LTE鉴权
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今天，我们来说说LTE的鉴权。
对于任何通信系统，安全都是至关重要的。
我们经常听说的复制卡、伪基站，都是对通信系统的威胁，对我们信息安全的威胁。
所谓鉴权，就是鉴别终端或网络的真伪，保证通信数据的安全（不被截取、不被篡改、不被伪造）。
我们就以LTE系统为例，说明一下移动通信网络的鉴权方法。
一个简单的LTE网络架构，是下面这样的：
LTE控制面的协议栈，如下图：
正如上图所示，LTE是一个分层的通信系统。UE和eNodeB之间，是RRC信令。UE和MME之间，是更上层的NAS信令。
正因为如此，针对不同信令，就要采取不同的安全管理层级，就是针对AS层的AS安全，以及针对NAS层的NAS安全。
AS（Access Stratum，接入层）安全
UE和eNB之间的安全，包括RRC信令的机密性保护和完整性保护，用户面机密性保护。
NAS（Non Access Stratum，非接入层）安全
UE和MME之间的安全，包括NAS信令的机密性保护和完整性保护。
说到鉴权，就一定要先知道什么是鉴权向量（Authentication Vector）。
鉴权向量，就是一组用于鉴权的参数组。
这个参数组，包括4个参数，分别是：
RAND（RandomChallenge，随机数）
RAND是网络提供给UE的不可预知的随机数。
AUTN（AuthenticationToken，鉴权令牌）
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。
XRES（ExpectedResponse，预期响应）
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。
KASME
KASME是根据CK/IK以及ASME的PLMNID推演得到的一个根密钥。
说明：
1 XRES里面的X，就是Expected，“预期的”的意思。后面会提到的好几个词，都带有这个X。“X某某某”就是和“某某某”进行比较用的。
2 什么是ASME？
ASME，接入安全管理实体。该实体是接入网从HSS接收最高级（top-level）密钥的实体。在LTE网络下，MME扮演ASME的角色。
上面这4个参数，也就是通常我们所说的LTE鉴权四元组。
我们还是直接看看完整的LTE鉴权流程，在流程中解释吧。
参与认证和密钥协商的有这三个主体：UE、MME 和 HSS。
我们把它们拎出来：
▶第①步
①：UE 向 MME 发送自己的 IMSI 与 HSS 的 IDHSS标识等身份信息，请求接入；
▶第②步
②：MME 根据请求 IDHSS，向对应的 HSS 发送鉴权数据请求，在请求中包括有用户的身份信息 IMSI 与本服务网的身份信息 SNID；
▶第③步
③：HSS 收到鉴权请求后，在自己的数据库中查找 IMSI 与 SNID，验证这 2 个实体的合法性。如果验证通过，则生成鉴权向量组 AV（1,…,n）。
▶第④步
④：HSS将生成的鉴权向量组 AV（1,…,n）作为鉴权数据响应，发回给 MME。
生成鉴权向量的算法如下：
SQN是啥？
为了抵御重放攻击，UE 和 HSS 都各自维持一个序列号计数器 SQN。
其中 HSS 维持的是SQNHSS负责为每一个生成的 AV 产生一个新的序列号 SQN。UE 维持的是SQNUE用于保存已接收 AV 中的最大 SQN 值。
KDF是啥？
密钥生成函数，Key derivation functions。KDF用于生成 Security各种算法的输入密钥。
▶第⑤步
⑤：MME 收到应答后，存储 AV（1,…,n），再从中选择一个 AV(i)，提取出 RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等数据，同时为 KASME(i)分配一个密钥标识KSIASME(i)。
▶第⑥步
⑥：MME向 UE 发送用户认证请求，带有RAND(i)、AUTN(i)、KASME(i)等数据；
▶第⑦步
⑦：UE 收到认证请求后，通过提取和计算 AUTN(i)中的 MAC 等信息，计算XMAC，比较 XMAC 和 MAC 是否相等，同时检验序列号 SQN 是否在正常的范围内，以此来认证所接入的网络；
算法如下：
如果认证通过，则计算 RES(i)与 KASME (i)。
▶第⑧步
⑧：UE给MME发用户鉴权请求响应消息，将计算出的RES(i)传输给 MME。
▶第⑨步
⑨：MME 将收到的 RES(i)与 AV(i)中的 XRES(i)进行比较，如果一致，则通过认证；
▶第⑩步
⑩：在双向认证都完成后，MME 与 UE 将KASME(i)作为基础密钥，根据约定的算法推演出加密密钥CK与完整性保护密钥IK，随后进行保密通信。
至此，EPS-AKA鉴权过程结束。
我们再看一遍整个过程（动图）：
