论文总字数：34754字

摘 要

随着人们对于通信需求的日益提升，LTE网络已经在世界范围全面铺开。VoLTE作为LTE环境下语音通信的重要承载方式也成为目前通信业界研究的主要方向。

VoLTE是一种以IP多媒体系统（IMS）为核心提出的完全基于纯分组交换的话音通信以及多媒体业务的解决方案，当用户有会话需求时，设备通过常规的LTE网络接入流程后进入IMS体系，从而完成会话控制与传输。然而由于现在的移动通信的安全体系仍不够完善，存在着无线窃听的安全隐患。因此本文重点研究了VoLTE架构下的语音传输的安全问题。

IP多媒体系统通过会话初始协议（SIP）进行会话的控制。本文中探讨了SIP协议（RFC3261）进行话音传输的基本流程，基于SIPdroid开源协议栈完成了SIP语音的多种加密方式传输，以此为基础开发了相应的android平台客户端，并在无线网络环境下进行了测试。

通过客户端进行应用层面的SIP加密传输之后，本文进一步从理论探讨了在VoLTE的架构下的协议设计层面上存在的网络语音传输的安全问题并提出了相应的解决方案。

关键词：VoLTE，SIP协议，Sipdroid

Research on the End-to-End Voice Encryption of Mobile Phone Based on VoLTE

ABSTRACT

Nowadays with the rising of the people demand for communication, LTE network has been built throughout the world. As an important method of voice transfer under LTE environment, VoLTE is one of the main research direction of the communication area.

VoLTE is a good solution to voice transfer and media services which is built based on Information Management System (IMS), and the data is transferred entirely by packet switching. Once the user has session demand, the user equipment (UE) first attaches to the LTE network, then enters IMS to process the session control and voice transfer. However, there still remain some safety problems in the communication system, and it is possible for the data to be intercepted. This paper focuses on these safety problems under VoLTE structure.

IMS conduct the session control with the help of the Session Initiation Protocol (SIP). In this paper, we discuss the conversation procedure of SIP (RFC3261), especially the voice encryption, and develop a SIP client on Android OS. Test result of the app under wireless environment is given in this paper.

Furthermore, based on the realization of the voice encryption of the SIP client, the application of this voice encryption in VoLTE structure is proposed in this paper.

Keywords: VoLTE; SIP protocol; Sipdroid

目 录

第一章 绪论 1

§1.1 VoLTE研究的背景与意义 1

1.1.1 LTE背景及其构架 1

1.1.2 VoLTE背景概述 2

§1.2 VoLTE当前研究现状 3

§1.3 本文的主要研究工作 4

§1.4 本文的组织结构 5

第二章 相关知识综述 6

§2.1 VoLTE整体设计与IMS架构分析 6

2.1.1 VoLTE概述与整体设计 6

2.1.2 IMS结构框架介绍 6

2.1.3 IMS相关实体功能描述 7

§2.2 VoLTE通信流程 10

2.2.1 VoLTE注册流程 10

2.2.2 VoLTE会话发起流程 11

2.2.3VoLTE会话结束流程 13

2.2.4 VoLTE中的优化手段 14

§2.3 IMS架构核心——SIP协议概述 14

2.3.1 SIP协议的功能 14

2.3.2 SIP信令网络与结构 15

2.3.3 SIP消息格式 16

§2.4 与SIP协议相结合的其他协议 18

2.4.1 SDP协议概述 18

2.4.2 RTP协议概述 20

第三章 VoLTE架构下的端到端系统设计 22

§3.1用户-网络接入安全 22

3.1.1 IMS-AKA鉴权机制 22

3.1.2 IMS信令安全 23

§3.2话音数据加密传输 24

§3.3 密钥协商机制 25

3.3.1公钥密码算法 25

3.3.2混合密钥加密的提出 26

3.3.3混合密钥加密流程 26

3.3.4改进型的混合密钥加密流程 27

§3.4 VoLTE端到端加密方案的提出 28

第四章 端到端会话加密系统的实现 31

§4.1 Sipdroid简介 31

§4.2 Sipdroid模块框架分析 31

§4.3 Sipdroid信令传输流程 32

§4.4 Sipdroid话音数据传输流程 35

§4.5 加密模块的设计 36

4.5.1加密算法的选择 36

4.5.2加密模块的嵌入 36

§4.6加密系统测试 39

4.6.1测试环境的搭建 39

4.6.2测试方法论述 39

4.6.3测试结果分析 42

第五章 总结与展望 47

致 谢 49

参考文献 50

绪论

§1.1 VoLTE研究的背景与意义

LTE背景及其构架

在互联网日益发达的今天，移动通信的发展与网络日趋紧密，而移动通信未来的竞争焦点将放在数据业务上。目前国内普及的3G技术仍旧是基于电话网络的核心构架，这种架构阻碍了新型的综合数据业务的发展。LTE称为长时演进技术，其第一个版本被记录在3GPP规范的Release 8版本中。为了提供更高的传输速率，更低的系统复杂度以及更低的建网成本，3GPP以扁平化，IP化作为LTE的主要特点。在LTE网络架构中，电路交换域的设备被彻底剔除，语音业务和数据业务都在IP网上承载。

图 1-1 LTE系统结构简图

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