电子产品世界

　　王嘉嘉，杨传伟，吴 磊，宋加齐(中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233000；中电科仪器仪表(安徽)有限公司，安徽 蚌埠 233010；电子信息测试技术安徽省重点实验室,安徽 蚌埠 233010)

　　摘 要：针对3GPP LTE标准，研究了LTE系统安全体系架构。首先介绍了LTE系统中的密钥层次架构，针对加密和完整性保护过程分别进行了详细介绍，然后基于LTE空中接口对解密和完整性保护验证方法进行了设计和详细分析，最后对方法和适用场景作出总结。

　　关键词：LTE；加密；完整性保护

　　*文章由安徽省重点研究和开发计划项目(1804a09020042)，国家科技重大专(2017ZX03001021) 资助

　　[作者简介] 王嘉嘉(1984—)，男，高级工程师，主要从事移动通信测试技术研究。E-mail:251799120@qq.com

　　0 引言

　　随着LTE移动通信技术的飞速发展和普及，移动通信越来越深入到人们的日常生活，因此，移动通信安全也越来越受到人们的关注。基于LTE空中接口对无线信号的监测，也成为安全部门、设备厂商、高校等机构的研究方向。本文对基于LTE空中接口的解密和完整性保护验证方法进行设计，为相关研究提供了方法和思路。

　　1 LTE系统密钥层次

　　LTE系统采用两层安全保护机制：第1层为E-UTRAN中的无线资源控制（RRC）层安全和用户层安全，即接入层（AS）安全；第2层为演进型分组核心网（EPC）中的安全，即非接入层（NAS）安全 ^[1] ，具体体现为LTE系统密钥层次架构 ^[2] ，如图1所示。

　　图1中，K是所有密钥生成算法的基础，即根密钥；CK和IK是在鉴权过程中生成的密钥对，即加密密钥和完整性保护密钥；K _ASME 是根据CK和IK生成的中间密钥，用于推演下层密钥；K _NASenc 是用于NAS层加密的密钥；K _NASint 是用于NAS层完整性保护的密钥；K _eNB 是根据K _ASME 生成的中间密钥，用于推演下层密钥；K _UPenc是用于AS层用户面数据加密的密钥；K _RRCint 是用于AS层RRC信令完整性保护的密钥；K _RRCenc 是用于AS层RRC信令加密的密钥 ^[3] 。

　　2 加密和完整性保护原理

　　2.1 加密过程

　　加密过程 ^[2] ，如图2所示。发送端利用加密密钥KEY、计数器COUNT、承载标识BEARER ID、上下行方向DIRECTION和密钥流长度LENGTH作为加密算法输入参数，根据选择的加密算法计算出密钥流，与明文进行异或生成密文，发送给接收端 ^[1] 。

　　接收端利用与发送端相同的加密密钥、计数器、承载标识、上下行方向、密钥流长度和加密算法，计算出密钥流，与接收到的密文进行异或生成明文 ^[1] 。

　　2.2 完整性保护过程

　　完整性保护过程 ^[2] ，如图3所示。发送端利用完整性密钥KEY、计数器COUNT、承载标识BEARER ID、上下行方向DIRECTION和消息本身作为完整性保护算法输入参数，根据完整性保护算法计算出完整性校验码MAC-I，发送端将消息本身和MAC-I一起发送给接收端 ^[1] 。

　　接收端利用与发送端相同的完整性保护密钥、计数器、承载标识、上下行方向、完整性保护算法和接收到的消息本身，计算出完整性校验码XMAC-I，与接收到消息中的MAC-I进行比较，若一致，则认为接收到的消息是原始发送的消息 ^[1] 。

　　3 解密和完整性保护验证设计

　　3.1 解密方法设计

　　本文基于LTE空中接口，解密方法设计如下：

　　步骤1通过RRC连接建立消息 ^[4] ，获取其中携带的参数rb-Identity，参数AS BEARERID=rb-Identity-1。

　　步骤2通过鉴权请求消息 ^[5] ，获取其中携带的参数RAND，鉴权请求消息如图4所示。

　　步骤3利用根密钥K和RAND，计算出CK和IK；利用CK和IK，计算出K _ASME ；利用K _ASME ，计算出K _NASenc 和K _eNB ；利用K _eNB ，计算出K _UPenc 和K _RRCenc ；当对NAS消息解密时，参数NAS KEY=K _NASenc ；当对AS RRC消息解密时，参数AS KEY=K _RRCenc ；当对AS用户数据解密时，参数AS KEY=K UPenc ；其中，密钥推演算法为KDF ^[2] 算法。

