LTE各场景下的密钥处理
鉴权过程
MME把IMSI、SNID(服务网络标识)、Network Type(服务网络类型)传给HSS,HSS生成鉴权向量:{RAND(随机数)、AUTN(鉴权令牌)、XRES、KASMEK_{ASME}KASME}并发送给MME。
MME把{AUTN、RAND、KSIASMEKSI_{ASME}KSIASME}通过鉴权请求消息发送给UE。UE首先核实收到的AUTN的AMF(鉴权管理域),验证通过则生成RES,在此过程中,UE计算除了CK、IK,然后由KSIASMEKSI_{ASME}KSIASME、SNID一起通过KDF计算出了KASMEK_{ASME}KASME。
UE通过鉴权响应消息发送上一步中的RES给MME,MME检验RES与XRES是否一致,一致则鉴权成功。
AS层安全模式过程
MME通过KASMEK_{ASME}KASME生成KeNBK_{eNB}KeNB并把该值发送给eNB。eNB基于KeNBK_{eNB}KeNB,根据选定的算法生成kRRCintk_{RRCint}kRRCint、kRRCenck_{RRCenc}kRRCenc、kUPenck_{UPenc}kUPenc分别用于RRC消息加密、完保以及用户面数据加密。然后,eNB对SMC消息进行完保,发送给UE。
UE用KASMEK_{ASME}KASME生成KeNBK_{eNB}KeNB,根据SMC指示的算法生成kRRCintk_{RRCint}kRRCint、kRRCenck_{RRCenc}kRRCenc、kUPenck_{UPenc}kUPenc,并对SMC消息进行完整性校验(生成X-MAC,与SMC携带的MAC-I作对比),若校验通过,则发送完保并加密的SMC完成消息给eNB。
初始接入
KeNBK_{eNB}KeNB与KASMEK_{ASME}KASME以及{NH,NCC}对的关系如下图所示:
初始建立时,KeNBK_{eNB}KeNB直接由KASMEK_{ASME}KASME导出,这个KeNBK_{eNB}KeNB与NCC=0的虚拟NH相关联,MME在初始连接建立时,计算NCC=1对应的NH,并保存{NH,NCC}对,但不将其发送给eNB。eNB收到初始建立请求,保存其中的KeNBK_{eNB}KeNB,并将NCC设置为0,eNB此时不知道NH值。在UE侧,此时使用NCC=0对应的NH及生成的KeNBK_{eNB}KeNB,而推导NCC=1的相关参数在第一次切换时才执行。
eNB内切换
eNB使用目标小区的PCI、EARFCN-DL以及另一个参数来生成密钥KeNB∗K_{eNB}*KeNB∗,其中的另一个参数按如下原则选择:eNB保存有新的未使用的{HN,HCC}对时使用NH(垂直衍生方式),没有未使用的{NH,NCC}对时使用当前的KeNBK_{eNB}KeNB(水平衍生方式)。切换完成后,eNB把KeNB∗K_{eNB}*KeNB∗作为KeNBK_{eNB}KeNB使用。
X2切换
源eNB通过垂直衍生方式(有未使用的{NH,NCC}对)或水平衍生方式(没有为使用的{NH,NCC})来生成KeNB∗K_{eNB}*KeNB∗,并把{KeNB∗K_{eNB}*KeNB∗,NCC}发送给目标eNB,目标eNB把KeNB∗K_{eNB}*KeNB∗作为KeNBK_{eNB}KeNB使用,并把NCC通过HandOver Command消息发送给UE。目标eNB完成与UE的切换过程后,发送S1 PATH SWITCH REQUEST消息给MME,MME给NCC加1,并计算NH,通过S1 PATH SWITCH ACKNOWLEDGE消息,把新的{NH,NCC}对发送给目标eNB,目标eNB可以保存下来供下次切换使用,也可以发起一次小区内切换立即使用。
S1切换
收到HANDOVER REQUIRED消息,MME给NCC加1,并计算新的NH。然后,MME通过HANDOVER REQUEST消息把新的{NH,NCC}对发送给目标eNB,目标eNB通过新的{NH,NCC}对,以及目标小区的PCI和EARFCN-DL计算出KeNBK_{eNB}KeNB,并把NCC值通过HandOver Command消息发送给UE。
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