CN102438241B - 一种lte协议监测分析中对nas信令解密装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种LTE协议监测分析中对NAS信令解密处理的装置，由三部分组成：NAS消息解密参数提取模块、NAS消息解密参数存储维护模块以及NAS消息解密执行模块。通过本发明的技术方案，从S1-MME、S10、或S6a接口上的特定消息提取和UE安全相关的信息，用来建立、推导、维护NAS消息解密必须的密钥等相关参数。可以不需要改变LTE网络的相关配置、以及对LTE网络协议监测分析系统预先进行和UE解密相关数据的配置，就可以实现协议监测分析系统对捕获的加密NAS消息进行解密操作。

Description

一种LTE协议监测分析中对NAS信令解密装置及方法

技术领域

本发明属于通信网络协议监测分析技术应用领域。

背景技术

作为3G(ThirdGeneration)的演进技术，LTE不仅可以提供更高的数据速率和容量、更大的覆盖范围，还可以降低业务的延迟以及系统的运营成本，有利于运营商推出更多实时性、高速率业务，从而吸引更多的高端用户。而相对于UMTS系统，LTE系统的网络结构和协议也发生了很大的变化，LTE网络结构示意图如图1所示。

LTE系统的无线接入部分由增强节点B(EnhancedNodeB)一种节点组成,核心网部分主要由移动管理实体(MobilityManagementEntity，MME)、S-GW(ServingGateway)实体、分组数据网络网关(PacketDataNetworkGateway，PDNGateway)实体及策略与计费规则功能(PolicyandChargingRulesFunction，PCRF)实体等组成，归属用户服务器(HomeSubscriberServer，HSS)为所有移动网络的共享实体。本发明的技术方案涉及到的接口和协议如以下所述：

S1-MME接口，eNodeB实体和MME实体之间的接口，该接口上传输的是S1接口应用部分协议(S1-interfaceApplicationPartprotocol，S1AP)协议，并在S1AP消息中会嵌套传输非接入层(Non-Access-Stratum，NAS)协议消息，而本发明的目的就是对该接口上传输的NAS消息进行解密。

S10接口，为MME实体之间的接口，在该接口上传输的是GTP控制协议版本2(GTPControlPlaneversion2，GTPv2-C)协议消息。

S6a接口，为MME实体与HSS实体之间的接口，该接口上传输的是Diameter协议消息。

在LTE网络系统中，UE和MME实体之间的非接入层协议NAS的主要功能是实现UE的移动性管理，会话管理以及安全控制，因此在监测分析LTE网络协议的技术应用中，对NAS协议的监测分析是至关重要的。但是在LTE网络中，UE和MME实体之间经过安全控制、启动加密保护后，NAS消息会被加密传输，如果对监测到的NAS消息不进行解密，LTE协议监测分析系统是无法实现对NAS消息的正确解码和分析的，所以本发明的主要目的是：在不改动LTE网络部署及配置的情况下，从相关的网络接口捕获监测消息，提取相关信息，在LTE网络协议监测分析系统中实现对捕获到的NAS消息进行解密，使监测系统对NAS协议正确解码和分析。

在通用移动通信系统(UniversalMobileTelecommunicationSystem，UMTS)网络协议监测分析系统中，可以对lub接口上的非接入层协议(GPRSMobilityManagement、GMM，GPRSSessionManagement、GSM)消息进行解密。图2为UMTS网络结构的简单示意图，其中Uu接口和Iub接口上的非接入层协议消息是加密传输的，而在Iu接口上传输的非接入层协议消息是不加密的，在Iub接口上进行监测分析协议时可直接从Iu接口上的消息提取出密钥对其加密的消息进行解密。

这样的技术方案无法应用于LTE网络协议监测分析，因为存在如下缺陷：由于LTE网络系统相对于UMTS网络系统，其网络结构、接口、协议都发生了很大的变化，不能简单的从一个接口上提取信息，就能实现消息的解密，而且LTE网络系统比UMTS网络系统在安全机制上更加完善，因此现有的近似方案是无法实现LTE网络协议监测分析时对加密的消息解密。

为了克服上述缺陷，就需要解决下述技术问题：对NAS消息进行解密而需要的相关安全参数的获取、计算推导及维护。对NAS消息进行解密所需要的所有安全参数要从LTE网络多个接口上不同协议消息中获取，并根据相关参数进行计算推导出必要的密钥，而有的参数是动态变化的，因此对NAS消息解密的安全参数的获取、计算及维护要与LTE网络中UE和MME中的安全上下文(SecurityContext)同步一致。

此外，还需要解决下述技术问题：对S10接口上特定的GTPv2-C协议消息中的安全参数进行分析提取，对S6a接口上特定的Diameter消息中的安全参数进行分析提取，以及对S1-MME接口上特定的NAS消息中的安全参数进行分析提取。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种LTE协议监测分析中对NAS信令解密处理的方法，包括如下步骤：

