LTE安全算法的研究與實(shí)現(xiàn)

華凱　楊曉非

摘 要： LTE的系統(tǒng)安全是LTE網(wǎng)絡(luò)正常工作的必要保證，它涉及到控制平面和用戶數(shù)據(jù)平面兩部分，但在協(xié)議實(shí)現(xiàn)上，面臨著跨層帶來的許多問題，如較為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和低時(shí)延的數(shù)據(jù)處理。針對上述問題，在此對LTE安全算法的原理進(jìn)行了研究，并且給出了加密和完整性保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞： 加密； 完整性保護(hù)； LTE； 密鑰生成

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0078?03

0 引 言

LTE系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的安全保護(hù)有2種：信令數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)以及對信令數(shù)據(jù)、用戶平面數(shù)據(jù)的加密保護(hù)。完整性保護(hù)是一種消息鑒權(quán)機(jī)制，用以防止非法器件攔截與修改信令消息，而加密保護(hù)是為了防止非法分子竊聽用戶數(shù)據(jù)及信令[1]。

LTE系統(tǒng)采用KDF（Key Derive Function）函數(shù)來生成加密算法和完整性保護(hù)算法所需的密鑰。在此基礎(chǔ)上制定了3種加密算法、2種完整性保護(hù)算法。下面對這3類安全算法進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。

1 KDF函數(shù)

1.1 HMAC函數(shù)

LTE利用HMAC?sha?256作為KDF函數(shù)來產(chǎn)生密鑰，HMAC是密鑰相關(guān)的哈希運(yùn)算消息認(rèn)證碼，HMAC運(yùn)算通過哈希算法生成一個(gè)消息摘要。

HMAC通過一個(gè)加密用散列函數(shù)H和一個(gè)密鑰K來進(jìn)行定義[2]。HMAC約定算法的表示意義：H表示所采用的HASH算法，K表示認(rèn)證密碼，K0表示Hash算法的密文，B表示H中所處理的塊大小，L表示Hash的大小，Opad表示Hash的大小。

HMAC運(yùn)算公式以及步驟：

1.2 SHA?256

SHA?256是一種安全散列算法，算法思想是將一段明文不可逆的轉(zhuǎn)換成一段密文。SHA?256將任意長度的消息壓縮成位數(shù)固定為256 b的Hash值。Hash一個(gè)消息要經(jīng)以下步驟（[]表示模2加，+表示模32加）：

（1） 填充消息塊，使每個(gè)消息塊的長度是512 b的整數(shù)倍；

（2） 擴(kuò)展消息。填充之后的N個(gè)長度為512 b的消息塊標(biāo)記為M（1），M（2），…，M（N），每個(gè)消息塊分為16個(gè)32 b M0（j），M1（j），…，M15（j），最后將這16個(gè)32 b消息塊擴(kuò)展式中：POTR（x，n）表示x循環(huán)右移n位；SHR（x，n）表示x右移n位。

（3） 函數(shù)更新。對于i從0～63，這里Ki是常數(shù)，取自前64個(gè)素?cái)?shù)立方根小數(shù)部分的前32 b，Ch，Maj是具有32 b字輸入，32 b字輸出的函數(shù)，然后計(jì)算第j步的Hash值，當(dāng)j=N時(shí)的Hash值即為sha-256的Hash值。

2 加密算法

LTE規(guī)范中指出LTE的UE端、eNB端和MME端都應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下3種加密算法，如表1所示。

表1 LTE加密算法

2.1 SNOW 3G算法

SNOW 3G加密算法的工作流程分為初始化密鑰和在時(shí)鐘周期控制下產(chǎn)生流序列2步。

2.1.1 SNOW 3G的時(shí)序操作

（1） LFSR時(shí)序操作

（2） FSM時(shí)序操作

2.1.2 SNOW 3G算法運(yùn)算過程

（1） 初始化操作

將密鑰和初始變量進(jìn)行初始化，其中密鑰和初始化變量都為128位。密鑰包含4個(gè)字段R1 R2 R3 R4，每個(gè)字段為32位。初始化變量包含4個(gè)字段IV3 IV2 IV1 IV0，每個(gè)字段為32位。設(shè)置LFSR；初始化FSM，使R1，R2和R3均為0；循環(huán)操作32次：對FSM進(jìn)行時(shí)序操作；對LFSR采用初始化模式進(jìn)行時(shí)序操作。

