LTE安全接入机制研究

名词解释

1. LTE（Long Term Evolution）：长期演进
2. EPS（Evolved Packet System）：演进型分组系统
3. SAE（System Architecture Evolution）：核心网的演进项目
4. EPC（Evolved Package Core，演化型分组核心网）
5. E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，演化型陆地无线接入网）
6. UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）
7. eNode B（Evolved Node B，演化型基站）
8. MME/S-GW（Mobility Management Entity/Serving- Gateway, 移动管理实体/服务网关）
9. RNC（Radio Network Controller,无线网络控制器）
10. AS（Access Stratum，接入层）
11. NAS（Non-Access Stratum，非接入层）
12. RRC(Radio Resources Control，无线资源控制)
13. IMSI（International Mobile Subscriber Identity，国际移动用户识别码）；
14. GUTI（Globally Unique Temporary Identity，全球唯一临时身份标识）；
15. S-TMSI（S-Temporary Mobile Subscriber Identity，S临时身份标识）；
16. UE(User Equipment，用户设备)
17. HSS(Home Subscriber Server, 用户归属服务器)
18. USIM(User Services Identity Module,用户业务身份模块)
19. AuC（Authentication Center，认证中心）
20. AKA（Authentication and Key Agreement，认证与**协商）
21. ME（Mobile Equipment，移动设备）
22. ASME（Access Security Management Entity，接入安全管理实体）
23. UP(User Plane，用户层)
24. S-TMSI（S-Temporary Mobile Subscriber Identity，S临时身份标识）
25. ECC(Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线密码学)
26. DLP(Discrete Logarithm Problem，离散对数问题)
27. ECDLP (Elliptic Curves Discrete Logarithm Problem，椭圆曲线上的离散对数问题)
28. IBC（Identity-Based Cryptosystem，基于身份的密码系统）
29. IBS (Identity-Based Signature，基于身份的签名算法)
30. IBE (Identity-Based Encryption，基于身份的加密算法)
31. TTP(Trusted Third Party，信任的第三方)
32. PKG(Private Key Generator，私钥生成器)
33. AV(Authentication Vector，认证向量)
34. XRES（Expected Response，预期响应）
35. AUTN（Authentication Token，认证令牌）

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• 3GPP 于 2004 年 12 月启动了无线接入网长期演进研究项目（Long Term Evolution，LTE），与之相匹配的是面向全 IP 分组域核心网的演进项目（System Architecture Evolution，SAE），旨在保持其在移动通信领域内的优势，以满足今后用户不断发展的需求。LTE 整个系统又被称为 EPS（Evolved Packet System，演进型分组系统）。图 1 是 LTE 与 3GPP 无线网络的架构。

图1 LTE/SAE网络体系结构

• 其中的虚线框架为 LTE 网络结构图，由两大部分组成：

  1） 接入网 E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，演化型陆地无线接入网）；
  2） 核心网 EPC（Evolved Package Core，演化型分组核心网）。

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- 在 LTE 网络中，通过分配 S-TMSI（S-Temporary Mobile Subscriber Identity，S临时身份标识）来作为用户在接入网络后的身份标识。S-TMSI 是 GUTI 的简化形式，每次接入时都会变化。由 MME 在用户接入后，根据约定好的生成算法和产生的随机数生成 S-TMSI，通过如图 2.7 的方式生成。

图 2.7 用户临时身份生成
- MME 在分配完 S-TMSI 后，保存其与 IMSI 之间的映射关系。在接入流程完成后，用户使用 S-TMSI 与 MME 进行交互通信。

• 在 EPS-AKA 方案中，参与认证和**协商的有三个主体：UE、MME 和 HSS。UE 与 HSS 之间有共享** K；在认证过程中，会产生认证向量 AV(Authentication Vector)。AV 由 RAND、XRES（Expected Response，预期响应）、KASME和 AUTN（Authentication Token，认证令牌）四个参数组成。其中 RAND 是随机数，由 HSS产生；XRES 是 MME 预期会收到的 UE 响应信息；KASME是用于计算后继通信所用**的基础**，由 K 通过**生成函数 f3、f4 和 KDF 生成；KSIASME是 KASME的**标识。为了抵御重放攻击，UE 和 HSS 都各自维持一个***计数器 SQN。其中 HSS 维持的是 SQNHSS，负责为每一个生成的 AV 产生一个新的*** SQN。UE 维持的是 SQNUE，用于保存已接收 AV 中的最大 SQN 值。