第一步，从S1-MME接口、S6a接口，或S10接口上的和UE安全相关的消息中提取NAS解密需要的解密参数及UE标识信息；

第二步，利用提取的UE标识信息在NAS解密参数存储维护模块中查找或建立该UE的NAS消息解密参数数据结构，用提取出的解密参数对该UE的NAS消息解密参数数据结构成员赋值，并根据赋值后的参数推导出解密参数数据结构其他成员值，其中NAS消息解密参数数据结构包括了与UE相关的安全上下文标识，以及包括了UE安全上下文的状态；

第三步，利用与需要解密的NAS消息对应的UE标识在NAS解密参数存储维护模块中查找到该UE的NAS消息解密参数数据结构，利用结构中成员信息对加密NAS消息进行解密。

根据本发明的一个方面，NAS消息解密参数数据结构包括如下成员：

LENGTH：为需要解密的NAS消息的长度，以比特为单位；

DIRECTION：表示此需要解密NAS消息的传输方向，1比特，0表示上行消息，1表示下行消息，规定UE到MME为上行方向，MME到UE为下行方向；

BEARER：为承载ID，长度为5比特，对于解密NAS消息时，该值为常量0；

COUNT：NAS消息的计数，长度为32比特，其分为上行NAS消息的COUNT(UPLINKNASCOUNT)和下行NAS消息COUNT(DOWNLINKNASCOUNT)；

KEY：为NAS消息加解密使用的密钥Knasenc，长度为128比特，此密钥需要在NAS交互的上下文中计算推导出；

EEA：为NAS消息的加密解密算法，由相应的算法ID进行标识，ID长度为一个字节，该ID值在NAS交互的相应消息中给出。

根据本发明的一个方面，从S6a接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数的具体处理过程为：，

第一步，输入针对某个UE的AuthenticationInformationRequest和AuthenticationInformationResponse消息对；

第二步，从该消息对的AuthenticationInformationResponse中检查是否含有该UE的E-UTRAN相关鉴权信息，没有则结束过程，有则继续执行；

第三步，从消息中提取针对该UE的E-UTRAN鉴权信息，即提取各个鉴权四元组信息；

第四步，对该UE的AuthVector数组内容进行删除，并用提取的E-UTRAN鉴权向量对AuthVector数组进行重新赋值，结束过程。

根据本发明的一个方面，从S10接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数的具体处理过程为：

第一步，输入和UE安全相关的GTPv2-C协议IdentificationRequest和IdentificationResponse，或ContextRequest和ContextResponse，或ForwardRelocationRequest和ForwardRelocationResponse消息。判断消息中是否含有UE的移动管理上下文信息(MMContext)，如果没有则结束过程，有则判断MMContext中是否含有UE的状态为Current的安全上下文信息(SecurityContext),没有则结束过程，有则继续处理；

第二步，从Current的安全上下文信息中提取出安全参数KSIASME，NumberofQuadruplet，UsedNASCipher，NASDownlinkCount，NASUplinkCount，Kasme参数，以及可能的AuthenticationQuadruplet[0..4]参数；

第三步，判断UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，实例中的State成员设置成Current状态，有则将该实例中的所有成员参数进行重置，其State成员仍设置成Current状态；

第四步，用从Current的安全上下文信息中提取的参数对该Current状态NAS_Decryption_Para数据结构实例进行成员赋值，并用得到的Kasme，EncryptionID和相应的公式计算出加解密密钥Knasenc；

第五步，如果从MMContext中提取出了UE的鉴权四元组信息，则利用提取的NumberofQuadruplet和AuthenticationQuadruplet[0..4]对UE的AuthVector数组实例进行重新赋值；

第六步，判断MMContext信息中是否含有UE的状态为NotCurrent的安全上下文，没有则结束整个过程，有则继续执行；

第七步，从MMContext信息中提取oldKSIASME，oldKASME参数；

第八步，判断UE参数中是否含有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该数据结构实例，成员State设置成NotCurrent状态，有则将该实例中所有参数进行重置，其State仍然设置成NotCurrent状态；

第九步，用从MMContext中提取的NotCurrent的安全上下文信息对该状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，其KSI等于oldKSIASME，Kasme等于oldKASME，其他参数仍为无效值；

第十步，结束该过程。

根据本发明的一个方面，从S1-MME接口上的Authenticationrequest/response消息中提取解密参数的具体处理过程为：

第一步，输入针对某个UE的Authenticationrequest和Authenticationresponse消息对，从Authenticationrequest消息中提取RAND，AUTN，KSIasme参数信息，从Authenticationresponse消息中提取RES参数(Response)；

第二步，利用提取的RAND，AUTN，RES三个参数一起作为关键值，在UE的AuthVector数组结构中查找相应的鉴权向量AV，其鉴权向量中的RAND，AUTN，XRES与提取的RAND，AUTN，RES三个参数分别相等；

