一文看懂LTE的鑒權

今天，我們來說說LTE的鑒權。

對於任何通信系統，安全都是至關重要的。

我們經常聽說的複製卡、偽基站，都是對通信系統的威脅，對我們信息安全的威脅。

所謂鑒權，就是鑒別終端或網路的真偽，保證通信數據的安全（不被截取、不被篡改、不被偽造）。

我們就以LTE系統為例，說明一下移動通信網路的鑒權方法。

一個簡單的LTE網路架構，是下面這樣的：

LTE控制面的協議棧，如下圖：

正如上圖所示，LTE是一個分層的通信系統。UE和eNodeB之間，是RRC信令。UE和MME之間，是更上層的NAS信令。

正因為如此，針對不同信令，就要採取不同的安全管理層級，就是針對AS層的AS安全，以及針對NAS層的NAS安全。

AS（Access Stratum，接入層）安全

UE和eNB之間的安全，包括RRC信令的機密性保護和完整性保護，用戶面機密性保護。

NAS（Non Access Stratum，非接入層）安全

UE和MME之間的安全，包括NAS信令的機密性保護和完整性保護。

說到鑒權，就一定要先知道什麼是鑒權向量（Authentication Vector）。

鑒權向量，就是一組用於鑒權的參數組。

這個參數組，包括4個參數，分別是：

RAND（RandomChallenge，隨機數）

RAND是網路提供給UE的不可預知的隨機數。

AUTN（AuthenticationToken，鑒權令牌）

AUTN的作用是提供信息給UE，使UE可以用它來對網路進行鑒權。

XRES（ExpectedResponse，預期響應）

XRES是期望的UE鑒權響應參數。用於和UE產生的RES(或RES+RES_EXT)進行比較，以決定鑒權是否成功。

KASME

KASME是根據CK/IK以及ASME的PLMNID推演得到的一個根密鑰。

說明：

1 XRES裡面的X，就是Expected，「預期的」的意思。後面會提到的好幾個詞，都帶有這個X。「X某某某」就是和「某某某」進行比較用的。

2 什麼是ASME？

ASME，接入安全管理實體。該實體是接入網從HSS接收最高級（top-level）密鑰的實體。在LTE網路下，MME扮演ASME的角色。

上面這4個參數，也就是通常我們所說的LTE鑒權四元組。

我們還是直接看看完整的LTE鑒權流程，在流程中解釋吧。

參與認證和密鑰協商的有這三個主體：UE、MME 和 HSS。

我們把它們拎出來：

▶第①步

①：UE 向 MME 發送自己的 IMSI 與 HSS 的 IDHSS標識等身份信息，請求接入；

▶第②步

②：MME 根據請求 IDHSS，向對應的 HSS 發送鑒權數據請求，在請求中包括有用戶的身份信息 IMSI 與本服務網的身份信息 SNID；

▶第③步

③：HSS 收到鑒權請求后，在自己的資料庫中查找 IMSI 與 SNID，驗證這 2 個實體的合法性。如果驗證通過，則生成鑒權向量組 AV（1,…,n）。

▶第④步

④：HSS將生成的鑒權向量組 AV（1,…,n）作為鑒權數據響應，發回給 MME。

生成鑒權向量的演算法如下：

SQN是啥？

為了抵禦重放攻擊，UE 和 HSS 都各自維持一個序列號計數器 SQN。

其中 HSS 維持的是SQNHSS負責為每一個生成的 AV 產生一個新的序列號 SQN。UE 維持的是SQNUE用於保存已接收 AV 中的最大 SQN 值。

KDF是啥？

密鑰生成函數，Key derivation functions。KDF用於生成 Security各種演算法的輸入密鑰。

▶第⑤步

⑤：MME 收到應答后，存儲 AV（1,…,n），再從中選擇一個 AV(i)，提取出 RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等數據，同時為 KASME(i)分配一個密鑰標識KSIASME(i)。

▶第⑥步

⑥：MME向 UE 發送用戶認證請求，帶有RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等數據；

▶第⑦步

⑦：UE 收到認證請求后，通過提取和計算 AUTN(i)中的 MAC 等信息，計算XMAC，比較 XMAC 和 MAC 是否相等，同時檢驗序列號 SQN 是否在正常的範圍內，以此來認證所接入的網路；

