随着电信领域内通信标准的应用越来越普遍[1]， 通信软件的应用及研发也更加广泛且深入，所以验证软件的标准性以及健壮性就显得尤为重要。对于LTE协议栈而言，为保证通信软件协议栈的实现质量，必须对该软件进行协议一致性测试。协议测试其实是一种典型的黑盒测试，它包括4个方面：一致性测试、互操作性测试、坚固性测试和性能测试。

    对于LTE系统而言。安全性包括接入层AS(Access Stratum)和非接入层NAS(Non-Access Stratum)两个层次[2-3]，而接入层安全性相对而言更加重要。LTE系统主要提供两种有效的安全性功能——加密和完整性保护。而安全性的实现必须使用相应的算法，在几种主流的分组密码算法中，AES算法具有以下特点：(1)采用了128 bit的长密钥，使其难以被破解； (2)非线性度和复杂度相对较高； (3)能抗击截短差分攻击和渗透攻击；(4)加密速度快。因此在LTE中采用AES算法最合适。本文从接入层安全性流程的实现着手，编写测试例[4-5]，通过消息时序图（MSC）、跟踪文档并结合程序来检查和验证网络端接入层安全性的实现程序。
1 接入层安全性过程概述
    接入层安全性主要是在PDCP(Packet Data Convergence Protocol)层实现[6]，PDCP层通过接收高层的安全配置信令，进入相应的状态后才能对数据和信令进行加密及完整性保护，在正常的RRC(Radio Resource Control)连接建立完成并且通过层三的鉴权完成后，启动接入层的安全模式命令。网络端首先获得由非接入层的AKA(Authentication and Key Agreement)过程产生的密钥KASME，然后RRC由该参数计算得到KeNB,再由KeNB计算得到控制平面的完整性保护密钥KRRCint，以及用户平面和控制平面加密需要的密钥KUPenc、KRRCenc，再组装成安全模式命令（SecurityModeCommand），发送给终端，配置终端的安全性参数。当网络端发出SecurityModeCommand消息后开始对下行数据进行加密，终端的PDCP层接收到SecurityModeCommand消息后，先将其送到RRC进行解码操作，得出网络端配给终端的完整性保护算法，再将完整性保护算法和相应的密钥发给PDCP层，PDCP就可以对SecurityModeCommand消息进行完整性校验。如果没有通过完整性校验，则向网络端发送安全模式失败（SecurityModeFailure）；如果通过,则取出里面包含的加密算法，并向网络发送安全模式完成（SecurityModeComplete）消息，对其进行完整性保护但是不加密，自此后开始对上行数据加密，下行数据解密。网络端收到该消息后开始对上行数据解密，安全性建好后，开始对信令进行完整性保护。
2 安全性算法的研究与实现
    接入层的安全性是通过加密算法和完整性保护算法来实现。AES算法是一种块运算算法，其运算速度快、效果比较好，可以由此延伸出128-EEA加密算法和128-EIA完整性保护算法[8]。
2.1 128-EEA算法描述
    加密的目的是确保即使数据被第三方接收到，也无法正确解码。对于控制平面，被加密的数据单元仅是PDCP SDU的数据部分和MAC－I；对于用户平面，被加密的数据单元是PDCP SDU的数据部分。
    (1) RRC配置的输入参数
　 Count：长度32 bit，它由一个 HFN和PDCPSN组成,PDCP SN 的长度由RRC配置。
　  BEARER：长度5 bit，由RRC向PDCP提供一个对应的rbIdentity值减1后转化为一个5 bit的二进制数（高位用0来填充）而得。
　  DIRECTION：长度1 bit，表示传输方向：比特0表示为UL，比特1表示为DL。
    LENGTH：进行加密的消息的长度。
    KUPenc和KRRCenc：长度128 bit，是一个密钥，仅用于一个特定加密算法来保护UP业务。该密钥被UE和eNB使用，通过KDF将KeNB及其加密算法的ID生成的。
    (2) 算法流程
    ①生成Counter Block：将RRC所配置的参数Count、BEARER、DIRECTION组成长度为128 bit的数据流Tn,即：Tn = Count [0]...Count [31]│BEARER [0]...BEARER[4]│DIRECTION│026 (i.e. 26zero bits) | Mn。
    ②生成Keystream Block：密钥Key与Tn进行AES(Key，Tn)计算，计算结果Kn。即：Kn = AES(Key，Tn)。
　 ③生成所需要的加密文件CipherText:密文Cn的产生则根据：Cn=(Kn) ORX (Pn)。
2.2 128-EIA算法描述
　 完整性保护功能包括完整性保护和完整性验证。发送端将数据和一定的输入参数经过EIA算法，得出一个32 bit的MAC值，然后将这个MAC值随着数据一起发送到接收端，接收端通过同样的方法也得出一个XMAC值，然后比较这两个值是否一致,如果一致，则完整性验证成功；否则，完整性验证失败。完整性保护将只用于信令单元和数据单元的PDCP头,且在PDCP SDU的数据部分加密之前执行。
  
