摘要：随着移动通信技术的迅速发展，通信网络中的安全问题日益受到重视，本文介绍了LTE系统中的密钥层次结构，针对鉴权机制进行详细分析，最后在VC开发环境下实现鉴权机制中相关算法，该计算结果能够在LTE综测仪和终端之间实现互连通过鉴权认证。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281883.htm
　　关键词：LTE；密钥层次；鉴权
　　DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.009
　　基金项目：国家科技重大专项（2015ZX03001012）
　　王嘉嘉（1984-），男，工程师，研究方向：移动通信测试技术研究。杨传伟（1987-），男，工程师，研究方向：移动通信测试技术研究。
　　引言
　　随着移动通信技术的迅速发展，通信网络中的安全问题日益受到重视，主要包括非法用户盗用、窃听和篡改。与现有的UMTS网络相似.LTE系统也使用3种安全机制：鉴权、加密和完整性保护。本文针对LTE系统鉴权机制进行研究，并在VC开发环境下实现算法。
　　LTE系统中的密钥层次
　　LTE系统中密钥层次结构^[1]，如图1所示。
　　K：存储在USIM和鉴权中心AuC的永久密钥，是所有密钥生成算法的基础：
　　CK、IK：AuC和USIM在AKA鉴权过程中生成的密钥对（加密和完整性密钥）；
　　K_ASME： UE和HSS根据CK、IK生成的中间密钥，用于生成下层密钥；
　　K_NASene： UE和MME根据K_ASME生成的密钥，用于NAS层加密；
　　K_NASint：UE和MME根据K_ASME生成的密钥，用于NAS层完整性保护；
　　K_eNB： UE和MME根据K_ASME生成的中间密钥，用于生成下层密钥；
　　K_UPenc： UE和eNodeB根据K_eNB生成的密钥，用于AS层用户数据加密；
　　K_RRCint：UE和eNodeB根据K_eNB生成的密钥，用于AS层RRC信令完整性保护；
　　K_RRCenc： UE和eNodeB根据K_eNB生成的密钥，用于AS层RRC信令加密。
　　鉴权和密钥协商
　　鉴权数据分发过程^[1]，如图2所示。
　　MME向HE发送鉴权数据请求消息，携带国际移动用户身份标识IMSI、服务网的标识SNID和网络类型。HE利用IMSI找到与之对应的用户永久密钥K，根据MME的请求计算鉴权向量。EPS鉴权向量是四元组，包括RAND、AUTN、XRES和KASME，鉴权向量生成过程^[2]，如图3所示。
　　其中，MAC由K、AMF、SQN和RAND通过f1^[3]算法计算得出，XRES由K和RAND通过f2^[3]算法计算得出。
　　MME接收到鉴权向量后，将四元组中的RAND、AUTN以及为K_ASME分配的密钥标识K_SIASME发送给UE^[4-5]，如图4所示，与UE进行相互鉴权。
　　USIM中用户鉴权处理如图5所示。
　　UE接收到鉴权请求消息后，使用K、RAND和AUTN通过f5^[3]和f1算法，计算出XMAC，与AUTN中的MAC进行比较，验证网络的合法性。同时，UE还要验证接收到的序列号SQN是否在有效的范围内。如果XMAC和SQN都验证通过，那么UE使用K和RAND通过f2算法，计算出RES，携带在鉴权响应中发送给MME。MME将接收到的RES与鉴权向量中的XRES进行比较，若一致，则完成了MME对UE的鉴权，认为UE是合法的。
　　USIM会根据自己存储的永久密钥K以及接收到的随机数RAND分别通过f3^[3]和f4^[4]算法，计算出CK、IK密钥对，发送给UE。UE利用CK、IK并绑定服务网络标识计算出K_ASME，与接收到的K_SIASME对应存储起来。这样，经过鉴权和密钥协商过程后，网络和UE之间完成了相互鉴权，并共享一个密钥K_ASME，用于随后计算NAS层密钥和AS层密钥。
　　如果UE对网络的鉴权没有通过，则向MME发送鉴权失败消息，携带鉴权失败原因。
　　算法实现
　　本文基于Microsoft Visual C++ 6.0开发软件，使用C语言实现鉴权机制中相关算法。
　　鉴权机制中所需参数如下：
　　K= {OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF，OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF，OxFF， OxFF， OxFF， OxFF}；
　　OP= {OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF，OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF， OxFF，OxFF， OxFF， OxFF， OxFF}；
　　AMF= {Ox80，OxOO}；
　　SQN= {OxOO， OxOO0， Ox16， Oxlc， Oxfe，Ox81}；
　　RAND={Ox53， Ox37， OxO6， Ox9d，Oxa8， Ox27， Oxb2， Ox4c， Ox5d， Oxec， Ox9f，Oxeb， Oxe8， Oxaf， Oxf7， Oxea}； 　　MCC=460；
　　MNC=30。
　　通过以上参数，根据图3和图1分别可以计算出MAC、XRES、CK、IK、AK、AUTN和K_ASME，VC环境下计算结果如图6所示。
　　该计算结果通过加载到LTE综测仪，能够与商用LTE终端互连，通过鉴权认证，从而验证了算法实现的正确性。
　　小结
　　本文首先介绍了LTE系统中的密钥层次结构，然后对LTE鉴权机制进行研究，包括信令流程和鉴权向量生成。最后，通过C语言进行算法实现，并在VC环境中运行得到结果。该计算结果加载到LTE综测仪，能够与商用LTE终端互连，从而验证了算法实现的正确性。随着LTE牌照的发放，LTE终端的大量上市，将会对LTE技术进行深入研究。
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