CN100550731C - 一种固网用户到ip多媒体子系统的接入安全系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固网用户到IP多媒体子系统的接入安全系统和方法，所述系统包括：固网用户、固网安全网关、固定接入网；所述安全网关作为固网用户接入IMS的出口点配置有UICC，可以通过UICC中的ISIM独立接入IP多媒体子系统，并拥有IMPI和IMPU；固网用户具有IMPU，该身份需要在网络中保存，网络还保存了该身份对应的业务描述，确定了用户使用IMS的情况。本发明有效的解决了固定网络用户接入IMS的困难；而且固定网络设备直接与P-CSCF间建立了安全关联，保证它与P-CSCF间的信令在传递中不被窃听和篡改；还可以提高安全性和使接入具有一定的移动性，计费也十分方便。
Description
技术领域：
本发明涉及通信系统中IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem，以下简称IMS)领域，具体的讲涉及将固定网络用户融入IMS中的接入安全系统和方法。
背景技术：
IMS是3GPP从Release5版本开始提出的除电路域和分组域以外的新的子系统，它使用分组域做为承载，为用户使用丰富的下一代多媒体业务提供控制。它的核心特点是采用SIP(Session Initiation Protocol会话发起协议)作为呼叫控制协议，管理各种类型的多媒体会话，并且对各种接入技术有广泛的适应性，目前支持3G的移动方式接入，但将在未来支持多种接入方式，如固网接入、WLAN和WiMAX等。IMS中主要的网元包括CSCF(Call SessionControl Function呼叫会话控制功能)、MGCF(Media Gateway Control Function媒体网关控制功能)、MRF(Multimedia Resource Function媒体资源功能)和HSS(Home Subscriber Server归属签约用户服务器)等。
电信网络的交换系统包括固定交换系统和移动交换系统，但它们目前是相互独立和封闭的。对于拥有全业务运营资格的运营商，如果有一种交换网络，既可以为移动用户提供服务，又可以为固网用户提供服务，这样不仅降低了重复投资的费用，而且减少了网络管理维护的成本。而前面提到的IMS为构建这种网络提供了可能。
由于移动终端和固定终端，以及移动接入网络和固定接入网络间存在很大的差异，造成在研究固网用户接入到IMS过程中存在很多问题。其中一个很大的问题是，固定终端不象移动终端都配有UICC(Universal Integrated Circuit Card)，在这个卡上保存了用户的身份、与归属网络共享的密钥，安全算法，以及其他信息。移动用户通过这个卡中的ISIM(IM ServicesIdentity Module IP多媒体业务身份模块)并采用AKA(Authentication and Key Agreement)机制接入IMS。目前固网终端无法安全地存放用户的身份和密钥等机密信息，因此不能使用原有的认证方式接入到IMS，需要考虑其他方法。
对于移动用户，在IMS网络他拥有两种身份，IMPI(IM Private Identity IP多媒体私有身份)和IMPU(IM Public Identity IP多媒体公开身份)，IMPI被保存在UICC上的ISIM中，作为用户在网络的身份标识，用户可以有多个IMPU，但至少有一个IMPU被保存在ISIM中。ISIM中还包括了用户与归属网络共享的密钥，以及用于进行认证和密钥衍生的安全算法。网络侧与某个用户共享的密钥被保存在HSS上。
移动用户的接入安全是通过IMS AKA(见3GPP TS33.203)机制来保证的。UE在使用IMS前必须认证和注册。通过IMS AKA可以实现用户与网络间的基于预共享密钥方式的双向认证，并协商出UE与P-CSCF(Proxy-CSCF代理CSCF)之间的安全关联(加密算法以及相关密钥等安全信息的集合)，然后UE与P-CSCF使用IPSec ESP(Encapsulation SecurityPayload IP安全协议中的安全封装载荷，见RFC 2406)来保护它们之间传输的IMS信令。
