现有CDMA终端支持 eHRPD/EPC鉴权接入的简易改造方法

众所周知，CDMA2000没有4G技术标准，而是无线侧通过把现有HRPD网络升级为eHRPD网络，接入到LTE/4G的核心网EPC, 从而实现面向4G的过渡。

这个过渡方案至少存在两个重要原则：一是保障CDMA2000用户和业务面向LTE/EPC网络的平滑演进和互操作；二是过渡方案容易实现，改动尽量少。

在3GPP2规范定义的eHRPD过渡技术中，无线侧基于HRPD，只是在上层（或NAS层）进行了基于EPC网络特征的适配定义，试图让终端，接入网，以及核心网通过软件改动实现到LTE/EPC的互操作，从而用户不管在CDMA2000网络，还是在LTE网络，都能实现统一认证，统一计费和用户管理，并由EPC网络统一提供服务。另外，这一过渡方案假定终端已经支持USIM卡，或者具备AKA方式鉴权能力，实现了更加安全的鉴权方式，并与LTE的鉴权方式保持一致。

下图给出了CDMA2000与LTE/EPC的互操作网络架构。同时示意了接入三种网络即CDMA2000现网，CDMA2000 eHRPD过渡网络，以及LTE网络进行用户鉴权时各自网络节点的构成。

需要说明的是，如图所示的网络结构中，考虑到eHRPD的过渡周期内，CDMA2000现网可能较长时间仍然存在，如何让这些现网用户在不换卡的情况下支持eHRPD/EPC接入，是一个需要解决的重要问题。

一般来说，在接入3GPP网络时终端需支持USIM鉴权方式。其中，AKA执行函数，root key，连同终端用户标示等都存储在USIM卡中并在USIM实现算法。 不支持USIM的终端，AKA执行函数在遵循MILENAGE算法框架定义的基础上，由终端模块(ME)实现，其中终端模块需要访问SIM卡模块以获取root key。eHRPD/EPC接入的鉴权也遵循这些原则。

在eHRPD/EPC中，鉴权采用EAP-AKA’方式，可参见RFC5448定义，这里面有几个关键方面：

AKA: 要求支持AKA鉴权框架（参见3GPP TS33.102），包括认证交换，同步等。

AKA执行函数：要求支持AKA所需的执行函数(可参见3GPP TS35.206)。

根密钥（root key）：鉴权双方需共享root key。

终端标示UE ID: 鉴权双方需存储该标示,用于进行终端用户身份标示；也可支持临时伪标示,尤其是用于快速重鉴权。

安全应用：产生MSK用于链路层安全保护。

模块划分：用于算法本身及参数的实现和存储的模块，通常UE划分为ME和SIM两个模块。

另一方面，CDMA现卡（C-SIM卡或R-UIM卡）支持的是CAVE和MD5两种安全算法，基于CAVE和MD5的鉴权方式均为网络向终端的单向鉴权，实现简单，但安全性相对较差。尽管AKA的执行函数可以遵循MILENAGE方法定义并通过终端模块实现，但因为不能直接访问SIM卡以获取root key,故只能获取CAVE和MD5基于root key计算后的结果。

由此可见，鉴权方式的不同是用户使用eHRPD时需要换卡的关键因素，而针对CDMA卡的现有认证算法,又不能满足AKA双向鉴权算法的应用需求。因此，需要设计变通方式以实现AKA鉴权（本文统称为CDMA-AKA鉴权），以支持用户不换卡的情况下接入eHRPD/EPC网络。下文对CDMA-AKA鉴权方案进行简单描述和分析。

针对CAVE的AKA鉴权算法（或称为CAVE-AKA）, 3GPP2在IMS项目组中有相应研究，可参见3GPP2 S.S0127。该CAVE-AKA算法通过使用RAND，进行CAVE运算，来产生AKA KEY。更准确地说，规范使用的是双重RAND， 其中一个RAND(或叫做RANDM)，通过AKA AUTN和ANTS进行隐藏，避免被中间节点截取。核心算法包括：

AKA_KEY = 128 MSBs of SHA-256(KEYSM|KEYSN)

