一種3gpp認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，該方法物理層認(rèn)證采用質(zhì)詢?回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制，基于多載波傳輸，把信道看作是一組M個并行的衰落子信道，利用子信道的相位響應(yīng)的互易性和隨機(jī)性對通信雙方進(jìn)行身份驗證。本發(fā)明將物理層質(zhì)詢?回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制與經(jīng)典的演進(jìn)分組系統(tǒng)認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議結(jié)合，實現(xiàn)3GPP雙向鑒權(quán)。該方法要求用戶設(shè)備與移動臺分別提供一對密鑰(AKL，AKR)，用戶設(shè)備與基站(eNB)通過對比該對密鑰來加強3GPP鑒權(quán)可靠性。該對密鑰由兩串隨機(jī)數(shù)(RANDL，RANDR)和一長串加密密鑰(K)通過哈希函數(shù)產(chǎn)生，K存儲在全球用戶識別卡(USIM)和鑒權(quán)中心(AuC)中。
【專利說明】
-種％PP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的飛速發(fā)展和基于移動終端業(yè)務(wù)的增長，無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題備受 關(guān)注。由于無線通信鏈路的開放性為非法用戶攻擊提供了一些新的途徑，使通信系統(tǒng)存在 很大的安全隱患，很容易被非法用戶竊取到有用信息。傳統(tǒng)的信息安全通信主要是W密碼 學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)加密技術(shù)，由于密鑰的長度是有限的，并且隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計 算機(jī)的運算能力飛速提升，對于運種加密方法是可W通過猜測、試驗進(jìn)行大量運算進(jìn)行解 密的。并且從開放系統(tǒng)互連(即0SI)模型的角度看，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的信息安全技術(shù)主 要集中于網(wǎng)絡(luò)層及其W上各層，沒有充分利用無線信道物理層的特性，因此只靠傳統(tǒng)的密 碼安全機(jī)制和安全協(xié)議來保證通信系統(tǒng)的安全是無法令人滿意的。
[0003] 認(rèn)證是無線通信系統(tǒng)的信息安全基礎(chǔ)，它保證通信雙方是其所聲稱的身份，防止 非法用戶的接入與訪問?；谖锢韺又系恼J(rèn)證一般采用密碼安全機(jī)制與安全協(xié)議實現(xiàn)， 而密碼安全機(jī)制存在密鑰泄露的風(fēng)險，安全協(xié)議通常存在安全缺陷，所W沒有物理層認(rèn)證 運層保護(hù)網(wǎng)，無線通信系統(tǒng)的安全性存在著一定的隱患。而本發(fā)明能夠很好地加強3GPP(即 第=代合作伙伴計劃)的鑒權(quán)可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議 的實現(xiàn)方法，該方法物理層認(rèn)證采用相位質(zhì)詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制，基于多載波傳輸，把信道看 作是一組M個并行的衰落子信道，利用子信道的相位響應(yīng)的互易性和隨機(jī)性對通信雙方進(jìn) 行身份驗證，從而加強3GPP鑒權(quán)的可靠性。移動臺向用戶設(shè)備在不同的子載波頻率上發(fā)送 等相位調(diào)制的正弦波作為激勵信號，由于信道具有相位延遲，用戶設(shè)備接收到的信號包含 有每個子信道的相位信息，用戶設(shè)備測量出子載波之間的相位差；用戶設(shè)備根據(jù)接收到的 激勵信號和子載波間的相位差，反饋給移動臺一個封裝有密鑰的響應(yīng)信號對用戶設(shè)備進(jìn)行 認(rèn)證。