LTE附着过程中的安全机制

对于整个附着过程，其实内容众多，也涉及到诸多知识点，无论是不同的协议，还是协议所涉及到的各种算法，都是值得研究的。而每条消息所携带的IE，内容丰富，在业务附着，已经建立后，维持业务正常，起着不同作用。而附着过程中的安全建立，也是关键一环。

LTE附着过程中，安全机制有两层，一层是NAS层，那是EPC与UE之间的交互；一层的AS层，那是eNB和UE之间的交互。通过两层安全防卫，从而提高整个LTE系统的安全性。在《一个完整的附着过程》章节中，都有对应信令，下图又将这两组信令放在一起展示。

杂七杂八话LTE（二十九）：LTE附着中的安全机制

先看看过程。首先，EPC和UE之间的需要双向认证和协商，是由EPC发起的。

在第一次attach消息中，UE会将IMSI, SN ID通知MME，MME就会根据这些信息，和HSS/Auc打交道，通过Diameter协议。从而获取鉴权向量，并通过Auth request消息，发给UE，进行双向认证。

鉴权向量 AV(Authentication Vector) 由 RAND、XRES（Expected Response，预期响应）、KASME和 AUTN（Authentication Token，认证令牌）四个参数组成。其具体解释如下：

image
MME通过Authentication Request将AV四元组中的RAND，AUTH，KSIasme发给UE，如下图所示：

杂七杂八话LTE（二十九）：LTE附着中的安全机制

UE 收到认证请求后，通过提取和计算 AUTN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。具体的参数计算方法如下图，如果认证通过，则计算 RES与 KASME，并将 RES通过消息Authentication Response传输给 MME，如下图所示。

image

MME 将收到的 RES与 AV向量中的 XRES进行比较，如果一致，则通过认证；

在双向认证都完成后，MME 与 UE 将Kasme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认证方案结束。

对于鉴权过程介绍，3GPP 24.301 5.4.2章节对正常和异常行为都做了解释。33.401 6.1章节，介绍了AKA过程，也就是AV向量的获取交互验证过程。这里面又涉及到密钥是如何产生的，又是一个复杂的课题。6.2章节介绍了整个密钥架构，如下图所示：

image
LTE系统采用的是分层密钥结构，在获取Kasme之后即可作为根密钥为NAS（非接入层）提供数据加密（Knasenc）和数据完整性保护（Knasint），同时也可根据Kasme为AS（接入层）信令面提供相应的数据加密（Krrcenc）和数据完整性保护（Krrcint），以及数据面的加密（Kupenc）。所以鉴权完成后，即使NAS/AS的安全算法交互过程，其消息名称一致，只是IE上有所区别。

NAS SMC过程

image

在PDN connectivity request过程中，UE将自身支持的安全算法能力上报给EPC，在SMC消息中，EPC将选择ciphering/integrity算法，以及UE安全能力发给UE，UE接收到NodeB转发过来的NAS层的 Security Mode Command消息后，首先验证其中的UE安全能力与自己早先上报给MME的是否一致，然后根据NAS Security ModeCommand中选中的算法计算相应的密钥，并生成 NAS SecurityModeComplete消息，对之进行完整性保护，发送给MME。此时，可以认为NAS层的安全性已经激活， UE和NodeB可以进行安全的NAS层对话。

AS SMC过程

image
其消息和NAS的一样，只是IE简单些。同样，UE根据SecurityModeCommand中选中的算法计算相应的密钥，并生成SecurityModeComplete消息，对之进行完整性保护，发送给MME。至此，AS层RRC以及UP可以安全交互。

关于安全算法，主要有以下几种：

加密：eea0 (NULL) <wbr>eea1 (SNOW3G) eea2 (AES) eea3 (ZUC)

完整性：eia0 (NULL) <wbr>eia1 (SNOW3G) eia2 (AES) eia3 (ZUC)

除了ZUC（祖冲之算法）是国内专利，SNOW3G和AES都是国际通用算法，其算法情况网上都有介绍。

综上所述，LTE中的安全机制，涉及到密钥派生，算法选择等等，过程比较清晰，分支内容值得深究。