演算法如下：

如果認證通過，則計算 RES(i)與 KASME (i)。

▶第⑧步

⑧：UE給MME發用戶鑒權請求響應消息，將計算出的RES(i)傳輸給 MME。

▶第⑨步

⑨：MME 將收到的 RES(i)與 AV(i)中的 XRES(i)進行比較，如果一致，則通過認證；

▶第⑩步

⑩：在雙向認證都完成後，MME 與 UE 將KASME(i)作為基礎密鑰，根據約定的演算法推演出加密密鑰CK與完整性保護密鑰IK，隨後進行保密通信。

至此，EPS-AKA鑒權過程結束。

我們再看一遍整個過程（動圖）：

參數比較多哈！大家可能會比較暈。。。

其實，大家看到的K***什麼的，都是從根密鑰K里逐級生成的。不同的K***，存在於不同的地方，用於不同的目的。

各個密鑰之間的關係如下圖：

繼續往下說，剛才①~⑩，是鑒權的過程。

鑒權之後，是完整性保護和加密過程。

首先我們介紹一下：安全模式控制（Security Mode Control，簡稱SMC）。

• SMC用於激活終端和網路側間信息的安全交互，包括NAS SMC和AS SMC兩部分。

• 安全模式控制主要包括網路側發給UE的 Security Mode Command和UE回復給網路側的Security Mode Complete兩條信令。

• SMC流程主要完成終端和網路側對所使用的安全演算法的協商，並以KASME或KeNB為基礎， 生成相應安全演算法所需的密鑰，初始網路側和終端間消息的安全交互。

其實，消息安全交互的連接建立主要包括以下幾個過程：

1、建立RRC連接，同時也建立起SRB1（SRB，Signalling Radio Bearer）；

2、建立NAS連接；

3、發起AKA過程，完成UE和網側進行雙向鑒權和共同基礎密鑰KASME的協商（上文中的①~⑩）；

4、發起NAS安全模式控制（SMC）流程，激活NAS安全機制，隨後交互的NAS消息都進行安全保護。

5、發起AS安全模式控制（SMC）流程，激活AS安全機制，隨後交互的RRC消息都進行安全保護。

我們來分別看一下4和5的流程。

▶NAS安全模式控制流程

①：MME發送NAS Security Mode Command消息給UE，包括重放(replayed)UE安全性能，所選擇的NAS演算法，標識KASME的eKSI，以及在空閑移動狀態下建立一個映射環境時所需的NONCEUE 和 NONCEMME。這條消息需要進行完整性保護（但不需要加密），所使用的NAS完整性保護密鑰KNAS int基於消息中eKSI所標識(indicated)的KASME。

②：UE需要驗證NAS Security Mode Command消息的完整性。包括確保MME發送的UE安全性能與UE中儲存的UE安全性能相匹配，以確保UE安全性能不會被「攻擊者」修改，並且使用所指示的NAS完整性保護演算法和基於eKSI所標識的KASME生成的NAS完整性保護密鑰KNAS int驗證其完整性保護。

③：MME使用NAS Security Mode Command消息中標識的密鑰和演算法對NAS Security Mode Complete消息進行解密和檢查完整性保護。

此時，可以認為NAS層的安全性已經激活，可以進行安全的NAS層對話。

注意：

MME在發送NAS security mode command消息后，開始進行再該安全環境下的NAS上行解密。

MME在接收到NAS security mode complete消息后，開始進行在該安全環境下的NAS下行加密。

④：如果ME中NAS Security Mode Command消息的驗證不成功，ME應回復一條NAS Security Mode Reject消息。

▶AS安全模式控制流程

①：eNB發送AS Security Mode Command消息給UE，包括所選的AS演算法。並且該消息使用當前KASME生成的完整性保護密鑰KRRC int保護。

②：UE發送AS Security Mode Complete消息給eNB，使用AS Security Mode Command消息中所選擇的AS演算法和使用當前KASME生成的完整性保護密鑰KRRC int保護。

此時，可以認為AS層的安全性已經激活，可以進行安全的AS層對話。

注意：

eNB中，發送AS Security Mode Command后開始RRC和UP的下行加密。

接收到AS Security Mode Complete並驗證其完整性成功后開始上行解密。

UE中，接收到AS Security Mode Command並驗證其完整性成功后開始下行解密。

發送AS Security Mode Complete后開始RRC和UP的上行加密。

③：如果在UE中AS Security Mode Command消息的任何控制都沒有成功，ME將回復一條Security Mode Failure消息。

總之，NAS/AS安全模式控制流程，就是包裝NAS/AS層面的完整性和加密安全。在這之後，一個安全的連接就算是真正建立起來了。

好啦，LTE的鑒權流程，就介紹到這裡。

如果沒有聽明白，也沒關係，LTE安全管理專題課程即將上線（更新入「從零開始學LTE課程」），老師的視頻講解，一定能讓你徹底搞懂滴！