基于小型核心網(wǎng)的LTE鑒權(quán)的一種新實現(xiàn)

王 璐，朱宇霞，馬 賽

(1．武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢430074;2．北方烽火科技有限公司，北京100085)

在移動通信系統(tǒng)中，為了保證運營業(yè)務(wù)的安全性，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要對接入的用戶設(shè)備(User Equipment，UE)進行鑒權(quán)處理，使得非法UE無法得到網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供的服務(wù)，保障運營商的利益。同時，UE也需要驗證網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送的鑒權(quán)信息是否有效，即UE對網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行鑒權(quán)處理，防止非法網(wǎng)絡(luò)側(cè)利用合法網(wǎng)絡(luò)側(cè)已經(jīng)使用過的鑒權(quán)信息對UE進行重放攻擊，使UE相信該非法網(wǎng)絡(luò)側(cè)合法。LTE移動通信系統(tǒng)采用了3GPP組織建議的AKA協(xié)議機制。當(dāng)UE請求接入時，MME收到初始UE消息后，會發(fā)起上下文建立請求。在將此請求消息發(fā)送給UE之前，MME會通過鑒權(quán)向量AV來進行MME與UE之間的雙向鑒權(quán)。在實際的LTE核心網(wǎng)中，此過程首先通過MME向HSS獲取AV發(fā)送到UE端，然后通過UE端對參數(shù)的計算，反饋給MME特定的參數(shù)，由MME通過對比這些參數(shù)來對UE進行鑒權(quán)?？紤]到工程測試過程中，小型核心網(wǎng)的功能只需滿足與基站之間最基本的消息交互。

而對于鑒權(quán)的過程，由于HSS的造價很高，為了節(jié)約研發(fā)成本，本文提出一種將HSS的產(chǎn)生鑒權(quán)參數(shù)的功能集成到MME的方法。這種方法不僅能滿足這種小型核心網(wǎng)對UE的鑒權(quán)功能，也簡化了實現(xiàn)的流程，實現(xiàn)變得更加靈活。

1 小型核心網(wǎng)的簡單介紹

小型核心網(wǎng)在本文中簡稱為miniEPC，其開發(fā)的目的是作為一個測試的產(chǎn)品用于FDD/TDD專網(wǎng)，并且能用于基站的各種測試［1］，其模塊的劃分如圖1所示。

miniEPC支持跨平臺運行，目前主要支持的操作系統(tǒng)是Windows和Linux。模塊劃分和各模塊的功能描述如表1所示。

表1 miniEPC模塊功能的劃分

2 鑒權(quán)過程的介紹

針對LTE網(wǎng)絡(luò)中存在的安全問題，根據(jù)協(xié)議要求，該過程需要HSS服務(wù)器的參與，鑒權(quán)過程的基本步驟［2］如下:

步驟1，UE發(fā)起的附著請求經(jīng)eNodeB到達MME。

步驟2，MME收到附著請求后，生成鑒權(quán)參數(shù)請求消息并發(fā)送給HSS，消息包含的主要參數(shù)有服務(wù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識SNID、網(wǎng)絡(luò)類型(由參數(shù)AMF的最高比特位來標(biāo)識)、UE的身份(指IMSI號，International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動用戶識別碼)、K 值、OP值，MME側(cè)的K、OP值需與終端保持一致，HSS和UE在鑒權(quán)過程中的計算都需要這兩個參數(shù)。

步驟3，HSS收到鑒權(quán)參數(shù)請求消息后根據(jù)SNID、網(wǎng)絡(luò)類型、UE身份等參數(shù)通過計算生成SQN和鑒權(quán)向量AV?！癆V:=RAND‖XRES‖CK‖IK‖AUTN”，其中CK、IK是基站側(cè)安全相關(guān)的密鑰;“AUTN:=SQN(AK‖AMF‖MAC”，“‖”為連接符。在每次附著過程之后，HSS中都會保存SQN值，當(dāng)下次接入的時候HSS就會用之前的SQN來計算出當(dāng)前的SQN值，第一次附著時SQN初始值為0。接著通過發(fā)送鑒權(quán)參數(shù)響應(yīng)將這些參數(shù)發(fā)送給MME。

