主頁（http://www.by236.com）：LTE的安全技術 本文為轉載，作者彭華熹，為中國移動通訊有限公司研究院終端所研究員，專注于移動通信網絡、數據業務、信息安全、智能卡等領域的研究和產品開發。 1. 引言 做過一段時間的LTE的安全研究，這里簡單介紹了3GPP長期演進（LTE）研究工作的開展背景和網絡架構，重點介紹了LTE/SAE的安全架構、密鑰架構、安全機制等。希望能對大家研究LTE的安全有所幫助。 隨著移動通信的普及，移動通信中的安全問題正受到越來越多的關注，人們對移動通信中的信息安全也提出了更高的要求。在2G（以GSM網絡為例）中，用戶卡和網絡側配合完成鑒權來防止未經授權的接入，從而保護運營商和合法用戶雙方的權益。但GSM網絡在身份認證及加密算法等方面存在著許多安全隱患：首先，由于其使用的COMP128-1算法的安全缺陷，用戶SIM卡和鑒權中心（AuC）間共享的安全密鑰可在很短的時間內被破譯，從而導致對可物理接觸到的SIM卡進行克隆；GSM網絡沒有考慮數據完整性保護的問題，難以發現數據在傳輸過程被篡改等問題。 第三代移動通信系統（3G）在2G的基礎上進行了改進，繼承了2G系統安全的優點，同時針對3G系統的新特性，定義了更加完善的安全特征與安全服務。R99側重接入網安全，定義了UMTS的安全架構，采用基于Milenage算法的AKA鑒權，實現了終端和網絡間的雙向認證，定義了強制的完整性保護和可選的加密保護，提供了更好的安全性保護；R4增加了基于IP的信令的保護；R5增加了IMS的安全機制；R6增加了通用鑒權架構GAA（Generic Authentication Architecture）和MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）安全機制。 3G技術的出現推動了移動通信網數據類業務的發展，在更大程度上滿足了個人通信和娛樂的需求，正在被廣泛推廣和應用。為了進一步發展3G技術，3GPP于2004年將LTE（Long Time Evolution）作為3G系統的長期演進，并于2006年開始標準制定工作。在開展LTE研究項目的同時，啟動了SAE（System Architecture Evolution）的研究項目。LTE/SAE的安全功能也不斷得到完善、擴展和加強，本文對LTE/SAE的安全技術進行了簡要介紹。 2. LTE/SAE的網絡架構 LTE和UMTS網絡相比，LTE/SAE的接入網減少了節點數量，接入網中只有一個節點eNB（Evolved Node B），該eNB可以位于不完全可信的區域。eNB之間通過X2接口連接，eNB和核心網設備MME/S-GW（Mobility Management Entity/Serving-Gateway）通過S1接口連接。LTE接入網架構如下圖所示：
圖1 接入網架構 相比UMTS核心網，SAE核心網有較大變動，MME將取代SGSN完成認證等安全功能，同時MME需要完成NAS信令的安全保護。SAE核心網架構如下圖所示：
圖2 核心網架構 3. LTE/SAE的安全架構 LTE/SAE網絡的安全架構和UMTS的安全架構基本相同，如下圖所示：
圖3 安全架構 LTE/SAE網絡的安全也分為5個域： 1) 網絡接入安全(I) 2) 網絡域安全(II) 3) 用戶域安全 (III) 4) 應用域安全 (IV) 5) 安全服務的可視性和可配置性（V） LTE/SAE的安全架構和UMTS的網絡安全架構相比，有如下區別： 1) 在ME和SN之間增加了雙向箭頭表明ME和SN之間也存在非接入層安全。 2) 在AN和SN之間增加雙向箭頭表明AN和SN之間的通信需要進行安全保護。 3) 增加了服務網認證的概念，因此HE和SN之間的箭頭由單向箭頭改為雙向箭頭。 4. LTE/SAE的安全層次
圖4 安全層次 在LTE/SAE中，由于eNB處于一個不完全信任區域，因此LTE/SAE的安全包括兩個層次：接入層（AS）和非接入層（NAS）的安全： 1) 接入層（AS）安全：UE與eNB之間的安全，主要執行AS信令的加密和完整性保護，用戶面UP的加密性保護。 2) 非接入層（NAS）安全：UE與MME之間的安全，主要執行NAS信令的加密和完整性保護。 5. LTE/SAE的密鑰架構 LTE/SAE的密鑰層次架構如下圖所示，由K派生出較多層次的密鑰，分別實現各層的保密性和完整性保護，提高了通信中的安全性。
圖5 密鑰架構 LTE/SAE網絡的密鑰層次架構中包含如下密鑰： 1) UE和HSS間共享的密鑰：
2) ME和ASME共享的中間密鑰：
3) UE與eNB和MME的共享密鑰：
6. LTE/SAE的安全鑒權（AKA）機制 LTE/SAE的AKA鑒權過程和UMTS中的AKA鑒權過程基本相同，采用Milenage算法，繼承了UMTS中五元組鑒權機制的優點，實現了UE和網絡側的雙向鑒權。 與UMTS相比，SAE的AV（Authentication Vector）與UMTS的AV不同，UMTS AV包含CK/IK，而SAE AV僅包含Kasme（HSS和UE根據CK/IK推演得到的密鑰，參見下文）。LTE/SAE使用AV中的AMF來標識此AV是SAE AV還是UMTS AV，UE利用該標識來判斷認證挑戰是否符合其接入網絡類型，網絡側也可以利用該標識隔離SAE AV和UMTS AV，防止獲得UMTS AV的攻擊者假冒SAE網絡。 LTE/SAE中還定義了UE在eNB和MME之間切換間的安全機制、EUTRAN與UTRAN、GERAN、non-3GPP間的切換等安全機制。 7. 網絡域安全 LTE/SAE中將網絡劃分不同的安全域，使用NDS/IP的方式（IKE＋IPsec）保護網絡域的安全，如下圖所示：
圖6 NDS/IP的安全架構圖 將可以將上圖轉換為LTE/SAE實體，若MME/S-GW和eNB位于不同的安全域時（如MME/S-GW和eNB通過Internet相連），則圖中NE A-1可看成MME/S-GW，NE B-1可看成eNB。安全網關可集成在NE中，也可能是一個獨立的設備。若SEG和NE之間連接是可信的（如MME/S-GW和SEG之間的連接位于同一個大樓內），那么在它們之間不需要附加其他的安全措施（物理措施除外）。若MME/S-GW和eNB位于相同的安全域內，則MME/S-GW和eNB可能分別對應NE A-1和NE A-2，在他們之間使用可選的Zb接口進行安全保護。 若多個節點部署在同一個信任環境中，那么應該將安全集中在一個獨立的設備（即信任域邊界的SEG）上。在一般的場景下，終結Za（即SEG功能）或Zb口的IPsec功能應該集成在eNB中，也可以使用SEG匯聚多個eNB的流量。NDS/IP可以采用基于預共享密鑰和證書等的方式來提供密鑰管 (中國集群通信網 | 責任編輯：陳曉亮) |