KEYSN = SMEKEY|CDMAPLCM|AUTHR

KEYSM = SMEKEY|CDMAPLCM|AUTHRM

其中KEYSN,KEYSM分别通过两个RAND由RUN CAVE产生。初始RANDM通过AKA同步过程的AUTS隐藏传递给对端，过程中的RANDM通过AUTN隐藏进行传递。

下图为规范中设计的AKA认证交换中AUTN及RAND的格式，以及同步传递RANDM中AUTS的格式

同样的道理，针对CDMA卡的现有MD5鉴权方式，也需要通过变通方式实现AKA(或称作MD5-AKA)，核心问题仍然是产生AKA KEY, 例如：

AKA_KEY = 128 MSBs of SHA-256(KEYSM|KEYSN)

KEYSN = FUNCTION1(MD5(RAND))

KEYSM = FUNCTION2(MD5(RANDM))

其中KEYSN,KEYSM分别通过两个RAND由RUN MD5产生。初始RANDM通过AKA同步过程的AUTS隐藏传递给对端，过程中的RANDM通过AUTN隐藏进行传递。

现在，我们对上述所设计的CDMA-AKA鉴权算法，讨论如何具体应用到CDMA现网。首先分析和设计其工作流程，包括AKA认证交换过程，以及RANDM和SQN同步过程。

以下是AKA认证交换过程。

以下是AKA同步过程，用于同步RANDM和SQN.

根据本文所述的CDMA-AKA鉴权算法和主要流程，下面分析对CDMA现网各节点的影响，包括新功能需求和改造需求。 这些节点包括：终端UE, 网关设备HSGW, 3GPP2 AAA, HLR。

注明：这里的新功能仅包括CDMA现网和eHRPD规范要求以外的鉴权相关功能。

对于终端UE卡模块的功能需求:

利用原有的CDMA鉴权算法，无其他需求，不需要换卡

对于终端UE的ME模块的功能需求：

支持CDMA-AKA认证交换过程

计算AKA KEY，并鉴权网络

ME产生和保存RANDM，计算并保存KEYSM

检验RANDM和SQN的一致性，并进行同步

对HSGW的功能需求：

支持EAP承载的CDMA-AKA消息中转，无其他影响

对3GPP2 AAA的功能需求：

支持CDMA-AKA认证交换过程

能够计算AKA KEY, 产生AKA Vector，并鉴权终端

支持CDMA-AKA的RANDM和SQN同步过程

保存同步后的RANDM和SQN, 保存KEYSM

支持与HLR交互，获取RAND相关的计算结果

对HLR的功能需求：

无改动

CDMA现网节点的改造要求要点：

终端不需换卡。

终端模块实现本文所述的CDMA-AKA相关算法和流程，难度不大。

HSGW只需中转EAP承载的CDMA-AKA消息，改动极小。

保持现网HLR能力，无改动。

3GPP2 AAA需支持上述CDMA-AKA相关算法和基于该算法的EAP-AKA‘流程，难度不大。但需要考虑该3GPP2 AAA与HSS的交互，以获取eHRPD呼叫相关的签约数据。

总之，基于CDMA现卡改造设计的CDMA-AKA鉴权方案,用于现卡终端，不需换卡，终端通过软件等升级，可以直接接入EPC核心网络，实现统一鉴权和用户管理，实现统一EPC业务使用。方案设计简洁，改造较少，易于实现。

主要参考规范：

3GPP2 X.S0057: E-UTRAN eHRPD interworking

3GPP2 S.S0127: CAVE base IMS security

3GPP TS33.102: Security architecture

3GPP TS33.402: SAE, Security aspects for non-3GPP

3GPP TS29.273: EPS AAA interface

3GPP TS35.206: MILENAGE algorithm sets

IETF RFC4187：EAP-AKA

IETF RFC5448: EAP-AKA’

巫长征(march.wu@synertone.net)： 曾在UT 斯达康深圳研发中心工作10年，主要从事WCDMA/CDMA2000/LTE 分组核心网研发和系统设计工作，并于2010年随该产品线转入深圳协同信联通信技术公司(www.synertone.net)，任系统工程和架构设计总监．

作者：巫长征 来源：C114中国通信网