步驟4，MME收到鑒權(quán)參數(shù)響應(yīng)消息后存儲SQN和AV值并生成用戶鑒權(quán)請求消息，消息中包含的主要參數(shù)有RAND和AUTN，并將消息經(jīng)由eNodeB發(fā)送給UE。

步驟5，UE收到請求消息后從鑒權(quán)向量AUTN中解出AMF、SQN和MAC，先核實AMF和SQN參數(shù)。因為UE接入的是LTE網(wǎng)絡(luò)，AMF參數(shù)的分離比特位必須為1。UE收到SQN值以后，就會與之前附著保存的SQN值進行比較，必須保證SQN值的新穎性和有序性，來與網(wǎng)絡(luò)側(cè)保持同步，收到的SQN值必須比之前保存的最大值要大。否則UE會經(jīng)由eNodeB給MME回復(fù)一個鑒權(quán)失敗消息，原因是同步失敗。核實參數(shù)的正確性之后，用OP、K、RAND值通過函數(shù)f1計算出XMAC，其中OP與K值同HSS中的值一樣。若XMAC不等于收到的MAC值，則UE不接入網(wǎng)絡(luò)，UE會給MME發(fā)送一個鑒權(quán)拒絕的消息，原因是MAC值不匹配;若等于，則根據(jù)K和RAND值通過函數(shù)f2計算出XRES，生成用戶鑒權(quán)響應(yīng)并發(fā)送給MME，該響應(yīng)消息中包含的主要參數(shù)是XRES。

步驟6，MME收到響應(yīng)消息之后根據(jù)之前保存的鑒權(quán)向量AV計算出RES值，若不等于收到的XRES，則給HSS發(fā)送鑒權(quán)失敗上報消息，并保存收到的數(shù)據(jù)，以防此后再發(fā)生這樣不合法的UE接入;若相等，則鑒權(quán)完成，繼續(xù)下面的附著流程。

3 改進后鑒權(quán)過程的實現(xiàn)及優(yōu)勢

3.1 改進的目的及優(yōu)勢

作為miniEPC來說，它定位用來測試eNodeB的工具，其主要的目的就是可以實現(xiàn)與eNodeB和UE之間簡單消息流程的交互，它具有MME的部分功能，可以完成接入、去附著、切換、專用承載管理等一些基本信令流程。為了保護網(wǎng)絡(luò)不被攻擊，加入鑒權(quán)過程來驗證合法的UE，根據(jù)協(xié)議規(guī)范，鑒權(quán)過程需要miniEPC獲取鑒權(quán)參數(shù)，就需要HSS服務(wù)器的參與，如圖1所示。當(dāng)UE發(fā)起了接入請求時，miniEPC就會向HSS獲取一系列的鑒權(quán)參數(shù)，然后再將鑒權(quán)參數(shù)通過eNodeB傳遞給UE，當(dāng)UE收到這些參數(shù)以后就會根據(jù)一定的算法計算出結(jié)果反饋給miniEPC，收到返回的結(jié)果以后，miniEPC會對比自己算得的數(shù)據(jù)是否和UE一致，若不一致則拒絕接入，若一致則繼續(xù)往下進行。

若根據(jù)協(xié)議要求按上述方法來完成鑒權(quán)過程，則需要引入HSS服務(wù)器。圖1中，miniEPC與HSS之間的接口為S6a，二者的消息通信需要Diameter接口協(xié)議棧的支持。由此，則需要增加Diameter與SCTP間的層管理相關(guān)的配置交互處理、Diameter與SCTP間的數(shù)據(jù)通信處理、Diameter與NAS間的鑒權(quán)參數(shù)獲取過程處理、NAS需要增加安全相關(guān)的協(xié)議流程處理等過程的代碼?？紤]到miniEPC的開發(fā)目的和成本，HSS引入需要耗費較多的時間和人力，并且HSS服務(wù)器的引進也大大增加了miniEPC的成本。因此，本文提出了一種更為有效、簡單的方法來實現(xiàn)鑒權(quán)過程，以滿足要求。

