CN102892112A - 一种rrc信令解密装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开一种RRC信令解密方法和装置，该方法包括以下步骤：从与UE接入层安全相关的消息中提取RRC解密参数及UE标识信息；利用UE标识信息建立RRC消息解密参数数据结构；对RRC消息解密参数数据结构成员赋值，并推导出RRC解密需要的密钥信息；利用UE标识信息查找到RRC消息解密参数数据结构，利用数据结构中密钥信息及承载该RRC消息的PDCP协议PDU中SN信息、RRC消息的承载信息、RRC消息传输方向信息对加密RRC消息进行解密。根据本发明，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RRC消息进行解密操作。

Description

一种RRC信令解密装置及方法

技术领域

本发明涉及移动通讯领域，尤其是涉及通信网络协议监测分析技术应用领域。

背景技术

作为3G（Third Generation）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，其LTE网络结构示意图如下。

如图1所示，LTE系统的无线接入部分由eNodeB一种节点组成,核心网部分主要由MME实体、S-GW（ServingGateway）实体、PDNGateway实体及PCRF实体等组成，HSS为所有移动网络的共享实体。和本发明的技术方案相关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S1AP协议。

LTE-Uu空中接口，为UE和eNodeB实体之间的接口，需要解密的RRC协议消息就在该接口上传输。

在LTE网络系统中，UE和eNodeB实体之间的RRC协议的主要功能是实现传输广播信息，建立和维护UE和EPC之间的业务，业务质量QoS控制，传输指定控制消息等，因此在监测分析LTE网络协议的技术应用中，对RRC协议的监测分析是至关重要的。但是在LTE网络中，UE和eNodeB实体之间经过接入层安全激活启动加密保护后，RRC消息会被加密传输，如果对监测到的RRC消息不进行解密，LTE协议监测分析系统是无法实现对RRC消息的正确解码和分析的。

现有技术方案是UMTS网络协议监测分析系统中对lub接口上的RRC消息的解密方法。如图2为UMTS网络结构的简单示意图，其中Uu接口和Iub接口上的RRC消息是加密传输的，而在Iu接口上传输的消息是不加密的，在Iub接口上进行监测分析协议RRC消息时可直接从Iu接口上的消息提取出RRC消息加解密密钥,然后对其加密的RRC消息进行解密。

这样的技术方案应用于LTE网络协议监测分析时的缺陷是：由于LTE网络系统相对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，主要体现在LTE网络中，取消了RNC实体，其功能有eNodeB和MME实现，而RRC消息也只在空口上进行传输；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RRC消息解密。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种方法和装置，在不改动LTE网络部署及配置情况下，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针对UE非切换时所捕获到的RRC消息进行解密，使监测系统对RRC协议正确解码和分析。

本发明中所要解决的主要技术难题是：对RRC消息进行解密而需要的KeNB、加密算法标识等相关安全参数的获取、计算推导维护加解密密钥Krrcenc。对RRC消息进行解密所需要的安全参数要从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。

本发明中所有解决的从属技术问题有：对S1-MME接口上特定的S1AP协议消息中的安全参数分析提取，LTE-Uu空中接口上特定的RRC消息中的安全参数分析提取。

具体地，本发明提出了一种RRC信令解密方法，包括以下步骤：

S101、从S1-MME接口，及LTE-Uu空中接口上的与UE接入层安全相关的消息中提取RRC解密参数及UE标识信息，其中所述RRC解密参数包括KeNB密钥参数和RRC消息解密算法标识cipheringAlgorithm信息；

S102、利用步骤S101中的所述UE标识信息建立该UE对应的RRC消息解密参数数据结构；

S103利用步骤S101中所述的RRC解密参数对该UE的RRC消息解密参数数据结构成员赋值，并根据相关RRC解密参数推导出RRC解密需要的密钥信息；

S104、利用与需要解密的RRC消息对应的UE标识信息查找到该UE对应的RRC消息解密参数数据结构，利用所述数据结构中密钥信息及承载该RRC消息的PDCP协议PDU中SN信息、RRC消息的承载信息、RRC消息传输方向信息对加密RRC消息进行解密。

根据本发明的另一方面，其中S101具体包括：

在UE非切换时，需要从S1-MME接口上的S1AP协议消息Initial ContextSetup Request或Ue Context Modify Request中提取KeNB密钥参数，从LTE-Uu空中接口上的RRC消息SecurityModeCommand或RRCConnectionReconfiguration上提取加密算法标识cipheringAlgorithm信息。

根据本发明的另一方面，其中S103进一步包括：

第一步，查看RRC消息解密参数推导维护模块中是否存在该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例，如果存在则执行第三步，否则执行第二步；

第二步，在RRC消息解密参数推导维护模块中建立该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例；

第三步，用提取的KeNB参数对解密参数数据结构成员赋值。

根据本发明的另一方面，其中S103进一步包括：

第一步，从所述RRC消息SecurityModeCommand中提取出RRC消息的加密算法标识cipheringAlgorithm参数；

第二步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第三步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc；

根据本发明的另一方面，其中S103进一步包括：

第一步，从所述RRC消息RRCConnectionReconfiguration中提取keyChangeIndicator参数；

第二步，判断keyChangeIndicator参数是否等于True；如果不等于，则结束过程；否则判断消息中是否含有cipheringAlgorithm参数，没有则执行第五步，有则执行第三步；

第三步，从消息RRCConnectionReconfiguration中提取cipheringAlgorithm参数；

第四步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第五步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc。

根据本发明的另一方面，其中步骤S102中的RRC消息解密参数数据结构具体为以下形式：

Struct RRC_Decryption_Para{

unsigned char  KeNB[32];

unsigned int    cipheringAlgorithm;

unsigned int    SRB1_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB1_UL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_UL_PDCP_COUNT;

unsigned char  Krrcenc[16];

};

其中，KeNB为密钥参数，cipheringAlgorithm为RRC解密算法标识；

SRB1_DL_PDCP_COUNT：下行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB1_UL_PDCP_COUNT：上行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB2_DL_PDCP_COUNT;下行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

SRB2_UL_PDCP_COUNT;上行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

Krrcenc：对加密的RRC消息进行解密的密钥。

根据本发明的另一方面，其中S104具体为：

第一步，根据所述RRC消息，及该RRC消息对应承载信息、传输方向、RRC消息技术信息及解密参数数据结构中的对应的RRC消息计数信息重新计算出该消息RRC消息计数值；

第二步，判断该RRC消息是否需要解密，即该RRC消息是否在UE的接入层安全激活后收到的；否则执行第四步，是则执行第三步；

第三步，利用该消息的承载信息、RRC消息计数值、消息传输方向、数据结构成员Krrcenc密钥、及数据结构成员cipheringAlgorithm对应的算法实现对RRC消息的解密；

第四步，判断该RRC消息是否是解密参数提取模块需要的RRC消息，是则输入到RRC消息解密参数提取模块，否则结束过程。

此外，本发明还提出了一种RRC信令解密装置，包括以下模块：

RRC消息解密参数提取模块：用于从S1-MME接口上与UE接入层安全相关的SIAP消息，及LTE-Uu空中接口上与UE接入层安全相关的RRC消息中提取RRC消息解密参数信息，其中该RRC消息解密参数包括RRC消息解密所需要的密钥以及解密算法标识；

RRC消息解密参数的推导与维护模块：用于对输入的所述RRC消息解密参数进行存储维护，并根据RRC消息解密相关参数进行推导计算出RRC解密密钥信息；

RRC消息解密执行模块：当UE的接入层安全激活启动后，该模块利用从RRC解密参数推导与维护模块输出的参数以及承载RRC消息的下层协议中的信息实现对输入的加密RRC消息的解密。

本发明提出的RRC信令解密装置和方法中，需要从S1-MME、LTE-Uu空中接口上的特定消息提取和UE接入层安全相关的信息，并利用提取的参数计算出RRC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RRC消息进行解密操作。

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。

图1是LTE网络结构示意图；

图2是UMTS网络结构示意图；

图3是RRC消息解密装置方框图；

图4是本发明提出的RRC消息解密方法流程图；

图5是本发明提出KeNB密钥参数的提取过程流程图；

图6是本发明提出的SecurityModeCommand中的cipheringAlgorithm参数提取过程流程图；

图7是本发明提出的RRCConnectionReconfiguration中的cipheringAlgorithm等参数提取过程流程图；

图8是本发明提出的RRC信令解密方法的解密执行过程流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在LTE协议监测分析时，本技术方案可实现在UE非切换时对抓取的移动终端UE和eNodeB实体之间交互的RRC信令的解密功能，其解密的RRC信令包括上行和下行方向的所有加密RRC信令。

如图3所示，方框中的部分为本发明装置的组成结构图，描述如下；

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。

本发明装置有三部分组成：RRC消息解密参数提取模块、RRC消息解密参数的推导与维护模块以及对加密的RRC消息解密执行模块。

其中各模块功能如下：

RRC消息解密参数提取模块：用于从S1-MME接口上与UE接入层安全相关的SIAP消息，及LTE-Uu空中接口上与UE接入层安全相关的RRC消息中提取RRC消息解密参数信息，其中该RRC消息解密参数包括RRC消息解密所需要的密钥以及解密算法标识；

RRC消息解密参数的推导与维护模块：用于对输入的所述RRC消息解密参数进行存储维护，并根据RRC消息解密相关参数进行推导计算出RRC解密密钥信息；

RRC消息解密执行模块：当UE的接入层安全激活启动后，该模块利用从RRC解密参数推导与维护模块输出的参数以及承载RRC消息的下层协议中的信息实现对输入的加密RRC消息的解密。

此外，本发明提出的一种LTE协议监测分析中针对UE非切换时的RRC信令解密方法主要包括以下步骤：

S101、从S1-MME接口，及LTE-Uu空中接口上的与UE接入层安全相关的消息中提取RRC解密参数及UE标识信息；其中所述RRC解密参数包括KeNB密钥参数和RRC消息解密算法标识cipheringAlgorithm信息；

S102、利用步骤S101中的所述UE标识信息在RRC解密参数推导维护模块中查找或建立该UE的RRC消息解密参数数据结构，

S103利用步骤S101中所述的RRC解密参数对该UE的RRC消息解密参数数据结构成员赋值，并根据相关RRC解密参数推导出RRC解密需要的密钥信息；

S104、利用与需要解密的RRC消息对应的UE标识信息在RRC解密参数推导维护模块中查找到该UE对应的RRC消息解密参数数据结构，利用所述数据结构中密钥信息及承载该RRC消息的PDCP协议PDU中SN信息、RRC消息的承载信息、RRC消息传输方向信息对加密RRC消息进行解密。

步骤S102中，下面将针对RRC消息解密参数存储方式进行详细描述。

在LTE系统内对RRC协议消息进行解密的参数不是固定的，而是随着RRC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RRC协议解密需要的参数。

对RRC协议解密需要的参数进行存储的相应数据结构如下：

用C++描述如下：

Struct RRC_Decryption_Para{

unsigned char  KeNB[32];

unsigned int    cipheringAlgorithm;

unsigned int    SRB1_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB1_UL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_UL_PDCP_COUNT;

unsigned char  Krrcenc[16];

};

KeNB：密钥参数，需要基于此参数推导计算出RRC解密需要的密钥Krrcenc；

cipheringAlgorithm：RRC加解密算法标识；

SRB1_DL_PDCP_COUNT：下行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB1_UL_PDCP_COUNT：上行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB2_DL_PDCP_COUNT;下行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

SRB2_UL_PDCP_COUNT;上行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

Krrcenc：对加密的RRC消息进行解密的密钥；

在使用时，每个UE都有一个该数据结构实例，记录UE接入层安全信息；

参见图5，将对RRC信令解密方法的参数提取及推导维护过程进行详细描述。

在UE非切换时，需要从S1-MME接口上的S1AP协议消息Initial ContextSetup Request或Ue Context Modify Request中提取KeNB密钥等安全参数，从LTE-Uu空中接口上的RRC消息SecurityModeCommand或RRCConnectionReconfiguration上提取加密算法标识cipheringAlgorithm等信息。对各个消息的处理过程描述如下：

1.对KeNB密钥参数的提取过程

如图5所示：具体描述如下：

第一步，从输入S1AP协议消息Initial Context Setup Request或UeContext Modify Request中提取出密钥KeNB参数；

第二步，查看RRC消息解密参数推导维护模块中是否存在该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例；如果存在则执行第四步，否则执行第三步；

第三步，在RRC消息解密参数推导维护模块中建立该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例；

第四步，用提取的KeNB参数对解密参数数据结构成员赋值；

第五步，结束过程。

参见图6，下面将对RRC消息SecurityModeCommand中的cipheringAlgorithm参数提取过程进行详细描述。

具体描述如下：

第一步，从输入的RRC消息SecurityModeCommand中提取出RRC消息的加密算法标识cipheringAlgorithm参数；

第二步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第三步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc；

第四步，结束过程；

参见图7，下面对RRC消息RRCConnectionReconfiguration中的cipheringAlgorithm等参数提取过程进行详细描述。

该过程具体描述如下：

第一步，从输入的RRC消息RRCConnectionReconfiguration中提取keyChangeIndicator参数；

第二步，判断keyChangeIndicator参数是否等于True；如果不等于，则结束过程；否则判断消息中是否含有cipheringAlgorithm参数，没有则执行第五步，有则执行第三步；

第三步，从消息RRCConnectionReconfiguration中提取cipheringAlgorithm参数；

第四步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第五步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc；

第六步，结束过程；

参见图8，下面将对RRC信令解密方法的解密执行过程进行详细描述。

该过程主要是利用输入的RRC消息的承载、消息计数、传输方向信息以及RRC解密参数数据结构中的成员对加密的RRC消息实现解密。过程如下所示：

过程具体描述如下：

第一步，输入RRC消息，及该消息对应承载信息、传输方向、消息计数信息，并根据承载信息、消息计数信息、传输方向及解密参数数据结构中的PDCP COUNT信息重新计算出该消息PDCP COUNT值；

第二步，判断该RRC消息是否需要解密，即该RRC消息是否在UE的接入层安全激活后收到的；否则执行第四步，是则执行第三步；

第三步，利用该消息的承载信息、PDCP COUNT值、消息传输方向、数据结构成员Krrcenc密钥、及数据结构成员cipheringAlgorithm对应的算法实现对RRC消息的解密；

第四步，判断该RRC消息是否是解密参数提取模块需要的RRC消息，是则输入到RRC消息解密参数提取模块，否则结束过程；

本发明采用在本发明的技术方案中，需要从S1-MME、LTE-Uu空中接口上的特定消息提取和UE接入层安全相关的信息，并利用提取的参数计算出RRC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RRC消息进行解密操作。此外，在本发明还设计了RRC解密参数的数据结构，可正确记录RRC解密需要的各种参数。

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所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种LTE协议监测分析中针对UE非切换时的RRC信令解密方法，包括以下步骤：

S101、从S1-MME接口，及LTE-Uu空中接口上的与UE接入层安全相关的消息中提取RRC解密参数及UE标识信息，其中所述RRC解密参数包括KeNB密钥参数和RRC消息解密算法标识cipheringAlgorithm信息；

S102、利用步骤S101中的所述UE标识信息建立该UE对应的RRC消息解密参数数据结构；

S103利用步骤S101中所述的RRC解密参数对该UE的RRC消息解密参数数据结构成员赋值，并根据相关RRC解密参数推导出RRC解密需要的密钥信息；

S104、利用与需要解密的RRC消息对应的UE标识信息查找到该UE对应的RRC消息解密参数数据结构，利用所述数据结构中密钥信息及承载该RRC消息的PDCP协议PDU中SN信息、RRC消息的承载信息、RRC消息传输方向信息对加密RRC消息进行解密。