固网用户由于不具有基于硬件方式的ISIM，所以有人提出可以通过“软ISIM”的方式实现接入认证。christer Holmberg在Use of ISIM and line and personal identifiers in NGN(http://portal.etsi.org/docbox/tispan/tispan/50-20041102-Sophia_4bis/04bTD109r1％20Use_of_U SIL_in_NGN.doc)中提出了一种方法。在家庭或小型办公环境都有类似网关的设备，这个设备上可以配有UICC卡，因此拥有IMPI和IMPU，当第一个用户希望接入IMS时，将使用他自己的IMPU和网关的IMPI，以及网关和网络共享的密钥完成接入认证，并在网关和P-CSCF间建立一个安全隧道。而第二个用户可以只进行它与网关间的认证，而不需要IMS的认证，就可以访问IMS。该方法的缺点是，每个用户并没有与P-CSCF间的独立的安全隧道，而是与其他用户共享网关与P-CSCF间的隧道，因此用户与IMS间的信令在网关处是可见的。另外，只有第一个用户进行IMS的认证，第二个以后的用户只是通过网关对其身份进行检验，这样这些用户的公开身份没有在网络被注册，这对于网络管理和计费都是不利的，这也造成网关内的所有用户所使用的业务描述(service profile)是相同的，不能给用户提供个性化的服务。
发明内容：
本发明提出了一种固网用户到IP多媒体子系统的接入安全系统和方法，这里的固网设备可以是局域网、xDSL、光纤接入等；采用本发明固网设备不需要UICC，为固网用户分配公开身份IMPU，这个身份不需要保存在硬件中，就可以接入IP多媒体子系统。
本发明提出的接入安全系统包括：固网用户、固网安全网关、固定接入网；安全网关作为固网用户接入IMS的出口点配置有UICC，可以通过UICC中的ISIM独立接入IP多媒体子系统，并拥有IMPI和IMPU；固网用户具有IMPU，该身份需要在网络中保存，网络还保存了该身份对应的业务描述，确定了用户使用IMS的情况；固网用户的IMPU与安全网关具有绑定关系，固网用户设备在接入IP多媒体子系统前先通过安全网关与IMS核心网协商出一个密钥，这个密钥可作为共享的认证密钥，同时核心网给用户分配一个临时身份IMPI，固网用户设备再使用IMS AKA，完成双向认证和安全隧道的建立。
优选地，固网用户的IMPU与安全网关的绑定关系，固网用户可以不独属于某一安全网关，可以与多个安全网关建立绑定关系。
本发明的接入安全方法是这样实现的，包括以下处理步骤：
1.网关使用IMS AKA完成与网络的双向认证，并与P-CSCF建立安全隧道；
2.固网用户希望接入IMS，发送SIP注册报文给网关，在这个请求中，包含了用户的IMPU和与网络侧协商密钥需要的数据；
3.网关接收到报文后，发现这个IMPU是有效的用户身份，因此修改报文，将自己的IMPI加到报文中，同时把它与用户共享的密钥Kgw-u也加到报文中，接着用它与P-CSCF间通过AKA协商的加密密钥CKgw加密，，网关将这个报文发给P-CSCF；
4.当P-CSCF接收到注册报文后，转发给I-CSCF，接着传递给用户归属网络的S-CSCF；
5.S-CSCF发现注册报文中的IMPU与网关原先注册的IMPU不同，并且还携带了网络侧协商密钥的数据和Kgw-u，可得知该IMPU不属于网关，而是某个固网用户的身份，S-CSCF将IMPU、IMPI，协商密钥的数据和Kgw-u传递给HSS请求验证；
6.HSS验证IMPU和IMPI，发现IMPU是一个有效用户的身份，并且可以在IMPI所代表的网关下使用该身份，则保留协商密钥的数据和Kgw-u，同时生成本端协商密钥的数据，并根据IMPI和IMPU为用户生成一个临时身份，这个身份用作用户这次接入的私有身份IMPItemp；HSS利用双方协商密钥的信息，以及Kgw-u衍生出它与UE的共享密钥Ku-h，；HSS将所生成的本端密钥协商数据和IMPItemp返回给S-CSCF；
7.S-CSCF将密钥协商信息和IMPItemp封装到SIP 401报文中，由I-CSCF、P-CSCF和网关传递给固网设备；
8.固网用户将IMPItemp作为它的私有身份，接着使用与HSS相同的方法计算出Ku-h；这时固网用户拥有了IMPI、IMPU以及与HSS共享的密钥Ku-h；
9.固网用户重新发起注册请求，此时IMPI为IMPItemp，并且不需要再发送DH公开值；
10.网络和用户使用生成的Ku-h进行双向认证，并协商新的会话密钥和算法，只是密钥衍生不在ISIM中而是在固网设备上完成，协商后，固定用户将与P-CSCF建立安全隧道。
优选地，如果通过DH交换协商密钥，所述网络侧协商密钥需要的数据应包含DH的公开值gxu。
优选地，如果采用DH交换，步骤6中所述生成本端协商密钥的数据为DH公开值gyh；衍生出的共享密钥Ku-h具体为利用gyh、gxu计算出它与和用户的私有值gxy，并利用Kgw-u和gxy衍生出Ku-h，即Ku-h＝KDF(Kgw-u，gxy)，KDF是密钥衍生函数。
优选地，所述步骤6中了保证每次生成的私有身份IMPItemp不同，可以增加一些随机值。
上面所描述的系统和方法有效的解决了固定网络用户接入IMS的困难，并且有很好的安全性。主要体现在，固定网络设备只具有IMPU，因此不需要用硬件的方式保存，只需要在希望接入时使用该身份。它与网络间虽然没有预共享密钥，但可以通过一次请求，利用一次密钥交换过程，如DH交换产生的密钥作为认证密钥，为了保证用户的合法性，密钥的衍生中还包含了用户与网关间的共享密钥，只有拥有密钥的用户才能产生正确的认证密钥。而网关是IMS网络可以信任的实体，因为它已经被网络认证过，因此它传递给网络的与用户共享的密钥可以被信任。