  
  
  图 4.1 EPS-AKA 的流程

图 4.2 EPS-AKA 认证向量的参数计算方法


图 4.3 EPS-AKA 用户认证参数的计算方法

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• 由文献[47]可知，根据通信设备与无线网络之间发生的动作类型，可以将移动通信系统中的 AKA 认证过程从总体上划分为注册认证与呼叫认证这两种类型。在此研究基础上，以 LTE/SAE 系统的基本网络结构为依据，将该系统下 UE 的各个状态结合其位置移动情况综合考虑，分别对这两种认证类型下的认证场景进行深入的研究。着重研究接入网，图 5.1 给出了简化的 LTE/SAE 网络结构[48],[49]。
  
  图 5.1 LTE/SAE 系统的接入网结构
  
  • 对图中的内容进行简要介绍。
  • MME：移动性管理实体，负责会话管理与用户相关的控制平面功能，是 AKA认证协议的参与实体之一；
  • HSS：归属用户服务器，由 HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）和 Au C 组成，是 AKA 认证协议的参与实体之一；
  • S-GW(Serving Gateway)：服务网关，接入网中的分组数据通过服务网关最终接入 LTE/SAE 的核心网。当移动终端在 E-UTRAN 中的 e Node B 间移动时，将服务网关作为本地的移动锚点，通过它来区别不同的子网。一个服务网关可以同时连接多个 MME，具体数目则由运营商的规划策略决定；
  • P-GW(Packet Data Network Gateway)：分组数据网络网关，用于不同的数据网络的区分，是连接外部分组数据网络的锚点；
  • eNodeB：演进型基站，负责 UE 与 E-UTRAN 之间的数据传输，直接与 UE 进行通信；
  • UE：用户终端；
  • S1：该接口位于 MME/S-GW 和 e Node B 之间，将系统划分为核心网和接入网。S1 同时能够支持信令数据和用户数据，在 eNodeB 和 MME 间为控制平面提供相关接口，实现控制功能。在 eNodeB 和 S-GW 间为用户平面提供接口，实现用户数据及用户平面控制帧的传输；
  • S5：该接口是 S-GW 和 P-GW 间的接口，基于 GTP 协议；
  • S10：是 MME 之间的接口，基于 GTP 协议，可用于 MME 之间安全上下文的传输，从而为 MME 间的切换做准备；
  • S11：该接口位于 MME 和 S-GW 间，基于 Gn/GTP-C[50]，同时附加了如寻呼协助等额外功能；
  • SGi：是 UE 的 IP 地址在外部分组数据网的呈现点，是外部分组数据网的重要接口 。
    有关 UE 状态的具体描述在 3GPP 的标准文档[51]中已有明确的定义，以下仅说明与 AKA 认证过程相关的状态及转换情况。
  • 空闲(IDLE)模式：UE 已经连接到网络，但是没有**会话；
  • **(ACTIVE)模式：对应于会话的**阶段，该模式表示 UE 正在进行业务的交互；
  • 开机—IDLE 转换模式：此种模式下的转换将触发 UE 注册入网事件，从而进一步触发触发注册认证过程；
  • 空闲模式—ACTIVE 转换模式：该模式的转换表示将有新业务发起，并触发呼叫认证过程。

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• 通过以上对移动通信系统中所涉及的认证场景的分析，基于文献[52]中对认证场景和认证协议间关系的论述，在此将认证场景分为了全认证场景、再次接入场景以及漫游切换场景三类，并针对每一类场景研究和设计了认证协议的接入AKA 方案，表 5.1 中列出了认证场景与对应的 AKA 方案之间的对应关系。
  表 5.1 认证场景与AKA 方案的关系
  

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