2.如权利要求1所述的方法，其中S101具体包括：

在UE非切换时，需要从S1-MME接口上的S1AP协议消息Initial Context Setup Request或Ue Context Modify Request中提取KeNB密钥参数，从LTE-Uu空中接口上的RRC消息SecurityModeCommand或RRCConnectionReconfiguration上提取加密算法标识cipheringAlgorithm信息。

3.如权利要求2所述的方法，其中S103进一步包括：

第一步，查看RRC消息解密参数推导维护模块中是否存在该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例，如果存在则执行第三步，否则执行第二步；

第二步，在RRC消息解密参数推导维护模块中建立该KeNB参数对应的解密参数数据结构的实例；

第三步，用提取的KeNB参数对解密参数数据结构成员赋值。

4.如权利要求2所述的方法，其中S103进一步包括：

第一步，从所述RRC消息SecurityModeCommand中提取出RRC消息的加 密算法标识cipheringAlgorithm参数；

第二步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第三步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc。

5.如权利要求2所述的方法，其中S103进一步包括：

第一步，从所述RRC消息RRCConnectionReconfiguration中提取keyChangeIndicator参数；

第二步，判断keyChangeIndicator参数是否等于True；如果不等于，则结束过程；否则判断消息中是否含有cipheringAlgorithm参数，没有则执行第五步，有则执行第三步；

第三步，从消息RRCConnectionReconfiguration中提取cipheringAlgorithm参数；

第四步，用提取的cipheringAlgorithm参数对相应的解密参数数据结构成员赋值；

第五步，利用解密参数数据结构成员KeNB、cipheringAlgorithm信息及密钥推导函数KDF(KEY DERIVED FUNCTION)计算出RRC消息的解密密钥Krrcenc。

6.如权利要求1所述的方法，其中步骤S102中的RRC消息解密参数数据结构具体为以下形式：

Struct RRC_Decryption_Para{

unsigned char  KeNB[32];

unsigned int    cipheringAlgorithm;

unsigned int    SRB1_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB1_UL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_DL_PDCP_COUNT;

unsigned int    SRB2_UL_PDCP_COUNT;

unsigned char  Krrcenc[16];

}; 

其中，KeNB为密钥参数，cipheringAlgorithm为RRC解密算法标识；

SRB1_DL_PDCP_COUNT：下行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB1_UL_PDCP_COUNT：上行方向承载SRB1上的RRC消息计数；

SRB2_DL_PDCP_COUNT;下行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

SRB2_UL_PDCP_COUNT;上行方向承载SRB2上的RRC消息计数；

Krrcenc：对加密的RRC消息进行解密的密钥。

7.如权利要求1-6任一所述的方法，其中S104具体为：

第一步，根据所述RRC消息，及该RRC消息对应承载信息、传输方向、RRC消息技术信息及解密参数数据结构中的对应的RRC消息计数信息重新计算出该消息RRC消息计数值；

第二步，判断该RRC消息是否需要解密，即该RRC消息是否在UE的接入层安全激活后收到的；否则执行第四步，是则执行第三步；

第三步，利用该消息的承载信息、RRC消息计数值、消息传输方向、数据结构成员Krrcenc密钥、及数据结构成员cipheringAlgorithm对应的算法实现对RRC消息的解密；

第四步，判断该RRC消息是否是解密参数提取模块需要的RRC消息，是则输入到RRC消息解密参数提取模块，否则结束过程。

8.一种LTE协议监测分析中针对UE非切换时的RRC信令解密装置，包括以下模块：

RRC消息解密参数提取模块：用于从S1-MME接口上与UE接入层安全相关的SIAP消息，及LTE-Uu空中接口上与UE接入层安全相关的RRC消息中提取RRC消息解密参数信息，其中该RRC消息解密参数包括RRC消息解密所需要的密钥以及解密算法标识；

RRC消息解密参数的推导与维护模块：用于对输入的所述RRC消息解密参数进行存储维护，并根据RRC消息解密相关参数进行推导计算出RRC解密密钥信息；

RRC消息解密执行模块：当UE的接入层安全激活启动后，该模块利用从RRC解密参数推导与维护模块输出的参数以及承载RRC消息的下层协议中的信息实现对输入的加密RRC消息的解密。 

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