通用引导架构在IMS网络中的应用研究

    IP多媒体子系统（IMS）[1]是第三代标准组织（3GPP）在Release 5阶段提出的一个开放的网络架构。由于IMS网络具有控制和业务分离、接入无关、统一控制等特点，3GPP、国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）等标准组织明确IMS为下一代网络的核心，由IMS提供广泛的基于IP的应用服务。随着业务的开展，业务安全性和用户体验变得越来越重要，GBA是一种通用引导架构[2]，可应用于IMS网络，解决用户终端（UE）与应用服务器（AS）之间相互认证的安全问题，并提升用户业务体验。

    文章深入分析了通用引导架构（GBA）和IMS网络的技术特点，并从终端安全、算法安全、向量资源共享等角度对GBA在IMS网络中的应用提出了建议。

1 GBA在IMS中的应用

1.1 GBA架构

    随着众多业务的开展，运营商和用户都需要可靠的认证机制来保证业务的合法使用。尤其是在3G/4G业务中，很多应用都需要UE和AS之间进行交互，如业务激活、业务设置、业务访问等。为了保证业务应用的安全性，就要求在UE和AS之间进行双向认证。如果UE和AS直接交互，存在两个严重问题：UE和每个AS之间都要进行独立的认证，包括认证机制的协商、密钥的管理；UE每次登陆不同的AS，都需要输入密钥，用户体验差。

    因此3GPP标准组织提出了通用认证架构的概念，其中GBA就是一种基于共享密钥的通用认证架构。GBA使用认证与密钥协商（AKA）为UE和网络之间提供一种密钥共享、相互认证和业务保护的机制，具有较高的安全性和通用性。GBA架构如图1所示，其中引入了引导服务功能（BSF）、网络应用功能（NAF）网元以及认证代理（AP）网元[2-7]。

    以下是GBA架构中各逻辑实体的具体功能：

（1）BSF。BSF作为引导服务功能，处于用户的归属网络。BSF通过Zh接口从归属用户服务器（HSS）获得GBA的用户安全设置和AKA认证向量，并完成对UE的认证，建立共享密钥（Ks）。

（2）NAF。NAF作为网络应用功能，相当于应用服务器AS。NAF收到UE请求后，需要通过Zn接口从BSF获取UE和BSF引导过程协商完成的密钥信息，并完成对UE的认证。

图1 GBA架构 

（3）AP。AP作为认证代理功能，一般部署在UE和AS之间。AP代理AS完成对UE的认证，然后AP转发UE请求交由AS处理。

（4）HSS。所有的用户安全设置、用户号码、认证向量都存储在HSS中，HSS支持通过Zh接口，返回认证向量给BSF网元。

（5）UE。UE需要支持AKA/HTTP Digest协议，并且能够与引导服务功能双向认证产生Ks，进而根据Ks，产生衍生密钥Ks_NAF，该衍生密钥则用于UE和NAF/AP之间所进行的双向认证。

    GBA流程一般包括两个步骤：

（1）执行引导认证流程。通过AKA协议实现BSF与UE之间进行的双向认证，当认证成功后，UE和BSF拥有Ks。

（2）执行业务访问流程。UE与网络应用功能/AP之间通过Ks所产生的Ks_NAF来完成对用户终端的相关认证。

1.2 IMS网络

    IMS网络采用分层的架构，分为接入层、传输层、控制层和应用层。接入层实现各类软、硬终端连接到IMS网络；传输层提供网络和网络间的连接；控制层主要是用于对会话的控制；应用层支持各种类型的应用服务器[8-9]。

    IMS网络中呼叫会话控制功能（CSCF）完成对用户的认证和呼叫的控制；HSS是用户和业务信息的数据库，完成用户数据管理、业务签约等功能；AS提供各类业务和应用[10-12]。

1.3 GBA在IMS中的组网

    全IP结构的IMS系统实现移动与固网融合，集数据、语音、视频于一体，推动运营商转变到宽带多媒体应用和服务中来。

    在IMS网络中，很多应用都需要在UE与AS之间进行交互，如UE和基本补充业务服务器（MMTelAS）之间进行补充业务的激活、去激活，例如前转类、限制类、显示类业务设置操作。部署GBA通用认证架构能够以统一的认证机制，解决UE和AS双向认证的问题，同时增强运营商管控能力。图2为GBA在IMS网络中的组网示意，其中虚线是网元与HSS之间的接口，基于Diameter协议；粗实线表示GBA架构的关键接口，基于超文件传输协议（HTTP）；细实线表示IMS关键接口，基于会话初始协议（SIP）协议。