為了避免引入HSS，本文提出了一種將HSS中計算鑒權(quán)參數(shù)的功能集成到miniEPC的方法。如圖1所示，在miniEPC內(nèi)部新增一個安全模塊(sec模塊)，模擬HSS計算鑒權(quán)參數(shù)的過程。在MME收到附著請求之后，向miniEpc的sec模塊發(fā)送獲取鑒權(quán)參數(shù)的消息，在sec模塊中，就會根據(jù)MME發(fā)來的參數(shù)通過一定的函數(shù)和算法來計算相應(yīng)的參數(shù)，sec模塊通過返回鑒權(quán)參數(shù)這條消息將計算出來的參數(shù)返回給MME，MME再根據(jù)這些參數(shù)生成鑒權(quán)請求發(fā)送給UE。通過這種方法來實現(xiàn)鑒權(quán)過程，就可以有效地避免繁瑣的協(xié)議棧代碼的編寫，并且節(jié)約了開發(fā)的成本［3］。

3.2 改進后的鑒權(quán)過程

改進后，鑒權(quán)過程的流程圖如圖2所示。

具體步驟如下:

步驟1，鑒權(quán)過程始于附著過程的上下文建立消息之后。如圖2，在NAS收到上下文建立請求消息后，NAS模塊將調(diào)用SEC模塊的計算鑒權(quán)參數(shù)的主函數(shù)，NAS模塊傳來的參數(shù)有操作者為用戶規(guī)定的算法配置域op，用戶安全密鑰k，鑒權(quán)管理域amf，op類型optype，網(wǎng)絡(luò)類型snid，UE的imsi number，上一次鑒權(quán)結(jié)果成功與否的標(biāo)識Flag(當(dāng)Flag值為0時表示上一次鑒權(quán)失敗，第一次鑒權(quán)時其值為1)。當(dāng)?shù)谝淮舞b權(quán)失敗，UE會通過上次鑒權(quán)的失敗消息給MME返回AUTS值，MME會重新發(fā)起鑒權(quán)，此時Flag值為0，AUTS值有效。

步驟2，在SEC模塊收到這個獲取鑒權(quán)參數(shù)的消息之后，SEC模塊就會根據(jù)這些參數(shù)進行一系列的計算［4］，如圖3所示。

圖3 鑒權(quán)參數(shù)的產(chǎn)生

1)根據(jù)UE的imsi號和本地保存的imsi號判斷UE是否為新的UE。若是新的，則保存UE的imsi號，初始化SQN值;若不是新的，則從本地保存的信息中提取出該UE最近一次使用的SQN值。

2)如果鑒權(quán)結(jié)果標(biāo)識Flag為1，則AUTS值無效。

3)optype值為0時表示給出的為op值，在計算時需經(jīng)過計算得出opc值;若為1，則表示給出的是opc值，最終參與計算鑒權(quán)參數(shù)的為opc值。

4)調(diào)用miniEpc內(nèi)部已經(jīng)寫好的系統(tǒng)函數(shù)來獲取隨機值RAND。

5)根據(jù)該UE上次鑒權(quán)存儲的SQN值來計算本次鑒權(quán)所需的SQN值，第一次發(fā)生鑒權(quán)時SQN初值為0。

6)用op_c，k，RAND，SQN，amf值通過函數(shù) f1來獲取MAC值。

7)用 op_c，k，RAND 值通過函數(shù) f2，f3，f4，f5 來獲取XRES和AK，其中ck和ik是基站安全需要的密鑰，于此處鑒權(quán)暫無關(guān)聯(lián)。

8)用SQN，amf，mac_a，ak值通過函數(shù)AUTNComputeFun(SQN，amf，mac，ak，AUTN)來獲取AUTN的值，AUTN的值可以簡單寫成“AUTN:=SQN(AK||AMF||MAC”，其中“||”是連接符。