　　步骤4通过NAS安全模式命令消息 ^[5] ，获取其中携带的参数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图5所示。

　　步骤5通过之后的NAS消息，获取其中携带的参数NAS SN，参数NAS COUNT=0x00 || NAS OVERFLOW|| NAS SN，其中||表示比特级联，NAS OVERFLOW为NAS SN的溢出计数器 ^{[2] [5]} ，对于上下行，NAS COUNT分别维护。

　　步骤6经过以上步骤，已经确定NAS KEY、NASCOUNT和NAS加密算法，另外，NAS BEARER ID=0，NAS DIRECTION上行时为 0 ， 下 行 时 为 1 ， N A SLENGTH=128，这样便能够计算出密钥流，与密文异或，实现对NAS消息的解密。

　　步骤7通过RRC安全模式命令消息 ^[4] ，获取其中携带的参数AS加密算法，其值包括EEA1、EEA2和EEA3，RRC安全模式命令消息如图6所示。

　　步骤8通过之后的PDCP PDU，获取其中携带的参数PDCP SN，参数AS COUNT=HFN || PDCP SN，其中HFN为超帧号 ^[6] ，对于上下行，AS COUNT分别维护。

　　步骤9：经过以上步骤，已经确定AS BEARER ID、AS KEY、AS COUNT和AS加密算法，另外，AS DIRECTION上行时为0，下行时为1，ASLENGTH=128，这样便能够计算出密钥流，与密文异或，实现对AS数据的解密。

　　步骤10之后的NAS消息解密，步骤同上；

　　步骤11之后的AS信令数据和用户数据解密，需要先通过RRC连接重配消息 ^[4] 获取其中携带的rb-Identity，用rb-Identity-1更新参数AS BEARER ID，其余步骤同上。

　　3.2 完整性保护验证方法设计

　　本文基于LTE空中接口，完整性保护验证方法设计如下：

　　步骤1~2同解密方法。

　　步骤3利用根密钥K和RAND，计算出CK和IK；利用CK和IK，计算出K _ASME ；利用K _ASME ，计算出K _NASint 和K _eNB ；利用K _eNB ，计算出K _RRCint ；当对NAS消息完整性保护验证时，参数NAS KEY=K _NASint ；当对AS RRC消息完整性保护验证时，参数AS KEY=K _RRCint ；其中，密钥推演算法为KDF算法。

　　步骤4通过NAS安全模式命令消息，获取其中携带的参数NAS完整性保护算法，其值包括128-EIA1、128-EIA2和128-EIA3。

　　步骤5同解密方法。

　　步骤6经过以上步骤，已经确定NAS KEY、NASCOUNT和NAS完整性保护算法，另外，NAS BEARERID=0，NAS DIRECTION上行时为0，下行时为1，再加上需要完整性保护验证的消息本身，这样便能计算出MAC-I，与消息本身所携带的MAC进行对比，如果一致，则完整性保护验证通过，否则，说明消息被篡改。

　　步骤7通过RRC安全模式命令消息，获取其中携带的参数AS完整性保护算法，其值包括EIA1、EIA2和EIA3。

　　步骤8同解密方法。

　　步骤9经过以上步骤，已经确定AS BEARER ID、AS KEY、AS COUNT和AS完整性保护算法，另外，ASDIRECTION上行时为0，下行时为1，再加上需要完整性保护验证的消息本身，这样便能计算出MAC-I，与消息本身所携带的MAC进行对比，如果一致，则完整性保护验证通过，否则，说明消息被篡改。

　　步骤10之后的NAS消息完整性保护验证，步骤同上；

　　步骤11之后的AS信令数据完整性保护验证，需先通过RRC连接重配消息获取其中携带的rb-Identity，用rb-Identity-1更新参数AS BEARER ID，其余步骤同上。

　　5 结论

　　本文首先介绍了LTE系统中的密钥层次，各种密钥的作用，详细介绍了加密和完整性保护原理，然后给出了基于LTE空中接口实现解密和完整性保护验证的设计方法，本文方法能用于LTE空中接口监测类设备的研发，并且能为基于空中接口的各种无线监测类设备的研发提供思路。

　　参考文献

　　[1] 王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

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

　　[3] 王嘉嘉，杨传伟.LTE鉴权机制及实现[J].电子产品世界，2015.22(11):27-28.

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

　　[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).

　　本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2019年第12期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 201912 LTE 加密 完整性保护