周俊超

　　（中興通訊南京研發(fā)中心 無線規(guī)劃系統(tǒng)部，江蘇 南京 210012）

　　摘要：用戶經(jīng)WLAN網(wǎng)絡(luò)以非授信的模式附著到EPC網(wǎng)絡(luò)時，如果終端沒有或者無法獲取用戶的SIM信息，則按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的認(rèn)證方法將無法完成用戶身份認(rèn)證，從而不能附著到EPC網(wǎng)絡(luò)。本文為了解決此問題，研究并應(yīng)用了一種基于證書的認(rèn)證方法EAPTLS，并給出了這種認(rèn)證方法的技術(shù)原理和流程說明。EAPTLS認(rèn)證方法已經(jīng)成功部署在了某運(yùn)營商的EPC網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營結(jié)果表明本文所研究的認(rèn)證方法作為對標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證方法的完善和補(bǔ)充是行之有效的。

　　關(guān)鍵詞：WLAN網(wǎng)絡(luò)；EPC；非授信；EAP-TLS；無卡終端

　　0引言

　　圖1運(yùn)營商通過WLAN接入EPC的一種部署架構(gòu)拓?fù)鋱D在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，給出了非3GPP網(wǎng)絡(luò)（例如WLAN網(wǎng)絡(luò)）可以以授信的模式或者非授信的模式接入4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)的分組核心網(wǎng)）中，標(biāo)準(zhǔn)推薦的組網(wǎng)架構(gòu)以及接口、參考點(diǎn)等可參考文獻(xiàn)［1］。在實(shí)際工程部署中，運(yùn)營商通過WLAN接入EPC的一種部署架構(gòu)如圖1所示。

　　UE（User Equipment,終端）通過WLAN（Wireless LAN，無線局域網(wǎng)）采用非授信方式接入EPC網(wǎng)絡(luò)，通過PDN GW（Packet Data Network GateWay，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）接入IMS（IP Multimedia System，IP多媒體系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)，完成基于IMS的VoWiFi（Voice over WiFi，基于WiFi的電話）等業(yè)務(wù)。

　　但由于原生支持非授信S2b接口模式接入EPC實(shí)現(xiàn)VoWiFi電話的終端很少，所以運(yùn)營商選擇了通過軟件APP（Application，應(yīng)用）方式來支持VoWiFi。

　　軟件APP方式可以應(yīng)用在無SIM（Subscriber Identity Module，用戶身份標(biāo)示模塊）的終端上（比如PAD、PC等），或者原生不支持VoWiFi業(yè)務(wù)終端上。但這種方式由于權(quán)限（軟件APP無讀取SIM鑒權(quán)信息）和系統(tǒng)限制的原因（部分Andriod系統(tǒng)版本沒有提供讀取SIM的接口），軟件APP無法獲取SIM鑒權(quán)信息，導(dǎo)致終端無法執(zhí)行3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義的EAPAKA［23］鑒權(quán)過程。這類終端在本文統(tǒng)一稱為無卡終端。

　　對于無卡終端，無法參照標(biāo)準(zhǔn)的3GPP規(guī)范為用戶提供基于EAPAKA的身份認(rèn)證，終端也就無法接入到EPC中實(shí)現(xiàn)VoWiFi業(yè)務(wù)。為了解決這類無卡終端的接入認(rèn)證問題，作為對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的補(bǔ)充，本文研究并提出了一種基于證書的EAPTLS［4］認(rèn)證方法，使無卡終端不需要依賴SIM信息就可以完成身份認(rèn)證，接入到EPC中。

1關(guān)鍵技術(shù)介紹

　　1.1EAP

　　EAP［5］（Extensible Authentication Protocol，擴(kuò)展的鑒權(quán)協(xié)議）為可擴(kuò)展身份驗(yàn)證協(xié)議，是一系列驗(yàn)證方式的集合，設(shè)計理念是滿足任何鏈路層的身份驗(yàn)證需求，支持多種鏈路層認(rèn)證方式。EAP協(xié)議是IEEE 802.1x認(rèn)證機(jī)制的核心，它將實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)交由附屬的EAP認(rèn)證方法協(xié)議完成，如何選取EAP認(rèn)證方法由認(rèn)證系統(tǒng)特征決定。常見的認(rèn)證方法有EAPTLS、EAPSIM［6］、EAPAKA、EAPAKA’［7］等。其中EAPSIM/EAPAKA/ EAPAKA’被3GPP采用，作為移動通信網(wǎng)絡(luò)中基于SIM的用戶身份認(rèn)證方式。

