LTE - Security（加密保护算法）(8)

根据ZUC算法生成L=?LENGTH/32?+2 个字的密钥流。记作：z[0], z[1], ?, z[32×L-1]。其中，z[0]是ZUC输出的第一个字的最高有效位，z[31]是最低有效位。

对于i=0,1,2,?,32×(L–1)，zi = z[i] ║z[i+1] ║?║z[i+31]，Zi 表示一个32位字。

3.1.6.6.4 计算MAC

T是一个32位的字，令T=0。

对于i=0,1,2,?,LENGTH-1，如果M[i]=1，则：

T=T?Zi。

令T=T?ZLENGTH。 最终，得到MAC，如下： MAC= T?Z32×(L-1)。 3.1.6.7 EEA3算法实现

加密算法128-EEA3是一种使用密钥对数据块进行加密/解密的流加密算法。数据块的长度可以从1到65504比特。

3.1.6.7.1 输入输出

void EEA3(u8* CK,u32 COUNT,u32 BEARER,u32 DIRECTION,u32 LENGTH,u32* M,u32* C) 输入参数：

参数 COUNT BEARER DIRECTION CK LENGTH M 输出参数：

长度(bits) 说明 32 COUNT [0]…COUNT [31] 本次帧号 5 BEARER [0]…BEARER [4]承载号，rbId-1 1 DIRECTION [0]方向 128 CK [0]…. CK [127]加密密钥 32 需要加密的数据块长度，比特 LENGTH 输入明文 参数 C

长度(bits) 说明 LENGTH 输出密文 36

3.1.6.7.2 初始化

下面介绍ZUC参数如何定义：初始密钥KEY和初始向量IV是根据加密密钥CK和初始变量产生的。 CK是128比特加密密钥，其中CK[i] (0≤i≤15)是一个字节。

CK=CK[0] ║CK[1] ║CK[2] ║?║CK[15] 设置128比特初始密钥KEY为：

KEY[i]=CK[i], i=0,1,2,?,15.

COUNT是32位计数，其中COUNT[i] ( 0≤i≤3)是一个字节。 COUNT=COUNT[0]║COUNT[1]║COUNT[2]║COUNT[3] 128比特初始向量IV为：

IV = IV[0]║IV[1] ║IV[2] ║?║IV[15], 其中，IV[i] ( 0≤i≤15) 是字节。且： IV[0] = COUNT[0], IV[1] = COUNT[1], IV[2] = COUNT[2], IV[3] = COUNT[3], IV[4] = BEARER║DIRECTION║002, IV[5] = IV[6] = IV[7] = 000000002, IV[8] = IV[0], IV[9] = IV[1], IV[10] = IV[2], IV[11] = IV[3], IV[12] = IV[4], IV[13] = IV[5], IV[14] = IV[6], IV[15] = IV[7].

3.1.6.7.3 密钥流产生

根据ZUC算法生成L个字的密钥流。其中，每个字可展开为32比特，即得到二进制字符串z[0], z[1], ?, z[32×L‐1]。其中，z[0]是ZUC输出的第一个字的最高有效位，z[31]是最低有效位。对LENGTH比特的消息进行加密时，L= ?LENGTH/32?。

3.1.6.7.4 加密/解密

加密和解密操作一样，都是对输入数据流M和产生的密钥流Z进行异或操作。 M是输入比特流，长度为LENGTH，可表示为： M = M[0] ║M[1] ║M[2] ║?║M[LENGTH‐1]

C是输出比特流，长度为LENGTH，其中M[i]和C[i]均为比特，i=0,1,2,?,LENGTH‐1。

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C = C[0] ║C[1] ║C[2] ║?║C[LENGTH‐1] C[i] = M[i]?z[i]，其中：i=0,1,2,?,LENGTH‐1。

3.2 算法选择

3.2.1 初始安全上下文建立过程

E-NodeB支持的安全算法是网络通过网络管理进行配置的，包括：一个完整性算法列表和一个加密算法列表。列表中的算法根据运营商的策略进行优先级排序。AS安全上下文建立之后，MME向eNB发送UE的EPS 安全能力，随后，eNB储存UE的安全能力信息。同时，eNB根据UE的安全能力和自己本地配置的算法优先级，选择在本地配置的UE支持的优先级最高的算法，通过AS SMC消息通知UE。

