PB 108の他のフィールドは、オーバヘッド情報(例えば、暗号化されたセグメント106を送信するためにPHY層によって用いられる情報)を搬送する。PBヘッダ116は、例えば、SSNと、そのセグメントに関連した第1のMACフレーム境界オフセット(存在する場合)とに対するフィールドを含む。また、PBヘッダ116は、セグメントが属するストリームの種類(例えば、データストリームまたは管理ストリーム)など、セグメントの他の特性を示す情報を含むことが可能である。PB検査シーケンス(PBCS)118は、受信局にてPB 108の完全性を検査するために用いられる。PBCSは、例えば、PBB 114およびPBヘッダ116に対し算出されるCRC符号である。   The MAC layer transmits each encrypted segment 106 within the PHY block (PB) 108 of the MPDU 110. The PB body (PBB) field 114 of the PB 108 carries the encrypted segment 106 as the payload of the PB 108. Other fields of the PB 108 carry overhead information (eg, information used by the PHY layer to transmit the encrypted segment 106). The PB header 116 includes, for example, fields for the SSN and the first MAC frame boundary offset (if any) associated with that segment. The PB header 116 can also include information indicating other characteristics of the segment, such as the type of stream to which the segment belongs (for example, a data stream or a management stream). A PB check sequence (PBCS) 118 is used to check the integrity of the PB 108 at the receiving station. The PBCS is a CRC code calculated for the PBB 114 and the PB header 116, for example.

各セグメント102(および暗号化されたセグメント106)は、独立に再送信可能な異なるPB 108(または「FECブロック」)に対応する。FEC符号化によってPHY層がPHYブロックに基づき誤りを検出することが可能であるので、誤りを有しないセグメント102の再送信を必要とすることなく誤りを有するセグメント102を再送信することが可能である。   Each segment 102 (and encrypted segment 106) corresponds to a different PB 108 (or “FEC block”) that can be retransmitted independently. Because FEC encoding allows the PHY layer to detect errors based on PHY blocks, it is possible to retransmit segments 102 with errors without requiring retransmission of segments 102 without errors. is there.

セグメント102のサイズは、高い効率と低い遅延時間との間のトレードオフを提供するように選択可能である。例えば、セグメント102に関連したオーバヘッド情報(例えば、PBヘッダ116およびPBCS 118)がセグメント102のサイズに比較して
小さい(例えば、小さなオーバヘッド対ペイロード比)ように、セグメントは充分に大きいことが可能である。セグメントは、情報を再送信するための遅延時間が短いように、誤りの周囲の小さな範囲のデータに誤りの影響を隔離するのに充分であるように小さいことが可能である。また、小さい区分によって、最終のPB 108のパディング部分104の潜在的なサイズを減少させることが可能である。16バイトのデータブロック、4バイトのPBヘッダ116および4バイトのPBCS 118による場合のそのようなトレードオフの一例は、512バイトであり、これによって520バイトのPB 108が得られる。
The size of the segment 102 can be selected to provide a trade-off between high efficiency and low delay time. For example, the segment can be large enough so that the overhead information associated with segment 102 (eg, PB header 116 and PBCS 118) is small (eg, a small overhead to payload ratio) compared to the size of segment 102. is there. The segment can be small enough to isolate the effect of the error on a small range of data around the error so that the delay time for retransmitting the information is short. Also, the small size can reduce the potential size of the padding portion 104 of the final PB 108. An example of such a trade-off with a 16-byte data block, a 4-byte PB header 116 and a 4-byte PBCS 118 is 512 bytes, which results in a 520-byte PB 108.

