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/LTE安全體系結(jié)構(gòu)摘要:針對(duì)3GPP提出的LTE/SAE標(biāo)準(zhǔn),研究了LTE/SAE安全體系架構(gòu).首先概述了LTE/SAE的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),介紹了LTE/SAE較之UMTS網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)之處;其次,逐層介紹LTE/SAE的網(wǎng)絡(luò)安全體系,包括安全架構(gòu),安全流程分析,鑒權(quán)與密鑰協(xié)商過(guò)程,密鑰體系,安全激活過(guò)程等;再者,指出了現(xiàn)階段LTE/SAE安全體制存在的一些問(wèn)題并進(jìn)行了分析;最后對(duì)文獻(xiàn)閱讀方面做了總結(jié)。關(guān)鍵詞:3GPP;LTE/SAE;安全機(jī)制;密鑰;鑒權(quán)TheSecurityMechanismofLTE/SAEAbstract:TheLTE/SAEsecuritymechanismarchitectureisstudiedthroughthestandardofLTE/SAEputforwardby3GPP.Firstly,thebasicnetworkstructureofLTE/SAEissummarizedandtheadvantageofLTE/SAEtoUMTSisintroduced。Secondly,thenetworksecuritymechanismofLTE/SAE,securitystructure,theanalysisofsecurityprocedure,authenticationandkeyagreement,keyhierarchy,securitymodeactivat(yī)ionprocedure,andsoon,isintroducedstepbystep.Andthen,someproblemsexistinginthepresentsecuritymechanismofLTE/SAEareshownandanalyzed.Atlast,somesummaryisgivenonpaperreading。Keywords:3GPP(3rdGenerationPartnershipProject);LTE/SAE(longtimeevolution/systemarchitectureevolution);SecurityMechanism;Key;Authenticat(yī)ion1. 引言1.1??LTE發(fā)展背景伴隨GSM等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去的二十年中的廣泛普及,全球語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)獲得了巨大的成功。目前,全球的移動(dòng)語(yǔ)音用戶(hù)已超過(guò)了18億。同時(shí),我們的通信習(xí)慣也從以往的點(diǎn)到點(diǎn)(Pl(wèi)acetoPlace)演進(jìn)到人與人。個(gè)人通信的迅猛發(fā)展極大地促使了個(gè)人通信設(shè)備的微型化和多樣化,結(jié)合多媒體消息、在線(xiàn)游戲、視頻點(diǎn)播、音樂(lè)下載和移動(dòng)電視等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力,大大滿(mǎn)足了個(gè)人通信和娛樂(lè)的需求。另外,盡量利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供計(jì)算和存儲(chǔ)能力,通過(guò)低成本的寬帶無(wú)線(xiàn)傳送到終端,將有利于個(gè)人通信娛樂(lè)設(shè)備的微型化和普及。GSM網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA網(wǎng)絡(luò)以提供更多樣化的通信和娛樂(lè)業(yè)務(wù),降低無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本,已成為GSM移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的必經(jīng)之路。但這也僅僅是往寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)演進(jìn)的一個(gè)開(kāi)始.WCDMA/HSDPA與GPRS/EDGE相比,雖然無(wú)線(xiàn)性能大大提高,但是,在IPR的制肘、應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)和滿(mǎn)足用戶(hù)需求等領(lǐng)域,還是有很多局限。由于CDMA通信系統(tǒng)形成的特定歷史背景,3G所涉及的核心專(zhuān)利被少數(shù)公司持有,在IPR上形成了一家獨(dú)大的局面.專(zhuān)利授權(quán)費(fèi)用已成為廠家承重負(fù)擔(dān)??梢哉f(shuō),3G廠商和運(yùn)營(yíng)商在專(zhuān)利問(wèn)題上處處受到制肘,業(yè)界迫切需要改變這種不利局面.面對(duì)高速發(fā)展的移動(dòng)通信市場(chǎng)的巨大誘惑和大量低成本,高帶寬的無(wú)線(xiàn)技術(shù)快速普及,眾多非傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也紛紛加入了移動(dòng)通信市場(chǎng),并引進(jìn)了新的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式.例如,Google與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商(ISP)Earthlink合作,已在美國(guó)舊金山全市提供免費(fèi)的無(wú)線(xiàn)接入服務(wù),雙方共享廣告收入,并將廣告收入作為其主要盈利途徑,Google更將這種新的運(yùn)營(yíng)模式申請(qǐng)了專(zhuān)利。另外,大量的酒店、度假村、咖啡廳和飯館等,由于本身業(yè)務(wù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的原因,提供免費(fèi)WiFi無(wú)線(xiàn)接入方式,通過(guò)因特網(wǎng)可以輕易的查詢(xún)到這類(lèi)信息.