WCDMA中的鉴权和密钥分配机制

正确的加密密匙 CK 和完整性密匙 IK, U S IM 和
VL 将保存原始 CK 和 IK, 一直到下一个A KA 成
功 完 成 为 止; 如 果 XR ES 和 R ES 不 相 等, VL R
SGSN 就向 HL R 初始化一个鉴权失败报告过程,
VL R SGSN 还要向用户初始化一个新的鉴权。
鉴权函数; ②期望响应 XR ES= f 2, K (RAND ) , f 2 是
一 个 消 息 鉴 权 函 数; ③ 加 密 密 匙 CK = f 3, K
(RAND ) , f 3 是密匙生成函数; ④完整性密匙 IK =
f 4, K (RAND ) , f 4 是密匙生成函数; ⑤匿名密匙 A K
鉴权和密匙分配机制主要是完成M E 侧和VL R 侧之间的相互鉴权和密匙的分配, 同时也完成用户和 网络之间通过密匙 K 相互鉴权, 以及完成加密密匙和 完整性密匙的分配[3]。密匙 K 仅存在于用户归属环境 (H E) 的U S IM (用户服务鉴别模块) 和A uC (鉴权中 心) 中, 并且在两者之间共享。另外, U S IM 和H E 分别 保存 SQN M S 和 SQN HE 计数, 用以支持鉴权[4 ]。 序号 SQN HE 是用户独立的计数器, 由 HL R A uC 维护的每 个用户都具有的独立序号, 也是指U S IM 收到的最高 序号。 鉴权和密钥分配过程主要包括 3 个过程: ①从 H E A uC 发送鉴权消息到 VL R SGSN 的过程; ② VL R SGSN 和M S 之间相互鉴权、新加密以及完整 性密匙的建立过程; ③在一个服务网络域内发送 IM S I 和临时鉴权数据过程。 鉴权和密匙分配过程见图 1。
3 VL R SGSN 与M S 间互鉴权、新加 密与完整性密匙的建立过程
当VL R SGSN 初始化鉴权和密匙后, 从有 序矢量数组中选择鉴权矢量, 并且将参数 RAND 和鉴 权标识AU TN 发送给用户。鉴权矢量在一个特定的网
后, 按如下步骤进行鉴权、新加密和完整性密匙的建 立。①计算匿名密匙A K= f 5, K (RAND ) , 并且获取序 号 SQN = (SQN A K) A K。②U S IM 计算XM A C = f 1, K (SQN RAND AM F ) , 将它和M A C 比 较(M A C 包含在AU TN 中) , 如果两者不同, 用户就 传送包含拒绝原因指示用户鉴权拒绝信息给 VL R SGSN , 然后终止该过程。在这种情况下, VL R SGSN 将初始化一个鉴权失败报告过程给HL R。如果相同进 行步骤③。 ③U S IM 校验收到的序号 SQN 是不是在 正确的范围内。④如果序号在正确范围内, 则进行步骤 ⑤; 如果序号不在正确的范围内, 它将发送一个包含适 当参数的同步失败信息给VL R SGSN , 然后终止该过
f 4, K (RAND )。⑥U S IM 计算R ES= f 2, K (RAND ) , 该
参数在用户鉴权响应中传给VL R SGSN。收到用户鉴
权响应后, VL R SGSN 将响应 R ES 与所选鉴权矢量
中获得期望矢量 XR ES 比较, 如果两者相等, 用户鉴
权就通过, VL R SGSN 就从选择的鉴权矢量中获得
VL R SGSN 通过向 H E A uC 请求鉴权矢量
Ξ 收稿日期: 2003203225 作者简介: 肖宁 (19712) , 男, 四川渠县人, 工程师, 在职硕士研究生, 研究方向为通信网络技术。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
变量 含义 长度 变量 含义 长度 变量 含义 长度
A uC 可 以 发 送 一 个 单 一 的 鉴 权 矢 量。 当 VL R
SGSN 从 H E A uC 收到一批新的鉴权矢量后 (在对
有同步失败标志的鉴权数据请求的响应中) , VL R
SGSN 会删除用户旧的鉴权矢量。 鉴权参数的长度
见表 1。
表 1 鉴权参数的长度
T ab. 1 L eng th of au then tica tion p a ram eters
f
3 5, K
(RAND ) 是M S 中 SQN M S 计数器的一个隐含变量,
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
肖 宁, 等: W CDM A 中的鉴权和密钥分配机制
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M A C2S =
关键词: 鉴权和密钥分配; 加密密钥; 消息鉴权编码
中图分类号: TN 929. 533 文献标识码: A
1 鉴权和密钥分配机制