 1.4 GBA在IMS中的应用

    UE在IMS网络中进行呼叫、短信等业务之前，首先需要进行IMS网络注册。IMS网络注册过程也是UE和IMS网络双向认证的过程。具体来说，当UE经过代理会话控制功能（PCSCF）和查询会话控制功能（ICSCF）时，会向服务会话控制功能（SCSCF）发送注册请求，SCSCF则从HSS获取用户的AKA认证向量，并采用AKAMD5认证算法，完成对UE的认证，这个过程通常称为IMS-AKA。认证流程和UE与BSF之间的引导认证流程类似，主要差异如图2所示。UE和SCSCF之间基于SIP协议，UE和BSF之间基于HTTP协议。

    在IMS网络GBA架构中，UE与AS交互进行业务激活等操作时，首先通过BSF进行引导认证流程，该流程通常称为GBA-AKA，然后UE通过AP向AS发送业务操作请求，AP向BSF获取衍生密钥等信息，完成对UE的认证。

    在IMS网络中部署GBA通用认证架构，需要避免每个AS都要提供独有的认证机制，同时在一定程度上也增强了运营商管控能力。

2 GBA在IMS中的应用分析

    目前IMS网络在固网改造、VoLTE领域得到广泛应用，但GBA在IMS网络中应用还属于探索阶段。下面就GBA在IMS网络应用中可能出现的一些情况，并结合运营商的考虑，对终端安全、算法安全、向量共享3个方面进行重点分析。

 2.1 终端安全分析

    在GBA架构中，终端包含两部分：移动设备（ME）和用户识别卡。若ME是一个可信的设备，由于Ks和Ks_NAF的计算都依赖于客户识别模块（SIM）卡并保存在SIM卡中，那么我们认为基于SIM卡的GBA方案是安全的。

    若ME是非法设备或是攻击者定制的终端，则可能出现ME直接调用SIM卡并得到Ks，实现SIM卡的复用和冒用，具体流程参见图3。在引导认证阶段，ME接收到随机数（RAND）后，不调用SIM卡的GBA模块，而是以RAND作为参数调用SIM卡中的AKA认证模块。SIM卡计算得到Kc和SRES，并返回给ME。ME则利用返回的Kc、SRES，模仿正常流程中SIM卡的操作，并通过计算得到GBA共享密钥Ks＝KDF(key，Ks-input，“3gpp-gba-res”，SRES)，并将Ks保存在ME中。

    在业务访问阶段，UE可利用Ks计算得到Ks_NAF，而不再调用SIM卡的GBA模块。因此，攻击者只需要购买一张合法的SIM卡放置在不合法的ME中，并合法订购某些业务，利用上述方法获得Ks和Ks_NAF，并且将Ks和Ks_NAF定制在仿造的客户端软件中，供他人下载使用。若该业务为包月类型业务，那么使用该仿造的客户端软件的终端不需要付费就可以使用该业务，严重影响运营商的业务开展。

    为了提高IMS网络GBA架构终端设备的安全性，避免上述情况的出现，有两种解决方案：

（1）采用通用集成电路卡（UICC），UICC表示物理卡，可以包括多种逻辑应用。在UICC情况下，Ks的协商和生成全部都在UICC中完成，ME无法获知，安全性高。

（2）对SIM卡终端进行适当的一系列改造，可以避免ME直接从SIM卡得到Ks的可能。

图2 GBA在IMS网络中的组网

图3 非法ME获取密钥流程

2.2 算法安全分析

    GBA通用引导架构中采用AKA认证，AKA认证采用了MD5算法。MD5是一种用于产生数字签名的单项散列算法。MD5算法可以将一个任意长度的“字节串”通过一个不可逆的变换算法变换成一个128bit的大整数，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串。MD5具有较好的安全性，已经广泛运用于数字签名、文件完整性验证以及口令加密等领域。

    目前MD5已经被破解，破解的原理就是快速找到碰撞字符串，碰撞字符串可以生成和真正的源字符串相同的MD5码，但是破解的过程还是非常困难的。GBA认证架构采用MD5算法也存在一定的安全隐患。为了提高GBA的安全性，也有两种解决方案：

（1）使用SHA-1算法，该算法与MD5的128位加密相比，使用了160位加密方式，比MD5安全性更高；

（2）在MD5算法中，使用了qop参数，qop表示MD5计算的认证保护级别，包括空、auth、auth-int。“authint”安全级别最高，使用“auth-int”能降低MD5被破解的概率。

