CN102395130B

CN102395130B - 一种lte中鉴权的方法

Info

Publication number: CN102395130B
Application number: CN201110339773.9A
Authority: CN
Inventors: 龙昭华; 李涛; 蒋贵全; 商浩; 张�林; 刘达明
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN102395130A

Abstract

针对目前LTE网络中存在的安全问题，本发明提出了一种新的鉴权方法，在方法中，由于增加了核心网对eNodeB的鉴权并把鉴权结果发送给MME，这样就避免了一些非法的eNodeB对核心网和用户进行攻击；当UE需要向核心网发送IMSI时，需要根据分配的TMSI完成上述通信流程，后利用ASE给UE颁发的身份来加密IMSI，这样避免了UE以明文的方式发送IMSI，使之不易被截获；通过本发明鉴权步骤，能够使UE到ASE之间的通信链路是安全的，可以更新共享密钥K。当然，后面两个问题的解决，是依赖于事先已经建立过的安全的链路而实现的。

Description

一种LTE中鉴权的方法

技术领域

本发明涉及一种在移动通信的长期演进（简称LTE）系统中，提出了一种新的鉴权架构和鉴权流程，从而实现更安全的通信的方法。

背景技术

LTE/SAE项目是3G的演进，始于2004年3GPP（3^rd Generation Partnership Project，第3代合作伙伴计划）的多伦多会议。LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。（注：本专利中出现的术语、英文缩写和函数，如无特殊说明，均可认为来自3GPP系列协议）。

为了适应网络的全IP化和扁平化的演进趋势，LTE网络将RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）功能放在eNode B（Evolved Node B，演进的Node B）中。与UMTS网络相比，LTE更加分布化，AS（Access Stratum，接入层）层和NAS（Non-Access Stratum，非接入层）层分布在不同的网络实体。由于这种成本日益低廉化、小型化的无线基站会大量部署，各个AS层之间及AS层和NAS层之间在地理和逻辑上都处于分离化状态，位于安全域的核心网实体难以为接入网络提供安全保护，LTE网络主要面临以下安全方面的问题。

（1）由于eNode B部署于非安全域，且地理位置分散，一旦eNode B被攻破，攻击者可以利用攻破的eNode B对核心网的MME（Mobile Management Entity，移动管理实体）和S-GW（Serving Gate Way，服务网关）进行攻击，也可以利用它对其他eNode B和UE（User Equipment，用户设备）进行攻击。

（2）UE开机注册或初次加入网络，或因特殊情况需要，网络无法恢复出UE的IMSI（International Mobile Subscriber Identity，全球移动用户惟一标识）时，UE将以明文发送IMSI，易被截获。

（3）UE和HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）需要长期共享密钥K，一旦泄露，攻击者可以轻而易举地获得机密通信的密钥，从而截获用户数据，将对用户产生不可估量的损失。

发明内容

本发明的目的是：提出一种在LTE中使用的鉴权方法。

本鉴权方法，包含以下步骤：

（1）UE向eNode B发起附着请求a及网络选择指示，消息包含TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity，临时移动用户唯一标识）/IMSI、UE能力、UE的身份——由HSS中的ASE（Authentication Service Entity，鉴别服务实体）颁发，以及PDN（Packet Data Network，分组数据网）地址等参数。

（2）eNode B根据TMSI/IMSI和网络选择指示推导得到MME，并生成附着请求b，它包含UE能力、UE的身份、eNode B的身份——由HSS中的ASE颁发，以及PDN地址等参数。

（3）eNode B发送附着请求b到MME。

（4）MME生成鉴权请求，消息包含TMSI/IMSI、SNID（Server Network Identity，服务网标识）、Network Type（网络类型）、UE的身份及eNode B身份等参数。

（5）MME发送鉴权请求到HSS。

（6）HSS用SNID对UE所在的服务网络进行验证。若验证失败，则拒绝该消息。若验证通过，则HSS中的ASE分别对UE及eNode B的身份进行验证，然后生成计数值SQN_HSS（由HSS中的计数器产生）和随机数RAND，同时产生一个或一组鉴权向量AV（Authentication Vector，鉴权向量），它包括参数RAND、AUTN(Authentication Token，鉴证令牌)、XRES（通过和用户返回的RES比较来达成密钥协商的目的）和密钥K_ASME（用来产生非接入层和接入层密钥的总密钥）。完成这些过程之后，HSS生成鉴权响应，它包含鉴权向量和ASE对UE的身份及eNode B身份验证的结果。