　　1.2TLS/EAP-TLS

　　TLS［8］（Transport Layer Security，安全傳輸層協(xié)議）用于在兩個通信應(yīng)用程序之間提供保密性和數(shù)據(jù)完整性。該協(xié)議由兩層組成： TLS 記錄協(xié)議（TLS Record）和 TLS 握手協(xié)議（TLS Handshake）。

　　TLS記錄協(xié)議位于TLS握手協(xié)議的下面，在可靠的傳輸協(xié)議(如TCP/IP)上面。TLS記錄協(xié)議的一條記錄包含長度字段、描述字段和內(nèi)容字段。TLS記錄協(xié)議處理數(shù)據(jù)的加密，即記錄協(xié)議得到要發(fā)送的消息之后，將數(shù)據(jù)分成易于處理的數(shù)據(jù)分組，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理(可選)，計算數(shù)據(jù)分組的消息認(rèn)證碼MAC，加密數(shù)據(jù)然后發(fā)送；接收到的消息首先被解密，然后校驗(yàn)MAC值，解壓縮，重組，最后傳遞給協(xié)議的高層客戶。

　　TLS握手協(xié)議處理對等用戶的認(rèn)證，在這一層使用了公共密鑰和證書，并協(xié)商算法和加密實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿荑€，該過程在TLS記錄協(xié)議之上進(jìn)行。TLS握手協(xié)議是TLS協(xié)議中最復(fù)雜的部分，它定義了10種消息，客戶端和服務(wù)器利用這10種消息相互認(rèn)證，協(xié)商哈希函數(shù)和加密算法并相互提供產(chǎn)生加密密鑰的機(jī)密數(shù)據(jù)。TLS記錄協(xié)議會在加密算法中用到這些加密密鑰，從而提供數(shù)據(jù)保密性和一致性保護(hù)。

　　EAPTLS為基于EAP承載的TLS認(rèn)證協(xié)議。EAP消息是載體，TLS是具體的認(rèn)證方法。EAP-TLS協(xié)議是基于證書的用戶身份驗(yàn)證方法。在使用時，需要在認(rèn)證客戶端（即終端）中部署證書鏈、用戶證書和私鑰文件，認(rèn)證服務(wù)器端需要部署證書鏈、認(rèn)證服務(wù)器證書和私鑰文件。

2本文研究的無卡終端認(rèn)證方法原理

　　在終端經(jīng)WLAN以非授信模式接入到EPC時，為了便于說明本文所研究的接入認(rèn)證過程與3GPP標(biāo)準(zhǔn)過程的改進(jìn)和區(qū)別，首先對標(biāo)準(zhǔn)的接入認(rèn)證過程進(jìn)行簡單說明。3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的EAPAKA認(rèn)證過程如圖2所示。

　　在終端與ePDG基于IKEv2協(xié)議（Internet Key Exchange version 2，Internet密鑰交換協(xié)議版本2）進(jìn)行鑒權(quán)和安全隧道建立的過程中，會經(jīng)ePDG（evolved Pacekt Data Gataway，演進(jìn)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）與EPC網(wǎng)絡(luò)中的3GPP AAA和HSS交互，對用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，此時所采用的認(rèn)證方法就是標(biāo)準(zhǔn)的EAP-AKA認(rèn)證。這個認(rèn)證過程要求終端中必須有用戶的SIM信息，然后終端和EPC中的3GPP AAA和HSS基于相同的SIM信息，采用AKA（Authentication and Key Agreement，認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議）算法完成認(rèn)證。

　　這種認(rèn)證方法的優(yōu)點(diǎn)是安全、可靠、用戶無感知，并基于用戶的SIM信息，因此在移動通信網(wǎng)絡(luò)中普遍使用，但正如同本文引言中所描述的那樣，對于無卡終端，由于沒有用戶的SIM信息，因此不能進(jìn)行EAPAKA認(rèn)證，終端無法接入EPC，限制了用戶的使用。針對這種應(yīng)用場景，本文研究并提出了一種基于證書的校驗(yàn)方式，即EAPTLS，來完成對用戶身份的認(rèn)證。

　　采用EAPTLS之后的用戶認(rèn)證過程示意圖如圖3所示。

　　相比圖2，圖3中最大的改進(jìn)是用戶經(jīng)ePDG與EPC網(wǎng)絡(luò)中的3GPP AAA和HSS交互時，采用的身份認(rèn)證方法是基于證書的EAPTLS認(rèn)證，其他流程并沒有變化。

　　采用EAPTLS認(rèn)證方法時，無卡終端可以接入EPC的原理：（1）EAPTLS鑒權(quán)是基于證書的，不需要終端中圖3采用EAPTLS之后的用戶認(rèn)證過程示意圖

