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：
第步
：UE 向 MME 發送自己的 IMSI 與 HSS 的 IDHSS標識等身份信息，請求接入；
第步
：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；
第步
：HSS 收到鑒權請求後，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）。
第步
：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。
第步
：MME 收到應答後，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)。
第步
：MME向 UE 發送用戶認證請求，帶有RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等數據；
第步
：UE 收到認證請求後，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)。
第步
：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。
第步
：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；
第步
：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~，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~）；
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
：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。
：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。
：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消息後，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消息後，開始進行在該安全環境下的NAS下行加密。
：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
：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。
：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後開始RRC和UP的下行加密。
接收到AS Security Mode Complete並驗證其完整性成功後開始上行解密。
UE中，接收到AS Security Mode Command並驗證其完整性成功後開始下行解密。
發送AS Security Mode Complete後開始RRC和UP的上行加密。
：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！
TAG:奔跑的C友 |