（7）HSS发送鉴权响应到MME。

（8）MME根据收到ASE对eNode B身份验证的结果进行处理，若eNode B不合法，则拒绝该消息。若它合法，则储存AV并生成用户鉴权请求a，它包含参数AUTN、RAND、KSI_ASME以及ASE对UE身份验证结果。其中KSI_ASME是用来标识K_ASME，目的是为了终端能获得和网络端一样的K_ASME。

（9）MME发送用户鉴权请求a到eNode B。

（10）根据ASE对UE身份验证的结果进行处理，若UE不合法，则拒绝UE接入，若合法，则生成用户鉴权请求b，它包括AUTN、RAND、KSI_ASME。

（11）eNode B发送用户鉴权请求b到UE。

（12）UE将先核实收到的AUTN的AMF（Authentication Management Field，鉴证管理域），若合适，则UE通过计算得出的XMAC，若不等于MAC，则UE将不接入网络，若两者相等，则生成用户鉴权响应。

（13）UE发送用户鉴权响应到MME。（注：本步骤中，由于eNode B只是起到转发的作用，但并不表示UE可以不经过eNode B而可以和MME进行交互，具体的讲是UE先发送用户鉴权响应到eNode B，后eNode B转发到MME）。

（14）MME计算得出的RES，若不等于XRES，则拒绝该消息，若两者相等，则完成鉴权。

后面的处理按照3GPP系列协议规定的处理流程处理。

针对目前LTE网络中存在的安全问题，本发明提出了一种新的鉴权模型和鉴权流程，可以解决这些问题。在上述流程中，明显看出由于增加了核心网对 eNode B的鉴权并把鉴权结果发送给MME，这样就避免了一些非法的eNode B对核心网和用户进行攻击；当UE需要向核心网发送IMSI时，需要根据分配的TMSI完成上述通信流程，后利用ASE给UE颁发的身份来加密IMSI，这样避免了UE以明文的方式发送IMSI，使之不易被截获；完成了上述步骤后，认为UE到ASE之间的通信链路是安全的，可以更新共享密钥K。当然，后面两个问题的解决，是依赖于事先已经建立过的安全的链路而实现的。

附图说明

图1是LTE中改进前鉴权流程图（AKA协议）；

图2是LTE中改进后鉴权流程图；

图3是AV的生成过程；

图4是UE的鉴权功能。

具体实施方式

实施例 LTE中改进后鉴权过程,参见图2，包括以下步骤：

（1）UE向eNode B发起附着请求a及网络选择指示，消息包含TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity，临时移动用户唯一标识）/IMSI、UE能力、UE的身份——由HSS中的ASE（Authentication Service Entity，鉴别服务实体）颁发，以及PDN（Packet Data Network，分组数据网）地址等参数；

（2）eNode B根据TMSI/IMSI和网络选择指示推导得到MME，并生成附着请求b，它包含UE能力、UE的身份、eNode B的身份——由HSS中的ASE颁发，以及PDN地址等参数；

（3）eNode B发送附着请求b到MME；

（4）MME生成鉴权请求，消息包含TMSI/IMSI、SNID（Server Network Identity，服务网标识）、Network Type（网络类型）、UE的身份及eNode B身份等参数；

（5）MME发送鉴权请求到HSS；

（6）HSS用SNID对UE所在的服务网络进行验证。若验证失败，则拒绝该消息。若验证通过，则HSS中的ASE分别对UE及eNode B的身份进行验证，然后生成计数值SQN_HSS（由HSS中的计数器产生）和随机数RAND，同时产生一个或一组鉴权向量AV（Authentication Vector，鉴权向量），它包括参数RAND、AUTN(Authentication Token，鉴证令牌)、XRES（通过和用户返回的RES比较来达成密钥协商的目的）和密钥K_ASME（用来产生非接入层和接入层密钥的总密钥）。完成这些过程之后，HSS生成鉴权响应，它包含鉴权向量和ASE对UE的身份及eNode B身份验证的结果；

（7）HSS发送鉴权响应到MME；

（8）MME根据收到ASE对eNode B身份验证的结果进行处理，若eNode B不合法，则拒绝该消息。若它合法，则储存AV并生成用户鉴权请求a，它包含参数AUTN、RAND、KSI_ASME以及ASE对UE身份验证结果。其中KSI_ASME是用来标识K_ASME，目的是为了终端能获得和网络端一样的K_ASME；

