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lte安全机制

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-08 10:12
tags:

-

2021年2月8日发(作者:quo)



LTE


安全机制


< /p>


摘要:


针对


3GPP

提出的


LTE/SAE


标准,


研究 了


LTE/SAE


安全体系架构。


首先 概述了


LTE/SAE


的基本网络架构,介绍了


LTE/SAE


较之


UMTS


网络的改进之处;其次,逐层介绍


LTE/SAE


< p>
网络安全体系,包括安全架构,安全流程分析,鉴权与密钥协商过程,密钥体系,安全激活


过程等;


再者,


指出了现阶段

< br>LTE/SAE


安全体制存在的一些问题并进行了分析;


最后对文献


阅读方面做了总结。



关键 词:


3GPP



LTE/SAE


;安全机制;密钥;鉴权



The Security Mechanism of LTE/SAE



Abstract


:


The


LTE/SAE


security


mechanism


architecture


is


studied


through


the


standard


of


LTE/SAE put forward by 3GPP. Firstly, the basic network structure of LTE/SAE is summarized


and


the


advantage


of


LTE/SAE


to


UMTS


is


introduced.


Secondly,


the


network


security


mechanism of LTE/SAE, security structure, the analysis of security procedure, authentication and


key agreement, key hierarchy, security mode activation procedure, and so on, is introduced step by


step. And then, some problems existing in the present security mechanism of LTE/SAE are shown


and analyzed. At last, some summary is given on paper reading.


Keywords


:


3GPP


(3rd


Generation


Partnership


Project);


LTE/SAE


(long


time


evolution/system


architecture evolution); Security Mechanism; Key; Authentication


1.


引言



1.1



LTE


发展背景


伴随


GSM


等移动网络在过去的二十年中的广泛普及,全球 语音通信业务获得了巨大的


成功。目前,全球的移动语音用户已超过了

< br>18


亿。同时,我们的通信习惯也从以往的点到


点(


Place to Place


)演进到人与人。



个人通 信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化,结合多媒体消息、


在线游戏 、


视频点播、


音乐下载和移动电视等数据业务的能力,


大大满足了个人通信和娱乐


的需求。



另外,


尽量利用网络来提供计算和存储能力,


通 过低成本的宽带无线传送到终端,


将有


利于个人通信娱乐设备的 微型化和普及。


GSM


网络演进到


GP RS/EDGE



WCDMA/HSDPA

网络以提供更多样化的通信和娱乐业务,降低无线数据网络的运营成本,已成为


GS M


移动


运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演进的 一个开始。


WCDMA/HSDPA



GPRS/EDGE


相比,虽然无线性能大大提高,但是,在


I PR


的制肘、应对市场挑战和满足用


户需求等领域,还是有很多 局限。



由于


CDMA


通信系统形成的特定历史背景,


3G


所涉及的核心专利 被少数公司持有,



IPR


上形成了一 家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。可以说,


3G


厂商和运


营商在专利问题上处处受到制肘,业界迫切需要改变这种不利局面。





面对高速发展的 移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本,高带宽的无线技术快速普及,


众多非传统移动运 营商也纷纷加入了移动通信市场,并引进了新的商业运营模式。例如,


Google


与互联网业务提供商(


ISP


< p>
Earthlink


合作,已在美国旧金山全市提供免费的无线接


入服务,双方共享广告收入,并将广告收入作为其主要盈利途径,


Goo gle


更将这种新的运


营模式申请了专利。另外,大量的酒店、 度假村、咖啡厅和饭馆等,由于本身业务激烈竞争


的原因,提供免费

WiFi


无线接入方式,通过因特网可以轻易的查询到这类信息。最近,网


络服务提供商“


SKYPE


”更在这些免费的无 线宽带接入基础上,新增了几乎免费的语音及


视频通信业务。


这 些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战,


加快现有网络演进,


满足用户需求,提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。



与此同时,用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于


1Mb ps


的无线接入速度,小



20ms< /p>


的低系统传输延迟,在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。而最重要的一点是能被


广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。



这些要求已远远超出了现有网络的能力,


寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是


势在必行。


LTE(


长期演进


)


是由


3GPP(


第三 代合作伙伴计划


)


定义的移动宽带网络标准的下一


个演进目标


,


支持在成对频谱和非成对频谱上的运行


,


可实现对现有和未来的无线频带频谱的


高效利用。它还支持


1.4



20M Hz


的信道带宽。业界对


LTE


的广泛 支持


,


确保了


LTE

< br>拥有规


模经济效益


,


因此是一种 非常经济高效的解决方案。



2006



9



,3GPP

最终确定了


LTE:


也称之为演进的


UTRA



UTRAN(Evolved UTRA and


UTRAN)


