AKA 的认证方法

AKA 的认证方法摘要：运营商对接入认证体系的要求近乎苛刻。

他们希望从根本上杜绝非法用户访问网络资源。

虽然目前没有哪个认证体系能保证完全做到这点，但基于AKA 的认证经实践检验是满足运营商要求的。

本文介绍了认证与密钥协商（AKA）的认证流程和算法，并讨论了对AKA 进行扩展，以适用于WLAN 或其它接入网络。

关键词：3GPP，AKA，认证1. 引言AKA（Authentication and Key Agreement，认证与密钥协商）认证是基于USIM（Universal Subscriber Identity Module ，通用用户标识模块）的。

在客户端的USIM 上和运营商维护的HE/HLR（Home Environment ，归属环境/Home Location Register ，归属位置寄存器）上共享了一个密钥，这个密钥是在制造USIM 时一次性写入的，并且受到USIM 的安全机制保护，无法被读出。

因此对USIM 的破解难度非常大。

在实际应用中，AKA 认证被公认是安全强度很高的一种认证体系。

鉴于AKA 认证的安全性高，灵活性好，便于对用户进行集中管理等特点，采用AKA认证的网络非常适合于部署在企业、学校、医院等地方。

因此，对AKA 的研究以及对AKA 方法移植的研究是很有价值的。

2. AKA 认证算法与流程2.1 标识隐藏3GPP 系统中，每个用户有一个唯一的标识IMSI（International Mobile Subscriber Identity，国际移动用户识别号），称为永久标识。

用户在进行接入认证或使用3GPP 的服务时需要向服务提供者提供一个标识来表明自己的身份。

如果每次都使用永久标识，则有可能会暴露用户的行踪。

“不怀好意”的人可以通过截获空中接口的数据来跟踪同一个IMSI ，也就是同一个用户的位置变化，进而对用户的行动进行跟踪。

为了避免暴露用户的行踪，需要一种隐藏用户永久标识的方法。

用户不必每次都发送永久标识，而以临时标识（TMSI）或伪标识（P-TMSI ）来代替。

临时标识只为用户提供接入服务的VLR/SGSN（Visit Location Register ，访问位置寄存器/Serving GPRS Supporting Node GPRS，服务支持点）有效，VLR/SGSN 维护着临时标识到永久标识的映射。

当用户移动到别处时，新的VLR/SGSN 将对用户的TMSI 进行更新。

于是，用户的识别号随着位置的变化而变化，起到了隐藏用户行踪的作用。

分配临时标识的流程如图1 所示。

VLR/SGSN 产生一个新的临时标识（TMSIn），并记录此临时标识到用户永久标识的映射。

用户收到请求后，将TMSIn 保存起来，并清除先前的TMSI。

完成后向VLR/SGSN 回复一个确认消息。

当用户的位置发生变化时，由于TMSI 只在本地有效，因此新的VLR/SGSN 无法识别用户的TMSI。

它需要通过3GPP 核心网向用户先前注册的VLR/SGSN 请求获取该用户的永久标识。

如果原VLR/SGSN 向新VLR/SGSN 回复了用户的永久标识，则新VLR/SGSN 根据永久标识向用户发送消息请求更新TMSI；如果没有获取到用户的永久标识，则新VLR/SGSN 要求用户传递永久标识，然后再更新用户的临时标识。

2.2 认证与密钥协商AKA 是一个双向认证协议。

也就是说不仅网络要求对使用服务的用户的合法性进行验证，同时用户也要求对提供服务的网络的合法性进行验证。

USIM 和HE 分别维护了一个计数器SQNMS 和SQNHE 。

SQNHE 是HE 为每个用户单独维护的计数器，SQNMS 而标识了USIM 接受的最高的计数器值[1]。

AKA 流程如图2 所示。

VLR/SGSN 获得客户端的IMSI 后，向HE 发起认证数据请求。

HE/HLR 根据IMSI 寻找到与USIM 共享的密钥，并产生多个随机数。

然后利用每一个随机数和图3 所示的算法计算出多组认证矢量（也称为五元组），返回给VLR/SGSN。

一组认证矢量由一个随机数RAND、一个期望响应XRES、一个加密密钥CK、一个完整性校验密钥IK 和一个认证令牌AUTN 组成。

AUTN 由被隐藏的计数器、AMF 和消息鉴权码MAC 连接组成，如图3 所示。

VLR/SGSN 选取其中一组认证向量，将RAND 和AUTN 发送给客户端。

客户端根据接收到的认证令牌AUTN 恢复出计数器。

然后再根据接收到的随机数并利用图4所示的算法计算出期待的鉴权值XMAC、对随机数的响应RES、加密密钥CK，完整性校验密钥IK。

USIM 比较MAC 和XMAC 两个值，如果不相同，则向VLR/SGSN 发送一个认证拒绝信息，并中止认证流程。

如果相同，USIM 验证接收到的SQN 是否在正确的范围内，如果USIM 认为SQN 不在正确的范围内，则向VLR/SGSN 发送一个同步失败的信息，并中止认证流程。