反之再進(jìn)行用戶設(shè)備對移動臺的認(rèn)證。信道相位特性對接收端和發(fā)送端之間的距離 很敏感，具有隨機(jī)性，非法用戶不能對信道相位有效估計。本發(fā)明將物理層相位質(zhì)詢和回應(yīng) 鑒權(quán)機(jī)制與經(jīng)典的演進(jìn)分組系統(tǒng)認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議結(jié)合，實現(xiàn)3GPP雙向鑒權(quán)。該方法要 求用戶設(shè)備與移動臺分別提供一對密鑰(AKUAKR)，用戶設(shè)備與基站（即eNB)通過對比該對 密鑰來加強3GPP鑒權(quán)可靠性。該對密鑰由兩串隨機(jī)數(shù)(RANDL，RANDR)和一長串加密密鑰（即 K)通過哈希函數(shù)產(chǎn)生，K存儲在全球用戶識別卡（即USIM)和鑒權(quán)中屯、（即AuC)中。
[0005] 方法流程：
[0006] 步驟1:基站-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即eNB-MME)向用戶設(shè)備（即肥)發(fā)送用戶身份請求信號，肥 回復(fù)用戶識別碼（即IMS I)給eNB-MME。
[0007] 步驟2:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即MME)將鑒權(quán)數(shù)據(jù)請求信息傳送給歸屬地用戶服務(wù)器/鑒權(quán)中 屯、（即HSS/AuC)，HSS/AuC生成認(rèn)證矢量（即AV)傳送給gNB-MMEdAV新引入了一對隨機(jī)變量 (RANDL，RANDR)，和相應(yīng)通過哈希函數(shù)生成的一對鑒權(quán)密鑰(AKL，AKR)。
[000引步驟3:MME選擇下一批沒有使用過的AV完成保密功能。eNB傳送用戶物理層鑒權(quán)請 求信息給肥，該信息參數(shù)為RANDL和RANDR。
[0009] 步驟4:肥接收到RANDL和RANDR，通過哈希函數(shù)計算出相應(yīng)的物理層鑒權(quán)密鑰AKL 和 AKR。
[0010] 步驟5:肥發(fā)起物理層質(zhì)詢信息UeNB回復(fù)從AuC共享得到的AKL。肥根據(jù)比對AKL的 結(jié)果對eNB進(jìn)行鑒權(quán)。
[00川步驟6:eNB發(fā)起物理層質(zhì)詢信息R，肥回復(fù)計算得到的AKRdgNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果 對肥進(jìn)行鑒權(quán)。
[0012]步驟7:完成物理層雙向鑒權(quán)之后，進(jìn)行傳統(tǒng)的鑒權(quán)過程。
[OOU] 有益效果：
[0014] 1、本發(fā)明能夠充分利用信道的物理特性和資源，并且加強了通信系統(tǒng)的安全性。
[0015] 2、本發(fā)明能夠有效抵抗無線通信系統(tǒng)中易出現(xiàn)的干擾攻擊、重播攻擊和偽裝等攻 擊。加強了通信雙方身份確認(rèn)的可靠性，保證了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>[0016] 3、本發(fā)明是將物理層相位質(zhì)詢和回應(yīng)機(jī)制與3GPP傳統(tǒng)的認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議(即 AKA)鑒權(quán)機(jī)制相結(jié)合，加強了通信雙方身份確認(rèn)的可靠性，保證了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019] 本發(fā)明所有英文簡稱注解包括：
[0020] 3GPP:第S代合作伙伴計劃；
[0021] AKA:認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議；
[0022] 肥:用戶設(shè)備.
