基于LTE系统的SNOW3G密算法研究*

2010-08-09张洪铭何登平

电视技术 2010年12期

张洪铭，何登平，2

（1.重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065；2.重庆信科设计有限公司，重庆 400065）

责任编辑:孙卓

1 引言

第二代移动通信系统是中国主要应用的通信系统，目前，全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）已成为全球第一大网，如此庞大的系统，其安全性不容忽视。虽然比起模拟移动通信系统，GSM在安全方面具有很多改进，但是随着系统规模的扩大，其受到越来越多的攻击，由于加密算法自身存在一些缺陷，使得其中一些攻击很具威胁性。LTE系统出于对安全性的考虑采用了SNOW3G加密算法，该算法优于TD-SCDMA中采用的KASUMI算法。

2 SNOW3G加密算法

PDCP层主要用于数据的头压缩、加密和完整性保护，而SNOW3G加密算法就是PDCP层采用对数据进行加密的主要算法。通过接收RRC层配置的加密参数来对通过PDCP层的数据进行加密处理[1]。

2.1 加密过程概述[2-3]

在正常的RRC连接建立完成并且通过层三消息鉴权完毕后，启动安全模式命令，EUTRAN向UE发送消息SecurityModeCommand，如图1所示。

图1 安全模式命令

UE首先导出参数KeNB和消息SecurityModeCommand中给出的KRRCint，要求底层使用消息 Security Mode Command中给出的完整性算法和参数KRRCint校验消息SecurityModeCommand的完整性，当该消息通过完整性校验后，UE存储消息SecurityModeCommand中的值nextHopChainingCount，并导出加密算法和关于加密算法的参数KRRCenc，KUPenc。最后配置底层使用已选定的加密算法、KRRCenc和KUPenc，对随后的数据进行加密处理，并激活AS层的安全，向EUTRAN发送消息SecurityModeComplete。

2.2 SNOW3G加密算法说明[4]

1）功能函数说明

（1）MULX（V，c）。该函数用于将 16 bit映射成为 8 bit，映射过程为:如果 V 的最高位为 1，则 MULX（V，c）=（V<<81⊕c）；否则 MULX（V，c）=（V<<81）。其中，V 和 c 均为十六进制数 0xXX（即 8 bit），<

（2）MULXPOW（V，i，c）。该函数用于将 16 bit和一个正整数i映射成8 bit，V和c为8 bit输入，映射过程为:如果 i为 0，MULXPOW（V，i，c）=V；否则，MULXPOW（V，i，c）=MULX（MULXPOW（V，i，c），c）（i>1，该函数递归）。

（3）S-boxes S1。该函数映射一个32 bit输入成为一个 32 bit输出，w=w0||w1||w2||w3（本处为 R1，||代表连接符），32 bit输入以 w0 开头，w3 结尾。S1（w）=r0||r1||r2||r3，以 r0开头，r3结尾。

（4）S-boxes S2。该函数映射一个32 bit输入成为一个 32 bit输出，w=w0||w1||w2||w3（本处为 R2），32 bit输入以 w0开头，w3 结尾。 S2（w）=r0||r1||r2||r3，以 r0开头，r3结尾。

（5）MULa（c）。该函数映射 8 bit成为 32 bit，c 为 8 bit输入，则定义为:MULa（c）=MULXPOW（c，23，0xA9）||MULXPOW（c，48，0xA9）||MULXPOW（c，239，0xA9）。

（6）DIVa（c）。该函数映射 8 bit成为 32 bit，c 为 8 bit输入，则定义为 :DIVa（c）=MULXPOW（c，16，0xA9）||MULXPOW（c，6，0xA9）||MULXPOW（c，64，0xA9）。

（7）FSM（Finite State Machine）。该函数有 2 个输入字s15和s5，其来自 LFSR，产生一个 32 bit输入字 F，则 F=（s15R1）⊕R2（代表整数和模232），然后寄存器更新数据。计算中间值r过程为:r=R2（R3⊕s5），令R3=S2（R2），R2=S1（R1），R1=r。

2）结构说明

（1）线性反馈移位寄存器（LFSR）。LFSR包括s0，s1，s2，…，s15，每部分 32 bit。

（2）有限状态机（FSM）。FSM包含R1，R2和R3三个32 bit寄存器。S-boxes S1和S-boxes S2更新寄存器R2和R3。

2.3 SNOW3G加密算法的实现

SNOW3G是一种面向字的流加密算法，根据输入的128 bit密钥key和初始变量IV来计算密钥流。密钥流由一系列的字组成，每个字为32 bit，产生的密钥流与明文进行异或，从而达到对明文进行加密的目的[5]。算法实现的设计思想为:

