LTE中密钥生成算法SFHA－256的优化
2014-09-18李小文邵明苗
李小文，邵明苗
(重庆邮电大学通信与信息系统，重庆 400065)
1 LTE系统中的密钥派生体系
由于LTE移动通信系统采用了扁平化的无线接入网框架，使得eNodeB处于一个不被完全信任的区域。同时，由于网络技术的日益发展、网络环境的日益开放，使得信息在传输时遭遇到越来越多、不可预知的安全威胁，所以LTE系统提出了基于分层的安全结构:
1)接入层安全:主要执行用户接入鉴权和密钥加密协商、RRC层信令的加密和完整性保护、用户数据的加密保护等。
2)非接入层安全:主要执行用户接入鉴权、NAS信令的加密和完整性保护等。
同时，LTE中引入分层密钥体系，优势在于对不同的目的使用不同的密钥，可以最大限度地降低泄密密钥带来的安全风险。
LTE移动通信系统中的密钥派生体系见图1，其中密钥K为AUC(网络端鉴权中心)和USIM中共享的总密钥。CK、IK是HSS与USIM在EPS－AKA(演进的分组系统认证和密钥协商)过程中生成的加密与完整性保护密钥。KASME是HSS与UE根据CK、IK生成的安全性密钥。KASME的派生子密钥KNASint、KNASenc分别用于UE与MME之间的非接入层信令的加密与完整性保护。KeNB的派生子密钥KRRCint、KRRCenc、KUPenc分别用于UE与eNodeB实体中RRC信令的加密、RRC信令的完整性保护、用户数据的加密。参数NH用于在切换过程中更新KeNB。
图1 LTE移动通信系统中的密钥派生体系
这些密钥的生成都是基于SHA－256核心算法。为了加强LTE中的安全性，文章将对此算法进行优化。
2 密钥生成算法
2.1 SFHA－256 算法介绍
SFHA－256算法是基于Generic 3C－Hash结构(图2)。首先数据流经过基于M－D结构的f函数的处理，再将输出结果利用ZPAD进行填充，最后f'函数的输出作为f函数的输入。需要注意的是3C结构需要进行2次填充，一次是对初始数据流的填充，一次是利用ZPAD进行填充。
本文中，+表示进行模为232的加法;⊕表示异或;A＜＜＜s表示字符串左移sbit。
图2 Generic 3C－Hash算法结构
1)填充
首先在数据流的末尾添加1 bit的1，然后再添加0，直到信息的长度对512求余是448，余下的64 bit填充为原始输入数据流的长度。
2)轮函数
SFHA－256的轮函数包括两部分:f和f'(图3)。f包括两个平行分支:Branch1和Branch2。因此攻击者如果想破解该算法就需要同时破解这两个函数，从而提高了密钥的安全性。其中f'只包括f的一个分支。
令CVi=［A，B，C，D，E，F，G，H］，它的初始值CV0如下:
图3 未优化的SFHA－256轮函数框图
A0=6A09E667，B0=BB67AE85，C0=3C6EF372，D0=A54FF53A，E0=510E527F，F0=9B05688C，G0=1F83D9AB，H0=5BE0CD19。
每个连续的512 bit的信息块M被分成16块，每块32 bit，依次为M0，M1，…，M15。每个分支的计算公式为
其中M的排序顺序如下:
3)算法步骤
未优化的SFHA－256算法结构如图4所示。
图4 SFHA－256算法结构
1)图4中，输出变量的值为
2)s*的说明
当K=0 时，s1=5，s2=9，s3=3，s4=11，s5=8，s6=13，s7=7，s8=10。
当K=1，2，3 时，有
3)β*的说明
在Branch1中用到的常量如下:
［β0，β1，…，β15］=［428A2F98，71374491，B5C0FBCF，E9B5DBA5，3956C25B，59F111F1，923F82A4，AB1C5ED5，D807AA98，12835B01，243185BE，550C7DC3，72BE5D74，80DEB1FE，9BDC06A7，C19BF174］。
在Branch2中顺序是相反的。