また、MPDU 110は、一連のPB 108に先行するMPDUヘッダ120(すなわち、「フレーム制御」部分)を含む。MPDUヘッダ120は、MPDU 110の送信に関連したオーバヘッド情報、MPDU 110のすべてのPB 108に関連する情報またはその両方を含む。MPDU 110はPHY層へ渡されてPPDU信号に対し変調され、受信局へ送信される。MPDUヘッダ120およびPBヘッダ116に含まれる情報は、セグメント102が属するストリームなど上層のデータユニットの再組立てのため受信局によって用いられることが可能である。   The MPDU 110 also includes an MPDU header 120 (ie, a “frame control” portion) that precedes a series of PBs 108. The MPDU header 120 includes overhead information associated with the transmission of the MPDU 110, information associated with all PBs 108 of the MPDU 110, or both. The MPDU 110 is passed to the PHY layer, modulated on the PPDU signal, and transmitted to the receiving station. The information contained in the MPDU header 120 and the PB header 116 can be used by the receiving station for reassembly of upper layer data units such as the stream to which the segment 102 belongs.

セグメント102を暗号化して暗号化されたセグメント106を生成する処理の別の態様は、暗号化処理を初期化するために用いられる初期化ベクトル(IV)の選択である。例えば、CBCモード暗号では、暗号化されたセグメント106内の所与の暗号化されたブロックは、セグメント102内の対応するデータブロックを、先行する暗号化されたブロックまたは(形成される第1の暗号化されたブロックについては)セグメント102に関連したIVと結合する(例えば、排他的論理和演算を用いて)ことによって形成される。次いで、結合されたブロックは暗号鍵を用いて暗号化される。   Another aspect of the process of encrypting segment 102 to generate encrypted segment 106 is the selection of an initialization vector (IV) that is used to initialize the encryption process. For example, in CBC mode cipher, a given encrypted block in encrypted segment 106 replaces the corresponding data block in segment 102 with the preceding encrypted block or (first formed For encrypted blocks, it is formed by combining (eg, using an exclusive-or operation) with the IV associated with segment 102. The combined block is then encrypted using the encryption key.

暗号化されたセグメント106を適切に解読するために、暗号鍵およびIVの両方は受信局にて知られている必要がある。1組の共有の秘密暗号鍵は、(例えば、セキュアなプロトコルによる分配後に)送信局および受信局の両方に知られることが可能であり、MPDUヘッダ120のフィールド(「暗号鍵選択」(EKS)フィールド)は、対応するMPDU 110の暗号化されたセグメント106を解読するためにいずれの暗号鍵が用いられるかを指定することが可能である。IVは必ずしも暗号鍵のように秘密が保持されている必要はない。しかしながら、同じまたは非常に予測可能なIVを同じ暗号鍵と共に用いることによって、一定の暗号攻撃に対する脆弱性が増大する場合がある。所与の暗号化されたセグメント106の暗号化に用いられるIVは、(例えばPBヘッダ116により)セグメントと共に送信可能である。しかしながら、付加されたオーバヘッド(例えば、16バイト)はセグメントのサイズ(例えば、512バイト)と比較して有意であり、効率を低下させる場合がある。   In order to properly decrypt the encrypted segment 106, both the encryption key and IV need to be known at the receiving station. A set of shared secret encryption keys can be known to both the transmitting station and the receiving station (eg, after distribution by a secure protocol), and can be a field in the MPDU header 120 (“Encryption Key Selection” (EKS)). Field) can specify which encryption key is used to decrypt the encrypted segment 106 of the corresponding MPDU 110. The IV does not necessarily have to be kept secret like an encryption key. However, using the same or highly predictable IV with the same encryption key may increase vulnerability to certain cryptographic attacks. The IV used to encrypt a given encrypted segment 106 can be transmitted with the segment (eg, via the PB header 116). However, the added overhead (eg, 16 bytes) is significant compared to the segment size (eg, 512 bytes) and may reduce efficiency.

