TD-SCDMA空中接口的SMC信令完整性保護功能

1 引 言
TD-SCDMA和WCDMA是目前3GPP內(nèi)進行完善的主要標準。在3GPP的各版本中，R4協(xié)議已基本穩(wěn)定，目前相關(guān)設(shè)備提供商的產(chǎn)品主要都是基于R4版本開發(fā)的。安全模式控制過程(SMC)是從R4版本才開始應(yīng)用的一種空中接口安全控制過程。他主要用來在移動通信網(wǎng)絡(luò)中保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，是用戶設(shè)備(UE)和無線接入網(wǎng)絡(luò)(UTRAN)間的接口(Uu接口)的一個協(xié)議處理過程。

核心網(wǎng)(CN)用這個過程通知無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)應(yīng)該采用的加密模式和完整性保護模式。SMC過程主要包括兩種，一種是信令的完整性保護，另外一種是用戶數(shù)據(jù)的加密。下面著重介紹信令的完整性保護過程。

2 安全模式控制過程分析

2.1 功能分析

SMC過程主要有2種安全功能：數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)完整性保護，現(xiàn)著重介紹信令數(shù)據(jù)的完整性保護問題，他包括完整性檢查和完整性密鑰管理：

(1) 完整性檢查

他的目的是保證空中接口上信令的連續(xù)和完整。RNC會對空中接口上的信令數(shù)據(jù)進行完整性保護。

(2) 完整性密鑰管理功能

完整性保護密鑰和完整性保護算法都是由CN指定，RNC和UE從所有指定的算法中選定兩者都支持的一種算法進行完整性保護。

2.2 過程描述

由CN發(fā)起安全模式控制過程，來配置加密信息和完整性保護信息。UTRAN收到CN配置的這些信息后，選擇UE和UTRAN都支持的加密算法和完整性保護算法，進行完整性保護過程和加密過程。過程見圖1。

對于一個CN域已經(jīng)存在一個信令連接，并且在這個CN域上已經(jīng)開始了完整性保護和加密算法。這時如果對于另外一個CN域配置加密和完整性保護信息，則要選擇已經(jīng)存在的那個域上所應(yīng)用的算法。

對于一個CN域已經(jīng)存在一個信令連接，并且在這個CN域上已經(jīng)開始了完整性保護和加密，如果這個域再次發(fā)送消息SECURITY MODE COMMAND給RNC，安全模式控制過程將被用來激活應(yīng)用新的加密密鑰和完整性保護密鑰，參數(shù)Key STatus將會被設(shè)置成“NEW”。

(1) 無線資源控制(RRC)連接建立過程將UE的安全能力和對于電路域(CS)和分組域(PS)各自的START值從UE發(fā)送到RNC。其中UE安全能力信息包括加密能力和完整性保護能力。

(2) 移動臺(MS)發(fā)送初始L3消息VLR／SGSN，這些消息中包含用戶識別碼和KSI(Key Set IdenTIfier)。而KSI由最新配置鑒權(quán)信息的域分配。

(3) 執(zhí)行用戶識別碼請求過程。用戶鑒權(quán)和生成新的安全性密鑰值(IK和CK)，也會生成新的KSI值。

(4) VLR／SGSN決定UIAs和UEAs優(yōu)先選用的順序

(5) VLR／SGSN發(fā)送RANAP消息Security ModeCommand給RNC來發(fā)起完整性保護和加密過程。這個消息包括按一定優(yōu)先順序排列的UIAs和IK值。

(6) RNC選擇RNC和UE都支持的算法，并生成一個隨機數(shù)FRESH，然后開始下行鏈路的完整性保護。

(7) RNC生成RRC消息security mode command。這個消息包含UE安全能力，UIA和FRESH，如果開始加密，還包括UEA，還包括CN域標識。

(8) UE在收到RRC消息Security mode command之后，比較收到的“UE security capability”參數(shù)和存儲的“UEsecurity capability”參數(shù)。

(9) 如果所有的控制過程成功，UE生成RRC消息Security mode complete并且生成這個消息的MAC-I。如果有的控制過程不成功，安全模式控制過程就會在UE端終止。

(10) 收到響應(yīng)消息后，RNC根據(jù)響應(yīng)消息計算XMAC-I。RNC比較XMAC-I和MAC-I來確定消息的完整性。

(11) RNC發(fā)送RANAP消息Security Mode Com-plete給VLR／SGSN報告結(jié)果。

3 重定位信令的完整性保護功能

3.1 約定

重定位時完整性保護功能描述的是服務(wù)RNC(SRNC)進行完整性保護，伴隨SRNC重定位的硬切換：UE的測量報告表明硬切換的目標小區(qū)屬于另外一個RNC，這時UTRAN在決定執(zhí)行硬切換的時候，伴隨執(zhí)行重定位，將UE移交給目標RNC。

基于先實現(xiàn)簡單的基本過程，再逐步完善各種復雜情況的思路，約定如下：

(1) 在重定位前，源RNC已經(jīng)啟用完整性保護，并且只可能是如下兩種情況：第一次安全模式控制過程(啟動完整性保護)已經(jīng)生效；若有后續(xù)的安全模式控制過程(修改完整性保護配置)，也必須在重定位前已經(jīng)啟用新的配置，舊的完整性保護配置已被刪除。

(2) 源RNC側(cè)在重定位發(fā)起以后，拒絕CN發(fā)來的Security Mode Command消息。

(3) 目標RNC應(yīng)該接受源RNC指定的完整性保護配置信息，而不應(yīng)該在發(fā)往源RNC的CONtainer中指定新的配置。

3.2 源RNC的處理策略

在執(zhí)行重定位時，UTRAN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間(源RNC與目標RNC之間)需要傳遞一些RRC信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳遞RRC信息的典型方式是RRC信息容器(RRC in-formATIon container)。

在RELOCATION REQUIRED消息中有一個IE叫做Source RNC to Target RNC Transparent Container，他的內(nèi)容是UE當前在空中接口上的所有相關(guān)信息，包括加密和完整性保護信息、UE信息元素、UTRAN移動性信息元素、CN信息元素、測量信息元素，RB信息元素和傳輸信道信息元素等。向目標RNC傳遞這些信息的目的是作為目標RNC分配無線資源的參考。重定位時完整性保護功能主要討論此容器中的Integrity protection related infor-mation IE。源RNC側(cè)SMC模塊的主要任務(wù)是正確地填寫Container中和完整性保護相關(guān)的信息。透明容器部分內(nèi)容見表1，執(zhí)行細節(jié)參數(shù)的格式規(guī)劃見圖2。

完整性保護算法采用16 b存放(UIA1～UIA16)，每次有且僅有一個算法啟用，該算法其相應(yīng)位置1，其余算法相應(yīng)位都置0。

之所以對每個SRB的SN都加offset，SRB2上面已經(jīng)解釋過了；其他的是為了防止直傳消息對UE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)SN不同的影響(目前offset默認取3)。