王嘉嘉，楊傳偉，吳?磊，宋加齊(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽?蚌埠?233000；中電科儀器儀表(安徽)有限公司，安徽?蚌埠?233010；電子信息測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽?蚌埠?233010)

　　摘?要：針對3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)，研究了LTE系統(tǒng)安全體系架構(gòu)。首先介紹了LTE系統(tǒng)中的密鑰層次架構(gòu)，針對加密和完整性保護(hù)過程分別進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后基于LTE空中接口對解密和完整性保護(hù)驗(yàn)證方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和詳細(xì)分析，最后對方法和適用場景作出總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：LTE；加密；完整性保護(hù)

　　*文章由安徽省重點(diǎn)研究和開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(1804a09020042)，國家科技重大專(2017ZX03001021) 資助

　　[作者簡介] 王嘉嘉(1984—)，男，高級工程師，主要從事移動(dòng)通信測試技術(shù)研究。E-mail:251799120@qq.com

　　0 引言

　　隨著LTE移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，移動(dòng)通信越來越深入到人們的日常生活，因此，移動(dòng)通信安全也越來越受到人們的關(guān)注。基于LTE空中接口對無線信號的監(jiān)測，也成為安全部門、設(shè)備廠商、高校等機(jī)構(gòu)的研究方向。本文對基于LTE空中接口的解密和完整性保護(hù)驗(yàn)證方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，為相關(guān)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(hù)機(jī)制：第1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2層為演進(jìn)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(gòu) ^[2] ，如圖1所示。

　　圖1中，K是所有密鑰生成算法的基礎(chǔ)，即根密鑰；CK和IK是在鑒權(quán)過程中生成的密鑰對，即加密密鑰和完整性保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jì)數(shù)器COUNT、承載標(biāo)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(jì)算出密鑰流，與明文進(jìn)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(jì)數(shù)器、承載標(biāo)識、上下行方向、密鑰流長度和加密算法，計(jì)算出密鑰流，與接收到的密文進(jìn)行異或生成明文 ^[1] 。

　　2.2 完整性保護(hù)過程

　　完整性保護(hù)過程 ^[2] ，如圖3所示。發(fā)送端利用完整性密鑰KEY、計(jì)數(shù)器COUNT、承載標(biāo)識BEARER ID、上下行方向DIRECTION和消息本身作為完整性保護(hù)算法輸入?yún)?shù)，根據(jù)完整性保護(hù)算法計(jì)算出完整性校驗(yàn)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(hù)密鑰、計(jì)數(shù)器、承載標(biāo)識、上下行方向、完整性保護(hù)算法和接收到的消息本身，計(jì)算出完整性校驗(yàn)碼XMAC-I，與接收到消息中的MAC-I進(jìn)行比較，若一致，則認(rèn)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(hù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

　　3.1 解密方法設(shè)計(jì)

　　本文基于LTE空中接口，解密方法設(shè)計(jì)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 BEARERID=rb-Identity-1。

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

　　步驟3利用根密鑰K和RAND，計(jì)算出CK和IK；利用CK和IK，計(jì)算出K _ASME ；利用K _ASME ，計(jì)算出K _NASenc 和K _eNB ；利用K _eNB ，計(jì)算出K _UPenc 和K _RRCenc ；當(dāng)對NAS消息解密時(shí)，參數(shù)NAS KEY=K _NASenc ；當(dāng)對AS RRC消息解密時(shí)，參數(shù)AS KEY=K _RRCenc ；當(dāng)對AS用戶數(shù)據(jù)解密時(shí)，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 || NAS OVERFLOW|| NAS SN，其中||表示比特級聯(lián)，NAS OVERFLOW為NAS SN的溢出計(jì)數(shù)器 ^{[2] [5]} ，對于上下行，NAS COUNT分別維護(hù)。

　　步驟6經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定NAS KEY、NASCOUNT和NAS加密算法，另外，NAS BEARER ID=0，NAS DIRECTION上行時(shí)為 0 ， 下 行 時(shí) 為 1 ， N A SLENGTH=128，這樣便能夠計(jì)算出密鑰流，與密文異或，實(shí)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(hù)。

　　步驟9：經(jīng)過以上步驟，已經(jīng)確定AS BEARER ID、AS KEY、AS COUNT和AS加密算法，另外，AS DIRECTION上行時(shí)為0，下行時(shí)為1，ASLENGTH=128，這樣便能夠計(jì)算出密鑰流，與密文異或，實(shí)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(hù)驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)

　　本文基于LTE空中接口，完整性保護(hù)驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)如下：

　　步驟1~2同解密方法。

　　步驟3利用根密鑰K和RAND，計(jì)算出CK和IK；利用CK和IK，計(jì)算出K _ASME ；利用K _ASME ，計(jì)算出K _NASint 和K _eNB ；利用K _eNB ，計(jì)算出K _RRCint ；當(dāng)對NAS消息完整性保護(hù)驗(yàn)證時(shí)，參數(shù)NAS KEY=K _NASint ；當(dāng)對AS RRC消息完整性保護(hù)驗(yàn)證時(shí)，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(hù)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(hù)算法，另外，NAS BEARERID=0，NAS DIRECTION上行時(shí)為0，下行時(shí)為1，再加上需要完整性保護(hù)驗(yàn)證的消息本身，這樣便能計(jì)算出MAC-I，與消息本身所攜帶的MAC進(jìn)行對比，如果一致，則完整性保護(hù)驗(yàn)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(hù)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(hù)算法，另外，ASDIRECTION上行時(shí)為0，下行時(shí)為1，再加上需要完整性保護(hù)驗(yàn)證的消息本身，這樣便能計(jì)算出MAC-I，與消息本身所攜帶的MAC進(jìn)行對比，如果一致，則完整性保護(hù)驗(yàn)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(hù)驗(yàn)證，步驟同上；

　　步驟11之后的AS信令數(shù)據(jù)完整性保護(hù)驗(yàn)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。

　　5 結(jié)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(xì)介紹了加密和完整性保護(hù)原理，然后給出了基于LTE空中接口實(shí)現(xiàn)解密和完整性保護(hù)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方法，本文方法能用于LTE空中接口監(jiān)測類設(shè)備的研發(fā)，并且能為基于空中接口的各種無線監(jiān)測類設(shè)備的研發(fā)提供思路。

　　參考文獻(xiàn)

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

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

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第33頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。