LTE的安全研究



1.       引言

做过一段时间的LTE的安全研究，这里简单介绍了3GPP长期演进（LTE）研究工作的开展背景和网络架构，重点介绍了LTE/SAE的安全架构、密钥架构、安全机制等。希望能对大家研究LTE的安全有所帮助。

随着移动通信的普及，移动通信中的安全问题正受到越来越多的关注，人们对移动通信中的信息安全也提出了更高的要求。在2G（以GSM网络为例）中，用户卡和网络侧配合完成鉴权来防止未经授权的接入，从而保护运营商和合法用户双方的权益。但GSM网络在身份认证及加密算法等方面存在着许多安全隐患：首先，由于其使用的COMP128-1算法的安全缺陷，用户SIM卡和鉴权中心（AuC）间共享的安全密钥可在很短的时间内被破译，从而导致对可物理接触到的SIM卡进行克隆；GSM网络没有考虑数据完整性保护的问题，难以发现数据在传输过程被篡改等问题。

第三代移动通信系统（3G）在2G的基础上进行了改进，继承了2G系统安全的优点，同时针对3G系统的新特性，定义了更加完善的安全特征与安全服务。R99侧重接入网安全，定义了UMTS的安全架构，采用基于Milenage算法的AKA鉴权，实现了终端和网络间的双向认证，定义了强制的完整性保护和可选的加密保护，提供了更好的安全性保护；R4增加了基于IP的信令的保护；R5增加了IMS的安全机制；R6增加了通用鉴权架构GAA（Generic Authentication Architecture）和MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）安全机制。

3G技术的出现推动了移动通信网数据类业务的发展，在更大程度上满足了个人通信和娱乐的需求，正在被广泛推广和应用。为了进一步发展3G技术，3GPP于2004年将LTE（Long Time Evolution）作为3G系统的长期演进，并于2006年开始标准制定工作。在开展LTE研究项目的同时，启动了SAE（System Architecture Evolution）的研究项目。LTE/SAE的安全功能也不断得到完善、扩展和加强，本文对LTE/SAE的安全技术进行了简要介绍。

 

2.       LTE/SAE的网络架构

LTE和UMTS网络相比，LTE/SAE的接入网减少了节点数量，接入网中只有一个节点eNB（Evolved Node B），该eNB可以位于不完全可信的区域。eNB之间通过X2接口连接，eNB和核心网设备MME/S-GW（Mobility Management Entity/Serving-Gateway）通过S1接口连接。LTE接入网架构如下图所示：

图1 接入网架构

相比UMTS核心网，SAE核心网有较大变动，MME将取代SGSN完成认证等安全功能，同时MME需要完成NAS信令的安全保护。SAE核心网架构如下图所示：

 

图2 核心网架构

 

3.       LTE/SAE的安全架构

LTE/SAE网络的安全架构和UMTS的安全架构基本相同，如下图所示：

图3 安全架构

LTE/SAE网络的安全也分为5个域：

1)       网络接入安全(I)

2)       网络域安全(II)

3)       用户域安全 (III)

4)       应用域安全 (IV)

5)       安全服务的可视性和可配置性（V）

LTE/SAE的安全架构和UMTS的网络安全架构相比，有如下区别：

1)       在ME和SN之间增加了双向箭头表明ME和SN之间也存在非接入层安全。

2)       在AN和SN之间增加双向箭头表明AN和SN之间的通信需要进行安全保护。

3)       增加了服务网认证的概念，因此HE和SN之间的箭头由单向箭头改为双向箭头。

4.       LTE/SAE的安全层次

图4 安全层次

在LTE/SAE中，由于eNB处于一个不完全信任区域，因此LTE/SAE的安全包括两个层次：接入层（AS）和非接入层（NAS）的安全：

1)     接入层（AS）安全：UE与eNB之间的安全，主要执行AS信令的加密和完整性保护，用户面UP的加密性保护。

2)     非接入层（NAS）安全：UE与MME之间的安全，主要执行NAS信令的加密和完整性保护。

 