[0023] eNB-MME:演進(jìn)基站-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；
[0024] 服S/AuC:歸屬用戶服務(wù)器/鑒權(quán)中屯、；
[00巧]USIM:用戶識別卡；
[00%] IMSI:國際用戶識別碼；
[0027] AV:認(rèn)證矢量；
[002引 RANDL左隨機(jī)數(shù)；
[0029] RANDR:右隨機(jī)數(shù)；
[0030] AKL 左密鑰；
[0031] AKR:右密鑰。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，該方法將物 理層質(zhì)詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制融入3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議中，從而加強3GPP鑒權(quán)的可靠性。 該方法物理層認(rèn)證采用相位質(zhì)詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制，基于多載波傳輸，把信道看作是一組M個 并行的衰落子信道，利用子信道的相位響應(yīng)的互易性和隨機(jī)性對通信雙方進(jìn)行身份驗證。 移動臺向用戶設(shè)備在不同的子載波頻率上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波作為激勵信號，由于信 道具有相位延遲，用戶設(shè)備接收到的信號包含有每個子信道的相位信息，用戶設(shè)備測量出 子載波之間的相位差；用戶設(shè)備根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差，反饋給移動 臺一個封裝有密鑰的響應(yīng)信號對用戶設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。反之再進(jìn)行用戶設(shè)備對移動臺的認(rèn) 證。信道相位特性對接收端和發(fā)送端之間的距離很敏感，具有隨機(jī)性，非法用戶不能對信道 相位有效估計。本發(fā)明將物理層相位質(zhì)詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制與經(jīng)典的演進(jìn)分組系統(tǒng)認(rèn)證與密 鑰協(xié)商協(xié)議結(jié)合，實現(xiàn)3GPP雙向鑒權(quán)。該方法要求用戶設(shè)備與移動臺分別提供一對密鑰 (AKL，AKR)，用戶設(shè)備與基站（即eNB)通過對比該對密鑰來加強3GPP鑒權(quán)可靠性。該對密鑰 由兩串隨機(jī)數(shù)(RANDURANDR)和一長串加密密鑰（目化)通過哈希函數(shù)產(chǎn)生，K存儲在全球用 戶識別卡(即USIM)和鑒權(quán)中屯、（即AuC)中。如圖1所示，具體步驟如下：
[0033] 步驟1:基站-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即eNB-MME)向用戶設(shè)備（即肥)發(fā)送用戶身份請求信號，肥 回復(fù)用戶識別碼（即IMS I)給eNB-MME。
[0034] 步驟2:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(MME)將鑒權(quán)數(shù)據(jù)請求信息傳送給歸屬地用戶服務(wù)器/鑒權(quán)中屯、 (即HSS/AuC)，HSS/AuC生成認(rèn)證矢量（即AV)傳送給gNB-MMEdAV新引入了一對隨機(jī)變量（即 RANDL，RANDR)，和相應(yīng)通過哈希函數(shù)生成的一對鑒權(quán)密鑰(AKL，AKR)。
[0035] 步驟3:MME選擇下一批沒有使用過的AV完成保密功能。eNB傳送用戶物理層鑒權(quán)請 求信息給肥，該信息參數(shù)為RANDL和RANDR。
[0036] 步驟4:肥接收到RANDL和RANDR，通過哈希函數(shù)計算出相應(yīng)的物理層鑒權(quán)密鑰AKL 和 AKR。
[0037] 步驟5:肥向eNB在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵
信號 里層質(zhì)詢信息L由于信道具有相位延遲，eNB接收到 的信 i包含有每個子信道的相位信息9i，eNB測量出子載波 fi和円間的相位差A(yù) 011; eNB根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差A(yù) 011，反饋給UE-個 封裝有密鑰AKL=比1，...，kM]的響應(yīng)信號
:' UE接收到響應(yīng)信^
中同樣具有 每個子信道對應(yīng)的相位延遲。肥根據(jù)比對AKL的結(jié)果對eNB進(jìn)行鑒權(quán)。
[003引步驟6:eNB向UE在不同的子載波頻率円，f2,...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信
里層質(zhì)詢信息R;由于信道具有相位延遲，UE接收到的信 互含有每個子信道的相位信息9i，UE測量出子載波fi和 fi間的相位差A(yù) 0ii;UE根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差A(yù) 011，反饋給eNB-個封裝 有密鑰AKR=化，...，kM]的響應(yīng)信號
