[发明专利]一种基于公钥密码体制的LTE无线网络的安全认证方法

说明书

技术领域

发明涉及信息安全技术，特别涉及一种基于公钥密码体制的LTE无线网络的安全认证方法。

背景技术

目前移动通信系统已经演进到第四代，也被称为4G，其主流技术主要有LTE和802.16m两种。LTE是由3GPP组织制定的，它采用了多种先进的通信技术，可以在20MHz频谱带宽内提供下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的峰值速率，数据传输速率高，时延低，能够满足宽带移动通信市场需求，当前已被世界上大部分运营商采用。

与此同时，移动通信系统的信息安全也越发引起人们的重视。为了应对可能的各种威胁，LTE在传统3G通信系统的基础上进行了改进，采用了双层的安全架构，并实现了用户和网络的双向认证，大大提高了安全性。在无线认证方面，LTE采用了3GPP建议的认证与密钥协商协议(下文简称EPS AKA)，它相比传统3G AKA安全性有了较大的改进和提升，比如增加了对服务网络的认证，以防止假冒服务网络攻击；采用了独立的序列号机制，以防止重放攻击等。但通过进一步研究发现，EPS AKA仍然存在一些安全问题：

(1)认证与加密过程都依赖于根密钥K，安全性不够高。在EPS AKA协议中，密钥K一直保持不变，而且对内部人员来说比较容易获取，一旦泄露就无法保证安全性。

(2)LTE采用了对称密码体制，在安全关联建立之前UE和网络的信息很难得到保护，因此IMSI、SNID和AV向量等关键信息的保护问题始终得不到较好的解决。

(3)LTE采用了对称密码体制，可扩展性差，并且不能提供不可否认业务，无法满足一些企业专网的需要。

针对LTE认证和密钥协商协议存在的安全问题，已经有不少文献做了研究。有一些方案仍坚持采用对称密码体制，比如采用AES加密来实现用户和网络接入层之间的认证和密钥协商，但这些方案往往与EPS AKA协议有同样的问题，即无法防止用户ID的泄露和欺骗攻击，并且其扩展性也不够好。另外有一些方案则引入了公钥密码体制来克服EPS AKA协议的缺点，采用公钥密码体制增强了协议的安全性，但对资源有限的移动设备来说，这往往会引起较大的花费，并且公钥基础设施的建立也需要大量的投入。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种有效简化了认证过程，增强了协议的安全性，提高了灵活性的基于公钥密码体制的LTE无线网络的安全认证方法。

技术方案：本发明提供了一种基于公钥密码体制的LTE无线网络的安全认证方法，包括以下步骤：

步骤1：用户设备(下文简称为UE)向移动管理实体(下文简称为MME)发起访问请求；请求中包含UE的归属用户服务器(下文简称为HSS)标识ID_HSS、用MME公钥PKM加密的IMSI和R1，其中R1是UE生成的随机数；

步骤2：MME收到UE的访问请求消息后，解密得到IMSI和随机数R1，根据ID_HSS向UE对应的HSS发送认证请求，请求中包含用MME与HSS共享的对称密钥K0加密的IMSI、随机数R1以及MME自身的网络标识SNID；

步骤3：HSS收到MME发送的认证请求后，解密获得IMSI、R1和SNID，随后HSS检查自己的数据库，验证IMSI和SNID的合法性；若验证通过，HSS就生成随机数RAND，与随机数R1一同作为输入产生由鉴权向量AV组成的鉴权向量组{AV₁、AV₁……AV_n}，其中n表示生成鉴权向量AV的个数；然后用密钥K0加密鉴权向量组{AV₁、AV₁……AV_n}，并作为应答信息发送给MME；

步骤4：MME收到HSS发送的应答信息后，解密得到鉴权向量组{AV₁、AV₁……AV_n}，然后MME检查鉴权向量组并从鉴权向量组中选取一个鉴权向量AV_i，随后提取鉴权向量AV_i里面的数据，给鉴权向量AV_i中的基础密钥K_ASMEi分配一个密钥标识KSI_ASMEi；然后，MME向UE发起用户认证请求，请求中包含用UE的公钥PKU加密的鉴权向量AV_i、R1和R2，其中R2是MME生成的随机数；其中下标i表示鉴权向量组中鉴权向量AV的标号；