的研究项目。


该项研究的 目标是确定


3GPP


接入技术的长期演进计划

< br>,


使其可以在遥


远的将来保持竞争优势

< br>,


相应的工作项目计划在


2007


年下半年完成。



3GPP


还开展了 一项平行研究


:


即系统架构演进


(SA E),


展示核心网络的演进要点。这是一


个基于


IP


的扁平网络体系结构


,


旨 在简化网络操作


,


确保平稳、有效地部署网络。



1.2



LTE


安全机制概述



随着移动通信的普及,


移动通信中的安全问题正受到越来越多的关注,


人们对移动通信


中的信息安全也提出了更高的要求。在

< br>2G


(以


GSM


网络为例)中, 用户卡和网络侧配合


完成鉴权来防止未经授权的接入,从而保护运营商和合法用户双方的 权益。但


GSM


网络在


身份认证及加密 算法等方面存在着许多安全隐患:首先,由于其使用的


COMP128-1


算法的


安全缺陷,用户


SIM


卡和鉴权中心(


AuC


)间共享的安全密钥可在很短的时间内 被破译,


从而导致对可物理接触到的


SIM

卡进行克隆;


GSM


网络没有考虑数据完整性保护的问题,


难以发现数据在传输过程被篡改等问题。


第三代移动通信系统(


3G


)在


2 G


的基础上进行了改进,继承了


2G


系 统安全的优点,


同时针对


3G


系统的新 特性,


定义了更加完善的安全特征与安全服务。


R99


侧重接入网安全,


定义了


UMTS


的安全架构,采用基于


Milenage


算法的


AKA


鉴权,实现了终端和网络间的


双向认 证,定义了强制的完整性保护和可选的加密保护,提供了更好的安全性保护;


R4



加了基于


IP


的信 令的保护;


R5


增加了


IMS


的安全机制;


R6


增加了通用鉴权架构


GAA



Generic Authentication Architecture




MBMS



Multimedia Broadcast Multicast Service




全机制。



3G

技术的出现推动了移动通信网数据类业务的发展,在更大程度上满足了个人通信和


娱 乐的需求,


正在被广泛推广和应用。


为了进一步发展

< p>
3G


技术,


3GPP


于< /p>


2004


年将


LTE


Long


Time Evolution


)作为


3G


系统的长期演进,并于

< br>2006


年开始标准制定工作。在开展


LTE

< p>


究项目的同时,启动了


SAE

< br>(


System Architecture Evolution


)的研究项目。


LTE/SAE


的安全


功能也不断得到完善、扩展和加强,本文对


LTE/SAE

< br>的安全技术进行了详细介绍。





2


LTE/SAE


网络架构



2.1


LTE


基本网络架构



LTE


采用扁平化、


IP


化的 网络架构,


E-UTRAN



E-No deB


替代原有的


RNC-NodeB



构,各网络节点之间的接口使用


IP


传输,通过


IMS


承载综合业务,原


U TRAN



CS


域业

< br>务均可由


LTE


网络的


PS


域承载。


原有


PS


域的


SGSN



service GPRS support node



GGSN



gateway GPRS support node


)功能归并后重新作了划分,成为两个新的逻辑网元:移动管

< br>理实体


(MME)


和服务网关


( Serving Gateway)


,实现


PS


域的承载和控制相分离。新增的


PDN


GW


网元实现各种类型的无线接入。



LTE


的网络架构如下图所示:





1 LTE


网络架构



E-UTRAN



eNB


构成;



EPC


(Evolved


Packet


Core)



MME



Mobility


Management


Entity




S-GW



Serving


Gateway


)以及

P-GW



PDN Gateway


)构成。



E-UTRAN


主要的开放接口包括:



S1


接口:连接


E-UTRAN



CN


,类似于


UT RAN



Iu


接口;

< br>


X2


接口:实现


E-Node B


之间的互联,类似于


UTRAN


的< /p>


Iur


接口;



LTE-Uu


接口:


E-UTRAN< /p>


的无线接口,类似于


UTRAN



Uu


接口;







2 E -UTRAN



UTRAN


接口对照< /p>



2.2


LTE/SAE


网元功能介绍



SAE



LTE


的系 统架构演进,所以,在此有必要对其系统架构做简单介绍,


SAE


的网


络结构如图


3


所示:

< p>









L


TE



-



U


u






UE




E



-



U


TRAN




S1



-



U




S10




S11




S4





UTRAN




SG



S


N




GERA




S1



-



M


ME





HSS





S3




MME





S6a




S12




S5




Gx





PCRF





Rx





Serving




Gateway





PD




SGi




Operator



'



s


IP Services




Gateway




(e.g. IMS, PSS etc.)





