基于融合網(wǎng)絡(luò)的WLAN漫游認(rèn)證方式研究

劉璋詟，舒華英

（北京郵電大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100876）

1 引言

信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展和終端功能的迅速提升，催生了產(chǎn)業(yè)加速融合的趨勢。之前作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重要補(bǔ)充的WLAN網(wǎng)絡(luò)，越來越受到電信運(yùn)營企業(yè)和手機(jī)用戶的青睞，基于EAP SIM/AKA協(xié)議的認(rèn)證可實(shí)現(xiàn)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為WLAN終端完成認(rèn)證的功能，將WLAN與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無縫地融合在一起，即使客戶在他網(wǎng)漫游期間，也可以通過拜訪地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證功能登錄和使用拜訪地WLAN網(wǎng)絡(luò)。

2 WLAN漫游認(rèn)證方式現(xiàn)狀

為了減少網(wǎng)間適配的工作，目前，多數(shù)WLAN運(yùn)營企業(yè)均采用中轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)間漫游。在中轉(zhuǎn)方式下，拜訪地運(yùn)營企業(yè)和歸屬地運(yùn)營企業(yè)之間需要跨接一家中轉(zhuǎn)商的網(wǎng)絡(luò)（或網(wǎng)關(guān)、HUB），網(wǎng)絡(luò)之間的認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等消息的傳輸和網(wǎng)間適配工作均由該中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)完成。中轉(zhuǎn)方式可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營企業(yè)“一點(diǎn)接入，全球互聯(lián)”，方便運(yùn)營企業(yè)之間的對(duì)賬和結(jié)算，降低運(yùn)營企業(yè)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)適配的難度。但這種方式也給運(yùn)營企業(yè)網(wǎng)間漫游帶來了新的故障點(diǎn)，增加了出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的概率，同時(shí)運(yùn)營企業(yè)還需為中轉(zhuǎn)服務(wù)支付費(fèi)用。

基于中轉(zhuǎn)方式，目前，WLAN網(wǎng)間漫游的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。

歸屬地和拜訪地WLAN網(wǎng)絡(luò)中的Radius網(wǎng)元之間通過中轉(zhuǎn)商的Radius互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)客戶的認(rèn)證消息傳遞；計(jì)費(fèi)系統(tǒng)也經(jīng)由中轉(zhuǎn)商的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)信息在拜訪地和歸屬地WLAN網(wǎng)絡(luò)中的傳遞，為WLAN運(yùn)營企業(yè)提供計(jì)費(fèi)對(duì)賬依據(jù)。中轉(zhuǎn)方式下，認(rèn)證流程和計(jì)費(fèi)流程除了要在拜訪地和歸屬地WLAN網(wǎng)絡(luò)各個(gè)網(wǎng)元之間傳遞外，還必須經(jīng)過中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的Radius和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

3 中轉(zhuǎn)方式中的WLAN認(rèn)證問題

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展和終端設(shè)備能力的提升，越來越多的客戶選擇在漫游的狀態(tài)下使用WLAN業(yè)務(wù)。在目前廣泛使用的中轉(zhuǎn)方式下，WLAN認(rèn)證存在如下幾個(gè)問題。

1) 認(rèn)證消息和計(jì)費(fèi)消息都承載在互聯(lián)網(wǎng)上，安全性較低。

2) 消息均需經(jīng)由中轉(zhuǎn)商網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)，增加了網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不高。

3) 有一定的計(jì)費(fèi)能力，但仍需改進(jìn)。

4 2G/3G與WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中非中轉(zhuǎn)方式WLAN漫游認(rèn)證的設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)融合趨勢下，為滿足WLAN網(wǎng)間漫游狀態(tài)下客戶認(rèn)證和計(jì)費(fèi)的需求，解決目前中轉(zhuǎn)方式下網(wǎng)絡(luò)安全性低、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不高等問題，應(yīng)借鑒2G/3G網(wǎng)絡(luò)中的安全性和質(zhì)量均較高的漫游信令網(wǎng)絡(luò)，即將EAP SIM/AKA認(rèn)證方式承載于現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的漫游信令網(wǎng)上，既保證了安全性，又保證了實(shí)時(shí)傳送，沒有增加故障點(diǎn)，成本較低。

本研究提出了一種基于漫游信令網(wǎng)的、非中轉(zhuǎn)方式的EAP SIM/AKA認(rèn)證方案，其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 中轉(zhuǎn)方式下WLAN漫游的網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 非中轉(zhuǎn)方式下WLAN漫游的網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在基于漫游信令網(wǎng)的認(rèn)證方案中，歸屬地WLAN網(wǎng)絡(luò)與拜訪地WLAN網(wǎng)絡(luò)通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)中的信令設(shè)備ISTP和國際信令轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)證消息和計(jì)費(fèi)消息等信息的傳遞，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)之間定期傳遞話單記錄。與中轉(zhuǎn)方式相比，在該方案中省去了中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備，WLAN網(wǎng)絡(luò)得以通過現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)元連接。