IVの送信におけるオーバヘッドを低下させる一手法は、CBCモード暗号化を用いる長い連鎖により、MPDUペイロード全体(複数のPB)、またはMACフレーム全体を暗号化することであり、これには単一のIVしか必要でない。しかしながら、この場合、連鎖のいずれかの部分が失われるか破損したときには、以降の暗号化ブロックに対するCBCモード暗号化はその失われた部分に依存するので、連鎖のその点から先のデータは失われる。   One approach to reduce the overhead in IV transmission is to encrypt the entire MPDU payload (multiple PBs), or the entire MAC frame, with a long chain using CBC mode encryption, which includes a single IV Only necessary. However, in this case, if any part of the chain is lost or corrupted, CBC mode encryption for subsequent encrypted blocks will depend on that lost part, so the previous data will be lost from that point in the chain. Is called.

IVの送信におけるオーバヘッドを低下させる別の手法は、新たなIVをより低い頻度で送信することであり、次いで、所定の手法(例えば、既知のハッシュ関数によるインクリメントおよび変換)により、それらの新たなIVに応じて他のPBに対するIVを生成する。しかしながら、この場合、新たなIVのうちのいずれが失われるときには、失われたIVに依存しているIVを用いて暗号化されたデータは失われる。   Another approach to reduce overhead in the transmission of IVs is to send new IVs less frequently, and then, according to a predetermined approach (eg, increment and transform with a known hash function), In response to IV, generate IV for other PB. In this case, however, when any of the new IVs are lost, the data encrypted using the IVs that depend on the lost IVs are lost.

IVの送信におけるオーバヘッドを低下させる別の手法は、セグメント102に関連したオーバヘッド情報(例えばPBヘッダ116)、MPDU 110に関連したオーバヘッド情報(例えばMPDUヘッダ120)またはその両方を含む、MPDU 110を受信するための暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に既に関連しているオーバヘッド情報から、IVを導出することである。代表的な一実施形態では、所与のPBBフィールド114における暗号化されたセグメント106に対するIVは、対応するPBヘッダ116からのフィールドと、MPDUヘッダ120からのフィールドと、MPDU 110におけるセグメント106(および対応するPB 108)の相対位置を示す「セグメントカウント」とを連結することによって取得される。セグメントカウントは受信局にて決定可能な値であり、MPDU 110の任意のオーバヘッド情報によって送信または表現される必要はない。受信局は、MPDUにおいて受信される各セグメントに対し、単純にセグメントカウントをインクリメントすることが可能である。   Another approach to reduce overhead in transmitting an IV is to receive MPDU 110 that includes overhead information associated with segment 102 (eg, PB header 116), overhead information associated with MPDU 110 (eg, MPDU header 120), or both. To derive IV from the overhead information already associated with at least some functions other than encryption. In an exemplary embodiment, the IV for an encrypted segment 106 in a given PBB field 114 is the corresponding field from the PB header 116, the field from the MPDU header 120, and the segment 106 (and the MPDU 110). It is obtained by concatenating the “segment count” indicating the relative position of the corresponding PB 108). The segment count is a value that can be determined at the receiving station and need not be transmitted or represented by any overhead information in the MPDU 110. The receiving station can simply increment the segment count for each segment received in the MPDU.

より予測不能なIVを提供するために、IVの一部を供給するために用いられ得る複数のフィールドから、1つのMPDU 110から次のMPDUへ、または1つのPB 108から次のPBへと変化する可能性がより高いフィールドを選択することが可能である。複数のフィールドのうちのいずれかが同じままである可能性が存在する場合にも、変化する可能性のある複数のフィールド(またはフィールドの一部分)を選択することによって、全IVにおいて1つのMPDU 110またはPB 108から次のMPDUまたはPBまでが同じままである可能性は減少する。この例では、所与のMPDU 110において1つのPB 108から次のPBまでセグメントカウントがインクリメントするので、連続する暗号化されたセグメント106に対するIVは同じにならない。   Change from multiple fields that can be used to supply a portion of the IV from one MPDU 110 to the next MPDU or from one PB 108 to the next PB to provide a more unpredictable IV It is possible to select a field that is more likely to do. One MPDU 110 in all IVs can be selected by selecting multiple fields (or portions of fields) that may change even if any of the multiple fields may remain the same. Or the possibility of the PB 108 to the next MPDU or PB remaining the same is reduced. In this example, the IV for consecutive encrypted segments 106 will not be the same because the segment count increments from one PB 108 to the next PB in a given MPDU 110.