第三步，判断是否查找到相应鉴权向量AV,没有找到则结束过程，找到则从鉴权向量中提取Kasme；

第四步，判断当前UE参数中是否有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，其State成员设置成NotCurrent状态；有则对该NAS_Decryption_Para数据结构实例中所有成员进行充值，其State成员仍然设置成NotCurrent状态；

第五步，利用上面提取的参数对NotCurrent状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，KSI等于提取的KSIasme，Kasme等于提取的Kasme，UplinkNasOverflow，UplinkNasSQN，DownlinkNasOverflow，DownlinkNasSQN都等于0，其他成员为无效值；

第六步，结束过程。

根据本发明的一个方面，从S1-MME接口上的Securitymodecommand/complete消息中提取解密参数的具体处理过程为：

第一步，输入针对某个UE的Securitymodecommand和Securitymodecomplete消息，从Securitymodecommand消息中提取出NASKSI、Typeofcipheringalgorithm参数，下行NAS消息的计数DownlinkNASSN，从Securitymodecomplete消息消息中提取上行NAS消息计数UplinkNASSN，Securitymodecomplete消息作用是可判断UE和MME实体之间的SMC过程成功执行；

第二步，利用提取的NASKSI在UE的参数中查找相应的NAS_Decryption_Para数据结构实例；判断是否查找到相应的实例，没有找到则结束过程，找到则继续执行；

第三步，查看找到的该NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态，判断是否为Current，是则用提取的Typeofcipheringalgorithm信息更新该NAS_Decryption_Para数据结构实例中的EncryptionID成员，用提取的uplinkNasSN更新UplinkNasOverflow、UplinkNasSQN成员，用提取的downlinkNasSN更新DownlinkNasOverflow、DownlinkNasSQN成员，并用相应的公式重新计算出NAS加解密密钥Knasenc，结束过程；不是则执行第四步；

第四步，当在第三步找到的NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态为NotCurrent时，判断UE参数是否存在另外的状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，存在则删除该实例，不存在则继续执行第五步；

第五步，利用提取的Typeofcipheringalgorithm信息设置查找到的状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例成员EncryptionID，用相应的公式计算出成员Knasenc，并将将该实例的状态State设置成Current；

第六步，结束过程。

根据本发明的一个方面，对加密NAS消息进行解密采用如下的方式：

第一步，输入针对某个UE的加密NAS消息，即该NAS消息头里的Securityheadertype字段等于0010或0100，以及该NAS消息的上下行方向；

第二步，判断当前该UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，不存在则直接结束过程；存在则继续执行。

第三步，对输入的NAS消息计算出加密部分的长度Length；提取出NAS消息头里的SN参数，并利用输入的NAS消息上下行信息对Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中的消息计数相关成员赋值；利用相应的公式计算出NASCount；

第四步，利用Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中Knasenc，NAS消息加密部分的长度Length，计算出的NASCount，输入的NAS消息上下行信息，Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中EncryptionID指定的算法计算出密钥流KEYSTREAM；

第五步，利用计算出的密钥流KEYSTREAM与NAS消息的加密部分进行按比特异或运算，完成NAS消息加密部分的解密，输入解密后的NAS消息明文；

第六步，结束解密过程。

本发明还提出了一种LTE协议监测分析中对NAS信令解密处理的设备，包括：

NAS消息解密参数提取模块，用于从S1-MME接口上与UE安全相关的NAS消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息，及从S6a接口上与UE安全相关的diameter消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息，或从S10接口上与UE安全相关的GTPv2-C消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息；

NAS消息解密参数存储维护模块，用于对输入的NAS消息解密参数进行存储维护，以及根据相关参数进行推导计算出其他NAS解密参数，其中NAS消息解密参数数据结构包括了与UE相关的安全上下文标识，以及包括了UE安全上下文的状态；

NAS消息解密执行模块，用于根据从NAS解密参数存储维护模块输出的参数及加密NAS消息本身的参数信息实现对输入的加密NAS消息的解密。

通过本发明的技术方案，从S1-MME、S10、或S6a接口上的特定消息提取和UE安全相关的信息，用来建立、推导、维护NAS消息解密必须的密钥等相关参数。可以不需要改变LTE网络的相关配置、以及对LTE网络协议监测分析系统预先进行和UE解密相关数据的配置，就可以实现协议监测分析系统对捕获的加密NAS消息进行解密操作。此外，在本发明中，还设计了UE解密参数的数据结构，并且对应每个UE最多有两个该数据结构的实例，分为两种状态。通过方案中的解密参数建立维护过程以及NAS消息解密过程对UE解密参数数据结构的操作，可实现解密参数数据结构中的信息与LTE网络中UE和MME实体中的安全上下文信息同步，保证了协议监测分析系统对NAS消息的正确解密。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明：