。 接收到響應(yīng)信號
中同樣具有 每個子信道對應(yīng)的相位延遲。eNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果對肥進(jìn)行鑒權(quán)。
[0039] 步驟7:完成物理層雙向鑒權(quán)之后，進(jìn)行傳統(tǒng)的鑒權(quán)過程。
[0040] eNB-MME向肥發(fā)送用戶身份請求信號，肥回復(fù)IMSI給gNB-MMEdUE將鑒權(quán)數(shù)據(jù)請求 信息傳送給HSS/AuC，HSS/AuC生成認(rèn)證矢量AV傳送給GNB-MMEeAV新引入了一對隨機(jī)變量 (即RANDL，RANDR)，和相應(yīng)通過哈希函數(shù)生成的一對鑒權(quán)密鑰(AKL，AKR)，AKL和AKR是完成 物理層鑒權(quán)的關(guān)鍵密鑰。eNB傳送用戶物理層鑒權(quán)請求信息給UE，該信息參數(shù)為RANDL和 RANDR。肥接收到RANDL和RANDR，通過哈希函數(shù)計算出相應(yīng)的物理層鑒權(quán)密鑰AKL和AKR。
[0041] UE向eNB在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信號
里層質(zhì)詢信息以由于信道具有相位延遲，eNB接收到的信 國含有每個子信道的相位信息9i，eNB巧瞳出子載波fi和 円間的相位差A(yù) 0ii;eNB根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差A(yù) 011，反饋給UE-個封裝有 密鑰AKL=比i，...，kM]的響應(yīng)信1
。 UE接收到響應(yīng)信^
中同樣具 有每個子信道對應(yīng)的相位延遲。肥根據(jù)比對AKL的結(jié)果對eNB進(jìn)行鑒權(quán)。
[0042] eNB向肥在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信號
臣層質(zhì)詢信息R;由于信道具有相位延遲，UE接收到的信 包含有每個子信道的相位信息9i，UE測量出子載波fi和 村J 円間的相位差A(yù) 0ii;UE根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差A(yù) 011，反饋給eNB-個封裝有 密鑰AKR=比1，...，kM]的響應(yīng)信號.
， 接收到響應(yīng)信號司樣具有 i - 1
每個子信道對應(yīng)的相位延遲。eNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果對肥進(jìn)行鑒權(quán)。到此完成物理層雙向 鑒權(quán)，如果物理層鑒權(quán)成功再進(jìn)行傳統(tǒng)的鑒權(quán)過程。
[0043] 本發(fā)明是將物理層相位質(zhì)詢和回應(yīng)機(jī)制與3GPP傳統(tǒng)的認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議（即 AKA)鑒權(quán)機(jī)制相結(jié)合，加強了通信雙方身份確認(rèn)的可靠性，保證了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>【主權(quán)項】
1. 一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述方法的物理層認(rèn)證采 用相位質(zhì)詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制，基于多載波傳輸，把信道看作是一組并行的衰落子信道，利用 子信道的相位響應(yīng)的互易性和隨機(jī)性對通信雙方進(jìn)行身份驗證;所述方法將物理層相位質(zhì) 詢和回應(yīng)鑒權(quán)機(jī)制與經(jīng)典的演進(jìn)分組系統(tǒng)認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議結(jié)合，要求用戶設(shè)備與移動 臺分別提供一對密鑰(AKUAKR)，用戶設(shè)備與基站eNB通過對比該對密鑰來加強3GPP鑒權(quán)可 靠性，該對密鑰由兩串隨機(jī)數(shù)(RANDL，RANDR)和一長串加密密鑰K通過哈希函數(shù)產(chǎn)生，加密 密鑰K存儲在全球用戶識別卡USIM和鑒權(quán)中屯、AuC中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述 方法包括如下步驟： 步驟1:基站-網(wǎng)絡(luò)節(jié)點eNB-MME向用戶設(shè)備肥發(fā)送用戶身份請求信號，肥回復(fù)用戶識別 碼IMSI給eNB-MME; 步驟2:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點MME將鑒權(quán)數(shù)據(jù)請求信息傳送給歸屬地用戶服務(wù)器/鑒權(quán)中屯、HSS/ AuC，所述HSS/AuC生成認(rèn)證矢量AV傳送給eNB-MME，AV新引入了 一對隨機(jī)變量（RANDL， RANDR)，和相應(yīng)通過哈希函數(shù)生成的一對鑒權(quán)密鑰(AKUAKR); 