異なるMPDUに対して異なる可能性があるようにIVに含められる選択可能なMPDUヘッダ120のフィールドの例は、発信元アドレス、宛先アドレス、リンク識別子、EKS、係留PB、ビットロード推定値、トーンマップインデックス、MPDUカウントおよびバーストカウントである。発信元アドレスおよび宛先アドレスを用いることによって、通信する発信局/宛先局の各対に対してIVが異なることが保証される。また、他の方向では発信元が宛先になり宛先が発信元になるので、各方向においてIVが異なる。リンク識別子は、発信元から宛先への可能な複数のストリームのうちの1つを識別する。いずれの暗号鍵を用いるか判定するために受信機によって用いられるEKSは、局が属する論理ネットワークなど様々な他の因子に応じて異なってよい。係留PBは、送信されるPBのバッファにおける残量を表し、通常、異なるMPDUでは異なる。ビットロード推定値は、所与のトーンマップに関連したデータレートに基づく。トーンマップインデックスは、異なるトーンマップが用いられるときに変化する。MPDUカウントは連続するMPDUに対して変化する。バーストカウントは、送信されるMPDUのバーストに対してカウントダウンされる(例えば、3,2,1,0)。これに加えて、IVはMPDUヘッダ120に対する検査シーケンスを含むことが可能である。この検査シーケンスは、MPDUヘッダにおける他のすべてのフィールドの関数として算出され、他のフィールドのうちの1つ以上が変化するときに変化する尤度の高いハッシュ値として作用する。   Examples of selectable MPDU header 120 fields that may be included in the IV so that they may be different for different MPDUs are source address, destination address, link identifier, EKS, mooring PB, bit load estimate, tone map Index, MPDU count and burst count. Using the source and destination addresses ensures that the IV is different for each source / destination station pair that communicates. In other directions, the source is the destination and the destination is the source, so the IV is different in each direction. The link identifier identifies one of a plurality of possible streams from the source to the destination. The EKS used by the receiver to determine which encryption key to use may vary depending on various other factors such as the logical network to which the station belongs. The mooring PB represents the remaining amount in the buffer of the transmitted PB and is usually different for different MPDUs. The bit load estimate is based on the data rate associated with a given tone map. The tone map index changes when a different tone map is used. The MPDU count changes for successive MPDUs. The burst count is counted down for a burst of MPDUs to be transmitted (eg, 3, 2, 1, 0). In addition, the IV can include a test sequence for the MPDU header 120. This check sequence is computed as a function of all other fields in the MPDU header and acts as a high likelihood hash value that changes when one or more of the other fields change.