附图1所示为LTE网络结构图；

附图2所示为UMTS网络结构示意图；

附图3所示为NAS消息解密装置结构框图；

附图4所示为NAS消息解密方法处理步骤；

附图5所示为AuthenticationInformationRequest/Response消息处理的过程；

附图6所示为相关GTPv2-C消息处理的过程；

附图7所示为Authenticationrequest/response消息处理过程；

附图8所示为Securitymodecommand/complete消息处理过程；

附图9所示为NAS消息的解密过程。

具体实施方式

在LTE协议监测分析时，本技术方案可实现对抓取的移动终端UE和MME实体之间交互的NAS消息的解密功能，其NAS消息包括上行和下行方向的所有加密NAS消息。

如图3所示，方框中的部分为本发明装置的组成结构图。其中，方块部分描述的是NAS消息解密装置结构框图,方块以外部分是LTE网络结构示意图,图中箭头描述的是本发明装置及组成模块的输入与输出。

NAS消息解密装置由三部分组成：NAS消息解密参数提取模块、NAS消息解密参数存储维护模块以及NAS消息解密执行模块。其中，各组成部分实现的功能如下：

NAS消息解密参数提取模块：用于从S1-MME接口上与UE安全相关的NAS消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息，及从S6a接口上与UE安全相关的diameter消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息，或从S10接口上与UE安全相关的GTPv2-C消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息。

NAS消息解密参数存储维护模块：用于对输入的NAS消息解密参数进行存储维护，以及根据相关参数进行推导计算出其他NAS解密参数。

NAS消息解密执行模块：根据从NAS解密参数存储维护模块输出的参数及加密NAS消息本身的参数信息实现对输入的加密NAS消息的解密。

附图4示出了对加密的NAS消息进行解密处理的方法，主要包括三大步骤：

1)从S1-MME接口、S6a接口，或S10接口上的和UE安全相关的消息中提取NAS解密需要的参数及UE标识信息。

2)利用步骤1输出的UE标识信息在NAS解密参数存储维护模块中查找或建立该UE的NAS消息解密参数数据结构，并用步骤1输出的解密参数对该UE的NAS消息解密参数数据结构成员赋值，并根据相关参数推导出解密参数数据结构其他成员值。

3)利用与需要解密的NAS消息对应的UE标识在NAS解密参数存储维护模块中查找到该UE的NAS消息解密参数数据结构，利用结构中成员信息对加密NAS消息进行解密。

在LTE系统内对NAS协议消息进行解密的参数不是固定的，而是随着NAS信令的交互动态变化的，因此需要相应的数据结构实时记录存储NAS协议解密需要的参数。

对NAS协议进行解密需要的参数及进行存储的相应数据结构如下：

LENGTH：为需要解密的NAS消息的长度，以比特为单位；

DIRECTION：表示此解密NAS消息的传输方向，1比特，0表示上行消息，1表示下行消息，规定UE到MME为上行方向，MME到UE为下行方向；

BEARER：为承载ID，长度为5比特，对于解密NAS消息时，该值为常量0；

COUNT：NAS消息的计数，长度为32比特，其分为上行NAS消息的COUNT(UPLINKNASCOUNT)和下行NAS消息COUNT(DOWNLINKNASCOUNT)；

KEY：为NAS消息加解密使用的密钥Knasenc，长度为128比特，此密钥需要在NAS交互的上下文中计算推导出；

EEA：为NAS消息的加密解密算法，由相应的算法ID进行标识，ID长度为一个字节，该ID值在NAS交互的相应消息中给出。

以上输入参数中，BEARER为常量，LENGTH、DIRECTION由相应的加密NAS消息直接得到，EEA的ID由相应NAS消息给出，而COUNT、KEY则需要由相应的数据推导计算，推导计算如下：

COUNT:＝0x00||NASOVERFLOW||NASSQN(1)

其公式(1)中,NASSQN为COUNT的最后8比特，该值在每个NAS消息中传输；NASOVERFLOW为COUNT中间16比特，当NASSQN值累加溢出时，NASOVERFLOW就加1。

Knasenc＝f(Kasme,0x15|0x01|0x0001|algorithmid(AES/SNOW)|0x0001)(2)

其公式(2)中，f为密钥导出函数KDF(KEYDERIVEDFUNCTION)，Kasme为Knasenc的导出密钥，长度为256比特，由HSS实体产生，在鉴权向量AV(AUTHENTICATIONVECTOR)中传输；algorithmid为使用的加解密算法EEA的ID。

以上为NAS消息进行解密的参数，本发明中的NAS消息解密参数存储结构用C++描述如下：

其中，KSI为LTE中和UE相关的安全上下文标识，每个Kasme都由一个KSI唯一关联，该值由MME进行分配，在NAS消息中传输；State为UE安全上下文的状态，其有两种状态，CURRENT和NOTCURRENT；EncryptionID为加解密算法ID；UplinkNasOverflow、UplinkNasSQN、DownlinkNasOverflow、DownlinkNasSQN分别为上下行NASCOUNT的组成部分。