最近,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商“SKYPE”更在這些免費(fèi)的無(wú)線(xiàn)寬帶接入基礎(chǔ)上,新增了幾乎免費(fèi)的語(yǔ)音及視頻通信業(yè)務(wù)。這些新興力量給傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn),加快現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)演進(jìn),滿(mǎn)足用戶(hù)需求,提供新型業(yè)務(wù)成為在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中處于不敗之地的唯一選擇。與此同時(shí),用戶(hù)期望運(yùn)營(yíng)商提供任何時(shí)間任何地點(diǎn)不低于1Mbps的無(wú)線(xiàn)接入速度,小于20ms的低系統(tǒng)傳輸延遲,在高移動(dòng)速率環(huán)境下的全網(wǎng)無(wú)縫覆蓋。而最重要的一點(diǎn)是能被廣大用戶(hù)負(fù)擔(dān)得起的廉價(jià)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這些要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力,尋找突破性的空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看來(lái)是勢(shì)在必行.LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))是由3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)定義的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)演進(jìn)目標(biāo),支持在成對(duì)頻譜和非成對(duì)頻譜上的運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有和未來(lái)的無(wú)線(xiàn)頻帶頻譜的高效利用。它還支持1。4~20MHz的信道帶寬。業(yè)界對(duì)LTE的廣泛支持,確保了LTE擁有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,因此是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。2006年9月,3GPP最終確定了LTE:也稱(chēng)之為演進(jìn)的UTRA和UTRAN(EvolvedUTRAandUTRAN)的研究項(xiàng)目.該項(xiàng)研究的目標(biāo)是確定3GPP接入技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃,使其可以在遙遠(yuǎn)的將來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),相應(yīng)的工作項(xiàng)目計(jì)劃在2007年下半年完成。3GPP還開(kāi)展了一項(xiàng)平行研究:即系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE),展示核心網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)要點(diǎn)。這是一個(gè)基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),旨在簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作,確保平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。1.2 ?LTE安全機(jī)制概述隨著移動(dòng)通信的普及,移動(dòng)通信中的安全問(wèn)題正受到越來(lái)越多的關(guān)注,人們對(duì)移動(dòng)通信中的信息安全也提出了更高的要求.在2G(以GSM網(wǎng)絡(luò)為例)中,用戶(hù)卡和網(wǎng)絡(luò)側(cè)配合完成鑒權(quán)來(lái)防止未經(jīng)授權(quán)的接入,從而保護(hù)運(yùn)營(yíng)商和合法用戶(hù)雙方的權(quán)益。但GSM網(wǎng)絡(luò)在身份認(rèn)證及加密算法等方面存在著許多安全隱患:首先,由于其使用的COMP128—1算法的安全缺陷,用戶(hù)SIM卡和鑒權(quán)中心(AuC)間共享的安全密鑰可在很短的時(shí)間內(nèi)被破譯,從而導(dǎo)致對(duì)可物理接觸到的SIM卡進(jìn)行克??;GSM網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)完整性保護(hù)的問(wèn)題,難以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程被篡改等問(wèn)題。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)在2G的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),繼承了2G系統(tǒng)安全的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)針對(duì)3G系統(tǒng)的新特性,定義了更加完善的安全特征與安全服務(wù)。R99側(cè)重接入網(wǎng)安全,定義了UMTS的安全架構(gòu),采用基于Milenage算法的AKA鑒權(quán),實(shí)現(xiàn)了終端和網(wǎng)絡(luò)間的雙向認(rèn)證,定義了強(qiáng)制的完整性保護(hù)和可選的加密保護(hù),提供了更好的安全性保護(hù);R4增加了基于IP的信令的保護(hù);R5增加了IMS的安全機(jī)制;R6增加了通用鑒權(quán)架構(gòu)GAA(GenericAuthenticationArchitecture)和MBMS(MultimediaBroadcastMulticastService)安全機(jī)制。