異なるPBに対して異なる可能性があるようにIVに含められる選択可能なPBヘッダ116のフィールドの例は、SSN、MACフレーム境界オフセットおよびMACフレーム境界フラグである。SSNはセグメントカウントがするように1つのPB 108から次のPBまでインクリメントするが、SSNは、セグメントカウントがするように、MPDU 110の開始部で必ずしも0(または1その他の開始値)に戻る必要はない。SSNはMPDU境界を通じてもインクリメントするので、SSNはその最大値(例えば、16ビットのSSNではNmax=65,535)を超えて1回りするまでは反復されない。SSNが反復する(1回り後)ときまで、変化するフィールドにおいて少なくとも幾つ
かのビットが変化する(例えば、セグメントは同じSSNを有する最後のセグメントとMPDU内の位置が同じでない場合があるので、セグメントカウントの異なる可能性がある)、あるいは新たな暗号鍵が用いられる尤度が高い。互いにNmax+1以内の任意の2つのセグメントは、同じIVを有しない。
Examples of selectable PB header 116 fields that may be included in the IV so that they may be different for different PBs are SSN, MAC frame boundary offset, and MAC frame boundary flag. The SSN increments from one PB 108 to the next PB as the segment count does, but the SSN must always return to 0 (or 1 other starting value) at the start of the MPDU 110 as the segment count does There is no. Since the SSN also increments across the MPDU boundary, the SSN is not repeated until it has made one round beyond its maximum value (eg, N max = 65,535 for a 16-bit SSN). Until the SSN repeats (after one round), at least some bits change in the changing field (for example, the segment may not be the same position in the MPDU as the last segment with the same SSN) The count may be different), or the likelihood that a new encryption key will be used is high. Any two segments within N max +1 of each other do not have the same IV.

MACフレーム境界フラグは、PB内の2つのMACフレーム間に1つ以上の境界が存在するか否かを示す。1つ以上の境界が存在する場合、MACフレーム境界オフセットはPBにおいて第1の境界が発生する場所を示す。MACフレームのサイズが変化するか、あるいはセグメントサイズの倍数でない場合、それらのフィールドは変化する可能性がある。   The MAC frame boundary flag indicates whether one or more boundaries exist between two MAC frames in the PB. If more than one boundary exists, the MAC frame boundary offset indicates where the first boundary occurs in the PB. If the MAC frame size changes or is not a multiple of the segment size, these fields may change.

IVにおいて用いられるフィールドの組み合わせは、所与の暗号鍵に対する反復の可能性の低いIVを提供する。この暗号鍵は、依然として暗号攻撃からの許容可能な水準の保護を提供することが可能である。   The combination of fields used in IV provides an IV with a low probability of repetition for a given cryptographic key. This cryptographic key can still provide an acceptable level of protection from cryptographic attacks.

MPDU 110が受信局にて受信された後、各PB 108のPBCS 118は検査され、良好なPBが解読される。訂正不可能な誤りを含むPB 108は、肯定応答信号によって送信局へ報告され、現在の暗号鍵と、そのPBが送信されているMPDUの新たなオーバヘッド情報から導出される新たなIVとを用いて再び暗号化され、再送信される。   After the MPDU 110 is received at the receiving station, the PBCS 118 of each PB 108 is examined and a good PB is decoded. The PB 108 containing an uncorrectable error is reported to the transmitting station by an acknowledgment signal and uses the current encryption key and the new IV derived from the new overhead information of the MPDU in which the PB is being transmitted. Encrypted again and retransmitted.

ネットワーク構成の図。Network configuration diagram. 参照ネットワークアーキテクチャの図。Reference network architecture diagram. 通信システムのブロック図。1 is a block diagram of a communication system. MPDUのフォーマットの図。The figure of a format of MPDU.

Claims (18)