該方案具體認(rèn)證流程與EAP SIM/AKA認(rèn)證方案類似，如圖3所示[2]。

各步驟說明如下。

1) WLAN UE 和 WLAN AN建立關(guān)聯(lián)之后，UE向WLAN AN發(fā)送EAPoL-Start，發(fā)起鑒權(quán)請(qǐng)求。

2) WLAN AN發(fā)送 EAP-Request/Identity消息到WLAN UE。

3) WLAN UE回復(fù)EAP-Response/Identity消息，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送其用戶身份標(biāo)識(shí)信息，身份標(biāo)識(shí)可以為偽隨機(jī)NAI或永久NAI。

4) WLAN AN將EAP報(bào)文使用RADIUS Access-Request消息封裝，并將Identity放在Radius的User-Name屬性中，發(fā)送給3GPP AAA Server。

5) 3GPP AAA Server收到包含用戶身份的EAP-Response/Identity報(bào)文。

6) 3GPP AAA Server識(shí)別出用戶準(zhǔn)備使用的認(rèn)證方法為EAP-SIM。如果UE送上的Identity為偽隨機(jī)NAI，3GPP AAA Server檢查本地若沒有該偽隨機(jī)NAI與IMSI的映射關(guān)系，則使用EAP Request/SIM-Start消息再次請(qǐng)求永久NAI(6)、7)、8)、9)步僅用于WLAN UE漫游到新的拜訪地而使用其他AAA分配的偽隨機(jī)NAI接入認(rèn)證的場景）。EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Challenge消息中，發(fā)送給WLAN AN[3]。

圖3 非中轉(zhuǎn)方式下的認(rèn)證流程

7) WLAN AN轉(zhuǎn)發(fā)EAP-Request/SIM-Start消息到WLAN UE。

8) WLAN UE使用EAP-Response/SIM-Start消息攜帶永久NAI進(jìn)行響應(yīng)

9) WLAN AN轉(zhuǎn)發(fā)EAP-Response/SIM-Start消息攜帶永久NAI到3GPP AAA Server，EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Request消息中。

10) 3GPP AAA Server檢查本地是否緩存可用的鑒權(quán)向量，如果沒有則向HLR發(fā)送MAP_SEND_AUTH_INFO請(qǐng)求，請(qǐng)求獲取n組鑒權(quán)向量（n可配置，取值范圍1～5）。

11) HLR響應(yīng)3GPP AAA Server鑒權(quán)請(qǐng)求，下發(fā)n組鑒權(quán)三元組[RAND, SRES, Kc]。

12) 3GPP AAA Server檢查本地是否存在用戶的簽約信息。如果沒有，則AAA向HLR發(fā)起MAP-RESTORE-DATA請(qǐng)求，獲取用戶簽約信息。

13) HLR向3GPP AAA Server發(fā)起插入用戶數(shù)據(jù)MAP_INSERT_SUBS_DATA請(qǐng)求，向3GPP AAA Server插入數(shù)據(jù)。

14) 3GPP AAA Server響應(yīng)HLR插入用戶數(shù)據(jù)消息，完成用戶簽約信息獲取。

15) HLR向3GPP AAA Server回復(fù)MAP_RESTORE_DATA響應(yīng)消息，完成HLR的交互流程。如采取從BOSS下發(fā)用戶簽約信息至3GPP AAA Server的操作，則取消12)～15)步驟。

16) 3GPP AAA Server檢查用戶簽約通過后，根據(jù)算法生成TEKs、MSK和EMSK（參見IETF RFC4186），將N組（默認(rèn)N=2，可配置，同步設(shè)備規(guī)范）RAND串起來后生成一個(gè)N×RAND。為支持標(biāo)識(shí)保密功能，3GPP AAA Server還要生成偽隨機(jī)NAI和快速重鑒權(quán)NAI，用于后續(xù)的全鑒權(quán)和快速重鑒權(quán)過程。

17) 3GPP AAA Server在EAP-Request/SIMChallenge消息中發(fā)送RAND，一個(gè)消息鑒權(quán)碼（MAC）和2個(gè)用戶標(biāo)識(shí)（偽隨機(jī)NAI和快速重鑒權(quán)NAI）給WLAN AN，EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Challenge消息中。