本发明的优点还在于固定网络设备直接与P-CSCF间建立了安全关联，可以保证它与P-CSCF间的信令在传递中不被窃听和篡改。一旦网络与固网设备协商了认证密钥，并且给用户分配了临时身份，后续的接入过程与普通的3G移动用户完全相同。另外，认证密钥对于网关是不可见的，提高了安全性。如果用户的身份与多个网关进行绑定，还可以通过不同的固网接入IMS，使接入具有一定的移动性。由于每个用户有自己的IMPU和业务描述，管理和计费也非常方便。可以说这种方法有广泛的适用性。
附图说明：
图1本发明固网用户到IP多媒体子系统的接入安全系统组网图；
图2固网用户与安全网关身份关系图；
图3固定网络用户注册流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明所述方法作进一步说明。
如图1所示，固定网络中需要一个安全网关，它做为用户接入IMS的出口点，这个网关上配有UICC，它和普通移动用户在IMS鉴权方面上具有相同的特性。固定用户在接入IMS前先与网络协商出一个密钥，这个密钥可作为他与网络共享的认证密钥。然后再使用IMSAKA，完成双向认证和安全隧道的建立。
身份的分配和管理方法是，网关作为一个独立的实体，具有ISIM，并拥有IMPI和IMPU。它可以独立的接入IMS。网关保护范围内的固定用户不具有IMPI，而只拥有IMPU，该身份需要在网络中保存，网络还保存了该身份对应的业务描述，确定了用户使用IMS的情况。用户的IMPU与网关有一定绑定关系，但不独属于网关，它可能与其他网关也有这种绑定关系。其他用户呼叫某个固网用户时，可以使用他的IMPU。用户可以使用同一个身份在不同固定网络中接入IMS，例如，他可以在公司的局域网接入IMS，也可以在家中使用xDSL接入IMS。身份的关系图参见附图2。此外，本发明还需要在固定网络内，网关与固网设备间共享密钥，以完成网关对用户的认证。
某个公司的局域网包含有多个PC机和一台网关，其中网关上具有包含ISIM的UICC。为了使用户可以通过PC机访问IMS，运营商还为用户分配了公开身份IMPU，这些IMPU与网关的IMPI有一定的绑定关系，但不完全属于网关。另外每个用户与网关间也共享了一个密钥，用于保证合法的用户接入网络。
如图2所示，网关的IMPI是267700002016@operator.net，IMPU是securitydep@operator.net。而用户张三的IMPU为zhangsan@operator.net，他和网关间共享的密钥为Kzs。如图3所示，他接入IMS的步骤如下：
1.网关通过IMS AKA完成与网络的双向认证，将自己的身分IMPI和IMPU注册到网络，并与P-CSCF建立安全隧道；
2.张三希望将自己所使用的PC机接入IMS，因此发送SIP注册报文给网关，在这个请求中，包含了他的IMPU-zhangsan@operator.net，和为这次接入所生成的DH交换的公开值gxu；
3.网关接收到报文后，修改报文，将自己的IMPI加到报文中，同时把它与张三共享的密钥Kzs也加到报文中，接着用它与P-CSCF间通过AKA协商的加密密钥CK加密，因此Kzs不会被暴露给其他人，网关将这个报文发给P-CSCF；
4.当P-CSCF接收到注册报文后，转发给I-CSCF，接着传递给用户归属网络的S-CSCF；
5.S-CSCF发现注册报文中的IMPU与网关原先注册的IMPU不同，并且还携带了gxu和Kzs，可得知该IMPU不属于网关，而是某个固网用户的身份，接着S-CSCF将IMPU、IMPI，gxu和Kzs传递给HSS请求验证；
6.HSS验证IMPU和IMPI，发现IMPU是一个有效用户的身份，并且可以在IMPI所代表的网关下使用该身份，因此保留gxu和Kzs，同时生成一个DH公开值gyh，并根据IMPI和IMPU为用户生成一个临时身份-zhangsan.securitydep1675@operator.net。HSS利用gyh、gxu计算出它与用户的认证密钥Kzs-h。HSS将gxh和临时身份返回给S-CSCF；
7.S-CSCF将gxh和临时身份封装到401报文中，由I-CSCF、P-CSCF和网关传递给固网设备；
8.固定用户将临时身份作为它的私有身份，接着使用与HSS相同的方法计算出gxy以及Kzs-h。
9.固网用户重新发起注册请求，接下来的流程与普通移动终端用户的认证流程基本相同，网络和用户使用刚才生成的Kzs-h进行双向认证，并协商新的会话密钥和算法，完成后，固定用户将与P-CSCF建立安全隧道，保护后续的SIP信令；
10.流程结束。
Claims (6)
