5G安全系列NAS层安全密钥衍生——USIM相关密钥的衍生

Posted 2021-10-24 从善若水

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文章目录

• NAS层安全密钥衍生——USIM相关密钥的衍生
• • 一、K → CK、IK的触发条件
  • 二、K → CK、IK衍生的入参
  • 三、USIM内部具体衍生流程
  • 四、K → CK、IK衍生失败场景
  • • 4.1 MAC失败场景（MAC failure）
    • 4.2 同步失败（Synchronization failure）
    • • 4.2.1 USIM 如何生成 AUTS参数

本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

NAS层安全密钥衍生——USIM相关密钥的衍生

今天我们要讲解的过程就是下图中，红色方框标记的密钥衍生流程。博文会介绍

• 什么情况下会发起 K → CK、IK的衍生；
• K如何衍生出CK、IK；
• 什么情况下会出现 K→ CK、IK衍生失败；

USIM相关的知识，可以关注我的专栏 《UICC之USIM》

一、K → CK、IK的触发条件

        AMF通过发送 初始Authentication request Message消息给终端发起初始鉴权流程，在此流程中会触发 K → CK、IK的衍生过程。以 5G AKA鉴权流程为例，消息流程图如下：

二、K → CK、IK衍生的入参

• K ：USIM中存储的密钥，可以是128 bits 也可以是 256 bits；
• RAND ：【Random challenge】鉴权随机值由 Authentication request Message 提供 ， 128 bits
• AUTN ： 【Authentication Token】鉴权码由 Authentication request Message 提供 ， 128 bits

三、USIM内部具体衍生流程

AMF: Authentication management field

• 当USIM收到 RAND 和 AUTN参数时 ，USIM首先使用 f_5K（RAND）函数计算出 匿名密钥 AK，使用匿名密钥 AK与AUTN前六个Bytes（SQN _XOR AK）做异或运算来提取SQN参数（SQN = (SQN ^ AK) ^ AK）；

SQN 【Sequence number 】：可以将SQN理解为银行的U盾，早期我们在使用网上银行时需要输入U盾显示的一串数，银行内部会检查这串数是否匹配或者是否在一个合理的范围内，如果符合要求则验证通过，否则验证失败。
同理，USIM卡中的SQN也是这个作用，会增强USIM的安全性，且运营商可以自定义SQN维护算法。

• 接着USIM会使用 f_1K（SQN||RAND||AMF）计算 XMAC，并于AUTN中的MAC比较。如果比较结果不一致，则K → CK、IK衍生流程失败，UE将回复核心网 Authentication Failure message；如果比较结果一致，则继续下面的流程👇；
• USIM 校验收到的 SQN与自己本地维护的SQN是否一致 或者 是否在合理的范围内。如果校验失败，则K → CK、IK衍生流程失败，UE将回复核心网 Synchronisation Failure message；如果校验成功，则继续下面的流程👇；
• USIM
  使用 f_2K(RAND)函数计算 RES 参数 ；
  使用 f_3K(RAND)函数计算 CK参数 ；
  使用 f_4K(RAND)函数计算 IK 参数；
• USIM存储 计算出的 CK 、 IK参数，直到下一次成功的AKA验证才会更新存储的 CK、IK参数；

四、K → CK、IK衍生失败场景

4.1 MAC失败场景（MAC failure）

       这种场景，UE会直接回复 Authentication Failure message，UE认为这是一个恶意的鉴权请求。

4.2 同步失败（Synchronization failure）

       这种场景，UE会回复核心网 Synchronisation Failure message，同时携带USIM返回的AUTS参数。核心网收到 Synchronisation Failure message 后，

• 如果是本次鉴权流程中第一次收到 Synchronisation Failure message则，核心网在更新AUTN和RAND参数后，重新发起 Authentication Request message；
• 如果是本次鉴权流程中第二次收到 Synchronisation Failure message，协议给出（非强制实现）的建议是结束本次鉴权流程，认为鉴权失败。

4.2.1 USIM 如何生成 AUTS参数

AUTS的组成见下图：

SQN_MS : 是终端USIM中记录的 SQN范围中的最大值。核心网根据这个值，重新生成一个合适的SQN值。

• SQN_MS^AK = SQN_MS ^ f_5*K(RAND)
• MAC-S = f_1*K(SQN_MS || RAND || AMF)

AUTS中没有出现AMF 参数，原因是协议规定在 Synchronisation Failure message 中 AMF参数全是零。也就是核心网在校验MAC-S参数的时候使用的 AMF 参数值是 “0x00”。这种情况下既然AMF参数已经明确定义了，那也就没有必要再占用资源传输了。

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关于本博文涉及到的 USIM中的函数，可以查看博主的这篇博文进一步了解
《UICC 之 USIM 详解全系列——USIM鉴权函数说明以及鉴权向量结构》
《3GPP USIM milenage算法code》
《5G 3GPP USIM Tuak算法code》

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