3GPP AAA Server可選發(fā)送給WLAN UE一個(gè)指示。指出希望保護(hù)最后的成功結(jié)果消息（如果結(jié)果成功）。

18) WLAN AN轉(zhuǎn)發(fā)EAP Request/SIM- Challenge消息到WLAN UE。

19) WLAN UE根據(jù)每個(gè)RAND為128bit，解析出m個(gè)RAND，依據(jù)GSM算法得出K_sres，K_int、K_ency、Session_Key，并且用K_int得出AT_MAC，和接收到的AT_MAC進(jìn)行比較，如果一致，表示3GPP AAA Server認(rèn)證通過。再利用K_sres作為key用規(guī)定的算法生成MAC_SRES。

20) WLAN UE 使用新密鑰素材覆蓋整個(gè)EAP消息計(jì)算新消息認(rèn)證碼（MAC, message authentication code）值。WLAN UE發(fā)送包含RES和新消息認(rèn)證碼的EAP Response/SIM-Challenge消息給WLAN AN。

如果WLAN UE從3GPP AAA Server收到認(rèn)證結(jié)果保護(hù)指示，則WLAN UE必須在此消息中包含結(jié)果指示。否則WLAN UE必須忽略該指示。

21) WLAN AN發(fā)送EAP Response/SIM- Challenge報(bào)文到3GPP AAA Server，EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Request消息中。

22) 3GPP AAA Server利用本端產(chǎn)生的K_sres作為key生成MAC_SRES，和接收到的MAC_SRES進(jìn)行比較，如果一致，表示終端認(rèn)證通過。

23) 如果所有檢查都成功，且3GPP AAA Server之前發(fā)送過認(rèn)證結(jié)果保護(hù)標(biāo)識(shí)，則3GPP AAA Server必須在發(fā)送EAP Success消息前發(fā)送EAP Request/SIM/Notification消息。EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Challenge消息中，且用MAC保護(hù)。

24) WLAN AN轉(zhuǎn)發(fā)EAP消息到WLAN UE。

25) WLAN UE發(fā)送EAP Response/SIM- Notification。

26) WLAN AN轉(zhuǎn)發(fā)EAP Response/SIM- Notification 消息到3GPP AAA Server，EAP報(bào)文封裝在RADIUS Access-Request消息中。3GPP AAA Server必須忽略該消息內(nèi)容。

27) 3GPP AAA Server發(fā)送EAP-Success消息到WLAN AN （可能在發(fā)送EAP Notification之前，參見第23)步描述）。如果3GPP AAA Server產(chǎn)生了額外的用于WLAN AN和WLAN UE間鏈路保護(hù)的機(jī)密性和/或完整性保護(hù)的鑒權(quán)密鑰，3GPP AAA Server在RADIUS Access-Accept消息中包含這些密鑰素材。

28) WLAN AN通過EAP Success消息通知WLAN UE鑒權(quán)成功。至此，EAP-SIM交互已經(jīng)成功完成，WLAN UE和WLAN AN共享交互過程中生成的密鑰素材[4]。

認(rèn)證處理可能在任何時(shí)候失敗，例如由于消息校驗(yàn)碼檢查失敗或者WLAN UE沒有對(duì)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求給予響應(yīng)。這種情況下EAP-SIM過程將按IETF RFC 4186中描述終止。

在非中轉(zhuǎn)方案中，計(jì)費(fèi)信息在拜訪地的Radius中產(chǎn)生后，將經(jīng)由拜訪地ISTP、國際信令轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到歸屬地的SCP設(shè)備中，由SCP記錄計(jì)費(fèi)信息并向拜訪地網(wǎng)絡(luò)反饋應(yīng)答信息。具體流程如圖4所示。

圖4 非中轉(zhuǎn)方式下計(jì)費(fèi)消息流程

非中轉(zhuǎn)方案的計(jì)費(fèi)消息傳遞周期可根據(jù)業(yè)務(wù)需要調(diào)整，通常每15min傳遞一次。

5 非中轉(zhuǎn)方式認(rèn)證方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該認(rèn)證方案的可行性，本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)形成對(duì)比效果，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)中轉(zhuǎn)方式和非中轉(zhuǎn)方式分別組網(wǎng)并驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1和圖2所示。

在中轉(zhuǎn)和非中轉(zhuǎn)方式下分別進(jìn)行了10組模擬實(shí)驗(yàn)，每組進(jìn)行連續(xù)10次認(rèn)證過程，將每組的成功認(rèn)證平均時(shí)間列出，如圖5所示。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5中橫坐標(biāo)為認(rèn)證次數(shù)，縱坐標(biāo)為認(rèn)證協(xié)議的執(zhí)行時(shí)間，單位為s。模擬驗(yàn)證的結(jié)果表明，在同等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下中轉(zhuǎn)方式的認(rèn)證時(shí)間大于非中轉(zhuǎn)方式，由于中轉(zhuǎn)方式還需考慮中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)效性和安全性，中轉(zhuǎn)方式的認(rèn)證時(shí)間會(huì)比非中轉(zhuǎn)方式更長。