步驟3:MME選擇下一批沒有使用過的AV完成保密功能，eNB傳送用戶物理層鑒權(quán)請求信 息給肥，該信息參數(shù)為RANDL和RANDR; 步驟4:UE接收到RANDL和RANDR，通過哈希函數(shù)計算出相應(yīng)的物理層鑒權(quán)密鑰ML和 AKR； 步驟5:肥發(fā)起物理層質(zhì)詢信息L，eNB回復(fù)從AuC共享得到的AKL，肥根據(jù)比對AKL的結(jié)果 對eNB進(jìn)行鑒權(quán)； 步驟6: eNB發(fā)起物理層質(zhì)詢信息R，肥回復(fù)計算得到的AKR，eNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果對UE 進(jìn)行鑒權(quán)； 步驟7:完成物理層雙向鑒權(quán)之后，進(jìn)行傳統(tǒng)的鑒權(quán)過程。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述 步驟5包括:肥向eNB在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信 號技起物理層質(zhì)詢信息L由于信道具有相位延遲，eNB接收到 的信號包含有每個子信道的相位信息θι,θΝΒ測量出 子載波fi和fi間的相位差A(yù) 0ii;eNB根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差Δ θι?，反饋 給UE-個封裝有密鑰ML=[ki，. . .，kM]的響應(yīng)信號巧=Δ線-δ4中同樣具有每個子信道對應(yīng)的相位延遲，肥根據(jù)比對AKL的結(jié)果對eNB進(jìn)行鑒 權(quán)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述 步驟6包括:eNB向肥在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信 號發(fā)起物理層質(zhì)詢信息R;由于信道具有相位延遲，UE接收 到的信號國含有每個子信道的相位信息θι,υΕ測量出 子載波fi和fi間的相位差Αθι?;υΕ根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差Δθι?，反饋 給eNB-個封裝有密鑰AKR=比1，. . .，kM]的響應(yīng)信號《 = Δ0。-Δ4中同樣具有每個子信道對應(yīng)的相位延遲，eNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果對肥進(jìn)行鑒 權(quán)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種3GPP認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述 步驟7包括:eNB-MME向肥發(fā)送用戶身份請求信號，肥回復(fù)IMSI給eNB-MME，MME將鑒權(quán)數(shù)據(jù)請 求信息傳送給HSS/AuC，HSS/AuC生成認(rèn)證矢量AV傳送給eNB-MME，AV新引入了 一對隨機(jī)變量 (RANDL，RANDR)，和相應(yīng)通過哈希函數(shù)生成的一對鑒權(quán)密鑰(A化，AKR)，AKL和AKR是完成物 理層鑒權(quán)的關(guān)鍵密鑰，eNB傳送用戶物理層鑒權(quán)請求信息給UE，該信息參數(shù)為RANDL和 RANDR，肥接收到RANDL和RANDR，通過哈希函數(shù)計算出相應(yīng)的物理層鑒權(quán)密鑰AKL和AKR; UE向eNB在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信號C起物理層質(zhì)詢信息L由于信道具有相位延遲，eNB接收到 的信號包含有每個子信道的相位信息θι,θΝΒ測量出子 載波fi和fi間的相位差A(yù) 0ii;eNB根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差Δ θι?，反饋給 UE-個封裝有密鑰AKL=[ki，. . .，kM]的響應(yīng)信號終=Δ&-δ4中同樣具有每個子信道對應(yīng)的相位延遲，肥根據(jù)比對AKL的結(jié)果對eNB進(jìn)行鑒 權(quán)； eNB向UE在不同的子載波頻率...，fM上發(fā)送等相位調(diào)制的正弦波激勵信號L起物理層質(zhì)詢信息R;由于信道具有相位延遲，UE接收到 的信號國含有每個子信道的相位信息Θι,υΕ測量出子 載波fi和fi間的相位差A(yù) θι?;肥根據(jù)接收到的激勵信號和子載波間的相位差Δ θι?，反饋給 eNB-個封裝有密鑰AKR=[ki，. . .，kM]的響應(yīng)信號二Δ0,ι -么4中同樣具有每個子信道對應(yīng)的相位延遲，eNB根據(jù)比對AKR的結(jié)果對肥進(jìn)行鑒 權(quán)，到此完成物理層雙向鑒權(quán)，如果物理層鑒權(quán)成功再進(jìn)行傳統(tǒng)的鑒權(quán)過程。
【文檔編號】H04L29/06GK105978692SQ201610238235
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】吳曉富, 周雪倩, 余訓(xùn)健, 褚楚
【申請人】南京郵電大學(xué)