王嘉嘉，楊傳偉，吳?磊，宋加齊

　　(中國電子科技集團公司第四十一研究所，中電科儀器儀表(安徽)有限公司，電子信息測試技術安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233010)

　　摘?要：針對3GPP LTE標準，研究了LTE系統(tǒng)安全體系架構。首先介紹了LTE系統(tǒng)中的密鑰層次架構，針對加密和完整性保護過程分別進行了詳細介紹，然后基于LTE空中接口對解密和完整性保護驗證方法進行了設計和詳細分析，最后對本文方法適用場景作出總結。

　　關鍵詞：LTE；加密；完整性保護

　　*項目基金：安徽省重點研究和開發(fā)計劃項目(1804a09020042)，國家科技重大專項(2017ZX03001021)

　　0 引言

　　隨著LTE移動通信技術的飛速發(fā)展和普及，移動通信越來越深入到人們的日常生活，因此，移動通信安全也越來越受到人們的關注?；贚TE空中接口對無線信號的監(jiān)測，也成為安全部門、設備廠商、高校等機構的研究方向。本文對基于LTE空中接口的解密和完整性保護驗證方法進行設計，為相關研究提供了方法和思路。

　　1 LTE系統(tǒng)密鑰層次

　　LTE系統(tǒng)采用兩層安全保護機制：第一層為E-UTRAN中的無線資源控制（RRC）層安全和用戶層安全，即接入層（AS）安全；第二層為演進型分組核心網(wǎng)（EPC）中的安全，即非接入層（NAS）安全 ^[1] ，具體體現(xiàn)為LTE系統(tǒng)密鑰層次架構 ^[2] ，如圖1所示：

　　圖中，K是所有密鑰生成算法的基礎，即根密鑰；CK和IK是在鑒權過程中生成的密鑰對，即加密密鑰和完整性保護密鑰；K _ASME 是根據(jù)CK和IK生成的中間密鑰，用于推演下層密鑰；K _NASenc 是用于NAS層加密的密鑰；K _NASint 是用于NAS層完整性保護的密鑰；K _eNB 是根據(jù)K _ASME 生成的中間密鑰，用于推演下層密鑰；K _UPenc 是用于AS層用戶面數(shù)據(jù)加密的密鑰；K _RRCint 是用于AS層RRC信令完整性保護的密鑰；K _RRCenc 是用于AS層RRC信令加密的密鑰 ^[3] 。

　　2 加密和完整性保護原理

　　2.1 加密過程

　　加密過程 ^[2] ，如圖2所示。發(fā)送端利用加密密鑰KEY、計數(shù)器COUNT、承載標識BEARER ID、上下行方向DIRECTION和密鑰流長度LENGTH作為加密算法輸入?yún)?shù)，根據(jù)選擇的加密算法計算出密鑰流，與明文進行異或生成密文，發(fā)送給接收端 ^[1] 。

　　接收端利用與發(fā)送端相同的加密密鑰、計數(shù)器、承載標識、上下行方向、密鑰流長度和加密算法，計算出密鑰流，與接收到的密文進行異或生成明文 ^[1] 。

　　2.2 完整性保護過程

　　完整性保護過程 ^[2] ，如圖3所示。發(fā)送端利用完整性密鑰KEY、計數(shù)器COUNT、承載標識BEARER ID、上下行方向DIRECTION和消息本身作為完整性保護算法輸入?yún)?shù)，根據(jù)完整性保護算法計算出完整性校驗碼MAC-I，發(fā)送端將消息本身和MAC-I一起發(fā)送給接收端 ^[1] 。

　　接收端利用與發(fā)送端相同的完整性保護密鑰、計數(shù)器、承載標識、上下行方向、完整性保護算法和接收到的消息本身，計算出完整性校驗碼XMAC-I，與接收到消息中的MAC-I進行比較，若一致，則認為接收到的消息是原始發(fā)送的消息 ^[1] 。

　　3 解密和完整性保護驗證設計

　　3.1 解密方法設計

　　本文基于LTE空中接口，解密方法設計如下：

　　步驟1：通過RRC連接建立消息 ^[4] ，獲取其中攜帶的參數(shù)rb-Identity，參數(shù)AS BEARER ID=rb-Identity-1。

　　步驟2：通過鑒權請求消息 ^[5] ，獲取其中攜帶的參數(shù)RAND，鑒權請求消息如圖4所示。

　　步驟3：利用根密鑰K和RAND，計算出CK和IK；利用CK和IK，計算出K _ASME ；利用K _ASME ，計算出K _NASenc 和K _eNB ；利用K _eNB ，計算出K _UPenc 和K _RRCenc ；當對NAS消息解密時，參數(shù)NAS KEY=K      ；當對AS RRC消息解密時，參數(shù)AS KEY=K _RRCenc ；當對AS用戶數(shù)據(jù)解密時，參數(shù)AS KEY=K _UPenc ；其中，密鑰推演算法為KDF ^[2] 算法。

　　步驟4：通過NAS安全模式命令消息 ^[5] ，獲取其中攜帶的參數(shù)NAS加密算法，其值包括128-EEA1、128-EEA2和128-EEA3，NAS安全模式命令消息如圖5所示。

