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TD-LTE接入層安全性設計與實現(xiàn)
來源：電子技術應用2012年第4期
陳發(fā)堂1, 李 靜1, 韓 寧2
1. 重慶郵電大學 通信與信息工程學院, 重慶400065; 2. 成都電子科技大學 通信學院, 四川 成都610054
摘要： 在研發(fā)時分-長期演進（TD-LTE）無線終端綜合測試儀時，一致性測試有著非常重要的作用?；诖?，選用規(guī)范描述語言（SDL）與樹表描述語言TTCN（Tree Tabular Combine Notation）對接入層安全性的設計進行了仿真測試，提出了一種基于SDL+TTCN的測試方法。最后采用ARM Workbench IDE編譯軟件在ARM1176JZF-S芯片上對測試后的效果進行了驗證。
中圖分類號： TN929
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)04-0137-04
Security design and its realization of access stratum for TD-LTE
Chen Fatang1, Li Jing1, Han Ning2
1.College of Communications and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2. College of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
Abstract： It is very important that the protocol conformance testing in protocol implementation. As the TD-LTE wireless terminal tester must be designed in accordance with the protocol specifications, so this paper selects the SDL and TTCN to testing the security of the AS, and proposes a testing way that based on SDL and TTCN. At last, this paper checks the truth of the testing result on the chip of the ARM1176JZF-S in the ARM Workbench IDE compiling software.
Key words : conformance testing; the security of the AS; SDL; TTCN

    隨著電信領域內通信標準的應用越來越普遍[1]， 通信軟件的應用及研發(fā)也更加廣泛且深入，所以驗證軟件的標準性以及健壯性就顯得尤為重要。對于LTE協(xié)議棧而言，為保證通信軟件協(xié)議棧的實現(xiàn)質量，必須對該軟件進行協(xié)議一致性測試。協(xié)議測試其實是一種典型的黑盒測試，它包括4個方面：一致性測試、互操作性測試、堅固性測試和性能測試。

    對于LTE系統(tǒng)而言。安全性包括接入層AS(Access Stratum)和非接入層NAS(Non-Access Stratum)兩個層次[2-3]，而接入層安全性相對而言更加重要。LTE系統(tǒng)主要提供兩種有效的安全性功能——加密和完整性保護。而安全性的實現(xiàn)必須使用相應的算法，在幾種主流的分組密碼算法中，AES算法具有以下特點：(1)采用了128 bit的長密鑰，使其難以被破解； (2)非線性度和復雜度相對較高； (3)能抗擊截短差分攻擊和滲透攻擊；(4)加密速度快。因此在LTE中采用AES算法最合適。本文從接入層安全性流程的實現(xiàn)著手，編寫測試例[4-5]，通過消息時序圖（MSC）、跟蹤文檔并結合程序來檢查和驗證網絡端接入層安全性的實現(xiàn)程序。
1 接入層安全性過程概述
    接入層安全性主要是在PDCP(Packet Data Convergence Protocol)層實現(xiàn)[6]，PDCP層通過接收高層的安全配置信令，進入相應的狀態(tài)后才能對數(shù)據和信令進行加密及完整性保護，在正常的RRC(Radio Resource Control)連接建立完成并且通過層三的鑒權完成后，啟動接入層的安全模式命令。網絡端首先獲得由非接入層的AKA(Authentication and Key Agreement)過程產生的密鑰KASME，然后RRC由該參數(shù)計算得到KeNB,再由KeNB計算得到控制平面的完整性保護密鑰KRRCint，以及用戶平面和控制平面加密需要的密鑰KUPenc、KRRCenc，再組裝成安全模式命令（SecurityModeCommand），發(fā)送給終端，配置終端的安全性參數(shù)。當網絡端發(fā)出SecurityModeCommand消息后開始對下行數(shù)據進行加密，終端的PDCP層接收到SecurityModeCommand消息后，先將其送到RRC進行解碼操作，得出網絡端配給終端的完整性保護算法，再將完整性保護算法和相應的密鑰發(fā)給PDCP層，PDCP就可以對SecurityModeCommand消息進行完整性校驗。如果沒有通過完整性校驗，則向網絡端發(fā)送安全模式失?。⊿ecurityModeFailure）；如果通過,則取出里面包含的加密算法，并向網絡發(fā)送安全模式完成（SecurityModeComplete）消息，對其進行完整性保護但是不加密，自此后開始對上行數(shù)據加密，下行數(shù)據解密。網絡端收到該消息后開始對上行數(shù)據解密，安全性建好后，開始對信令進行完整性保護。
2 安全性算法的研究與實現(xiàn)
    接入層的安全性是通過加密算法和完整性保護算法來實現(xiàn)。AES算法是一種塊運算算法，其運算速度快、效果比較好，可以由此延伸出128-EEA加密算法和128-EIA完整性保護算法[8]。
2.1 128-EEA算法描述
    加密的目的是確保即使數(shù)據被第三方接收到，也無法正確解碼。對于控制平面，被加密的數(shù)據單元僅是PDCP SDU的數(shù)據部分和MAC－I；對于用戶平面，被加密的數(shù)據單元是PDCP SDU的數(shù)據部分。
    (1) RRC配置的輸入參數(shù)
　 Count：長度32 bit，它由一個 HFN和PDCPSN組成,PDCP SN 的長度由RRC配置。
　  BEARER：長度5 bit，由RRC向PDCP提供一個對應的rbIdentity值減1后轉化為一個5 bit的二進制數(shù)（高位用0來填充）而得。
　  DIRECTION：長度1 bit，表示傳輸方向：比特0表示為UL，比特1表示為DL。
    LENGTH：進行加密的消息的長度。
    KUPenc和KRRCenc：長度128 bit，是一個密鑰，僅用于一個特定加密算法來保護UP業(yè)務。該密鑰被UE和eNB使用，通過KDF將KeNB及其加密算法的ID生成的。
    (2) 算法流程
    ①生成Counter Block：將RRC所配置的參數(shù)Count、BEARER、DIRECTION組成長度為128 bit的數(shù)據流Tn,即：Tn = Count [0]...Count [31]│BEARER [0]...BEARER[4]│DIRECTION│026 (i.e. 26zero bits) | Mn。
    ②生成Keystream Block：密鑰Key與Tn進行AES(Key，Tn)計算，計算結果Kn。即：Kn = AES(Key，Tn)。
　 ③生成所需要的加密文件CipherText:密文Cn的產生則根據：Cn=(Kn) ORX (Pn)。
2.2 128-EIA算法描述
　 完整性保護功能包括完整性保護和完整性驗證。發(fā)送端將數(shù)據和一定的輸入參數(shù)經過EIA算法，得出一個32 bit的MAC值，然后將這個MAC值隨著數(shù)據一起發(fā)送到接收端，接收端通過同樣的方法也得出一個XMAC值，然后比較這兩個值是否一致,如果一致，則完整性驗證成功；否則，完整性驗證失敗。完整性保護將只用于信令單元和數(shù)據單元的PDCP頭,且在PDCP SDU的數(shù)據部分加密之前執(zhí)行。
  