3G技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了移動(dòng)通信網(wǎng)數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)的發(fā)展,在更大程度上滿(mǎn)足了個(gè)人通信和娛樂(lè)的需求,正在被廣泛推廣和應(yīng)用。為了進(jìn)一步發(fā)展3G技術(shù),3GPP于2004年將LTE(LongTimeEvolution)作為3G系統(tǒng)的長(zhǎng)期演進(jìn),并于2006年開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)制定工作。在開(kāi)展LTE研究項(xiàng)目的同時(shí),啟動(dòng)了SAE(SystemArchitectureEvolution)的研究項(xiàng)目。LTE/SAE的安全功能也不斷得到完善、擴(kuò)展和加強(qiáng),本文對(duì)LTE/SAE的安全技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。2?LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.1??LTE基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)LTE采用扁平化、IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC—NodeB結(jié)構(gòu),各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的接口使用IP傳輸,通過(guò)IMS承載綜合業(yè)務(wù),原UTRAN的CS域業(yè)務(wù)均可由LTE網(wǎng)絡(luò)的PS域承載.原有PS域的SGSN(serviceGPRSsupportnode)和GGSN(gatewayGPRSsupportnode)功能歸并后重新作了劃分,成為兩個(gè)新的邏輯網(wǎng)元:移動(dòng)管理實(shí)體(MME)和服務(wù)網(wǎng)關(guān)(ServingGateway),實(shí)現(xiàn)PS域的承載和控制相分離。新增的PDNGW網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)接入.LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示:圖1LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)E—UTRAN由eNB構(gòu)成;EPC(EvolvedPacketCore)由MME(MobilityManagementEntity),S-GW(ServingGateway)以及P—GW(PDNGateway)構(gòu)成。E-UTRAN主要的開(kāi)放接口包括:S1接口:連接E-UTRAN與CN,類(lèi)似于UTRAN的Iu接口;X2接口:實(shí)現(xiàn)E-NodeB之間的互聯(lián),類(lèi)似于UTRAN的Iur接口;LTE-Uu接口:E—UTRAN的無(wú)線(xiàn)接口,類(lèi)似于UTRAN的Uu接口;圖2E-UTRAN與UTRAN接口對(duì)照2.2? LTE/SAE網(wǎng)元功能介紹SAE是LTE的系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn),所以,在此有必要對(duì)其系統(tǒng)架構(gòu)做簡(jiǎn)單介紹,SAE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示:SGiS12S3S1-MMEPCRFGxS6aHSSOperator'sIPServices(e.g.IMS,PSSetc.)RxS10UESGSN"LTE-Uu"E-UTRANMMES11S5ServingGatewayPDNGatewayS1-US4UTRANGERAN圖3SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接下來(lái)介紹一下各網(wǎng)元的功能:2.2。1?UTRANE-UTRAN實(shí)體的主要功能包括:頭壓縮及用戶(hù)平面加密;在沒(méi)有路由到達(dá)MME的情況下,MME的選擇取決于UE提供的信息;沒(méi)有路由情形下的MME選擇;基于AMBR和MBR的上行承載級(jí)速率執(zhí)行;上下行承載級(jí)準(zhǔn)許控制.2.2。2 MME提供以下功能:NAS信令及其安全;跨核心網(wǎng)的信令(支持S3接口);對(duì)處于MME-IDLE狀態(tài)的UE進(jìn)行尋呼;跟蹤區(qū)域(TrackingArea)列表的管理;P—GW和S-GW的選擇;發(fā)生跨MME切換時(shí)的MME選擇;發(fā)生與2G/3G3GPP接入網(wǎng)之間切換時(shí)的SGSN選擇;支持漫游(與HSS之間的S6a接口);鑒權(quán);承載管理,包括專(zhuān)用承載(dedicatedbearer)的建立。2。2。3?S-GW對(duì)每一個(gè)與EPS相關(guān)的UE,在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上,都有一個(gè)S—GW為之服務(wù)。S-GW對(duì)基于GTP和PMIP的S5/S8都能提供如下功能:eNode間切換時(shí),作為本地錨定點(diǎn);在2G/3G系統(tǒng)和P-GW之間傳輸數(shù)據(jù)信息;在EMM-IDLE模式下為下行數(shù)據(jù)包提供緩存;發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求流程;合法偵聽(tīng);IP包路由和前轉(zhuǎn);IP包標(biāo)記;計(jì)費(fèi).2.2.4?P基于單個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)包過(guò)濾;UEIP地址分配;上下行傳輸層數(shù)據(jù)包的分類(lèi)標(biāo)示;上下行服務(wù)級(jí)的計(jì)費(fèi)(基于SDF,或者基于本地策略);上下行服務(wù)級(jí)的門(mén)控;上下行服務(wù)級(jí)增強(qiáng),對(duì)每個(gè)SDF進(jìn)行策略和整形;基于AMBR的下行速率整形基于MBR的下行速率整上下行承載的綁定;合法性監(jiān)聽(tīng);2.2.5 HSSHSS是用于存儲(chǔ)用戶(hù)簽約信息的數(shù)據(jù)庫(kù),歸屬網(wǎng)絡(luò)中可以包含一個(gè)或多個(gè)HSS。