LTE系统IMS用户安全性研究

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文：

郎为民  蔡理金 宋壮志（解放军通信指挥学院）

焦 巧（武汉职业技术学院）

摘 要：长期演进（LTE）系统代表了UMTS标准的最新发展方向，作为一种纯分组系统，它具有全新的无线接口和体系结构，其频谱效率是HSDPA/HSUPA的2倍。文章分析了LTE系统安全的主要内容，提出了LTE系统用户安全的体系结构，给出了IP网络的NDS体系结构，介绍了IMS AKA工作流程，并描述了终端和P-CSCF之间的安全关联。

1 概述
随着移动用户的不断增多，2G GSM和3G UMTS蜂窝技术在全球范围内获得空前成功，已被许多国家和网络运营商所采用。3G UMTS的第一版标准是1999年发布的，主要面向专用信道分配，支持电路交换业务。近年来颁布的标准主要对高速下行链路数据分组接入（HSDPA）和高速上行链路数据分组接入（HSUPA）进行了规范。目前，3G UMTS正在向IP多媒体子系统（IMS）和IP业务发展。长期演进（LTE）系统代表了UMTS标准的最新发展方向。LTE主要针对无线接口的演进，系统体系结构演进（SAE）主要针对核心网体系结构演进。LTE是一种纯分组系统，它具有全新的无线接口和体系结构，其频谱效率是HSDPA/HSUPA的2倍。
在LTE通信会话管理过程中，我们需要对网络和终端处的安全机制进行考虑。通常包括两方面的内容：用户-网络安全，主要用来保护网络通过无线接口与终端交换的信息安全；网络域安全，主要用来保护LTE和IMS网络节点之间的接口安全。用户网络安全由于终端和网络节点之间定义了多种机制，因而要对3GPP LTE网络中的用户安全问题进行描述比较复杂LTE系统用户安全体系结构如图1所示。

在LTE级，终端和eNodeB之间的数据（包括用户数据和RRC信令） 交换通过加密和完整性校验机制来保护。一旦终端USIM和MME之间完成相互认证，作为安全机制输入的密钥是由MME提供给eNodeB的。此外，在终端和MME之间，NAS信令通常使用不同密钥进行加密和完整性校验。对于仅为终端和RNC之间的接口部分提供一种安全保护的3G/UMTS中，不存在NAS信令保护问题。同样，在IMS级，一旦终端USIM和S-CSCF之间完成相互认证 ， 通过S-CSCF提供的密钥，SIP信令也可以通过加密和完整性校验机制进行保护。
使用安全机制，使得通过无线接口传输的信息能够受到多种联合安全机制的保护。安全机制通常应用于终端和S-CSCF/应用服务器之间的SIP信令交换。当在P-CSCF处使用加密机制时，在通过无线接口进行传输前，eNodeB还可以对已加密的SIP消息进
行再次加密。

在任何情况下，各级采用的安全保护措施和机制都来自于HSS（更确切地说，是HSS中的认证中心AuC）提供的信息。
LTE和IMS安全机制都是基于网络和用户模块（USIM/ISIM） 之间共享的、针对特定用户秘密信息的，且使用的是对称加密算法也就是对称加密算法。意味着加密与解密过程使用的密钥相同，它是相对于非对称加密算法而言的，该算法在加密与解密过程中，分别使用公钥和私钥。需要注意的是，大多数安全站点或IP业务使用了数字证书，主要原因是LTE和IMS安全实际上是2G/GSM安全体系的拓展，为了生成并传送数字证书，使用基于证书的安全流程需要交换更多消息，且需要引入公钥基础设施（PKI）。

1.2 网络域安全
网络域IP（或NDS/IP）安全是指在EPC（分组核心网）/E-UTRAN（接入网）中，对通过网元间接口交换的用户和信令消息进行保护，NDS/IP不适用于终端网络数据和信令传输，它们属于用户-网络安全范畴。IP网络的NDS体系结构如图2所示。

整个网络是由一个或多个安全域构成的，每个安全域都是网络的一个子集，通常由单独的管理中心进行管理安全网关位于安全域的边缘，汇聚了所有进出安全域的数据流。网元可以是属于E-UTRAN、EPC和IMS域的任意类型网络节点，如eNodeB、MME、S-CSCF等。Zb接口通常应用于单个安全域中网元之间或网元与安全网关之间，主要由运营商进行控制。