1.一种固网用户到IP多媒体子系统IMS的接入安全系统，其特征在于，所述系统包括：固网用户、固网安全网关、固定接入网；所述安全网关作为固网用户接入IMS的出口点配置有通用集成电路卡UICC，能通过UICC中的IP多媒体业务身份模块ISIM独立接入IP多媒体子系统，并拥有IP多媒体私有身份IMPI和IP多媒体公开身份IMPU；固网用户具有IMPU，该IMPU需要在网络中保存，网络还保存了该IMPU对应的业务描述，确定了用户使用IMS的情况；
固网用户的IMPU与安全网关具有绑定关系，固网用户设备在接入IP多媒体子系统前先通过安全网关与IMS核心网协商出一个密钥，这个密钥作为共享的认证密钥，同时核心网给用户分配一个临时身份，固网用户设备再使用IMS AKA，完成双向认证和安全隧道的建立。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固网用户的IMPU与安全网关具有绑定关系，但不独属于所述安全网关，能与多个安全网关建立绑定关系。
3.一种固网用户到IP多媒体子系统的接入安全方法，其特征在于，
(1)网关使用IMS AKA完成与网络的双向认证，并与P-CSCF建立安全隧道；
(2)固网用户希望接入IMS，发送SIP注册报文给网关，在这个请求中，包含了用户的IMPU和与网络侧协商密钥需要的数据；
(3)网关接收到报文后，发现这个IMPU是有效的用户身份，因此修改报文，将自己的IMPI加到报文中，同时把它与用户共享的密钥Kgw-u也加到报文中，接着用它与P-CSCF间通过AKA协商的加密密钥CKgw加密，网关将这个报文发给P-CSCF；
(4)当P-CSCF接收到注册报文后，转发给I-CSCF，接着传递给用户归属网络的S-CSCF；
(5)S-CSCF发现注册报文中的IMPU与网关原先注册的IMPU不同，并且还携带了网络侧协商密钥的数据和Kgw-u，得知该IMPU不属于网关，而是某个固网用户的身份，S-CSCF将IMPU、IMPI，协商密钥的数据和Kgw-u传递给HSS请求验证；
(6)HSS验证IMPU和IMPI，发现IMPU是一个有效用户的身份，并且能在IMPI所代表的网关下使用该身份，则保留协商密钥的数据和Kgw-u，同时生成本端协商密钥的数据，并根据IMPI和IMPU为用户生成一个临时身份，这个身份用作用户这次接入的私有身份IMPItemp；HSS利用双方协商密钥的信息，以及Kgw-u衍生出它与UE的共享密钥Ku-h，HSS将所生成的本端密钥协商数据和IMPItemp返回给S-CSCF；
(7)S-CSCF将HSS的本端密钥协商数据和IMPItemp封装到SIP 401报文中，由I-CSCF、P-CSCF和网关传递给固网设备；
(8)固网用户将IMPItemp作为它的私有身份，接着使用与HSS相同的方法计算出Ku-h；这时固网用户拥有了IMPI、IMPU以及与HSS共享的密钥Ku-h；
(9)固网用户重新发起注册请求，此时IMPI为IMPItemp，并且不需要再发送DH公开值；
(10)网络和用户使用生成的Ku-h进行双向认证，并协商新的会话密钥和算法，只是密钥衍生不在ISIM中而是在固网设备上完成，协商后，固定用户将与P-CSCF建立安全隧道。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果通过DH交换协商密钥，所述网络侧协商密钥需要的数据应包含DH的公开值gxu。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果采用DH交换，步骤(6)中所述生成本端协商密钥的数据为DH公开值gyh；衍生出的共享密钥Ku-h具体为利用gyh、gxu计算出它与和用户的私有值gxy，并利用Kgw-u和gxy衍生出Ku-h，即Ku-h＝KDF(Kgw-u，gxy)，KDF是密钥衍生函数。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，为保证每次生成的私有身份IMPItemp不同，增加一些随机值。
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Effective date of registration: 20180427 Address after: California, USA Patentee after: Global innovation polymerization LLC Address before: 518057 Department of law, Zhongxing building, South hi tech Industrial Park, Nanshan District hi tech Industrial Park, Guangdong, Shenzhen Patentee before: ZTE Corp. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091014 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |