物联网信息安全 课件 第5章 4G安全机制

4G安全机制简介文字内容计算机学院文字内容4G：第四代移动通信系统标准指的是第四代移动通信技术,外语缩写4G。4G是集3G与WLAN于一体,有着不可比拟的优越性。

安全机制：保证合法用户得到合法安全的服务，防止非法用户或合法用户越权使用和破坏网络资源。4G安全机制简介4G定义※目前4G的标准TD-LTE、FDD-LTE。※4G可称为宽带接入和分布网络、具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统

和交互式广播网络，是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统的异构网络。上行:100Mbps下行:20Mbps(移动中)。4G网络架构4G网络将不同的固定和无线平台及跨越不同频带的无线网络连接起来，提供一致性和无缝的移动计算环境，并支持高速移动环境下高速数据c传输能力，可实现语音，数据和图像的高质量传输。4G网络结构体系4G关键技术4G国际标准TD-LTE-ALTE中的流密码算法ZUC12TD-LTE-A简介TD-LTE-Advanced是中国继TD-SCDMA之后，提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术。它吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素，体现了我国通信产业界在宽带无线移动通信领域的最新自主创新成果。TD-LTE-A发展与演进

2004年，中国在标准化组织3GPP提出了第三代移动通信TD-SCDMA的后续演进技术TD-LTE，主导完成了相关技术标准。

2007年，按照“新一代宽带无线移动通信网”重大专项的要求，中国政府面向国内组织开展了4G技术方案征集遴选。经过2年多的攻关研究，对多种技术方案进行分析评估和试验验证，最终中国产业界达成共识，在TD-LTE基础上形成了TD-LTE-Advanced技术方案。

2012年伊始，由我国主导制定的、大唐电信集团提出的TD-LTE-Advanced（即“TD-LTE-A”）被国际电信联盟确定成为4G国际标准，正式成为两大4G国际标准之一。TD-LTE-A技术优势

作为未来全球主流的移动通信技术标准，TD-LTE-A的技术优势体现在速率、时延和频谱利用率等多个领域，使得运营商能够在有限的频谱带宽资源上具备更强大的业务提供能力。TD-LTE-A技术特点2.帧结构TD-LTE采用如图所示无线帧结构，无线帧长度是10ms，分为10个长度为1ms的子帧作为数据调度和传输的单位(即TTI)。其中，子帧#1和#6可配置为特殊子帧，该子帧包含3个特殊时隙：DwPTS、GP和UpPTS，含义和功能与TD-SCDMA系统相类似。1.多址方式TD-LTE采用OFDM技术为基础，下行采用OFDMA，而上行根据链路特点采用单载波DFT-SOFDM作为多址方式。根据OFDM技术采用子载波分配的特点，系统采用15KHz的子载波带宽，按照不同的子载波数目，可以支持1.4、3、5、10、15和20MHz各种不同的系统带宽。在LTE-Advanced中，还可通过载波聚合的方式，聚合5个20MHz的单元载波，实现100MHz的全系统带宽。TD-LTE-A影响2012年1月18日这天，“中国创造”的TD—LTE—A被国际电信联盟确定成为第四代移动通信(下称“4G”)国际标准，与FDD-LTE-Advanced并列为4G国际标准，使得我国首次在4G移动通信标准这一前沿实现了从“追赶”到“引领”的重大跨越。TD-LTE-A未来的国际化将为我国本土企业带来前所未有的市场商机，将为我国企业由传统的产品出口向拥有自主技术的产品和服务以及投资输出转型打下基础，促进我国出口结构的调整，推动我国实现“中国制造”向“中国创造”的转型。ZUC算法介绍

ZUC算法，即祖冲之算法，是中国通信协会推荐给3GPPLTE使用的新算法，是LTE算法的核心。由ZUC定义的LTE加密算法，称为128-EEA3，由ZUC定义的LTE完整性保护算法，称为128-EIA3。ZUC算法整体架构

ZUC具有3个逻辑层，最上层是一个具有16阶段的线性反馈移位寄存器（LFSR），中层是一个比特混淆器，最下层是一个非线性函数F。ZUC算法三层架构--LFSR

1.LFSR

LFSR有16个31bit的单元(s0,s1,...s15），每个单元Si的输入在集合{1,2,3，...，231-1}中。LFSR具有2个操作模式：初始化模式和工作模式。

ZUC算法三层架构--LFSR

LFSR初始化模式

初始化模式中，LFSR的输入是31bit的字u，该字来自于非线性函数F的32bit的输出W，将W的最右一个比特去掉，即u=W>>1。具体而言，初始化模式为：

ZUC算法三层架构--LFSR

LFSR工作模式

工作模式下，LFSR没有输入，计算方法如下：

ZUC算法三层架构--BR

2.BR中间层的运算是BR，它从LFSR的单元中提取128bits，形成4个32bit字，前3个字用于最下层的非线性函数F，最后一个字用于生成密钥流。令Lets0,s2,s5,s7,s9,s11,s14,s15是LFSR的8个单元，那么BR如下生成4个32bit字X0,X1,X2,X3：ZUC算法三层架构--非线性函数F3.非线性函数F非线性函数F有2个32bit存储单元R1和R2。令F的输入是X0,X1和X-2，即BR操作的输出，F输出一个32bit字W。如下：PS：

S是32位输入，32位输出。其实由4个并列8x8的S盒组成，即S=(S0,S1,S2,S3)，其中S0=S2,S1=S3，即实际上定义了2个输入输出表S0，S1。线性变换L1和L2输入是32bit字，输出是32bit字。ZUC算法原理ZUC是一个面向字的流密码算法。输入是128bit的初始密钥和一个128bit的初始向量，输出是一个32bit的密钥流。密钥流可用于对信息进行加密/解密．

ZUC的执行分为两个阶段：初始化阶段和工作阶段。在第一阶段，密钥和初始向量进行初始化，即不产生输出。第二个阶段是工作阶段，在这个阶段，每一个时钟脉冲产生一个32比特的密钥输出。ZUC算法实现过程

算法的执行过程主要有四个步骤:（1）密钥加载（2）初始化阶段（3）工作阶段（4）密钥流产生阶段ZUC算法实现过程（1）密钥加载阶段：

在密钥加载阶段,将128位的初始密钥和128位的初始化向量载入LFSR,同时令32bit的存储单元R1和R2全为0。ZUC算法实现过程（2）初始化阶段在初始化阶段，执行下面的操作32次：1、Bitreorganization()；2、W=F（X0,X1,X2)；3、LFSRWithInitialisationMode(w>>1)ZUC算法实现过程（3）工作阶段在工作阶段,算法执行下面的操作1次,并弃掉F的输出W：1、Bitreorganization()；2、w=F（X0,X1,X2)；3、LFSRWithWorkMode().ZUC算法实现过程（4）密钥流产生阶段

在密钥流产生阶段,每次迭代执行以下操作1次,Z是一个32位的输出：1、Bitreorganization()；