如果USIM 认为SQN 在正确的范围内，则计算出加密密钥CK、完整性校验密钥IK 和对随机数的响应RES，并将RES 发送给VLR/SGSN。

VLR/SGSN 比较收到的RES 和XRES，如果不相同，则向HLR 发送认证失败消息。

如果相同，则完成对客户端的认证。

在随后的通信中，USIM 与VLR/SGSN 采用共享的CK 密钥和IK 密钥对通信数据进行保护。

3. AKA 认证的扩展由于AKA 认证的安全性好，其应用范围也越来越广。

例如WLAN 网络正在引入AKA来作为验证用户身份的算法[2]。

WLAN 网络的接入认证通常采用802.1X+RADIUS 的体系结构，认证方法常用EAP-MD5，EAP-OTP，EAP-TLS 等。

不改变WLAN 现有的接入认证架构，利用EAP 协议的可扩展性，引入AKA 作为认证方法，于是产生了EAP-AKA 协议[3]。

这种情况下WLAN 接入网结构如图5 所示。

AAA 服务器维护所有用户的认证和权限信息，运行EAP-AKA 服务器端软件，负责对用户的合法性进行验证。

客户端为装备了UICC（USIM Integrated Circuit Card，USIM 集成电路卡）和USIM 卡并运行EAP-AKA 客户端软件的电脑或者支持WLAN 的手机。

EAP-AKA 是基于EAP 协议来传递消息的。

因此认证的两端——客户端与服务器端之间采用EAP 协议进行通信。

EAP 报文在从客户端传递到服务器端的过程中，需要穿越几个网络：客户端发出的EAP 报文首先通过WLAN 网络传递到AP，再通过以太网传递到NAS，最后通过IP 网传递到AAA 服务器即EAP 服务器端。

服务器端向客户端发送EAP 报文则经历相反的过程。

因此，客户端与服务器端之间的网络WLAN、以太网、IP 网需要为EAP 报文提供承载。

WLAN 与以太网一样，都是二层网络，并且向上层提供了相同的LLC（Logical Layer Control，逻辑链路控制）层，因此对于EAP 协议来说，可以看作是EAP 报文从客户端经以太网传递到NAS。

EAPoL 协议提供了在以太网中传递EAP 报文的封装方法。

EAP报文从NAS 传递到服务器端时需要穿越IP 网。

而NAS 与AAA 服务器之间采用RADIUS 协议来传递认证、授权、记帐信息。

因此可以利用RADIUS 协议作为承载[4]，将EAP 报文封装在RADIUS 报文的属性中进行传递。

由上节所描述的协议栈结构和EAP 报文传递方法，可以得出用户使用EAP-AKA 认证的流程。

以客户端发起认证为例。

成功进行一次认证需要经历以下几次交互，如图6 所示：1客户端向NAS 发送EAPoL-Start 启动认证流程。

2NAS 向客户端发送EAP-Packet/EAP-Request 报文请求获取用户标识。

3客户端回复用户标识（永久标识或临时标识）。

4NAS 将此EAP 报文封装到RADIUS 报文中，以Access-Request 报文发送给服务器。

5服务器运用如第2.2 节所述的认证算法，生成认证矢量，并将认证矢量装载到EAP 的属性中，然后把EAP 报文装载到RADIUS 报文中，用Access-Challenge 报文发送给NAS。

6NAS 从RADIUS 报文中提取出EAP 报文，传递给客户端。

7客户端采用如2.2 节所述的方法验证网络合法性并计算出响应RES 并发送给NAS。

8NAS 把EAP 报文装载到RADIUS 报文中发送给服务器端。

9服务器端验证响应正确后，向NAS 发送Access-Accept 报文通知NAS 认证通过，并附带主会话密钥（MSK）。

10NAS 向客户端发送EAP-Success 通知客户端认证通过。

客户端使用密钥CK 和IK 计算出MSK，作为IEEE802.11i 或WPA 等安全体系中对报文加密所需的密钥使用。

4. 小结WLAN 与3GPP 的融合在不断深入，用户可以很方便的使用3GPP 和WLAN 网络提供的丰富多彩的业务。

现在运营商已经大规模部署了热点覆盖，而EAP-AKA 认证是3GPP 用户使用WLAN 网络的最佳认证方式。

随着研究的深入，AKA 认证方法还将在WLAN-3GPP 网络和别的地方发挥更大作用。