SNOW3G加密算法需要的输入有COUNT-C，BEARER，DIRECTION，CK，LENGTH 和 IBS，而输出为OBS。该算法主要由功能函数、LFSR、FSM和计时操作组成。实现过程主要包括初始化过程和密钥流（Key Stream）生成过程。

在初始化过程之前，LFSR的s0～s15值均为0，有限状态机R1，R2和R3也为0。在初始化过程开始后，有限状态机的状态均设置为0，而LFSR各个部分的状态由输入参数K和IV来决定，其计算过程为:

LFSR设置完毕后，循环32次，完成最后对LFSR和FSM的赋值，此时初始化过程完毕，具体过程如图2所示。

初始化过程完毕后进入密钥流生成过程，在此过程中FSM的输出不再进入LFSR，而是作为整体的输出。第一次输出将会被丢弃，其后的输出就作为密钥流参加明文的加密过程（即密钥流与明文进行异或运算）。密钥流也以32 bit字的形式输出，输出字的个数由参数LENGTH来决定，去算法为 L=「LENGTH/32」[3]，如图 3 所示。

2.4 SNOW3G加密算法程序上的实现与测试

程序主要包括3个部分:头文件、用户函数文件和主函数。其中头文件主要声明自定义的数据类型和用户函数；用户函数文件主要用于定义自定义函数的函数体；主函数完成算法的密钥流生成。密钥流生成后与明文进行异或运算，即可完成加密功能。该算法的函数调用框图如图4所示，大括号后的函数为被调用的用户自定义函数。

根据测试规范的要求[6-8]，当Key:2B D6459F 82 C5 B300952C 49104881 FF 48，IV:EA 024714 AD 5C 4D 84 DF 1F 9B 251C 0B F45F，密钥流的输出为Z1:AB EE 9704，Z2:7A C31373。

在VC环境下运行SNOW3G加密算法程序的结果如图5所示。

该算法的输入与输出与测试规范相同，正确完成密钥流的生成。将密钥流与明文（IBS）进行异或运算，即可得到密文（OBS）。

3 小结

描述了SNOW3G加密算法在通信系统中的应用，并对其实现过程、程序调用流程、结构体系作了深入分析。并且通过了基于TTCN标准[9-10]的软件对所实现的程序进行了测试。由于系统的复杂性，以后需要对各个模块不断地进行改进和测试，以提高和完善功能。

[1]3GPP TS 36.323 V8.5.0，Packet Data Convergence Protocol （PDCP）specification[S].2009.

[2]RRC protocol specification[EB/OL].[2009-03-19].http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/36.331/36331-870.zip.

[3]皮埃尔，蒂埃里.演进分组系统（EPS）:3G UMTS的长期演进和系统结构演进[M].李晓辉，崔伟，译.北京:机械工业出版社，2009.

[4]Specification of the 3GPP confidentiality and integrity algorithms UEA2&UIA2.Document 2:SNOW 3G Specification[EB/OL/].[2010-03-19].http://gsmworld.com/documents/snow_3g_spec.pdf.

[5]Specification of the 3GPP confidentiality and integrity algorithms UEA2&UIA2.Document 1:UEA2&UIA2 Specifications[EB/OL/].[2010-03-19].http://gsmworld.com/documents/etsi_sage_06_09_06.pdf.

[6]Specification of the 3GPP confidentiality and integrity algorithms UEA2&UIA2 Document 3:Implementor′s Test Data[EB/OL/].[2010-03-19].http://gsmworld.com/documents/uea2_uia2.pdf.

[7]Specification of the 3GPP confidentiality and integrity algorithms UEA2&UIA2 Document 4:Design Conformance Test Data[EB/OL/].[2010-03-19].http://gsmworld.com/documents/conformance.pdf.

[8]Specification of the 3GPP confidentiality and integrity algorithms UEA2&UIA2.Document 5:Design and Evaluation Report[EB/OL/].[2010-03-19].http://gsmworld.com/documents/uea2_design_evaluation.pdf.

[9]3GPP TS 36.523，Protocol conformance specification[S].2009.

[10]3GPP TS 33.401 V8.50，3GPP System Architecture Evolution（SAE）；“Security architect”[S].2009.