ネットワークにおける通信方法において
上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化し、ストリームを生成するストリーム生成工程と、
ストリームを複数のセグメントに分割するストリーム分割工程であって、各セグメントは複数のデータブロックへ分割され、各セグメントはオーバヘッド情報に関連している工程と、
少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化するセグメント暗号化工程であって第1の暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、該複数の暗号化されたブロックは第1の暗号化されたブロックを含み、第1の暗号化されたブロックは、暗号鍵と初期化ベクトルとを用いて第1のデータブロックから形成される第1の下位データユニットに関連し、初期化ベクトルは、少なくとも部分的には第1の暗号化されたセグメントに関連したセグメントオーバヘッド情報の一部と第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部とから導出される工程と、
ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に第1の下位データユニットを含む下位データユニットを供給する下位データユニット供給工程であって、少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む工程と、からなる方法。
In the communication method in the network,
A stream generation step of encapsulating the contents of a plurality of upper data units from an upper layer and generating a stream;
A stream dividing step of dividing the stream into a plurality of segments , each segment being divided into a plurality of data blocks, each segment being associated with overhead information ;
A segmented encryption step of encrypting individually at least some segments, the first encrypted segment saw including a plurality of encrypted blocks, block encrypted and the plurality of first The first encrypted block is associated with a first subordinate data unit formed from the first data block using an encryption key and an initialization vector, and is initialized. A vector is derived from a portion of segment overhead information associated at least in part with the first encrypted segment and a portion of overhead information associated with the first subordinate data unit ;
A subordinate data unit supplying step of supplying a subordinate data unit including a first subordinate data unit to a physical layer handling physical communication through a network, wherein at least some of the subordinate data units include a plurality of encrypted segments. A method comprising each of the steps .
各下位データユニットはデータユニットオーバヘッド情報に関連しており、前記複数の暗号化されたブロックは、さらに
号鍵と、第1の暗号化されたブロックとを用いて第2のデータブロックから形成される第1の下位データユニットに関連する第1の暗号化されたセグメント内の第2の暗号化されたブロックを含む請求項1に記載の方法。
Each subordinate data unit is associated with data unit overhead information, and the plurality of encrypted blocks further comprises:
And encryption key, first the first second cipher in the encrypted segments associated with the first sub data unit formed from the second data block using the encrypted block including reduction block, method according to claim 1.
初期化ベクトルは、少なくとも部分的には、下位データユニットを受信するための、暗号化以外の少なくとも幾つかの機能に関連したデータユニットオーバヘッド情報から導出される請求項2に記載の方法。3. The method of claim 2, wherein the initialization vector is derived at least in part from data unit overhead information associated with at least some functions other than encryption for receiving subordinate data units. 下位データユニット供給工程は、一連の物理層ブロックを形成する工程と、各物理層ブ
ロックは暗号化されたセグメントおよび同暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報を含むことと、を含む請求項に記載の方法。
Lower data unit supplying step, claim and forming a series of physical layer blocks, each physical layer block and contain overhead information associated with the encrypted segments and the encrypted segments, one The method described in 1.
暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報は、ヘッダおよび完全性検査シーケンスのうちの1つ以上を含む請求項4に記載の方法。  The method of claim 4, wherein the overhead information associated with the encrypted segment includes one or more of a header and an integrity check sequence. 完全性検査シーケンスはヘッダおよび暗号化されたセグメントに基づき算出される巡回冗長検査符号を含む請求項5に記載の方法。  6. The method of claim 5, wherein the integrity check sequence includes a cyclic redundancy check code that is calculated based on the header and the encrypted segment. 異なる下位データユニットに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む請求項に記載の方法。2. The method of claim 1 , comprising selecting a portion of overhead information associated with a first subordinate data unit based on which portions of the overhead information may have different possibilities for different subordinate data units. . 下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の部分は、発信元の識別子および宛先の識別子のうちの1つ以上の少なくとも一部を含む請求項7に記載の方法。  The method of claim 7, wherein the portion of overhead information associated with the subordinate data unit includes at least a portion of one or more of a source identifier and a destination identifier. 異なるセグメントに対して前記オーバヘッド情報のいずれの部分が異なる可能性を有するかに基づき、第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分を選択する工程を含む請求項に記載の方法。The method of claim 1 , comprising selecting a portion of overhead information associated with a first encrypted segment based on which portions of the overhead information have different possibilities for different segments. . 第1の暗号化されたセグメントに関連したオーバヘッド情報の部分は、