（2） 生成密鑰流

對LFSR利用密鑰流模式進(jìn)行一次時(shí)序操作；對下面操作循環(huán)N次（N為需要得到的N個(gè)32位輸出）：對FSM進(jìn)行一次時(shí)序操作，得到32位F；Zt = F⊕S0，得到下一個(gè)密鑰；對LFSR進(jìn)行一次時(shí)序操作，采用密鑰流模式。

2.2 AES算法

Rijndael算法的輸入有2部分，分別是明文比特流和密鑰比特流，其中明文比特流映射到4×Nb的狀態(tài)矩陣，密鑰比特流映射到4×Nk的狀態(tài)矩陣。輸出是密文比特流。Rijndael算法的核心為輪運(yùn)算，中間每輪運(yùn)算由輪密鑰加運(yùn)算、混合列變換、行移位變換、字節(jié)替代變換組成。運(yùn)算的輪數(shù)Nr是由Nb和Nk決定的。在當(dāng)前的LTE系統(tǒng)中，均采用128 b的明文和128 b的密鑰的分組方式，即Nb=4和Nk=4，所以執(zhí)行的輪變換次數(shù)為10次[6?8]。如圖1所示。

2.3 128位加密算法

發(fā)送方將各個(gè)輸入?yún)?shù)輸入到加密算法中，產(chǎn)生KEYSTREAM BLOCK，然后與明文逐比特異或，得到密文。接收方使用相同的輸入?yún)?shù)，利用同樣的加密算法得到KEYSTREAM BLOCK，再與密文相異或，得到明文。在基站端和終端使用完全相同的加密過程。整個(gè)流程如圖2所示。

輸入?yún)?shù)意義為：KEY表示128位加密密鑰，COUNT表示32位計(jì)數(shù)器，BEARER表示5位承載標(biāo)識，DIRECTION表示1位傳送方向標(biāo)識，LENGTH表示輸入消息長度。在LTE中，要求使用兩種加密算法128?EEA1和128?EEA2算法。

3 完整性算法

LTE規(guī)范中指出LTE的UE端、eNB端和MME端都應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下完整性算法，如表2所示。

表2 LTE完整性算法

如圖3所示，由輸入?yún)?shù)，通過完整性算法產(chǎn)生一個(gè)32位的用于完整性保護(hù)的消息認(rèn)證碼（Message Authentication Code for Integrity，MAC?I），將其連接在要發(fā)送的信息后面一起發(fā)送到接收方，接收方通過同樣的算法和輸入?yún)?shù)計(jì)算出XMAC?I（Expected MAC?I），與收到的MAC?I進(jìn)行比較校驗(yàn)消息的完整性。其中，大部分輸入?yún)?shù)與加密算法中使用的輸入?yún)?shù)相同，MESSAGE表示輸入消息BEARER?ID為無線承載ID[9?11]。

4 結(jié) 語

本文介紹了LTE加密以及完保性算法的原理以及實(shí)現(xiàn)過程，說明了KDF函數(shù)的原理，以及SNOW 3G算法，AES算法，128位加密算法等算法的實(shí)現(xiàn)過程，隨著將來4G的正式商用普及，相信這些算法會(huì)不斷的完善優(yōu)化，得到更多的運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

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4 結(jié) 語

本文介紹了LTE加密以及完保性算法的原理以及實(shí)現(xiàn)過程，說明了KDF函數(shù)的原理，以及SNOW 3G算法，AES算法，128位加密算法等算法的實(shí)現(xiàn)過程，隨著將來4G的正式商用普及，相信這些算法會(huì)不斷的完善優(yōu)化，得到更多的運(yùn)用。

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本文介紹了LTE加密以及完保性算法的原理以及實(shí)現(xiàn)過程，說明了KDF函數(shù)的原理，以及SNOW 3G算法，AES算法，128位加密算法等算法的實(shí)現(xiàn)過程，隨著將來4G的正式商用普及，相信這些算法會(huì)不斷的完善優(yōu)化，得到更多的運(yùn)用。

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