一文看懂LTE的鉴权

今天，我们来说说LTE的鉴权。

对于任何通信系统，安全都是至关重要的。

我们经常听说的复制卡、伪基站，都是对通信系统的威胁，对我们信息安全的威胁。

所谓鉴权，就是鉴别终端或网络的真伪，保证通信数据的安全（不被截取、不被篡改、不被伪造）。

我们就以LTE系统为例，说明一下移动通信网络的鉴权方法。

一个简单的LTE网络架构，是下面这样的：

LTE控制面的协议栈，如下图：

正如上图所示，LTE是一个分层的通信系统。UE和eNodeB之间，是RRC信令。UE和MME之间，是更上层的NAS信令。

正因为如此，针对不同信令，就要采取不同的安全管理层级，就是针对AS层的AS安全，以及针对NAS层的NAS安全。

AS（Access Stratum，接入层）安全

UE和eNB之间的安全，包括RRC信令的机密性保护和完整性保护，用户面机密性保护。

NAS（Non Access Stratum，非接入层）安全

UE和MME之间的安全，包括NAS信令的机密性保护和完整性保护。

说到鉴权，就一定要先知道什么是鉴权向量（Authentication Vector）。

鉴权向量，就是一组用于鉴权的参数组。

这个参数组，包括4个参数，分别是：

RAND（RandomChallenge，随机数）

RAND是网络提供给UE的不可预知的随机数。

AUTN（AuthenticationToken，鉴权令牌）

AUTN的作用是提供信息给UE，使UE可以用它来对网络进行鉴权。

XRES（ExpectedResponse，预期响应）

XRES是期望的UE鉴权响应参数。用于和UE产生的RES(或RES+RES_EXT)进行比较，以决定鉴权是否成功。

KASME

KASME是根据CK/IK以及ASME的PLMNID推演得到的一个根密钥。

说明：

1 XRES里面的X，就是Expected，“预期的”的意思。后面会提到的好几个词，都带有这个X。“X某某某”就是和“某某某”进行比较用的。

2 什么是ASME？

ASME，接入安全管理实体。该实体是接入网从HSS接收最高级（top-level）密钥的实体。在LTE网络下，MME扮演ASME的角色。

上面这4个参数，也就是通常我们所说的LTE鉴权四元组。

我们还是直接看看完整的LTE鉴权流程，在流程中解释吧。

参与认证和密钥协商的有这三个主体：UE、MME 和 HSS。

我们把它们拎出来：

?第①步

①：UE 向 MME 发送自己的 IMSI 与 HSS 的 IDHSS标识等身份信息，请求接入；

?第②步

②：MME 根据请求 IDHSS，向对应的 HSS 发送鉴权数据请求，在请求中包括有用户的身份信息 IMSI 与本服务网的身份信息 SNID；

?第③步

③：HSS 收到鉴权请求后，在自己的数据库中查找 IMSI 与 SNID，验证这 2 个实体的合法性。如果验证通过，则生成鉴权向量组 AV（1,…,n）。

?第④步

④：HSS将生成的鉴权向量组 AV（1,…,n）作为鉴权数据响应，发回给 MME。

生成鉴权向量的算法如下：

SQN是啥？

为了抵御重放攻击，UE 和 HSS 都各自维持一个序列号计数器 SQN。

其中 HSS 维持的是SQNHSS负责为每一个生成的 AV 产生一个新的序列号 SQN。UE 维持的是SQNUE用于保存已接收 AV 中的最大 SQN 值。

KDF是啥？

密钥生成函数，Key derivation functions。KDF用于生成 Security各种算法的输入密钥。

?第⑤步

⑤：MME 收到应答后，存储 AV（1,…,n），再从中选择一个 AV(i)，提取出 RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等数据，同时为 KASME(i)分配一个密钥标识KSIASME(i)。

?第⑥步

⑥：MME向 UE 发送用户认证请求，带有RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等数据；

?第⑦步

⑦：UE 收到认证请求后，通过提取和计算 AUTN(i)中的 MAC 等信息，计算XMAC，比较 XMAC 和 MAC 是否相等，同时检验序列号 SQN 是否在正常的范围内，以此来认证所接入的网络；

算法如下：

如果认证通过，则计算 RES(i)与 KASME (i)。

?第⑧步

⑧：UE给MME发用户鉴权请求响应消息，将计算出的RES(i)传输给 MME。

?第⑨步

⑨：MME 将收到的 RES(i)与 AV(i)中的 XRES(i)进行比较，如果一致，则通过认证；

?第⑩步

⑩：在双向认证都完成后，MME 与 UE 将KASME(i)作为基础密钥，根据约定的算法推演出加密密钥CK与完整性保护密钥IK，随后进行保密通信。

至此，EPS-AKA鉴权过程结束。

我们再看一遍整个过程（动图）：

参数比较多哈！大家可能会比较晕。。。

其实，大家看到的K***什么的，都是从根密钥K里逐级生成的。不同的K***，存在于不同的地方，用于不同的目的。

各个密钥之间的关系如下图：

继续往下说，刚才①~⑩，是鉴权的过程。

鉴权之后，是完整性保护和加密过程。

首先我们介绍一下：安全模式控制（Security Mode Control，简称SMC）。

SMC用于激活终端和网络侧间信息的安全交互，包括NAS SMC和AS SMC两部分。
安全模式控制主要包括网络侧发给UE的 Security Mode Command和UE回复给网络侧的Security Mode Complete两条信令。
SMC流程主要完成终端和网络侧对所使用的安全算法的协商，并以KASME或KeNB为基础，生成相应安全算法所需的密钥，初始网络侧和终端间消息的安全交互。

其实，消息安全交互的连接建立主要包括以下几个过程：

1、建立RRC连接，同时也建立起SRB1（SRB，Signalling Radio Bearer）；

2、建立NAS连接；

3、发起AKA过程，完成UE和网侧进行双向鉴权和共同基础密钥KASME的协商（上文中的①~⑩）；

4、发起NAS安全模式控制（SMC）流程，激活NAS安全机制，随后交互的NAS消息都进行安全保护。

5、发起AS安全模式控制（SMC）流程，激活AS安全机制，随后交互的RRC消息都进行安全保护。

我们来分别看一下4和5的流程。

?NAS安全模式控制流程

①：MME发送NAS Security Mode Command消息给UE，包括重放(replayed)UE安全性能，所选择的NAS算法，标识KASME的eKSI，以及在空闲移动状态下建立一个映射环境时所需的NONCEUE 和 NONCEMME。这条消息需要进行完整性保护（但不需要加密），所使用的NAS完整性保护密钥KNAS int基于消息中eKSI所标识(indicated)的KASME。

②：UE需要验证NAS Security Mode Command消息的完整性。包括确保MME发送的UE安全性能与UE中储存的UE安全性能相匹配，以确保UE安全性能不会被“攻击者”修改，并且使用所指示的NAS完整性保护算法和基于eKSI所标识的KASME生成的NAS完整性保护密钥KNAS int验证其完整性保护。

③：MME使用NAS Security Mode Command消息中标识的密钥和算法对NAS Security Mode Complete消息进行解密和检查完整性保护。

此时，可以认为NAS层的安全性已经激活，可以进行安全的NAS层对话。

注意：

MME在发送NAS security mode command消息后，开始进行再该安全环境下的NAS上行解密。

MME在接收到NAS security mode complete消息后，开始进行在该安全环境下的NAS下行加密。

④：如果ME中NAS Security Mode Command消息的验证不成功，ME应回复一条NAS Security Mode Reject消息。

?AS安全模式控制流程