通過以上模擬仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和分析可得出如下結(jié)論。

1) 提高效率。避免了對(duì)中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的依賴，歸屬地WLAN網(wǎng)絡(luò)和拜訪地WLAN通過信令直接連接，所以可以大大提高了效率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。

2) 節(jié)約認(rèn)證時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，非中轉(zhuǎn)方式與中轉(zhuǎn)方式的認(rèn)證原理相同，但由于網(wǎng)絡(luò)承載的變化，非中轉(zhuǎn)方式用時(shí)明顯小于中轉(zhuǎn)方式，節(jié)約了認(rèn)證時(shí)間。

3) 增強(qiáng)安全性。在中轉(zhuǎn)方式下，認(rèn)證消息是在公開的互聯(lián)網(wǎng)承載上傳輸，雖然有虛擬專網(wǎng)等方式加以保護(hù)，但仍比非中轉(zhuǎn)方式下在信令這種私有網(wǎng)絡(luò)上傳輸安全。

可以看出，非中轉(zhuǎn)認(rèn)證方案非常契合WLAN認(rèn)證在網(wǎng)間漫游狀態(tài)下的實(shí)際需求。

6 安全性及效率分析

非中轉(zhuǎn)方式與中轉(zhuǎn)方式相比，并沒有改變整個(gè)協(xié)議交互流程，而且消息的傳遞次數(shù)也沒有發(fā)生改變，只是用信令網(wǎng)絡(luò)承載消息的傳遞，并在信令網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN計(jì)費(fèi)信息的傳遞。

1) WLAN UE對(duì)WLAN AN身份的有效認(rèn)證。WLAN UE對(duì)WLAN AN身份的認(rèn)證依賴于隨機(jī)數(shù)rl的機(jī)密性，WLAN UE發(fā)送的Ex(r1)只有3GPP AAA服務(wù)器才能解密，而3GPP AAA服務(wù)器發(fā)送的Ekl(r1)只有合法的WLAN AN才能正確解密。如果WLAN UE接收到WLAN AN發(fā)送來的正確的h(r1)，則可以確認(rèn)WLAN AN的合法性[5]。

2) 3GPP AAA服務(wù)器對(duì)WLAN AN身份的有效認(rèn)證。3GPP AAA對(duì)WLAN AN身份的認(rèn)證依賴于隨機(jī)數(shù)r2的機(jī)密性，3GPP AAA發(fā)送的Ek(rz)只有合法的WLAN UE才能正確解密，而WLAN UE發(fā)送的Er，(rz)只有合法的WLAN AN才能正確解密。如果3GPP AAA服務(wù)器接收到WLAN AN發(fā)送來的正確的h(rz)，則可以確認(rèn)WLAN AN的合法性[6,7]。

3) 密鑰材料的機(jī)密性。3GPP AAA服務(wù)器將用隨機(jī)數(shù)r2加密的密鑰材料隨同EAP成功消息一起發(fā)送給WLAN AN。由于隨機(jī)數(shù)r2的機(jī)密性，可以保證密鑰材料不被竊聽，從而有效地保證了密鑰材料的機(jī)密性[8,9]。

4) 對(duì)IMSI的安全性保護(hù)。利用WLAN UE和3GPP AAA服務(wù)器之間的共享密鑰K對(duì)其加密后再進(jìn)行傳輸。只有合法的3GPP AAA服務(wù)器才能正確解密，所以如果NAI中含有IMSI，則IMSI是在加密之后傳輸?shù)?，這在一定程度上保證了用戶身份信息傳輸?shù)陌踩訹10]。

非中轉(zhuǎn)方案在保證原有安全性能的基礎(chǔ)上，通過信令傳輸替代公開的互聯(lián)網(wǎng)傳輸，有效地提升了整個(gè)認(rèn)證方式的安全性和效率。

7 結(jié)束語

在WLAN漫游業(yè)務(wù)中，認(rèn)證是一個(gè)非常值得研究的問題。通過基于2G/3G成熟的、安全的、低成本的漫游信令網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)WLAN認(rèn)證消息的傳遞，可擺脫對(duì)中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的依賴，減少了網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全性，節(jié)約了認(rèn)證時(shí)間和提高了效率。后續(xù)WLAN漫游的認(rèn)證問題研究還任重而道遠(yuǎn)，如加密、完整性、隱私保護(hù)等都亟待深入研究。

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[2] IEEE Std 802.1X-2001[S]. 2001.

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