3 SAE


网络架构



接下来介绍一下各网元的功能:



2.2.1


UTRAN



E-UTRAN


实体的主要功能包括:



1.



头压缩及用户平面加密;



2.



在没有路由到达


MME


的情况下,


MME


的选 择取决于


UE


提供的信息;



3.



没有路由情形下的


MME


选择;



4.



基于


A MBR



MBR


的上行承载级速率执行 ;



5.



上下行承载级准许控制。





2.2.2



MME



MME


提供以下功能:



1.



NAS


信令及其安全;



2.



跨核心网的信令(支持


S3


接口)




3.



对处于


MME-IDLE


状态的


UE


进行寻呼;



4.



跟踪区域(


Tracking Area


)列表的管理;



5.



P-GW



S-GW


的选择;



6.



发生跨


MME


切换时的


MME


选择;



7.



发生与


2G/3G 3GPP


接入网之 间切换时的


SGSN


选择;



8.



支持漫游(与

< br>HSS


之间的


S6a


接口)




9.



鉴权;



10.



承载管理,包括专用承载(


dedicated bearer


)的建立。



2.2.3


S


-


GW


< /p>


对每一个与


EPS


相关的


UE


,在一个时间点上,都有一个


S-GW

< p>
为之服务。


S-GW


对基



GTP



PMIP

< br>的


S5/S8


都能提供如下功能:



1.



eNode


间切换时,作为本地锚定点;



2.




2G /3G


系统和


P-GW


之间传输数据信 息;



3.




EMM- IDLE


模式下为下行数据包提供缓存;发起业务请求流程;



4.



合法侦听;



5.



IP


包路由和前转;



6.



IP


包标记;



7.



计费。



2.2.4



P-


GW



1.



2.



3.



4.



5.



6.



7.



基于单个用户的数据包过滤;



UE IP


地址分配;



上下行传输层数据包的分类标示;



上 下行服务级的计费(基于


SDF


,或者基于本地策略)




上下行服务级的门控;



上下行服务级 增强,对每个


SDF


进行策略和整形;



基于


AMBR


的下行速率整形基于


MBR


的下行速率整上下行承载的绑定;合法性

监听;



2.2.5


HSS



HSS


是用于存储用户签约信息的数据库,归属网络中可以包含一个或多个


HSS

< p>


HSS


负责保存以下跟用户相关的信息:





1.



用户标识、编号和路由信息;



2.



用户安全信息:用于鉴权和授权的网络接入控制信息



3.



用户位置信息:


HSS


支持用户注册,并存储系统间的位置信息



4.



用户轮廓信息



HSS


还能产生用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息。


HSS


负责与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体进行联系。



2.2.6


PCRF



PCRF


是策略和计费控制单元。



3


LTE


安全机制


本章从


LTE/SAE


的安全架构入手,

< br>首先介绍了安全层次,


并分析了安全层次的必要性;


其次 ,分析了


LTE


认证与密钥协商过程,密钥的体系架构,以及安 全性激活过程;最后对


LTE


安全机制进行了安全性分析。



3.1


LTE/SAE


安全架构


< p>
LTE/SAE


网络的安全架构和


UMTS


的安全架构基本相同,如下图所示:





4


安全架构



LTE/SAE

< p>
网络的安全也分为


5


个域:



1)


网络接入安全


(I)


2)


网络域安全


(II)


3)


用户域安全



(III)


4)


应用域安全



(IV)




5)


安全服务的可视性和可配置性(


V




LTE/SAE


的安全架构和< /p>


UMTS


的网络安全架构相比,有如下区别:


1)



ME


SN


之间增加了双向箭头表明


M E



SN


之间也存在非接入层安全。< /p>



2)



AN< /p>



SN


之间增加双向箭头表明

< p>
AN



SN


之间的通信需 要进行安全保护。



3)