在使用时，该参数数据结构和LTE中UE的安全上下文对应，也由KSI进行唯一标识，对于每个UE有两个数据结构的实例，一个对应于CURRENT状态的安全上下文，一个对应于NOTCURRENT状态的安全上下文。

为记录保存对UE进行鉴权认证的鉴权向量AV(AUTHENTICATIONVECTOR)，其数据存储结构如下(C++语言描述)：

其中，Kasme、RAND、AUTN、XRES为鉴权向量4元组的组成部分，由网络HSS实体产生，在相应的diameter和GTPv2-C消息中携带传输；AuthVector为保存多个鉴权向量AV的数组。

使用时，对于每个UE都有一个该AuthVector数组结构对应，存储从diameter和GTPv2-C消息中提取出的针对该UE的鉴权向量信息。

NAS消息解密参数的提取与维护过程主要是：从S1-MME、S10、S6a接口上的与UE安全相关的消息中提取出解密参数信息，完成NAS解密参数的存储、推导、维护操作。针对不同接口上的不同消息，其解密参数的提取与维护处理过程也不同，下面以接口为单位进行描述。

1.从S6a接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数

该过程从diameter消息中提取出对UE的鉴权向量信息。S6a接口上和UE安全相关的消息为Diameter协议的AuthenticationInformationRequest和AuthenticationInformationResponse消息。

具体过程如图5所示:

第一步，输入针对某个UE的AuthenticationInformationRequest和AuthenticationInformationResponse消息对；

第二步，从该消息对的AuthenticationInformationResponse中检查是否含有该UE的E-UTRAN相关鉴权信息，没有则结束过程，有则继续执行；

第三步，从消息中提取针对该UE的E-UTRAN鉴权信息，即提取各个鉴权四元组信息；

第四步，对该UE的AuthVector数组内容进行删除，并用提取的E-UTRAN鉴权向量对AuthVector数组进行重新赋值，结束过程。

2.从S10接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数

该过程从GTPv2-C协议消息中提取出关于UE的安全上下文信息(SecurityContext)。S10接口上和UE安全相关的GTPv2-C协议消息为，IdentificationRequest和IdentificationResponse消息，ContextRequest和ContextResponse消息，ForwardRelocationRequest和ForwardRelocationResponse消息。

具体过程描如附图6所示：

第一步，输入和UE安全相关的GTPv2-C协议IdentificationRequest和IdentificationResponse，或ContextRequest和ContextResponse，或ForwardRelocationRequest和ForwardRelocationResponse消息。判断消息中是否含有UE的移动管理上下文信息(MMContext)，如果没有则结束过程，有则判断MMContext中是否含有UE的状态为Current的安全上下文信息(SecurityContext),没有则结束过程，有则继续处理；

第二步，从Current的安全上下文信息中提取出安全参数KSIASME，NumberofQuadruplet，UsedNASCipher，NASDownlinkCount，NASUplinkCount，Kasme参数，以及可能的AuthenticationQuadruplet[0..4]参数；

第三步，判断UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，实例中的State成员设置成Current状态，有则将该实例中的所有成员参数进行重置，其State成员仍设置成Current状态；

第四步，用从Current的安全上下文信息中提取的参数对该Current状态NAS_Decryption_Para数据结构实例进行成员赋值，并用得到的Kasme，EncryptionID和公式2计算出加解密密钥Knasenc；

第五步，如果从MMContext中提取出了UE的鉴权四元组信息，则利用提取的NumberofQuadruplet和AuthenticationQuadruplet[0..4]对UE的AuthVector数组实例进行重新赋值；

第六步，判断MMContext信息中是否含有UE的状态为NotCurrent的安全上下文，没有则结束整个过程，有则继续执行；

第七步，从MMContext信息中提取oldKSIASME，oldKASME参数；

第八步，判断UE参数中是否含有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该数据结构实例，成员State设置成NotCurrent状态，有则将该实例中所有参数进行重置，其State仍然设置成NotCurrent状态；

第九步，用从MMContext中提取的NotCurrent的安全上下文信息对该状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，其KSI等于oldKSIASME，Kasme等于oldKASME，其他参数仍为无效值；

第十步，结束该过程；

3.从S1-MME接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数

该过程从NAS消息中提取出UE的安全参数。S1-MME接口上和UE安全信息相关的NAS消息有Authenticationrequest和Authenticationresponse消息，Securitymodecommand和Securitymodecomplete消息。这两对消息含有的安全信息和作用都不同，以下分别描述对他们的处理过程。

1)对Authenticationrequest/response消息处理过程

具体过程描述如图7所示：

第一步，输入针对某个UE的Authenticationrequest和Authenticationresponse消息对。从Authenticationrequest消息中提取RAND，AUTN，KSIasme参数信息，从Authenticationresponse消息中提取RES参数(Response)。