HSS負(fù)責(zé)保存以下跟用戶(hù)相關(guān)的信息:用戶(hù)標(biāo)識(shí)、編號(hào)和路由信息;用戶(hù)安全信息:用于鑒權(quán)和授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)接入控制信息用戶(hù)位置信息:HSS支持用戶(hù)注冊(cè),并存儲(chǔ)系統(tǒng)間的位置信息用戶(hù)輪廓信息HSS還能產(chǎn)生用于鑒權(quán)、完整性保護(hù)和加密的用戶(hù)安全信息.HSS負(fù)責(zé)與不同域和子系統(tǒng)中的呼叫控制和會(huì)話(huà)管理實(shí)體進(jìn)行聯(lián)系.2。2。6?PPCRF是策略和計(jì)費(fèi)控制單元.3?LTE安全機(jī)制本章從LTE/SAE的安全架構(gòu)入手,首先介紹了安全層次,并分析了安全層次的必要性;其次,分析了LTE認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程,密鑰的體系架構(gòu),以及安全性激活過(guò)程;最后對(duì)LTE安全機(jī)制進(jìn)行了安全性分析。3.1 LTE/SAE安全架構(gòu)LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)的安全架構(gòu)和UMTS的安全架構(gòu)基本相同,如下圖所示:圖4安全架構(gòu)LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)的安全也分為5個(gè)域:1)網(wǎng)絡(luò)接入安全(I)2)網(wǎng)絡(luò)域安全(II)3)用戶(hù)域安全(III)4)應(yīng)用域安全(IV)5)安全服務(wù)的可視性和可配置性(V)LTE/SAE的安全架構(gòu)和UMTS的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)相比,有如下區(qū)別:1)在ME和SN之間增加了雙向箭頭表明ME和SN之間也存在非接入層安全.2)在AN和SN之間增加雙向箭頭表明AN和SN之間的通信需要進(jìn)行安全保護(hù)。3)增加了服務(wù)網(wǎng)認(rèn)證的概念,因此HE和SN之間的箭頭由單向箭頭改為雙向箭頭。3.2??LTE/SAE安全層次在LTE中,由于eNB輕便小巧,能夠靈活的部署于各種環(huán)境。但是,這些eNB部署點(diǎn)環(huán)境較為復(fù)雜,容易受到惡意的攻擊。為了使接入網(wǎng)安全受到威脅時(shí)不影響到核心網(wǎng),LTE在安全方面采取分層安全的做法,將接入層(AS)安全和非接入層(NAS)安全分離,AS安全負(fù)責(zé)eNB和UE之間的安全,NAS安全負(fù)責(zé)MME和UE之間的安全。采用這種方式能夠更好的保護(hù)UE的接入安全.這樣LTE系統(tǒng)有兩層保護(hù),而不像UMTS系統(tǒng)只有一層安全保障。第一層為E-UTRAN網(wǎng)絡(luò)中的RRC安全和用戶(hù)面(UP)安全,第二層是EPC(演進(jìn)的包核心)網(wǎng)絡(luò)中的NAS信令安全,如下頁(yè)圖1所示。這種設(shè)計(jì)目的是使E—UTRAN安全層(第一層)和EPC安全層(第二層)相互的影響最小化。該原則提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性;對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō),允許將eNB放置在易受攻擊的位置而不存在高的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),可以在多接入技術(shù)連接到EPC的情況下,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全性的評(píng)估和分析更加容易。即便攻擊者可以危及第一個(gè)安全層面的安全,也不會(huì)波及到第二個(gè)安全層面。圖5LTE/SAE安全層次3.3 LTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程3GPPLTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程取得了用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)之間相互認(rèn)證的功能,在成功認(rèn)證的基礎(chǔ)上完成了密鑰的協(xié)商,并且確保了協(xié)商密鑰的新鮮性。協(xié)議中參與認(rèn)證與密鑰協(xié)商的主體有:用戶(hù)設(shè)備(UserEquipment,UE)、移動(dòng)性管理實(shí)體(MobilityManagementEntity,MME)和本地用戶(hù)服務(wù)器(HomeSubscriberServer,HSS),UE信任HSS并與其共享密鑰K及確定的加解密算法。此外,UE和HSS各自維持一個(gè)計(jì)數(shù)器SQNms.和SQNhss,并且SQNms和SQNhss的初值都為0。其中f1和f2為認(rèn)證函數(shù),f3、f4、f5、s10為密鑰生成函數(shù),其詳細(xì)定義見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。詳細(xì)的3GPPSAE認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議參見(jiàn)圖6,圖中認(rèn)證令牌AUTN=SQNAK||AMF||MAC,認(rèn)證向量AV=(RAND||XRES||KASME||AUTN),RAND為HSS產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),AK=f5(RAND),MAC=f1(SQN||RAND||AMF),XRES=f2(RAND),CK=f3(RAND),IK=f4(RAND),密鑰KASME由CK,IK和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)號(hào)從密鑰產(chǎn)生算法s10.