5.       LTE/SAE的密钥架构

LTE/SAE的密钥层次架构如下图所示，由K派生出较多层次的密钥，分别实现各层的保密性和完整性保护，提高了通信中的安全性。

图5 密钥架构

LTE/SAE网络的密钥层次架构中包含如下密钥：

1)       UE和HSS间共享的密钥：

l         K：存储在USIM和认证中心AuC的永久密钥。

l         CK/IK：AuC和USIM在AKA认证过程中生成的密钥对。与UMTS相比，CK/IK不应离开HSS。

2)       ME和ASME共享的中间密钥：

l         K_ASME：UE和HSS根据CK/IK推演得到的密钥，用于推演下层密钥。

3)       UE与eNB和MME的共享密钥：

l         K_NASint：UE和MME根据K_ASME推演得到的密钥，用于保护UE和MME间NAS流量的完整性。

l         K_NASenc：UE和MME根据K_ASME推演得到的密钥，用于保护UE和MME间NAS流量的保密性。

l         K_eNB：UE和MME根据K_ASME推演得到的密钥。K_eNB用于推导AS层密钥。

l         K_UPenc：UE和eNB根据K_eNB和加密算法的标识符推演得到，用于保护UE和eNB间UP的保密性。

l         K_RRCint：UE和eNB根据K_eNB和完整性算法的标识符推演得到，用于保护UE和eNB间RCC的完整性。

l         K_RRCenc：UE和eNB根据K_eNB和加密算法的标识符推演得到，用于保护UE和eNB间RCC的保密性。

 

6.       LTE/SAE的安全鉴权（AKA）机制

LTE/SAE的AKA鉴权过程和UMTS中的AKA鉴权过程基本相同，采用Milenage算法，继承了UMTS中五元组鉴权机制的优点，实现了UE和网络侧的双向鉴权。

与UMTS相比，SAE的AV（Authentication Vector）与UMTS的AV不同，UMTS AV包含CK/IK，而SAE AV仅包含Kasme（HSS和UE根据CK/IK推演得到的密钥，参见下文）。LTE/SAE使用AV中的AMF来标识此AV是SAE AV还是UMTS AV，UE利用该标识来判断认证挑战是否符合其接入网络类型，网络侧也可以利用该标识隔离SAE AV和UMTS AV，防止获得UMTS AV的攻击者假冒SAE网络。

LTE/SAE中还定义了UE在eNB和MME之间切换间的安全机制、EUTRAN与UTRAN、GERAN、non-3GPP间的切换等安全机制。

 

7.       网络域安全

LTE/SAE中将网络划分不同的安全域，使用NDS/IP的方式（IKE＋IPsec）保护网络域的安全，如下图所示：

图6 NDS/IP的安全架构图

将可以将上图转换为LTE/SAE实体，若MME/S-GW和eNB位于不同的安全域时（如MME/S-GW和eNB通过Internet相连），则图中NE A-1可看成MME/S-GW，NE B-1可看成eNB。安全网关可集成在NE中，也可能是一个独立的设备。若SEG和NE之间连接是可信的（如MME/S-GW和SEG之间的连接位于同一个大楼内），那么在它们之间不需要附加其他的安全措施（物理措施除外）。若MME/S-GW和eNB位于相同的安全域内，则MME/S-GW和eNB可能分别对应NE A-1和NE A-2，在他们之间使用可选的Zb接口进行安全保护。

若多个节点部署在同一个信任环境中，那么应该将安全集中在一个独立的设备（即信任域边界的SEG）上。在一般的场景下，终结Za（即SEG功能）或Zb口的IPsec功能应该集成在eNB中，也可以使用SEG汇聚多个eNB的流量。NDS/IP可以采用基于预共享密钥和证书等的方式来提供密钥管理。