整个未优化的SFHA－256算法的结构框图如图5所示。
图5 未优化的SFHA－256算法结构
由于未优化的SFHA－256算法是基于3C结构的算法，而SHA－256算法是基于M－D结构的，因此SFHA－256算法能够更好地防御碰撞攻击和多模块攻击。同时由于SFHA－256的压缩模块有两个平行的分支，使得攻击者很难能同时破解两个分支。轮询因子的变化能更好地避免冲突，而SHA－256中的轮询因子是固定的。
未优化的SFHA－256的缺点:由于f'只包括f的一个分支，显然存在部分算法重复的嫌疑，因此需要对该部分算法进行改进。
2.2 改进
函数f'的改进方法为:
1)第k步的输入被分成8个32 bit的字:Ak，Bk，Ck，Dk，Ek，Fk，Gk，Hk。
2)第k+1步的计算过程如下:
其中s*的说明如下:
当K=0 时，s1=5，s2=9，s3=3，s4=11，s5=8，s6=13，s7=7，s8=10。
当K=1，2，3 时，有
3 仿真分析
雪崩效应是指一种不稳定的平衡状态，也是加密算法的一种特征，它指明文或密钥的少量变化会引起密文的巨大变化，可以用来评估密钥的抗冲突性。
抗冲突性可通过改变1 bit输入数据来观察输出散列值变化的位数来衡量。输入数据差异越小，输出散列值差异越大，这说明冲突的可能性越小，抗冲突能力越强。均匀分布SFHA－256指哈希码中0和1的比例，0/1越接近0.5安全性越好。下面从抗冲突性和均匀分布这两方面来评估SFHA－256和优化的SFHA－256的性能。
1)设置基础输入数据=“abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdefghijkl”，对应的十六进 制 为 0x61626364， 0x65666768， 0x696A6B6C，0x6D6E6F70， 0x71727374， 0x75767778， 0x797A6162，0x63646566， 0x6768696A， 0x6B6C6D6E， 0x6F707172，0x73747576，0x7778797A。
2)按照如下规则改变基础输入数据的1 bit，产生32组不同的输入数据序input1～input32:
(1)input1～input8:基础输入数据为01100001，从高位到低位每次改变1 bit，其他位不变。
(2)input9～input16:基础输入数据为01100110，从高位到低位每次改变1 bit，其他位不变。
(3)input17～input24:基础输入数据为01101100，从高位到低位每次改变1 bit，其他位不变。
(4)input25～input32:基础输入数据为01110000，从高位到低位每次改变1 bit，其他位不变。
3)仿真结果
仿真分析:仿真图6中x轴代表input的编号，y轴代表输入信息改变1 bit所造成的输出变化位数与改变前输出变化位数差值。在上述32组散列值中，SFHA－256变化位数的均值是126.419，而优化的SFHA－256变化位数的均值是129.064，说明优化的SFHA－256算法具有更好的抗冲突能力。
仿真分析:如图7所示的24组散列值中，在优化的SFHA－256算法中，0和1出现的概率更逼近0.5，说明优化的SFHA－256算法具有更好的均匀分布性能。
图7 均匀分布仿真图
综上所述，在LTE当中利用优化的SFHA－256作为密钥生成的核心算法能够更好地保证用户数据的安全性。
4 小结
在对LTE安全性的研究中，发现当前用于生成各密钥的SFHA－256算法在防止攻击方面有一定的缺陷，因而对SFHA－256算法进行了一定的优化，并输入24组输入数据进行仿真。通过对仿真结果进行分析表明，优化的SFHA－256在抗冲突性和均匀分布方面有更好的表现，因此在“TD－LTE射频一致性”项目的后续开发中将使用该算法，并尽可能地优化。
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