3 测试设计过程
    SDL是一种描述系统行为的语言，其具有以下特点：(1)说明系统的功能；(2)描述系统的内部结构和行为；(3)因为其描述生成的C代码（或嵌入的C代码）可以直接再在目标板上运行，因此可以大大缩短开发周期。因而在有关协议栈的通信软件的开发过程中，SDL有着广泛的应用，可以用于协议工程的各个阶段。
    在对TD-LTE无线终端综合测试仪接入层安全性协议实现的过程中，设计了如图1所示的SDL进程。PDCP层在DAM、DUM、SAM三种状态中转换，当释放掉某个PDCP实体后，进入空状态，等待着RRC去配置进入某个状态。因为仅仅只有SRB需要完整性保护，因此在DAM状态下设计了加密过程，而在SAM状态下设计了完整性保护过程。当RRC配置PDCP进入SAM状态后，PDCP通过原语CPDCP_SECURITY_REQ来接收RRC配置的安全性信息，如完整性保护算法和密钥，RRC再通过原语CPDCP_DATA_REQ发送信令到PDCP进行完整性保护，PDCP再将经过处理后的数据通过原语RLC_AM_DATA_REQ传给RLC层。当RRC配置PDCP进入DAM状态后，PDCP利用以前接收的加密密钥（假设PDCP没有经过重建）对接收到的数据进行加密处理。BC通过原语CPDCP_DATA_REQ将高层的数据传到PDCP层进行加密处理，PDCP再将处理后的数据通过原语RLC_AM_DATA_REQ传给RLC层。DUM状态类似于DAM状态，在此就不再赘述。
4 测试仿真结果
    将编写好的C代码嵌入到SDL软件中，再根据图1的信号流程图，结合由TTCN写的测试案例，得到图2的仿真结果图。可以看出仿真结果和信号流程图以及TTCN测试的数据完全吻合，所以完全正确地验证了设计的接入层安全性过程及流程。

    在对几种主流的分组密钥算法的对比研究的基础上发现AES算法具有很好的抗攻击能力和很高的复杂度，从而在LTE中将其作为安全性的核心算法。本文设计了实现接入层安全性的流程图及信号流程，最后通过一系列的测试验证了流程的正确性。还使用了ARM编译软件在芯片ARM1176JZF-S上结合其他各层实现单步测试，测试的流程图和在各内存中的数据都完全正确。该接入层安全性的设计方案对今后类似的设计场合有一定推广价值。
参考文献
[1] 沈嘉等.3 GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社, 2008.
[2] 3GPP TS 36.300 V9.0.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network[S].2009.12.
[3] 3GPP TS 36.331 V9.0.0, Radio Resource Control Protocol  Specification[S].2009.12.
[4] 3GPP TS 24.301 V9.0.0, Non-Access-Stratum protocol for Evolved Packet System [S].2009.12.
[5] 3GPP TS 33.401 V9.0.0、V9.2.0, System Architecture Evolution[S].2009.12.
[6] European Telecommunications Standards Institute (ETSI)/SAGE(Version:1.1).Specification of the 3GPP Confidentiality and Integrity Algorithms UEA2 & UIA2[S]. 2006.
[7] 3GPP TS 36.323 V9.0.0,Packet data convergence protocol (PDCP) specification[S]. 2009.
[8] National Institute of Standards and Technology(NIST).Federal Information Processing Standards Publications (FIPS PUBS)197, Advanced Encryption Standard(AES)[S]. 2001.