第三代移动通信系统的安全体系主要是为了在 通信过程中保护用户身份不被泄漏, 保护无线 (或有 线) 传输的业务数据不被窃听, 保护信令在传输过程 中不被非法修改。 为了满足第三代移动通信安全体 系的要求, 必须采用一定的实现机制, 实现对用户身 份 的 保 密, 以 及 通 信 过 程 中 数 据 和 信 令 的 保 护。 W CDM A 作为第三代移动通信系统, 提供比第二代 移动通信系统更多的业务、更快的速率, 因此, 也需 要更完备的安全体系, 而安全体系中的鉴权和密钥 分配机制是实现安全通信的重要保障[1, 2]。
2 HE AuC发鉴权消息到VL R SGSN 的过程
H E A uC 收到 VL R SGSN 的鉴权请求后, 向 VL R SGSN 发 送 有 序 的 n 个 鉴 权 矢 量 ( 相 当 于 GSM 的三元组) , 鉴权矢量是根据顺序排列的。每个 鉴权矢量包括内容: 一个随机数 RAND、一个期望 回应 XR ES、一个加密密匙 CK、一个完整性密匙 IK 和 一个鉴权标识 AU TN。 一个鉴权矢量适用于 VL R SGSN 和 U S IM 之 间 的 一 次 鉴 权 和 密 匙 分 配[5]。 图 2 给出了鉴权数据从 H E 传送到服务网络 (SN ) 过程的信息流向和结构。
= f 5, K (RAND ) , f 5 是密匙生成函数或者 f 5 ≡0; ⑥
鉴权标识 AU TN = SQN A K AM F M A C。
SQN 对于每个用户 H E A uC 都保持着一个计 数器 (SQN HE) 生成机制应完成重同步过程; 在 SQN 可 能 暴 露 用 户 身 份 和 位 置 时, 使 用 A K 来 隐 藏 SQN , 生成机制可以防止 U S IM 中的计数器循环计
文章编号: 100425694 (2004) 0220117203
W CDM A 中的鉴权和密钥分配机制Ξ
肖 宁, 王 琼
(重庆邮电学院, 重庆 400065)
摘 要: 为了满足第三代移动通信安全体系的要求, 详细讨论了W CDM A 系统中的鉴权和密钥分配机制, 从应用的角度分析了具体的算法和参数, 如从 H E A uC 发送鉴权消息到 VL R SGSN 的过程, VL R SGSN 与M S 之间相互鉴权、新加密和完整性密钥的建立过程, 重同步过程等。
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算CK 和 IK。VL R SGSN 与R ES 和XR ES 比较, 如 果两者相符, VL R SGSN 认为鉴权和密匙交换分配 已 经 顺 利 结 束, 所 建 立 的 CK 和 IK 被 U S IM 和 VL R SGSN 传送到处理加密和完整性功能的模块 中。
该过程的目的是鉴别用户以及在鉴别 V RL SGSN 和 U S IM 之间建立新的加密和完整性密匙。 在鉴权过程中, U S IM 校验VL R 所选择的鉴权矢量 是否合适, 该过程的结构见图 3。
来调用此过程, 鉴权矢量请求应包含 IM S I。H E 接
到 VL R SGSN 发来的鉴权数据请求后, 首先生成
RAND 以及从选择的鉴权矢量中获得的鉴权标志 AU TN 发送给U S IM 。U S IM 收到RAND 和AU TN
致的鉴权失败。这就要求U S IM 具有存储过去成功 鉴权信息的能力 (如序号和相关部分) , 使该机制仍 然可以获得最后生成的 32 个序号中的序号, 但不排 除序号由于其他 (如基于时间序号) 的时限原因被拒 绝。
4 重同步过程
当 U S IM 发现序号不在正确的范围内, 它将发 送一个适当参数的同步失败信息给 VL R SGSN , VL R SGSN 就用有一个“同步失败指示”的鉴权数 据 请 求 发 送 给 H E A uC。VL R SGSN 在 收 到 从 H E A uC 发来的鉴权数据响应之前 (或超时之前) 是不会重新向用户发送鉴权请求的[5]。 当 H E A uC 收到有“同步失败指示”的鉴权数据请求时, 该过程 要做如下处理: ①H E A uC 通过用 Conc (SQN M S) 计 算 f 5, K (RAND ) 来 获 得 SQN M S; ②H E A uC 检 查 SQN HE 是否在正确的范围内, 即下一个序号生成的 SQN HE 是否能被 U S IM 接收; ③SQN HE 在正确的范 围内, H E A uC 继续步骤⑥, 否则继续步骤 ④; ④ H E A uC 检查 AU T S, 实际上就是作消息的完整性 检 查; ⑤ 如 果 校 验 成 功, H E A uC 重 设 计 数 器 SQN HE = SQN M S; ⑥H E A uC 发送一批新的鉴权矢 量给 VL R SGSN。如果计数器 SQN HE没有重设, 那 么这些鉴权矢量直接可以从存储器中获得, 否则鉴 权矢量在重设 SQN HE后重新生成。为了减少在 H E A uC 上 实 时 计 算 的 负 担, 在 后 一 种 情 况 下, H E
一个新的序号 SQN 和一个随机数 RAND。 鉴权和