（9）MME发送用户鉴权请求a到eNode B；

（10）根据ASE对UE身份验证的结果进行处理，若UE不合法，则拒绝UE接入，若合法，则生成用户鉴权请求b，它包括AUTN、RAND、KSI_ASME；

（11）eNode B发送用户鉴权请求b到UE；

（12）UE将先核实收到的AUTN的AMF（Authentication Management Field，鉴证管理域），若合适，则UE通过计算得出的XMAC，若不等于MAC，则UE将不接入网络，若两者相等，则生成用户鉴权响应；

（13）UE发送用户鉴权响应到MME：先UE先发送用户鉴权响应到eNode B，后由eNode B转发到MME；

（14）MME计算得出的RES，若不等于XRES，则拒绝该消息，若两者相等，则完成鉴权；

实施例2，在LTE中鉴权向量AV的生成过程：

参见图3，UE和HSS各自维持一个计数器，并且计数器产生的SQN_MS和SQN_HSS的初值都为0。HSS收到鉴权请求后，生成随机数RAND和SQN_HSS 。图中的f₁和f₂为认证函数，f₃、f₄、f₅、S₁₀为密钥生成函数。认证令牌AUTN=SQN

AK ||AMF ||MAC，鉴权向量AV=(RAND ||XRES || KASME||AUTN)， AK= f₅ (RAND，K)，MAC= f₁ (SQN_HSS||RAND||AMF，K)，XRES= f₂ (RAND，K)，CK= f₃ (RAND，K)，IK= f₄ (RAND，K)，密钥K_ASME由CK、IK和服务网络号从密钥产生算法S₁₀得到。（其中“||”表示符号消息的串联，“

”标识异或运算符。f₁-- f₅、S₁₀来自AKA协议）

实施例3，在LTE中，UE的鉴权功能

参见图4，UE收到用户鉴权请求b之后，运算得到SQN_MS′后和UE中计数器产生的SQN _MS进行比较，判断SQN _MS′是不是在合适范围内。其中XMAC= (SQN|| RAND|| AMF，K)，其余参数的运算过程与图3中各参数的运算过程是相同的。 UE会比较XMAC 和MAC是否相等，也会验证AMF分离标志位是否合法。

Claims

1.一种在LTE中，身份鉴权方法，包括以下步骤：

1）UE向eNode B发起附着请求a及网络选择指示，消息包含TMSI/IMSI、UE能力、UE的身份，以及分组数据网PDN地址;

2）eNode B根据TMSI/IMSI和网络选择指示推导得到MME，并生成附着请求b，附着请求b包含UE能力、UE的身份、eNode B的身份及PDN地址;

3）eNode B发送附着请求b到MME;

4）MME生成鉴权请求，消息包含TMSI/IMSI、服务网标识SNID、网络类型、UE的身份及eNode B身份;

5）MME发送鉴权请求到HSS;

6）HSS用SNID对UE所在的服务网络进行验证,若验证失败，则拒绝该消息;若验证通过，则HSS中的鉴别服务实体ASE分别对UE及eNode B的身份进行验证，然后生成计数值SQN_HSS和随机数RAND，同时产生一个或一组鉴权向量AV，它包括参数RAND、鉴证令牌AUTN、预期回应XRES和密钥K_ASME,然后，HSS生成鉴权响应，它包含鉴权向量AV和ASE对UE的身份及eNode B身份验证的结果；

7）HSS发送鉴权响应到MME；

8）MME根据收到ASE对eNode B身份验证的结果进行处理，若eNode B不合法，则拒绝该消息；若它合法，则储存AV并生成用户鉴权请求a，它包含参数AUTN、RAND、KSI_ASME以及ASE对UE身份验证结果，其中KSI_ASME是用来标识K_ASME，目的是为了终端能获得和网络端一样的K_ASME；

9）MME发送用户鉴权请求a到eNode B；

10）根据ASE对UE身份验证的结果进行处理，若UE不合法，则拒绝UE接入，若合法，则生成用户鉴权请求b，它包括参数AUTN、RAND和KSI_ASME；

11）eNode B发送用户鉴权请求b到UE；

12）UE先核实收到的AUTN的鉴证管理域AMF，若合适，则UE通过计算得出的XMAC，若不等于MAC，则UE将不接入网络，若两者相等，则生成用户鉴权响应；

13）UE发送用户鉴权响应到MME：由UE先发送用户鉴权响应到eNode B，后由eNode B转发到MME；

14）MME计算得出的RES，若不等于XRES，则拒绝该消息，若两者相等，则完成鉴权。