相比之下，Za接口用于连接两个不同安全域的安全网关，需要运营商针对漫游问题进行协商。例如，E-UTRAN和EPC可能是由不同运营商进行管理的，因而属于不同安全域，这样S1接口将映射到Za接口。Za接口也可以应用于EPC和IMS域之间。

NDS/IP的目标是为网络节点间交换的敏感信息提供安全保护。这些敏感信息包括用户数据、订购信息、认证矢量和网络数据（如MM上下文、策略和计费信息）以及在CSCF节点间交换的IMS信息。NDS/IP框架提供3种类型的保护：数据源认证，用于避免接收实体接收来自假冒实体发送的分组；数据完整性，用于避免数据在传输过程中被篡改；数据机密性，用于避免数据在传输过程中被窃听。
作为硬件安全需求与处理需求的折衷，不是所有情况下都要用到所有保护机制。例如，完整性和机密性保护对于eNodeB和MME之间的S1接口来说是非常重要的，因为通过该接口需要交换大量的敏感信息（用户密钥用户身份等）。但用户完整性保护对于网络中所有eNodeB和MME设备来说，并不是必需的。这就是用户平面仅需要进行加密以防止窃听的原因。
对于信息来说，LTE系统中各类接口上可用的NDS/IP机制见表1所示。

从NDS/IP角度来看，无论网络节点在网络中发挥何种作用，它们都可以看作是纯IP节点。因此，3GPP网络中的NDS/IP可以使用IETF定义的典型安全流程和机制：网元之间的安全可以通过IPSec隧道来实现；数据认证完整性和机密性保护可以使用隧道模式下的ESP（封装安全载荷）来实现；安全密钥协商可使用IKE （互联网密钥交换）协议来实现。

2 IMS用户安全
IMS域使用2类用户安全流程：IMS AKA用于为用户与S- CSCF提供相互认证；IMS SA用于为终端和P-CSCF之间的SIP信令提供安全保护。

2.1 IMS AKA流程
IMS AKA主要用于为ISIM（终端UICC卡提供的IMS应用）和IMS域提供相互认证。此外，IMS AKA也为网络和终端侧的会话密钥协商提供了多种方法，最终在终端和P-CSCF之间建立IMS安全关联，并对SIP信令进行机密性和完整性保护。IMS AKA是一种强制过程，要求在用户得到任何IMS服务之前进行。

IMS AKA流程如图3所示，IMS AKA与UMTS AKA流程类似，使用相同的生成密钥算法，对AUTN进行验证，并生成XRES用于相互认证。不同之处在于IMS AKA使用了SIP信令（代替了针对3GPP的信令）和不同输入参数（如针对IMS的长期密钥，该密钥的作用与K相同）以及用户的IMS私有身份信息。

图3没有标绘出P-CSCF和I-CSCF节点，它们在IMS AKA流程中的作用仅限于SIP信令路由和S-CSCF识别。
与UMTS AKA流程相同，认证矢量是在HSS收到来自于的请求后，由HSS提供给S-CSCF的。一旦S-CSCF选择了其中的某个认证矢量，它发送SIP 401未授权响应给终端，该响应包含随机挑战RAND和AUTN，ISIM可使用AUTN来对网络进行认证。一旦终端和网络之间的相互认证完成，S-CSCF通过P-CSCF向终端发送一条SIP 200 OK消息这些密钥从响应中去除，并存储在P-CSCF中，用来与终端共同建立安全关联。

2.2 终端和P-CSCF之间的安全关联
在终端和P-CSCF之间建立安全关联的目标是对这两个实体之间交换的SIP信令进行保护。安全关联提供了两种级别的保护：SIP信令完整性保护（强制）、SIP信令加密（可选）。由于终端和P-CSCF是两种IP节点，因而安全关联实质上是一条IPSec隧道，它采用了隧道模式下的ESP加密方法。

3 结论
3GPP LTE系统应当提供比2G/GSM和3G/UMTS更为高级的安全机制，这意味着当前3G/UMTS在用的多数安全机制可能会成为3GPP LTE系统对抗各类威胁和攻击的措施。同时，3GPPLTE系统应当提供与用户-网络和网络域安全有关的新型安全算法与协议。

作者简介：郎为民，华中科技大学电信系博士解放军通信指挥学院讲师，中国通信学会会员。研究方向为下一代网络射频识别和信息安全；焦巧，武汉职业技术学院旅游与航空服务学院讲师，研究方向为旅游管理和下一代网络；蔡理金，解放军通信指挥学院讲师，研究方向为装备保障和NGN；宋壮志，解放军通信指挥学院副教授，研究方向为电子线路和下一代网络。