增加了服务网 认证的概念,因此


HE



SN


之间的箭头由单向箭头改为双向箭头。




3.2


LTE/SAE


安全层次


< p>


LTE


中,由于


eNB


轻便小巧,能够灵活的部署于各种环境。但是,这些


eNB


部署点


环境较为复杂,容易受到恶意的攻击。为了使接入网安全受到 威胁时不影响到核心网,


LTE


在安全方面采取分层安全的做法 ,将接入层(


AS


)安全和非接入层(


NAS


)安全分离,


AS


安全负责


eNB



UE


之间 的安全,


NAS


安全负责


MME



UE


之间的安全。采用这种方式

< p>
能够更好的保护


UE


的接入安全。这样

< p>
LTE


系统有两层保护,而不像


UMTS


系统只有一层


安全保障。


第一层为


E-UTRAN


网络中的


RRC

安全和用户面



UP


< p>
安全,


第二层是


EPC


( 演


进的包核心)网络中的


NAS


信令安 全,如下页图


1


所示。



这种设计目的是使


E-UTRAN



全层(第一层)和


EPC


安全层(第二层)相互的影响 最小化。该原则提高了整个系统的安


全性;对运营商来说,允许将


eNB


放置在易受攻击的位置而不存在高的风险。同时,可以


在多接入技术连接到


EPC


的情况下,对整个系统安全性的评估 和分析更加容易。即便攻击


者可以危及第一个安全层面的安全,也不会波及到第二个安全 层面。





5 LTE/SAE


安全层次





3.3


LTE/SAE


认证与密钥协商过程



3GPP


LTE


< br>SAE


认证与密钥协商过程取得了用户和网络之间相互认证的功能,在成功


认证的基础上完成了密钥的协商,


并且确保了协商密钥的新鲜性。


协议中参与认证与密钥协


商的主体有:


用户 设备


(User Equipment



UE)



移动性管理实体


(Mobi lity Management Entity



MME)< /p>


和本地用户服务器


(Home


Subscriber


Server



HSS)



UE

信任


HSS


并与其共享密钥


K


及确定的加解密算法。此外,


UE



HSS


各自维持一个计数器


SQNms


。和


SQNhss


,并且

SQNms



SQNhss


的初值 都为


0


。其中


f1


f2


为认证函数,


f3



f4



f5



s10


为密钥生成函


数,其详细定义见文献


[2]


。详细的


3GPP SAE


认证与密钥交换协议参见图


6


,图中认证令牌


AUTN=SQN


?

< br>AK||AMF||MAC



认证向量

< br>A


V=(RAND||XRES||K


ASME


||AUTN)



RAND


HSS








AK=f5(RAND)



MAC= f1(SQN||RAND||AMF)



XRES=f2(R AND)



CK=f3(RAND)



IK=f4(RAND)


,密钥


K


ASME



CK



IK


和服务网络号从密钥产生算法


s1 0



得到,其中“


||


”表示符号消息的串联,



?


”标识异或运算符。





6 LTE/SAE


认证与密钥协商过程



3GPP LTE



SAE

< p>
认证向量分发与密钥协商的具体过程如下:



(1 )MME


发起认证过程。


首先


MME< /p>


收到移动用户的注册请求后,


向用户的


H SS


发送该


用户的永久身份标识


IMS I



向所在的服务网络发


SNID



请求对该用户身份和所在网络进行




认证;



( 2)HSS


收到


MME


的认证请求之后 ,


根据


SNID


对用户所在的服务网络 进行验证,


验证


失败则


HSS


拒绝该消息,


如验证通过,


生成序列号


SQN


和随机数


RAND



同时产生一个或


一组认证向量


A< /p>


V


并发送给


MME



MME


按序存储这些向量,


每一个 认证向量可以在


UE



MME


之间进行一次认证与密钥协商。


步骤


1



2


即为从


HSS


到服务网络分发认证数据的过


程,图


7


所示为


HSS


中认证向量的产生机制;





7


认证向量的产生机制



(3)MME< /p>


收到认证向量或认证向量组之后,


对认证向量组按序排序,


然后选择一个序号


最小的认证向量,并将其


R AND



AUTN


发送给


UE


,请求


UE


产生认证数 据;




(4)UE

< br>收到


MME


发来的认证请求后,首先验证


AUTN



AMF


域的分离位 ,然后计算


XMAC



并与

< p>
AUTN


中的


MAC


相比 较,



AMF


验证不通过或者


XMAC



MAC


比较 不符,


则向


MME


发送拒绝认证消息, 并放弃该过程。上述两项验证通过后,


UE


将计算


RES



K


ASME



K


ASME


由认证 过程中产生的密钥


CK



IK



SNID


根据密钥产生函数

< br>s


。得到,并将


RES


发送给< /p>


MME


。步骤


3



4


即为认证和密钥协商过程,该过程完成用户与网络的相互认


证,并且产生用于用户面、无线资源控制层和非接人层的加密和完整性保护的父密钥;< /p>



(5)MME


收到

UE


发送的


RES


后,将


RES


与认证向量


A


V


中的


XRES


进行比较,相同


则整个认证与密钥协商过程成功。


随后的本地认证过程中,


接入层和非接入层将采用认证与


密钥协商过程中产生的父密钥


K


ASME


根据相应的密钥产生算法生成接人层和非接 入层的加


密密钥和完整性保护密钥进行机密通信,


否则整个认证 与密钥协商过程失败,


网络拒绝用户


入网。


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