得到,其中“||”表示符號(hào)消息的串聯(lián),“"標(biāo)識(shí)異或運(yùn)算符。圖6LTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程3GPPLTE/SAE認(rèn)證向量分發(fā)與密鑰協(xié)商的具體過(guò)程如下:(1)MME發(fā)起認(rèn)證過(guò)程。首先MME收到移動(dòng)用戶(hù)的注冊(cè)請(qǐng)求后,向用戶(hù)的HSS發(fā)送該用戶(hù)的永久身份標(biāo)識(shí)IMSI,向所在的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)SNID,請(qǐng)求對(duì)該用戶(hù)身份和所在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證;(2)HSS收到MME的認(rèn)證請(qǐng)求之后,根據(jù)SNID對(duì)用戶(hù)所在的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證失敗則HSS拒絕該消息,如驗(yàn)證通過(guò),生成序列號(hào)SQN和隨機(jī)數(shù)RAND,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或一組認(rèn)證向量AV并發(fā)送給MME,MME按序存儲(chǔ)這些向量,每一個(gè)認(rèn)證向量可以在UE和MME之間進(jìn)行一次認(rèn)證與密鑰協(xié)商。步驟1和2即為從HSS到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)認(rèn)證數(shù)據(jù)的過(guò)程,圖7所示為HSS中認(rèn)證向量的產(chǎn)生機(jī)制;圖7認(rèn)證向量的產(chǎn)生機(jī)制(3)MME收到認(rèn)證向量或認(rèn)證向量組之后,對(duì)認(rèn)證向量組按序排序,然后選擇一個(gè)序號(hào)最小的認(rèn)證向量,并將其RAND和AUTN發(fā)送給UE,請(qǐng)求UE產(chǎn)生認(rèn)證數(shù)據(jù);(4)UE收到MME發(fā)來(lái)的認(rèn)證請(qǐng)求后,首先驗(yàn)證AUTN中AMF域的分離位,然后計(jì)算XMAC,并與AUTN中的MAC相比較,若AMF驗(yàn)證不通過(guò)或者XMAC與MAC比較不符,則向MME發(fā)送拒絕認(rèn)證消息,并放棄該過(guò)程。上述兩項(xiàng)驗(yàn)證通過(guò)后,UE將計(jì)算RES和KASME,KASME由認(rèn)證過(guò)程中產(chǎn)生的密鑰CK、IK和SNID根據(jù)密鑰產(chǎn)生函數(shù)s。得到,并將RES發(fā)送給MME。步驟3和4即為認(rèn)證和密鑰協(xié)商過(guò)程,該過(guò)程完成用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)的相互認(rèn)證,并且產(chǎn)生用于用戶(hù)面、無(wú)線(xiàn)資源控制層和非接人層的加密和完整性保護(hù)的父密鑰;(5)MME收到UE發(fā)送的RES后,將RES與認(rèn)證向量AV中的XRES進(jìn)行比較,相同則整個(gè)認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程成功。隨后的本地認(rèn)證過(guò)程中,接入層和非接入層將采用認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程中產(chǎn)生的父密鑰KASME根據(jù)相應(yīng)的密鑰產(chǎn)生算法生成接人層和非接入層的加密密鑰和完整性保護(hù)密鑰進(jìn)行機(jī)密通信,否則整個(gè)認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程失敗,網(wǎng)絡(luò)拒絕用戶(hù)入網(wǎng).圖8USIM卡中的用戶(hù)認(rèn)證功能3。4? LTE/SAE密鑰架構(gòu)為了管理UE和LTE接入網(wǎng)絡(luò)各實(shí)體共享的密鑰,LTE定義了接入安全管理實(shí)體(ASME),該實(shí)體是接入網(wǎng)從HSS接收最高級(jí)(top-level)密鑰的實(shí)體.對(duì)于LTE接入網(wǎng)絡(luò)而言,MME執(zhí)行ASME的功能。LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)密鑰層次架構(gòu)如圖9所示。LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)的密鑰層次架構(gòu)中包含如下密鑰:(1)UE和HSS間共享的密鑰.K:存儲(chǔ)在USIM和認(rèn)證中心AuC的永久密鑰;CK/IK:AuC和USIM在AKA認(rèn)證過(guò)程中生成的密鑰對(duì).圖9LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)密鑰層次構(gòu)架(2)ME和ASME共享的中間密鑰.KASME:UE和HSS根據(jù)CK/IK推演得到的密鑰。密鑰KASME作為SAE特定認(rèn)證向量響應(yīng)的部分從HSS傳輸?shù)紸SME。(3)LTE接入網(wǎng)絡(luò)的密鑰.KeNB:用于推導(dǎo)保護(hù)RRC流量的密鑰和UP流量的密鑰;KNASint:用于和特定的完整性算法一起保護(hù)NAS流量;。KNASenc:用于和特定的加密算法一起保護(hù)NAS流量;KUPenc:用于和特定的加密算法一起保護(hù)UP流量;KRRCint:用于和特定的完整性算法一起保護(hù)RRC流量;KRRCenc:用于和特定的加密算法一起保護(hù)RRC流量。3。5? LTE/SAE安全性激活在LTE中,非接入層和接入層分別都要進(jìn)行加密和完整性保護(hù),它們是相互獨(dú)立的,它們安全性的激活都是通過(guò)SMC命令來(lái)完成的,且發(fā)生在AKA之后。