3.2.2 X2切换过程中算法选择

X2切换过程中在Handover Request消息中需要将UE EPS安全能力和加密完整性保护算法（透明盒中含有源侧使用的算法）传给目标eNB。随后，目标eNB根据UE的安全能力和自己本地配置的算法优先级，选择在本地配置的UE支持的优先级最高的算法。而后，在Handover Request Response消息中通过透传盒传给源eNB，源eNB发起RRC重配置消息将透传盒通知给UE。

[注]：切换请求过程中携带选择的加密算法和完整性保护算法，用于目标eNB解密RRC重建完成消息。比如：在切换失败的情况下，如果UE向目标eNB侧小区发送RRC重建请求消息，目标eNB侧小区要根据源小区的算法UE发送SRB1：RRC重建完成消息进行解密和完整性保护。

3.2.3 S1切换过程中的算法选择

当进行S1切换时，MME将UE的安全能力信息通过HANDOVER REQUEST消息通知给目标eNB。目标eNB根据UE的安全能力和本地配置的算法优先级，选择UE的安全算法，并通过HANDOVER PREPARETION ACKNOWLEDGE消息告知源eNB，再通过源eNB的RRC连接重配置通知给UE。

4 密钥的生成和更新

4.1 HMAC-SHA256()算法

HMAC-SHA256()算法主要应用于密钥产生函数。密钥产生过程包括两步，第一步为S的生成，第二步为HMAC过程，使用HMAC-SHA256()算法进行密钥生成。

4.1.1 输入输出

输入参数：

参数

长度(bits) 说明 38

Key S 输出参数：

256bit 变长 主密钥 输入参数，详见4.1.1.1节描述 参数 输出密钥 长度(bits) 256 bit 说明 作为输出密钥，供相关加密/完整性保护算法使用 4.1.1.1 S的生成

S的生成过程如下： 输入参数：

? Pi 输入参数的编码（字节长度由Li指示）

? Li 输入参数Pi的字节长度的编码 （Li长度为2字节） ? FC 算法标识码 （长度为1字节）

各种场景下FC/ P0 ... Pn/L0... Ln的取值见4.2节。

输出参数：S （长度为1+（P0的长度+2）+（P2长度＋2）+…+（Pn长度＋2）） 输入参数和长度链接成S，方法如下： 整数j输入 KDF编码为 Pi： 将 j 用二进制编码表示；

设 n 是比特数,为8的倍数，或者与编码后的 j一致； 最低位= j 的二进制；如果j 中比特数目小于 n,余下填0。

【例1】如 Pi 是 Uplink NAS COUNT ，则 Pi 中字节数k= 4, 位长度n = 32.假设Uplink NAS COUNT 值 j = 259. 用 2进制编码 259 是 100000011, 则

Pi 为： 0000000 0000000 00000001 00000011, 即 0x00 0x00 0x01 0x03 Li 为 0000000 00000100, 即 0x00 0x04 。

【例2】 Pi， j = 259将编码为 Pi。则 259 用二进制表示为 100000011, n表示Pi的比特 16, Pi中字节数为 2。

Pi ： 00000001 00000011, 或者 0x01 0x03。 Li： 0000000 00000010, 即 0x00 0x02 。 2. S 是n+1输入参数的链接 ：

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S = FC || P0 || L0 || P1 || L1 || P2 || L2 || P3 || L3 ||... || Pn || Ln

4.1.2 HMAC过程

下图为HMAC过程的实现框图。

KIpadS(64字节)填充或hash变换如果S<64字节,则数据填充到64字节（64字节）K1K2（64字节）K3（>=64字节）opadIVK1SHA-256K2/K3连接进行SHA-256SHA-256K4K5（64字节）Out1(32字节)IVSHA-256K2/K3连接进行SHA-256SHA-256Out2(32字节)

HMAC-SHA256算法框图

步骤：

第一步、填充缓冲区:

ipad = the byte 0x36 repeated B times opad = the byte 0x5C repeated B times. 第二步、计算 数据为text的HMAC码字：

如果密钥长度大于64字节，首先进行哈希变换，以认证码字为新的密钥； H(K XOR opad, H(K XOR ipad, text))

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