3 測試設計過程
    SDL是一種描述系統(tǒng)行為的語言，其具有以下特點：(1)說明系統(tǒng)的功能；(2)描述系統(tǒng)的內部結構和行為；(3)因為其描述生成的C代碼（或嵌入的C代碼）可以直接再在目標板上運行，因此可以大大縮短開發(fā)周期。因而在有關協(xié)議棧的通信軟件的開發(fā)過程中，SDL有著廣泛的應用，可以用于協(xié)議工程的各個階段。
    在對TD-LTE無線終端綜合測試儀接入層安全性協(xié)議實現(xiàn)的過程中，設計了如圖1所示的SDL進程。PDCP層在DAM、DUM、SAM三種狀態(tài)中轉換，當釋放掉某個PDCP實體后，進入空狀態(tài)，等待著RRC去配置進入某個狀態(tài)。因為僅僅只有SRB需要完整性保護，因此在DAM狀態(tài)下設計了加密過程，而在SAM狀態(tài)下設計了完整性保護過程。當RRC配置PDCP進入SAM狀態(tài)后，PDCP通過原語CPDCP_SECURITY_REQ來接收RRC配置的安全性信息，如完整性保護算法和密鑰，RRC再通過原語CPDCP_DATA_REQ發(fā)送信令到PDCP進行完整性保護，PDCP再將經過處理后的數(shù)據通過原語RLC_AM_DATA_REQ傳給RLC層。當RRC配置PDCP進入DAM狀態(tài)后，PDCP利用以前接收的加密密鑰（假設PDCP沒有經過重建）對接收到的數(shù)據進行加密處理。BC通過原語CPDCP_DATA_REQ將高層的數(shù)據傳到PDCP層進行加密處理，PDCP再將處理后的數(shù)據通過原語RLC_AM_DATA_REQ傳給RLC層。DUM狀態(tài)類似于DAM狀態(tài)，在此就不再贅述。
4 測試仿真結果
    將編寫好的C代碼嵌入到SDL軟件中，再根據圖1的信號流程圖，結合由TTCN寫的測試案例，得到圖2的仿真結果圖。可以看出仿真結果和信號流程圖以及TTCN測試的數(shù)據完全吻合，所以完全正確地驗證了設計的接入層安全性過程及流程。

 

 

    在對幾種主流的分組密鑰算法的對比研究的基礎上發(fā)現(xiàn)AES算法具有很好的抗攻擊能力和很高的復雜度，從而在LTE中將其作為安全性的核心算法。本文設計了實現(xiàn)接入層安全性的流程圖及信號流程，最后通過一系列的測試驗證了流程的正確性。還使用了ARM編譯軟件在芯片ARM1176JZF-S上結合其他各層實現(xiàn)單步測試，測試的流程圖和在各內存中的數(shù)據都完全正確。該接入層安全性的設計方案對今后類似的設計場合有一定推廣價值。
參考文獻
[1] 沈嘉等.3 GPP長期演進（LTE）技術原理與系統(tǒng)設計[M]. 北京：人民郵電出版社, 2008.
[2] 3GPP TS 36.300 V9.0.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network[S].2009.12.
[3] 3GPP TS 36.331 V9.0.0, Radio Resource Control Protocol  Specification[S].2009.12.
[4] 3GPP TS 24.301 V9.0.0, Non-Access-Stratum protocol for Evolved Packet System [S].2009.12.
[5] 3GPP TS 33.401 V9.0.0、V9.2.0, System Architecture Evolution[S].2009.12.
[6] European Telecommunications Standards Institute (ETSI)/SAGE(Version:1.1).Specification of the 3GPP Confidentiality and Integrity Algorithms UEA2 & UIA2[S]. 2006.
[7] 3GPP TS 36.323 V9.0.0,Packet data convergence protocol (PDCP) specification[S]. 2009.
[8] National Institute of Standards and Technology(NIST).Federal Information Processing Standards Publications (FIPS PUBS)197, Advanced Encryption Standard(AES)[S]. 2001.

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