步驟3，SEC模塊在計算完鑒權(quán)參數(shù)之后，將RAND、AUTN、XRES、CK、IK 這些參數(shù)保存起來，并將 RAND、XRES、AUTN通過獲取鑒權(quán)參數(shù)主函數(shù)的返回值傳給NAS模塊。

步驟4，NAS模塊收到返回的鑒權(quán)參數(shù)之后將其保存，并將帶有RAND和AUTN參數(shù)的鑒權(quán)請求消息經(jīng)由S1AP模塊發(fā)送給UE。

步驟5，UE收到鑒權(quán)請求之后，通過對消息中參數(shù)的解析，來獲得 RAND、SQN、AK、AMF、MAC。UE 根據(jù)RAND、SQN、AK、AMF值根據(jù)相應(yīng)的函數(shù)來計算XMAC值，計算完后與收到的MAC值進行對比，看看是否相等。若相等，則根據(jù)以上已知參數(shù)來計算RES值，并將其包含在鑒權(quán)響應(yīng)消息中發(fā)送給miniEPC。

步驟6，SLAP模塊將收到UE發(fā)來的鑒權(quán)響應(yīng)消息透傳給NAS模塊，NAS模塊收到消息后將會對比收到的RES和本地保存的XRES進行比較。若相等，則鑒權(quán)過程成功完成，繼續(xù)進行附著的后續(xù)過程;若不相等，則下發(fā)一個鑒權(quán)拒絕消息，告知UE由于RES值不匹配導(dǎo)致鑒權(quán)拒絕。

4 結(jié)果驗證

本文基于以上鑒權(quán)流程的設(shè)計，給出了在實際環(huán)境下該流程的實現(xiàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 鑒權(quán)過程的抓包(截圖)

從圖4可知在第一次鑒權(quán)失敗后MME又發(fā)起了第二次鑒權(quán)過程，并且第二次鑒權(quán)成功。圖中顯示了鑒權(quán)請求消息中傳遞的參數(shù)，包括RAND和AUTN，其中AUTN是由SQN、AMF和MAC組成。

綜述，通過驗證表明，本文提出的此方案，也能實現(xiàn)核心網(wǎng)對UE的鑒權(quán)。因此，本文提出的這種新的方法有效地簡化了鑒權(quán)過程在小型核心網(wǎng)中的實現(xiàn)，并降低了小型核心網(wǎng)的開發(fā)成本。

5 結(jié)束語

本文針對miniEPC的鑒權(quán)實現(xiàn)，提出了一種更為簡便的方法。作為小規(guī)模環(huán)境使用的核心網(wǎng)，可以完成一些基本的信令流程，其設(shè)計應(yīng)該盡量在功能完善的基礎(chǔ)上簡化實現(xiàn)思路。根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，鑒權(quán)的實現(xiàn)主要在于核心網(wǎng)向HSS服務(wù)器申請獲得鑒權(quán)參數(shù)，然后用此鑒權(quán)參數(shù)來對UE進行鑒權(quán)操作。很明顯，HSS服務(wù)器的引入不論從成本還是研發(fā)效率的角度來講，都是相當(dāng)不合適的選擇。本文提出的這種新的鑒權(quán)方法，巧妙地將HSS里計算鑒權(quán)參數(shù)的過程移植到核心網(wǎng)內(nèi)部，較好地解決了開發(fā)中成本和效率的問題。

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［1］何爽，王璐，朱宇霞．一種演進分組系統(tǒng)中的小規(guī)模核心網(wǎng)及典型應(yīng)用的方法:中國，201310492418．4［P］．2014－02－19．

［2］ 3GPP TS 24．301，Non－access－stratum(NAS)protocol for evolved packet system(EPS):stage 3［S］．2010．

［3］王璐，朱宇霞，馬賽．基于演進分組系統(tǒng)中的小規(guī)模核心網(wǎng)的鑒權(quán)方法及裝置:中國，201310492000．3［P］．2014－02－19．

［4］ 3GPP TS 33．102，Universal mobile telecommunications system(UMTS);lte;3G security;Security architecture［S］．2011．