網(wǎng)絡(luò)端對(duì)終端的非接入層和接入層的激活順序是先激活非接入層的安全性,再激活接入層的安全性.3.5.1?非接入層的安全模式過(guò)程非接人層安全模式命令過(guò)程激活非接人層安全,提供非接人層信令數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性保護(hù),該過(guò)程包含一個(gè)在MME和UE之問(wèn)往返的消息。MME發(fā)送給UE一個(gè)非接人層(Non—accessStrarum,NAS)安全模式命令,UE回復(fù)一個(gè)NAS安全模式完成消息。從MME到UE的NAS安全模式命令消息包含重放的UE安全能力、選擇的NAS算法和標(biāo)明密鑰KASME的KSIASME,其中UE安全能力包括NAS安全能力、RRC和用戶(hù)面加密和完整性。NAS安全模式命令消息利用NAS完整性密鑰進(jìn)行完整性保護(hù),該密鑰由消息中KSIASME標(biāo)明的KASME密鑰產(chǎn)生。UE驗(yàn)證NAS安全模式命令消息的完整性,如果驗(yàn)證成功,UE開(kāi)始NAS完整性保護(hù)并且加解密,發(fā)送NAS安全模式完成消息給MME。NAS安全模式完成消息利用NAS安全模式命令消息中選擇的加密和完整性保護(hù)算法進(jìn)行加密和完整性保護(hù),密鑰基于KSIASME標(biāo)明的密鑰KASME.如果NAS安全模式命令消息的驗(yàn)證沒(méi)成功,該過(guò)程將在ME端結(jié)束,并且ME將不發(fā)送NAS安全模式完成消息。圖10非接入層安全模式過(guò)程3.5。2?接人層安全模式命令激活接人層安全,提供接人層信令數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)和機(jī)密性保護(hù),并且提供用戶(hù)面數(shù)據(jù)機(jī)密性的保護(hù)功能,該過(guò)程包含一個(gè)在ENB和UE之間往返消息.演進(jìn)型基站(EvolvedNodeBase,ENB)發(fā)送給UE一個(gè)接人層(AccessStratum,AS)安全模式命令,然后UE回復(fù)一個(gè)AS安全模式完成消息。從ENB到UE的AS安全模式命令消息包括所選擇的As算法和KSIASME,該消息由RRC完整性保護(hù)密鑰保護(hù),RRC完整性保護(hù)密鑰由KASME得到,而KASME從KSIASME獲得.從UE到ENB的AS安全模式完成消息利用AS安全模式命令消息中的RRC完整性保護(hù)算法保護(hù),RRC完整性保護(hù)密鑰基于密鑰KASME。如果AS安全模式命令過(guò)程不成功,該過(guò)程將在ME端終止,ME將不發(fā)送AS安全模式完成消息。圖11接入層安全模式過(guò)程3。6 LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)安全域網(wǎng)絡(luò)域IP(或NDS/IP)安全是指在EPC(分組核心網(wǎng))/E—UTRAN(接入網(wǎng))中,對(duì)通過(guò)網(wǎng)元間接口交換的用戶(hù)和信令消息進(jìn)行保護(hù)。NDS/IP不適用于終端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和信令傳輸,它們屬于用戶(hù)-網(wǎng)絡(luò)安全范疇。IP網(wǎng)絡(luò)的NDS(NetworkDomainSecurity)體系結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12IP網(wǎng)絡(luò)的NDS體系結(jié)構(gòu)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)或多個(gè)安全域構(gòu)成的,每個(gè)安全域都是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)子集,通常由單獨(dú)的管理中心進(jìn)行管理。安全網(wǎng)關(guān)位于安全域的邊緣,它匯聚了所有進(jìn)出安全域的數(shù)據(jù)流。網(wǎng)元可以是屬于E-UTRAN、EPC和IMS域的任意類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),如eNodeB、MME(MobilityManagementEntity)、S—CSCF等。Zb接口通常應(yīng)用于單個(gè)安全域中網(wǎng)元之間或網(wǎng)元與安全網(wǎng)關(guān)之間,主要是由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行控制的.相比之下,Za接口用于連接兩個(gè)不同安全域的安全網(wǎng)關(guān),需要運(yùn)營(yíng)商針對(duì)漫游問(wèn)題進(jìn)行協(xié)商。例如,E—UTRAN和EPC可能是由不同運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行管理的,因而屬于不同安全域,這樣S1接口將映射到Za接口.Za接口也可以應(yīng)用于EPC和IMS域之間。NDS/IP的目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間交換的敏感信息提供安全保護(hù)。這些敏感信息包括用戶(hù)數(shù)據(jù)、訂購(gòu)信息、認(rèn)證矢量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(如MM上下文、策略和計(jì)費(fèi)信息)以及在CSCF節(jié)點(diǎn)間交換的IMS信息。NDS/IP框架提供三種類(lèi)型的保護(hù):數(shù)據(jù)源認(rèn)證,用于避免接收來(lái)自假冒實(shí)體發(fā)送的分組;數(shù)據(jù)完整性,用于避免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被篡改;數(shù)據(jù)機(jī)密性,用于避免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊聽(tīng).作為硬件安全需求與處理需求的折衷,不是所有情況下都要用到所有保護(hù)機(jī)制.例如,完整性和機(jī)密性保護(hù)對(duì)于eNodeB和MME之間的S1接口來(lái)說(shuō)是非常重要的,因?yàn)橥ㄟ^(guò)該接口需要交換大量的敏感信息(用戶(hù)密鑰、用戶(hù)身份等)。