　　步驟5：通過之后的NAS消息，獲取其中攜帶的參數(shù)NAS SN，參數(shù)NAS COUNT=0x00 || NASOVERFLOW || NAS SN，其中||表示比特級聯(lián)，NASOVERFLOW為NAS SN的溢出計數(shù)器 ^{[2] [5]} ，對于上下行，NAS COUNT分別維護。

　　步驟6：經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定NAS KEY、NAS COUNT和NAS加密算法，另外，NAS BEARERID=0，NAS DIRECTION上行時為0，下行時為1，NASLENGTH=128，這樣便能夠計算出密鑰流，與密文異或，實現(xiàn)對NAS消息的解密。

　　步驟7：通過RRC安全模式命令消息 ^[4] ，獲取其中攜帶的參數(shù)AS加密算法，其值包括EEA1、EEA2和EEA3，RRC安全模式命令消息如圖6所示。

　　步驟8：通過之后的PDCP PDU，獲取其中攜帶的參數(shù)PDCP SN，參數(shù)AS COUNT=HFN || PDCP SN，其中HFN為超幀號 ^[6] ，對于上下行，AS COUNT分別維護。

　　步驟9：經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定AS BEARER ID、ASKEY、AS COUNT和AS加密算法，另外，AS DIRECTION上行時為0，下行時為1，AS LENGTH=128，這樣便能夠計算出密鑰流，與密文異或，實現(xiàn)對AS數(shù)據(jù)的解密。

　　步驟10：之后的NAS消息解密，步驟同上；

　　步驟11：之后的AS信令數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)解密，需要先通過RRC連接重配消息 [4] 獲取其中攜帶的rb-Identity，用rb-Identity-1更新參數(shù)AS BEARER ID，其余步驟同上。

　　3.2完整性保護驗證方法設計

　　本文基于LTE空中接口，完整性保護驗證方法設計如下：

　　步驟1~2：同解密方法。

　　步驟3：利用根密鑰K和RAND，計算出CK和IK；利用CK和IK，計算出K _ASME ；利用K _ASME ，計算出K _NASint 和K _eNB ；利用K _eNB ，計算出K _RRCint ；當對NAS消息完整性保護驗證時，參數(shù)NAS KEY=K _NASint ；當對AS RRC消息完整性保護驗證時，參數(shù)AS KEY=K _RRCint ；其中，密鑰推演算法為KDF算法。

　　步驟4：通過NAS安全模式命令消息，獲取其中攜帶的參數(shù)NAS完整性保護算法，其值包括128-EIA1、128-EIA2和128-EIA3。

　　步驟5：同解密方法。

　　步驟6：經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定NAS KEY、NASCOUNT和NAS完整性保護算法，另外，NAS BEARERID=0，NAS DIRECTION上行時為0，下行時為1，再加上需要完整性保護驗證的消息本身，這樣便能夠計算出MAC-I，與消息本身所攜帶的MAC進行對比，如果一致，則完整性保護驗證通過，否則，說明消息被篡改。

　　步驟7：通過RRC安全模式命令消息，獲取其中攜帶的參數(shù)AS完整性保護算法，其值包括EIA1、EIA2和EIA3。

　　步驟8：同解密方法。

　　步驟9：經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定AS BEARER ID、AS KEY、AS COUNT和AS完整性保護算法，另外，ASDIRECTION上行時為0，下行時為1，再加上需要完整性保護驗證的消息本身，這樣便能夠計算出MAC-I，與消息本身所攜帶的MAC進行對比，如果一致，則完整性保護驗證通過，否則，說明消息被篡改。

　　步驟10：之后的NAS消息完整性保護驗證，步驟同上。

　　步驟11：之后的AS信令數(shù)據(jù)完整性保護驗證，需先通過RRC連接重配消息獲取其中攜帶的rb-Identity，用rb-Identity-1更新參數(shù)AS BEARER ID，其余步驟同上。

　　4 結論

　　本文首先介紹了LTE系統(tǒng)中的密鑰層次，各種密鑰的作用，詳細介紹了加密和完整性保護原理，然后給出了基于LTE空中接口實現(xiàn)解密和完整性保護驗證的設計方法，本文方法能夠用于LTE空中接口監(jiān)測類設備的研發(fā)，并且能夠為基于空中接口的各種無線監(jiān)測類設備的研發(fā)提供思路。

　　參考文獻

　　[1] 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

　　[2] 3GPP TS 33.401 V14.6.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and SystemAspects;3GPP System Architecture Evolution (SAE);Security architecture[S]. (2018-09).

　　[3] 王嘉嘉，楊傳偉.LTE鑒權機制及實現(xiàn)[J].電子產品世界，2015，22(11):27-28.

　　[4] 3GPP TS 36.331 V14.10.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio AccessNetwork;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC) Protocol specification[S]. (2019-03).

　　[5] 3GPP TS 24.301 V14.10.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network andTerminals;Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3[S].(2018-12).

　　[6] 3GPP TS 36.323 V14.5.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification [S].(2017-12).

　　作者簡介：

　　王嘉嘉(1984-)，男，高級工程師，主要研究方向：移動通信測試技術研究。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第8期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處