　　有用戶的SIM信息，因此可以解決終端無SIM信息的缺陷；（2）對EPC網(wǎng)絡(luò)來說，如果用戶能夠接進(jìn)來，則用戶至少要有移動通信網(wǎng)絡(luò)必需的IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動用戶識別碼）。因此，為了保證無卡終端在EPC網(wǎng)絡(luò)中有可識別的IMSI，基于證書的EAPTLS認(rèn)證過程要求用戶在認(rèn)證過程中用圖4無卡終端認(rèn)證方法流程說明（下轉(zhuǎn)第90頁）戶標(biāo)示部分必須包含有用戶的有效IMSI。例如EPC已經(jīng)為用戶分配IMSI為：234150999999999，則無卡終端在用戶鑒權(quán)過程中，用戶標(biāo)示部分可以為：T234150999999999@ epc.mnc015.mcc234.3gppnetwork.org，這里前綴T標(biāo)示采用EAPTLS鑒權(quán)方法。需要注意的是，除了前綴外，用戶名的其他部分格式需要符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，見參考文獻(xiàn)［9］。

3本文研究的無卡終端認(rèn)證方法流程說明

　　本文研究的無卡終端認(rèn)證方法的前提：無卡終端中已經(jīng)部署證書鏈、用戶證書和私鑰文件，且無卡終端支持在認(rèn)證過程中用戶標(biāo)示部分?jǐn)y帶有IMSI；EPC中的3GPP AAA服務(wù)器已經(jīng)部署證書鏈、認(rèn)證服務(wù)器證書和私鑰文件。流程如圖4所示。

　　步驟1：無卡終端向ePDG發(fā)起初始附著；

　　步驟2：ePDG向3GPP AAA發(fā)送DER初始接入消息，進(jìn)行鑒權(quán)和授權(quán)，3GPP AAA收到消息之后，檢查EAPPayload字段攜帶的內(nèi)容，其中用戶標(biāo)示參數(shù)中包含有用戶的IMSI信息，且前綴為T，判定為EAPTLS接入；

　　步驟3：3GPP AAA返回DEA消息（TLSStart），開始進(jìn)行EAPTLS交互；

　　步驟4：ePDG根據(jù)客戶端發(fā)送的EAP消息，發(fā)送DER握手消息（TLSClientHello）到3GPP AAA；

　　步驟5：3GPP AAA返回DEA消息（TLSServerHello）給ePDG，返回服務(wù)端保存的證書信息；

　　步驟6：ePDG把收到的服務(wù)端證書信息透傳給終端，終端對服務(wù)端證書進(jìn)行認(rèn)證通過之后，把自己的證書信息傳給ePDG，ePDG發(fā)送DER消息（TLS Certificate）給3GPP AAA；

　　步驟7：3GPP AAA收到DER消息（TLS Certificate）之后，校驗(yàn)終端證書的簽名、有效期等，校驗(yàn)通過之后，發(fā)送握手完成DEA消息（ChangeCipherSpec、TLS finished）給ePDG；

　　步驟8：ePDG再次發(fā)送DER消息，確認(rèn)收到DEA的握手消息，3GPP AAA收到確認(rèn)消息之后發(fā)送MAR消息（消息中攜帶有用戶的IMSI）到EPC HSS獲取鑒權(quán)數(shù)據(jù)、發(fā)送SAR消息到EPC HSS獲取用戶數(shù)據(jù)，本端授權(quán)檢查通過之后，返回DEA成功消息，表示ePDG和3GPP AAA之間的鑒權(quán)和授權(quán)完成，同時向EPC HSS發(fā)送SAR注冊消息，通知EPC HSS用步驟9：ePDG發(fā)送PMIP建立流程到PDN GW，PGW發(fā)送AAR消息到3GPP AAA建立PDN連接，3GPP AAA發(fā)送SAR的PGW更新消息到EPC HSS更新PDN GW連接使用的PGW地址，交互完成；

　　步驟10：無卡終端采用EAPTLS認(rèn)證方法初始附著到EPC成功完成。

4總結(jié)

　　本文所研究的認(rèn)證方法作為對標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證方法的完善和擴(kuò)展，在某運(yùn)營商的4G網(wǎng)絡(luò)中得到了部署和應(yīng)用。首先對使用無卡終端或者軟終端（APP）的用戶發(fā)布證書文件，用戶在終端上進(jìn)行裝載，然后此類用戶通過WLAN以非授信模式附著到4G的EPC網(wǎng)絡(luò)時，就會啟用基于證書的EAPTLS方式與EPC交互進(jìn)行身份識別和認(rèn)證，并成功附著到EPC網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，對無卡終端的認(rèn)證方式除了EAPTLS外，還有EAPPEAP、EAPPEAK等其他認(rèn)證方法，這些可以作為以后研究的方向。

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