但是,用戶(hù)完整性保護(hù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中所有eNodeB和MME設(shè)備來(lái)說(shuō),并不是必需的.這就是用戶(hù)平面僅需要進(jìn)行加密以防止竊聽(tīng)的原因.對(duì)于信息來(lái)說(shuō),LTE系統(tǒng)中各類(lèi)接口上可用的NDS/IP機(jī)制如表1所示。從NDS/IP角度來(lái)看,無(wú)論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮何種作用,它們都可以看作是純IP節(jié)點(diǎn)。因此,3GPP網(wǎng)絡(luò)中的NDS/IP可以使用IETF定義的典型安全流程和機(jī)制:網(wǎng)元之間的安全可以通過(guò)IPSec隧道來(lái)實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)認(rèn)證、完整性和機(jī)密性保護(hù)可以使用隧道模式下的ESP(EncapsulatingSecurityPayload,封裝安全載荷)來(lái)實(shí)現(xiàn);安全密鑰協(xié)商可使用IKE(互聯(lián)網(wǎng)密鑰交換)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.7??LTE/SAE安全機(jī)制安全性分析本節(jié)通過(guò)對(duì)以上安全機(jī)制的剖析,結(jié)合3G的安全機(jī)制特點(diǎn),具體分析了LTE/SAE安全機(jī)制的安全性:3。7.1 LTE安全機(jī)制優(yōu)越性在原第三代移動(dòng)通信的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制中,用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)之問(wèn)的相互認(rèn)證依賴(lài)于UE和HSS共享的秘密密鑰K。協(xié)議運(yùn)行成功后,可以達(dá)到如下安全目標(biāo)::(1)VLR對(duì)UE盼認(rèn)證以及UE對(duì)HSS的認(rèn)證;(2)UE與VLR之間的密鑰分配;(3)確保UE與VLR之間密鑰的新鮮性。但是該協(xié)議也存在一些安全缺陷,具體如下:(1)只有UE對(duì)HSS和VLR對(duì)UE的認(rèn)證,沒(méi)有UE對(duì)VLR的認(rèn)證,易遭受重定向攻擊;(2)用戶(hù)漫游到不同地域時(shí),歸屬網(wǎng)絡(luò)會(huì)把認(rèn)證向量發(fā)送到漫游網(wǎng)絡(luò),易被截獲;(3)用戶(hù)開(kāi)機(jī)注冊(cè)或初次加入網(wǎng)絡(luò),或因特殊情況需要網(wǎng)絡(luò)無(wú)法恢復(fù)出用戶(hù)的IMSI時(shí),用戶(hù)將以明文發(fā)送IMSI,易被截獲;(4)SQN序列號(hào)重同步缺陷;(5)UE和HSS需要長(zhǎng)期共享密鑰K,一旦泄露,攻擊者可以輕而易舉地獲得機(jī)密通信的密鑰,從而截獲所有用戶(hù)數(shù)據(jù),將對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生不可估量的損失;(6)不支持?jǐn)?shù)據(jù)簽名服務(wù).3GPP最新發(fā)布的LTE/SAERelease8標(biāo)準(zhǔn)對(duì)認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議做了適當(dāng)修改,在MME發(fā)送HSS的認(rèn)證數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息中,增加了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的身份信息,并針對(duì)MME從HSS請(qǐng)求多個(gè)認(rèn)證向量情況下的處理機(jī)制做了規(guī)定,進(jìn)一步提高了認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的安全性:(1)增加了UE對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證。3GPPLTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議中,在從MME到HSS的認(rèn)證數(shù)據(jù)請(qǐng)求中,增加了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識(shí)(SNID),通過(guò)在HSS側(cè)驗(yàn)證SNID,HSS可以確保MME的合法性,UE也間接地對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的身份進(jìn)行了認(rèn)證。假設(shè)UE位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)(HN),信任虛假基站必須用廣播信道廣播localSNID。在接到UE的接入請(qǐng)求后,攻擊者通過(guò)虛假基站將UE的請(qǐng)求消息轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)外地網(wǎng)絡(luò),在請(qǐng)求消息中包含localSNID。外地網(wǎng)絡(luò)的MME收到UE的連接請(qǐng)求后,將用戶(hù)身份IMSI,SNID發(fā)送到HN以請(qǐng)求認(rèn)證向量,由于此時(shí)的SNID為visitSNID,此時(shí)HSS驗(yàn)證服務(wù)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)不相同,拒絕認(rèn)證向量的請(qǐng)求,從而防止了虛假基站的重定向攻擊;(2)避免了SQN序列號(hào)重同步缺陷.在3GPPLTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議中,一次認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程MME盡量保證只從HSS取一個(gè)認(rèn)證向量,UE和MME分別使用獨(dú)立的SQN序列號(hào)管理機(jī)制。