参数比较多哈！大家可能会比较晕。。。
其实，大家看到的K***什么的，都是从根密钥K里逐级生成的。不同的K***，存在于不同的地方，用于不同的目的。
各个密钥之间的关系如下图：
继续往下说，刚才①~⑩，是鉴权的过程。
鉴权之后，是完整性保护和加密过程。
首先我们介绍一下：安全模式控制（Security Mode Control，简称SMC）。
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SMC用于激活终端和网络侧间信息的安全交互，包括NAS SMC和AS SMC两部分。
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安全模式控制主要包括网络侧发给UE的 Security Mode Command和UE回复给网络侧的Security Mode Complete两条信令。
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SMC流程主要完成终端和网络侧对所使用的安全算法的协商，并以KASME或KeNB为基础， 生成相应安全算法所需的密钥，初始网络侧和终端间消息的安全交互。
其实，消息安全交互的连接建立主要包括以下几个过程：
1、建立RRC连接，同时也建立起SRB1（SRB，Signalling Radio Bearer）；
2、建立NAS连接；
3、发起AKA过程，完成UE和网侧进行双向鉴权和共同基础密钥KASME的协商（上文中的①~⑩）；
4、发起NAS安全模式控制（SMC）流程，激活NAS安全机制，随后交互的NAS消息都进行安全保护。
5、发起AS安全模式控制（SMC）流程，激活AS安全机制，随后交互的RRC消息都进行安全保护。
我们来分别看一下4和5的流程。
▶NAS安全模式控制流程
①：MME发送NAS Security Mode Command消息给UE，包括重放(replayed)UE安全性能，所选择的NAS算法，标识KASME的eKSI，以及在空闲移动状态下建立一个映射环境时所需的NONCEUE 和 NONCEMME。这条消息需要进行完整性保护（但不需要加密），所使用的NAS完整性保护密钥KNAS int基于消息中eKSI所标识(indicated)的KASME。
②：UE需要验证NAS Security Mode Command消息的完整性。包括确保MME发送的UE安全性能与UE中储存的UE安全性能相匹配，以确保UE安全性能不会被“攻击者”修改，并且使用所指示的NAS完整性保护算法和基于eKSI所标识的KASME生成的NAS完整性保护密钥KNAS int验证其完整性保护。
③：MME使用NAS Security Mode Command消息中标识的密钥和算法对NAS Security Mode Complete消息进行解密和检查完整性保护。
此时，可以认为NAS层的安全性已经激活，可以进行安全的NAS层对话。
注意：
MME在发送NAS security mode command消息后，开始进行再该安全环境下的NAS上行解密。
MME在接收到NAS security mode complete消息后，开始进行在该安全环境下的NAS下行加密。
④：如果ME中NAS Security Mode Command消息的验证不成功，ME应回复一条NAS Security Mode Reject消息。
▶AS安全模式控制流程
①：eNB发送AS Security Mode Command消息给UE，包括所选的AS算法。并且该消息使用当前KASME生成的完整性保护密钥KRRC int保护。
②：UE发送AS Security Mode Complete消息给eNB，使用AS Security Mode Command消息中所选择的AS算法和使用当前KASME生成的完整性保护密钥KRRC int保护。
此时，可以认为AS层的安全性已经激活，可以进行安全的AS层对话。
注意：
eNB中，发送AS Security Mode Command后开始RRC和UP的下行加密。
接收到AS Security Mode Complete并验证其完整性成功后开始上行解密。
UE中，接收到AS Security Mode Command并验证其完整性成功后开始下行解密。
发送AS Security Mode Complete后开始RRC和UP的上行加密。
③：如果在UE中AS Security Mode Command消息的任何控制都没有成功，ME将回复一条Security Mode Failure消息。
总之，NAS/AS安全模式控制流程，就是包装NAS/AS层面的完整性和加密安全。在这之后，一个安全的连接就算是真正建立起来了。
好啦，LTE的鉴权流程，就介绍到这里。
如果没有听明白，也没关系，LTE安全管理专题课程即将上线（更新入“从零开始学LTE课程”），老师的视频讲解，一定能让你彻底搞懂滴！