第1の暗号化されたセグメントに関連したシーケンス番号と、
下位データユニット内の第1の暗号化されたセグメントの位置を識別する情報と、
第1の暗号化されたセグメントが生成されたセグメント内の上位データユニット間の境界の位置を識別する情報と、のうちの1つ以上の少なくとも一部を含む請求項9に記載の方法。
The overhead information portion associated with the first encrypted segment is:
A sequence number associated with the first encrypted segment;
Information identifying the location of the first encrypted segment in the subordinate data unit;
The method of claim 9, wherein the first encrypted segment includes at least a portion of one or more of information identifying a location of a boundary between higher data units in the generated segment.
各暗号化されたセグメントは独立に再送信可能である請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein each encrypted segment is independently retransmittable. 少なくとも一部のセグメントは前方誤り訂正を用いて符号化される請求項11に記載の方法。  The method of claim 11, wherein at least some of the segments are encoded using forward error correction. 新たな初期化ベクトルを用いてセグメントを再暗号化する工程を含む、受信に成功していないセグメントを再送信する工程を含む請求項11に記載の方法。  12. The method of claim 11, comprising retransmitting a segment that has not been successfully received, including re-encrypting the segment with a new initialization vector. 少なくとも幾つかのセグメントに関連したパディングを削減するようにセグメントの長さを選択する工程を含む請求項1に記載の方法。  2. The method of claim 1, comprising selecting a segment length to reduce padding associated with at least some segments. 選択される長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの倍数である請求項14に記載の方法。  15. The method of claim 14, wherein the selected length is a multiple of the cipher block size used for cipher block chained mode encryption of the segment. 初期化ベクトルの長さは、セグメントの暗号ブロック連鎖モード暗号化に用いられる暗号ブロックサイズの長さと同じである請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the length of the initialization vector is the same as the length of the cipher block size used for cipher block chain mode encryption of the segment. 上位層は媒体アクセス制御層を含む請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the upper layer comprises a media access control layer. ネットワークを通じて情報を送信するための装置において
通信媒体へ信号を接続するように構成された回路と、
同回路へ接続されたネットワークインタフェースモジュールと、を備え、
ネットワークインタフェースモジュールは、
上位層からの複数の上位データユニットのコンテンツをカプセル化してストリームを生成る工程と
ストリームを複数のセグメントに分割工程であって、各セグメントは複数のデータブロックへ分割され、各セグメントはオーバヘッド情報に関連している工程と
少なくとも幾つかのセグメントを個別に暗号化する工程であって、第1の暗号化されたセグメントは複数の暗号化されたブロックを含み、該複数の暗号化されたブロックは第1の暗号化されたブロックを含み、第1の暗号化されたブロックは、暗号鍵と初期化ベクトルとを用いて第1のデータブロックから形成される第1の下位データユニットに関連し、初期化ベクトルは、少なくとも部分的には第1の暗号化されたセグメントに関連したセグメントオーバヘッド情報の一部と第1の下位データユニットに関連したオーバヘッド情報の一部とから導出される工程と
ネットワークを通じて物理的な通信を取扱う物理層に第1の下位データユニットを含む下位データユニットを供給する工程であって少なくとも幾つかの下位データユニットは複数の暗号化されたセグメントを各々含む工程と、を実行する回路を含む、装置。
An apparatus for transmitting information through a network,
A circuit configured to connect a signal to a communication medium;
A network interface module connected to the circuit,
Network interface module
A step Ru generate a stream by encapsulating content from a plurality of upper data units from the higher layer,
Dividing the stream into a plurality of segments , each segment being divided into a plurality of data blocks, each segment being associated with overhead information ;
Individually encrypting at least some of the segments , wherein the first encrypted segment includes a plurality of encrypted blocks, the plurality of encrypted blocks being first encrypted. The first encrypted block is associated with a first subordinate data unit formed from the first data block using an encryption key and an initialization vector, and the initialization vector is at least Derived in part from a portion of segment overhead information associated with the first encrypted segment and a portion of overhead information associated with the first subordinate data unit ;
Step several lower data units even without least a step of supplying the lower data units each including a plurality of encrypted segments comprising a first lower data units to the physical layer dealing with physical communication over the network And a circuit comprising a circuit for performing the operation .
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