【LTE知识】MME的鉴权和加密过程

鉴权流程的目的是由HSS向MME提供EPS鉴权向量(RAND, AUTN, XRES, KASME)，并用来对用户进行鉴权。1) MME发送Authentication Data Request消息给HSS，消息中需要包含IMSI，网络ID，如MCC + MNC和网络类型，如E-UTRAN2) HSS收到MME的请求后，使用authentication response消息将鉴权向量发送给MME3) MME向UE发送User Authentication Request消息，对用户进行鉴权，消息中包含RAND和AUTN这两个参数4) UE收到MME发来的请求后，先验证AUTN是否可接受，UE首先通过对比自己计算出来的XMAC和来自网络的MAC（包含在AUTN内）以对网络进行认证，如果不一致，则UE认为这是一个非法的网络。如果一致，然后计算RES值，并通过User Authentication Response消息发送给MME。MME检查RES和XRES的是否一致，如果一致，则鉴权通过。EPS鉴权向量由RAND、AUTN、XRES和KASME四元组组成。EPS鉴权向量由MME向HSS请求获取。EPS鉴权四元组：l RAND（Random Challenge）：RAND是网络提供给UE的不可预知的随机数，长度为16 octets。l AUTN（Authentication Token）：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。AUTN的长度为17octetsl XRES（Expected Response）：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。XRES的长度为4-16 octets。l KASME 是根据CK/IK以及ASME（MME）的PLMN ID推演得到的一个根密钥。KASME 长度32octets。l ASME从HSS中接收顶层密钥，在E-UTRAN接入模式下，MME扮演ASME的角色。l CK：为加密密钥，CK长度为16 octets。l IK：完整性保护密钥，长度为16 octets。在鉴权过程中，MME向USIM发送RAND和AUTN，USIM可以决定返回RES还是拒绝鉴权。1. MME发起AUTH REQ消息，携带鉴权相关信息RAND和AUTN；第一条 S1AP_DL_NAS_TRANS2. UE收到AUTH REQ消息后回复AUTH RES（携带RES参数）。第一条 S1AP_UL_NAS_TRANS3. MME收到AUTH RES后，触发安全模式流程，否则返回AUTH REJ消息。EPS的安全架构如下：EPS安全架构中有相互独立的分层安全：MME和UE执行NAS（ Non-access stratum，非接入层）信令加密和完整性保护。eNodeB和UE执行RRC信令加密和完整性保护，UP加密。E-UTRAN里的密钥层次架构：密钥的层次架构里包含以下密钥: KeNodeB, KNASint, KNASenc, KUPenc, KRRCint 和KRRCenc- KeNodeB是由UE和MME各自根据KASME计算得到的，可用于派生KRRCint、KRRCenc和KUPenc，发生切换时也可用于派生KeNodeB*。在初始连接建立时，由UE和MME分别从E-UTRAN的顶层密钥中派生出来的。KeNodeB*是由UE和源eNodeB根据目的物理小区号、下行频率、KeNodeB（或新NH）派生出来，并在切换后被UE和目的eNodeB用作新的KeNodeB。NH（Next Hop）是用于在UE和eNodeB中派生KeNodeB*。当安全上下文建立时，NH由UE和MME从KeNodeB派生出来；当发生切换时，从上一个NH派生出来。- NAS信令的密钥:- KNASint 是用于NAS信令完整性保护的密钥,是由UE和MME各自根据双方协商的完整性算保护算法计算得到的.- KNASenc 是用于NAS信令加密的密钥,是由UE和MME各自根据双方协商的加密算法计算得到的.- 用户数据的密钥:- KUP enc是专门用于加密用户面数据的密钥，由KeNodeB派生出来，存在于UE和eNodeB中。- RRC信令的密钥:- KRRC int是用于保护RRC信令完整性的密钥，由KeNodeB派生出来，存在于UE和eNodeB中。- KRRC enc是用于加密RRC信令的密钥，由KeNodeB派生出来，存在于UE和eNodeB中。4 UE收到SMC消息后：- 根据SMC消息中的Selected NAS security algorithms信元计算出KnasEnc和KnasInt密钥；- 校验信元UE security capabilities和KSI是否合法，如果合法，则回复MME SECURITY MODE COMPLETE消息，否则返回SECURITY MODE REJECT消息。第二条 S1AP_DL_NAS_TRANS应用完整性保护和加密特性时，要求UE和MME满足33.401的如下要求：- 对于NAS信令加密，UE和MME需支持128-EEA0（NULL），128-EEA1（Snow3G）和128-EEA2（AES）。- 对于NAS信令的完整性保护，UE和MME需支持128-EIA1（Snow3G）和128-EIA2（AES）。- （可选）UE和MME支持128-EIA0（NULL）。对于未经认证的紧急呼叫，未要求必须支持，即使MME和eNodeB部署了128-EIA0（NULL）的配置也将失效。无线侧的完整性保护和加密保护功能在eNodeB配置，对eNodeB上所有小区有效。第二条 S1AP_UL_NAS_TRANSeNodeB通过Security Mode Command通知UE启动完整性保护和加密过程，UE通过消息中的安全算法计算获取密钥。此时下行加密已开始。1) RRC连接建立完成后，MME生成KeNodeB和NH，并向eNodeB发送UE的安全能力和KeNodeB。安全能力包含UE支持的加密算法和完整性算法。2) eNodeB将完整性保护算法优先级列表和UE安全能力取交集，选取优先级最高的完整性算法。3) eNodeB将加密算法优先级列表和UE安全能力取交集，选取优先级最高的加密算法。4) eNodeB根据KeNodeB和选取的安全算法来计算出KUP enc，KRRC int和KRRC enc密钥，并为