第二步，利用提取的RAND，AUTN，RES三个参数一起作为关键值，在UE的AuthVector数组结构中查找相应的鉴权向量AV，其鉴权向量中的RAND，AUTN，XRES与提取的RAND，AUTN，RES三个参数分别相等。

第三步，判断是否查找到相应鉴权向量AV,没有找到则结束过程，找到则从鉴权向量中提取Kasme。

第四步，判断当前UE参数中是否有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，其State成员设置成NotCurrent状态；有则对该NAS_Decryption_Para数据结构实例中所有成员进行充值，其State成员仍然设置成NotCurrent状态；

第五步，利用上面提取的参数对NotCurrent状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，KSI等于提取的KSIasme，Kasme等于提取的Kasme，UplinkNasOverflow，UplinkNasSQN，DownlinkNasOverflow，DownlinkNasSQN都等于0，其他成员为无效值。

第六步，结束过程；

2)对Securitymodecommand/complete消息处理过程

具体过程描述如图8所示：

第一步，输入针对某个UE的Securitymodecommand和Securitymodecomplete消息，从Securitymodecommand消息中提取出NASKSI、Typeofcipheringalgorithm参数，下行NAS消息的计数DownlinkNASSN，从Securitymodecomplete消息消息中提取上行NAS消息计数UplinkNASSN，Securitymodecomplete消息作用是可判断UE和MME实体之间的SMC过程成功执行。

第二步，利用提取的NASKSI在UE的参数中查找相应的NAS_Decryption_Para数据结构实例；判断是否查找到相应的实例，没有找到则结束过程，找到则继续执行。

第三步，查看找到的该NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态，判断是否为Current，是则用提取的Typeofcipheringalgorithm信息更新该NAS_Decryption_Para数据结构实例中的EncryptionID成员，用提取的uplinkNasSN更新UplinkNasOverflow、UplinkNasSQN成员，用提取的downlinkNasSN更新DownlinkNasOverflow、DownlinkNasSQN成员，并用公式2重新计算出NAS加解密密钥Knasenc，结束过程；不是则执行第四步。

第四步，当在第三步找到的NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态为NotCurrent时，判断UE参数是否存在另外的状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，存在则删除该实例，不存在则继续执行第五步。

第五步，利用提取的Typeofcipheringalgorithm信息设置查找到的状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例成员EncryptionID，用公式2计算出成员Knasenc，并将将该实例的状态State设置成Current。

第六步，结束过程。

对加密NAS消息执行解密的过程主要是利用从NAS消息中提取的信息和Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中的成员信息计算出密钥码流，实现对加密NAS消息的解密。

具体过程描述如图9所示：

第一步，输入针对某个UE的加密NAS消息，即该NAS消息头里的Securityheadertype字段等于0010或0100，以及该NAS消息的上下行方向。

第二步，判断当前该UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，不存在则直接结束过程；存在则继续执行。

第三步，对输入的NAS消息计算出加密部分的长度Length；提取出NAS消息头里的SN参数，并利用输入的NAS消息上下行信息对Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中的消息计数相关成员赋值；利用公式1计算出NASCount；

第四步，利用Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中Knasenc，NAS消息加密部分的长度Length，计算出的NASCount，输入的NAS消息上下行信息，Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中EncryptionID指定的算法计算出密钥流KEYSTREAM。

第五步，利用计算出的密钥流KEYSTREAM与NAS消息的加密部分进行按比特异或运算，完成NAS消息加密部分的解密，输入解密后的NAS消息明文。

第六步，结束解密过程。

本领域的技术人员应该理解，本发明的方法和装置可以采用硬件、软件、或硬件和软件相结合的方式，通过微处理器、数字信号处理器、现场可编程逻辑单元、或门阵列等各种方式实现。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种变动与修饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种LTE协议监测分析中对非接入层(NAS)信令解密处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，从S10接口上的和UE安全相关的消息中提取NAS解密需要的解密参数及UE标识信息；

第二步，利用提取的UE标识信息在NAS解密参数存储维护模块中查找或建立该UE的NAS消息解密参数数据结构，用提取出的解密参数对该UE的NAS消息解密参数数据结构成员赋值，并根据赋值后的参数推导出解密参数数据结构其他成员值，其中NAS消息解密参数数据结构包括了与UE相关的安全上下文标识，以及包括了UE安全上下文的状态；

第三步，利用与需要解密的NAS消息对应的UE标识在NAS解密参数存储维护模块中查找到该UE的NAS消息解密参数数据结构，利用结构中成员信息对加密NAS消息进行解密；

其中，从S10接口上的与UE安全相关的消息中提取解密参数的具体处理过程为：

第一步，输入和UE安全相关的GTPv2-C协议识别请求(IdentificationRequest)和识别响应(IdentificationResponse)，或上下文请求(ContextRequest)和上下文响应(ContextResponse)，或转发重定位请求(ForwardRelocationRequest)和转发重定位响应(ForwardRelocationResponse)消息,判断消息中是否含有UE的移动管理上下文信息(MMContext)，如果没有则结束过程，否则进一步判断移动管理上下文信息中是否含有UE的状态为Current的安全上下文信息(SecurityContext),没有则结束过程，否则继续处理；

第二步，从Current的安全上下文信息中提取出安全参数KSIASME，NumberofQuadruplet，UsedNASCipher，NASDownlinkCount，NASUplinkCount，Kasme参数，以及AuthenticationQuadruplet[0..4]参数；

第三步，判断UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，如果没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，其中实例中的状态(State)成员设置为Current状态，如果有则将该实例中的所有成员参数进行重置，其中状态成员仍设置为Current状态；

第四步，用从Current的安全上下文信息中提取的参数对该Current状态NAS_Decryption_Para数据结构实例进行成员赋值，并用得到的Kasme，EncryptionID，其中EncryptionID为加解密算法ID，利用公式Knasenc＝f(Kasme,0x15|0x01|0x0001(algorithmid(AES/SNOW)|0x0001)计算出加解密密钥Knasenc，其中，f为密钥导出函数KDF(KEYDERIVEDFUNCTION)，Kasme为Knasenc的导出密钥，长度为256比特，由HSS实体产生，在鉴权向量AV(AUTHENTICATIONVECTOR)中传输，algorithmid为使用的加解密算法EEA的ID；

第五步，如果从移动管理上下文信息中提取出了UE的鉴权四元组信息，则利用提取的NumberofQuadruplet和AuthenticationQuadruplet[0..4]对UE的鉴权向量数组实例进行重新赋值；

第六步，判断移动管理上下文信息中是否含有UE的状态为NotCurrent的安全上下文，没有则结束整个过程，否则继续执行下一步；

第七步，从移动管理上下文信息中提取oldKSIASME，oldKASME参数；

第八步，判断UE参数中是否含有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，如果没有则新生成一个该数据结构实例，并将State成员设置成NotCurrent状态，如果有则将该实例中所有参数进行重置，其State成员仍然设置成NotCurrent状态；

第九步，用从移动管理上下文信息中提取的NotCurrent的安全上下文信息对该状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，其KSI等于oldKSIASME，Kasme等于oldKASME，其他参数仍为无效值；

第十步，结束该过程。

2.一种LTE协议监测分析中对非接入层(NAS)信令解密处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，从S1-MME接口上的和UE安全相关的消息中提取NAS解密需要的解密参数及UE标识信息；

第二步，利用提取的UE标识信息在NAS解密参数存储维护模块中查找或建立该UE的NAS消息解密参数数据结构，用提取出的解密参数对该UE的NAS消息解密参数数据结构成员赋值，并根据赋值后的参数推导出解密参数数据结构其他成员值，其中NAS消息解密参数数据结构包括了与UE相关的安全上下文标识，以及包括了UE安全上下文的状态；

第三步，利用与需要解密的NAS消息对应的UE标识在NAS解密参数存储维护模块中查找到该UE的NAS消息解密参数数据结构，利用结构中成员信息对加密NAS消息进行解密；

其中，从S1-MME接口上的鉴权请求/响应(Authenticationrequest/response)消息中提取解密参数,具体处理过程为：

第一步，输入针对某个UE的鉴权请求(Authenticationrequest)和鉴权响应(Authenticationresponse)消息对，从鉴权请求消息中提取RAND，AUTN，KSIasme参数信息，从鉴权响应消息中提取RES参数(Response)；

第二步，利用提取的RAND，AUTN，RES三个参数一起作为关键值，在UE的鉴权向量数组结构中查找相应的鉴权向量AV，其鉴权向量中的RAND，AUTN，XRES与提取的RAND，AUTN，RES三个参数分别相等；

第三步，判断是否查找到相应鉴权向量AV,如果没有找到则结束过程，否则从鉴权向量中提取Kasme；

第四步，判断当前UE参数中是否有状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例，如果没有则新生成一个该NAS_Decryption_Para数据结构实例，其State成员设置成NotCurrent状态；否则对该NAS_Decryption_Para数据结构实例中所有成员进行充值，其中State成员设置成NotCurrent状态；

第五步，利用上面提取的参数对NotCurrent状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例进行赋值，KSI等于提取的KSIasme，Kasme等于提取的Kasme，UplinkNasOverflow，UplinkNasSQN，DownlinkNasOverflow，DownlinkNasSQN都等于0，其他成员为无效值；

第六步，结束过程。

3.一种LTE协议监测分析中对非接入层(NAS)信令解密处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，从S1-MME接口上的和UE安全相关的消息中提取NAS解密需要的解密参数及UE标识信息；

第二步，利用提取的UE标识信息在NAS解密参数存储维护模块中查找或建立该UE的NAS消息解密参数数据结构，用提取出的解密参数对该UE的NAS消息解密参数数据结构成员赋值，并根据赋值后的参数推导出解密参数数据结构其他成员值，其中NAS消息解密参数数据结构包括了与UE相关的安全上下文标识，以及包括了UE安全上下文的状态；

第三步，利用与需要解密的NAS消息对应的UE标识在NAS解密参数存储维护模块中查找到该UE的NAS消息解密参数数据结构，利用结构中成员信息对加密NAS消息进行解密；

其中，从S1-MME接口上的安全模式命令/完成(Securitymodecommand/complete)消息中提取解密参数,具体处理过程为：

第一步，输入针对某个UE的安全模式命令(Securitymodecommand)和安全模式完成(Securitymodecomplete)消息，从安全模式命令消息中提取出NASKSI、Typeofcipheringalgorithm参数，下行NAS消息的计数DownlinkNASSN，从安全模式完成消息中提取上行NAS消息计数(UplinkNASSN)，安全模式完成消息的作用是可判断UE和MME实体之间的SMC过程成功执行；

第二步，利用提取的NASKSI在UE的参数中查找相应的NAS_Decryption_Para数据结构实例；判断是否查找到相应的实例，如果没有找到则结束过程，否则继续执行下一步；

第三步，查看找到的该NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态，判断是否为Current，如果是则用提取的Typeofcipheringalgorithm信息更新该NAS_Decryption_Para数据结构实例中的EncryptionID成员，用提取的uplinkNasSN更新UplinkNasOverflow、UplinkNasSQN成员，用提取的downlinkNasSN更新DownlinkNasOverflow、DownlinkNasSQN成员，并用公式

Knasenc＝f(Kasme,0x15|0x01|0x0001|algorithmid(AES/SNOW)|0x0001)

重新计算出NAS加解密密钥Knasenc，其中，f为密钥导出函数KDF(KEYDERIVEDFUNCTION)，Kasme为Knasenc的导出密钥，长度为256比特，由HSS实体产生，在鉴权向量AV(AUTHENTICATIONVECTOR)中传输，algorithmid为使用的加解密算法EEA的ID，

结束过程；如果不是则执行第四步；

第四步，当在第三步找到的NAS_Decryption_Para数据结构实例的状态为NotCurrent时，判断UE参数是否存在另外的状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，如果存在则删除该实例，否则继续执行第五步；

第五步，利用提取的Typeofcipheringalgorithm信息设置查找到的状态为NotCurrent的NAS_Decryption_Para数据结构实例成员EncryptionID，用前述公式计算出成员Knasenc，并将将该实例的状态State设置成Current；

第六步，结束过程。

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，NAS消息解密参数数据结构包括如下成员：

长度(LENGTH)：为需要解密的NAS消息的长度，以比特为单位；

方向(DIRECTION)：表示此需要解密NAS消息的传输方向，1比特，0表示上行消息，1表示下行消息，规定UE到MME为上行方向，MME到UE为下行方向；

承载(BEARER)：为承载ID，长度为5比特，对于解密NAS消息时，该值为常量0；

计数(COUNT)：NAS消息的计数，长度为32比特，其分为上行NAS消息的COUNT和下行NAS消息COUNT；

密钥(KEY)：为NAS消息加解密使用的密钥Knasenc，长度为128比特，此密钥需要在NAS交互的上下文中计算推导出；

加解密算法(EEA)：为NAS消息的加密解密算法，由相应的算法ID进行标识，ID长度为一个字节，该ID值在NAS交互的相应消息中给出。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对加密NAS消息进行解密采用如下的方式：

第一步，输入针对某个UE的加密NAS消息，即该NAS消息头里的Securityheadertype字段等于0010或0100，以及该NAS消息的上下行方向；

第二步，判断当前该UE的参数中是否含有状态为Current的NAS_Decryption_Para数据结构实例，如果不存在则直接结束过程；否则继续执行下一步；

第三步，对输入的NAS消息计算出加密部分的长度(Length)；提取出NAS消息头里的SN参数，并利用输入的NAS消息上下行信息对Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中的消息计数相关成员赋值；利用公式

COUNT:＝0x00||NASOVERFLOW||NASSQN

计算出NASCount，其中，NASSQN为COUNT的最后8比特，该值在每个NAS消息中传输，NASOVERFLOW为COUNT中间16比特，当NASSQN值累加溢出时，NASOVERFLOW就加1；

第四步，利用Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中Knasenc，NAS消息加密部分的长度Length，计算出的NASCount，输入的NAS消息上下行信息，Current状态的NAS_Decryption_Para数据结构实例中EncryptionID指定的算法计算出密钥流KEYSTREAM；

第五步，利用计算出的密钥流KEYSTREAM与NAS消息的加密部分进行按比特异或运算，完成NAS消息加密部分的解密，输入解密后的NAS消息明文；

第六步，结束解密过程。