2.3 向量共享分析在GBA通用认证架构中，对于终端引导认证流程如图4所示，具体步骤如下：

（1）UE向BSF发送HTTP请求，包括用户的私有用户标识（IMPI）；

（2）BSF通过Zh接口，向HSS发送多媒体认证请求（MAR）认证请求，请求消息中携带IMPI；

（3）HSS发送多媒体认证响应（MAA）认证响应消息给BSF，响应消息中携带认证向量，如AKA鉴权的五元组向量RAND、AUTN、XRES、CK、IK；

（4）BSF构造401Unauthorized响应，响应消息中包含了RAND和鉴权令牌（AUTN），不携带IK、CK、XRES；

（5）UE通过检查AUTN来认证网络，包括检查是否失序，同时UE根据自身密钥信息计算出CK、IK和RES，从而BSF和UE各自拥有共享密钥Ks=CK||IK；

（6）UE发送HTTP请求到BSF，其中包含着UE计算的AKA响应值（RES）；

（7）BSF通过自身密钥信息，计算RES完成对UE的认证。若认证成功，生成Ks和B-TID；（8）BSF发送200OK消息到UE通知认证成功，该消息中包含BTID。此外，在这个200OK消息中还要包含共享密钥Ks的生存期。

    上述GBA-AKA流程和IMS-AKA（UE在IMS网络注册流程）具有共同的特点是BSF和SCSCF的AKA认证向量都是从HSS下载。

    目前这种机制，存在两个问题：

（1）GBA-AKA和IMS-AKA彼此分离且独立，同一个终端需要使用不同的AKA认证向量，增加了资源的消耗；

（2）目前IMS-AKA，SCSCF一次从HSS下载5组AKA认证向量，GBA-AKA仅下载1组，AKA认证向量包含了递增的序列号（SQN）。通常UE先在IMS注册，下载5组向量，然后执行GBA-AKA，下载包含最新的SQN的向量，那么IMS网络其他几组认证向量将失效，因为终端认为本地的SQN大于IMS网络SCSCF保存的向量SQN，产生了失序情况。

    为了减少失序情况的产生，减少AKA认证向量的消耗，结合GBAAKA和IMS-AKA的特点，可以考虑GBA在IMS网络实际商用部署时，将GBA-AKA和IMS-AKA的认证向量实现共享。一种可行的解决方案是：SCSCF和BSF之间共享认证向量。具体来说，IMS-AKA流程中，S-CSCF从HSS下载新的认证向量后，增加向BSF同步认证向量的接口，BSF本地保存认证向量，以便GBA-AKA流程使用。在GBA-AKA流程中，如果BSF从HSS下载了新的认证向量，BSF需要向SCSCF同步认证向量，以便IMS-AKA流程使用。通过该解决方案，提高了AKA认证向量资源的使用效率，减少了失序情况。

图4 UE与BSF交互流程

3 GBA在IMS中应用的建议

3.1 合一部署为了减少网络的复杂性，方便运营商的运维管理，在IMS网络中部署GBA架构，可以考虑将部分逻辑网元进行物理合设，有3种解决方案。

方案1：AP和SCSCF合设。AP和SCSCF与AS都有接口，AP和SCSCF物理合设，可以简化组网。

方案2：SCSCF和BSF合设。SCSCF和BSF都需要访问HSS，获取认证向量，两者与HSS接口相同，采用同样的消息获取认证向量，BSF和SCSCF物理合设，可以共享认证向量及部分处理逻辑。

方案3：BSF和AP合设。BSF和AP作为逻辑网元，各自具有独立的逻辑，实际部署时，可以进行物理合设，简化网络。

3.2 应用建议

    IMS网络目前已经支持：一键通、即时通信IM、多媒体短信、彩铃、Centrex、MMTELAS等应用服务，此外IMS开放式应用架构还支持游戏、音乐等新的应用服务。随着IMS网络业务越来越多，GBA在IMS网络中应用需求就越强烈。基于对GBA和IMS的深入研究，结合应用的深入分析，对IMS网络中部署GBA架构，我们提出如下建议：

（1）终端需要支持对网络的认证，防止伪造网络窃取用户信息。

（2）终端最好能够支持通用集成电路卡（UICC）卡，对于SIM卡用户，最好能够对终端进行改造，提高终端的安全性。

（3）在MD5算法中，要求终端和网络采用“auth-int”进行计算。

（4）采用AKA认证向量的共享机制，减少向量资源的消耗，减少失序情况的出现。

（5）考虑GBA网络的安全性，需要BSF/AP和UE之间部署防火墙，或者BSF/AP内置防攻击功能，保证GBA网络的安全性。

（6）根据运营商需求，考虑合一部署，简化网络。

 4 结束语

    文章分析了GBA架构和流程，结合GBA架构在IMS网络中应用，从终端安全、算法安全、认证向量共享等几个角度进行了深入分析，为GBA架构在IMS网络中商用提出了一些建设性意见，包括共享向量、采用SHA-1算法、采用UICC卡、合一部署等。这些研究和建议必然对GBA架构在IMS网络中的应用带来一定的帮助和指导。

参考文献

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