當(dāng)有多個(gè)認(rèn)證被MME請(qǐng)求的時(shí)候,MME按序存儲(chǔ)這些認(rèn)證向量,并保證在認(rèn)證與密鑰協(xié)商過(guò)程中使用編號(hào)最小的認(rèn)證向量,從而可以有效地避免SQN序列號(hào)重同步問(wèn)題給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。3。7.2 LTE安全漏洞3GPPLTE/SAE認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議雖然在一定程度上做了適當(dāng)修改,使得安全性能大幅度提高,但是仍然存在用戶(hù)認(rèn)證向量易被截獲、IMSI用戶(hù)身份泄露的安全缺陷,惡意人侵者可以通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信號(hào)獲得用戶(hù)IMSI信息,假冒用戶(hù)身份入網(wǎng),另外可以通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)域截獲用戶(hù)認(rèn)證向量,獲取機(jī)密通信的密鑰,此時(shí)惡意入侵者即可以享受完全的加密通信。此外,UE和HSS長(zhǎng)期共享密鑰K以及不支持?jǐn)?shù)據(jù)簽名服務(wù)也給系統(tǒng)帶來(lái)了潛在的安全問(wèn)題。3.7。2。1? 私鑰密碼體制的缺陷LTE/SAE仍然只采用了私鑰密碼體制,而未采用公鑰密碼體制。但采用私鑰密碼體制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信息的加密,其本身存在許多局限性。雖然私鑰密碼體制具有安全性能高,算法處理速度快的優(yōu)點(diǎn),但私鑰密碼體制采用共享密鑰的密鑰管理方式,由此產(chǎn)生了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)間復(fù)雜而棘手的認(rèn)證密鑰安全管理問(wèn)題,容易引起移動(dòng)用戶(hù)與運(yùn)營(yíng)商之間難以解決的付費(fèi)糾紛問(wèn)題。另外,在私鑰密碼體制下UE和網(wǎng)絡(luò)只有建立了安全關(guān)聯(lián)以后才能提供空中接口的安全,造成在安全關(guān)聯(lián)建立之前的信令不能被保護(hù),因此IMSI保護(hù)等問(wèn)題始終得不到較好的解決.3.7.2。2 ?eNB的脆弱性由于eNB可以部署在非安全的環(huán)境中,因此eNB將面臨多種攻擊,如被攻擊者非法占領(lǐng)控制(3GPP認(rèn)為這種攻擊發(fā)生的概率較大),造成eNB內(nèi)部使用的密鑰被泄露,使網(wǎng)絡(luò)接入安全面臨嚴(yán)重威脅。當(dāng)eNB被攻擊者非法占領(lǐng)控制時(shí),那么目前UE切換時(shí)的密鑰管理方法存在如下缺陷:目標(biāo)eNB上使用的密鑰KeNB基于源eNB上的密鑰KeNB推演得到,因此攻擊者獲取源eNB上使用的密鑰KeNB后,可以推演得到目標(biāo)eNB上使用的密鑰KeNB,進(jìn)而導(dǎo)致威脅進(jìn)一步向以后的eNB擴(kuò)散,因此當(dāng)UE進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)接入層密鑰(KeNB)的更新不具有后向安全性。參考文獻(xiàn):3GPPTS35。201.Specificat(yī)ionofthe3GPPconfidentialityandintegrityalgorithms;Document:f8and/9specifications3GPPTS33。401V8,3rdGenerationPartnershipProject;TechnicalSpecificationGroupServicesandSystemAspects;3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE);Securityarchitecture[S]。3GPPTS33。102.2008-12,3GSecurity:SecurityArchitecture[S]3GPPTS33.1203GSecurity:Securityprinciplesandobjective3GPPTR33。821.2007-05,RationaleandtrackofsecuritydecisionsinLongTermEvolved(LTE)RAN/3GPPSystemArchitectureEvolution(SAE)[S]3GPP.TS36.323V8,3rdGenerationPartnershipProject;TechnicalSpecificat(yī)ionGroupRadioAccessNetwork;EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E—UTRA);PacketDataConvergenceProtocol(PDCP)specification[S].3GPPTS23。057MobileStationApplicationExecutionEnvironmentInformationtechnology—Securitytechniques-Entityauthenticat(yī)ion-Part4:Mechanismsusingacryptographiocheckfunction3GPPTS23.002:"NetworkArchitecture”3GPP。TS33。1033Gsecurity:Integrat(yī)ionguidelines.3GPPTS43。020:Security—relatednetworkfunction3GPPTS.36.323.“EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRAN);PacketDataConvergenceProtocol(PDCP)specification”2009.JuangWen—Shen,Wu(yù)Jing-Lin.Efficient3GPPAuthenticat(yī)ionandKeyAgreementWithRobustUserPrivacyPr

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