CN108809637B - 基于混合密码的lte-r车-地通信非接入层认证密钥协商方法 - Google Patents
基于混合密码的lte-r车-地通信非接入层认证密钥协商方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于混合密码的LTE‑R车‑地通信非接入层认证密钥协商方法,其主要步骤是:A、全球用户识别卡注册:获取归属用户服务器的公钥和认证相关参数;B、非接入层初始认证:车载移动单元首次接入网络,利用归属用户服务器的公钥PK加密传输认证请求消息,后续认证密钥协商引入椭圆曲线密钥交换算法,协商密钥KUH(i),完成认证后将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),车载移动单元获得临时国际移动用户识别码;C、非接入层重认证:当车载移动单元发生位置更新或重新接入网络时,向移动管理实体出示临时国际移动用户识别码(TMSI),利用初始认证后剩余的认证向量完成后续的认证和密钥协商。该方法能够为LTE‑R车‑地通信非接入层提供更加全面的安全性保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种LTE-R车-地无线通信非接入层认证密钥协商方法。
背景技术
随着高速铁路技术的持续快速发展,传统的GSM-R(铁路专用移动通信系统)窄带通信系统,难以满足未来铁路系统针对高冗余度数据的可靠传输、实时多媒体视频监控等业务的要求。在2010年12月召开的第七届世界高速铁路大会上,国际铁路联盟(UIC)表示将采用LTE-R(Long Term Evolution for Railway,铁路专用长期演进系统)作为下一代铁路无线通信系统。LTE-R基于长期演进技术(LongTermEvolution,LTE),具备高带宽、低时延和高速率等优点。其更加开放的空中接口,全IP化、扁平化的网络结构使LTE-R更易面临数据窃听、篡改、假冒欺骗、拒绝服务攻击(DoS攻击)等安全风险。如何实现对车载移动单元(OBU)的身份认证以及空口数据/信令的机密性和完整性保护,确保LTE-R网络接入安全成为了一个重要且热门的课题。
LTE-R系统中与非接入层认证密钥协商相关联的实体主要包括:车载移动单元(OBU),移动管理实体(MME),归属用户服务器(HSS)。其中,车载移动单元(OBU)设备中装载全球移动用户身份别卡(USIM),卡中存储国际移动用户识别码(IMSI)、归属用户服务器(HSS)与车载移动单元(OBU)共享的长期共享密钥K以及认证向量的生成算法等。移动管理实体(MME)和用户归属服务器(HSS)同属LTE-R网络架构中的核心网服务器。移动管理实体(MME)作为核心网中的控制平面节点,下辖多个基站,主要负责车载移动单元(OBU)的移动性管理、呼叫控制、身份认证等业务。归属用户服务器(HSS)集成了鉴权中心(AuC),存储认证相关算法和与车载移动单元(OBU)共享的长期共享密钥K,可为移动管理实体(MME)生成车载移动单元(OBU)的身份认证向量。每一个车载移动单元(OBU)只归属于一个归属用户服务器(HSS),当车载移动单元(OBU)在LTE-R网络内移动时,会处于不同的移动管理实体(MME)的服务覆盖内,若车载移动单元(OBU)需要接入LTE-R网络,则需要实现同移动管理实体(MME)间的相互认证。认证过程需要在归属用户服务器(HSS)的帮助下完成。以上是初始接入认证;当首次接入认证成功后,车载移动单元(OBU)重新接入网络或发生位置更新时,将执行重认证协议。
目前LTE-R车-地无线通信非接入层认证密钥协商方案采用了EPS-AKA(演进分组系统认证密钥协商)协议,该协议存在下述问题:
(1)国际移动用户识别码(IMSI)缺乏保护。在初始认证过程中,代表车载移动单元(OBU)身份的国际移动用户识别码(IMSI)会以明文形式在无线信道上传输,易被攻击者窃取;从而窃取者假冒合法用户发动中间人、重放、以及拒绝服务等攻击。并且还可以利用其追踪车载移动单元(OBU)在网络中的访问行为或移动路径,造成隐私泄露等安全风险。
(2)易遭受重定向攻击。由于在无线环境下发起接入认证,攻击者可操纵着具有基站功能的设备,捕获车载移动单元(OBU)向当前移动管理实体(MME)发送的身份认证请求消息,然后将该请求导向外部移动管理实体(MME),对车载移动单元(OBU)通信安全造成威胁。重定向攻击还将产生计费问题,当用户被重定向至外部网络后,将支付连接到外部网络的漫游费用。
(3)长期共享密钥K不更新,缺乏前向安全性。在EPS-AKA方案中,以归属用户服务器(HSS)生成的随机数和长期共享密钥K作为输入参数生成会话主密钥和认证向量,然而随机数在无线信道中明文传输,可被攻击者截获。一旦长期共享密钥K泄露,攻击者就可以计算出之前建立的会话主密钥,造成整个系统的安全性崩塌。
针对上述问题,文献1“Performance and security enhanced authenticationand key agreement protocol for SAE/LTE network”(Degefa F B,Lee D,Kim J,etal.Computer Networks,2016,94:145-163)提出了一种改进的EPS-AKA方案,该方案在初始注册阶段添加了一个新的参量:身份标识符KI,该身份标识符KI唯一对应一个国际移动用户识别码(IMSI),并在车载移动单元(OBU)和归属用户服务器(HSS)间共享,且在每次认证完成后需要同步更新;国际移动用户识别码(IMSI)可通过长期密钥K和身份标识符KI经过秘密算法生成衍生密钥S进行加密传输;车载移动单元(OBU)在认证请求过程中将身份标识符KI出示给归属用户服务器(HSS)表明身份,从而避免国际移动用户识别码(IMSI)的明文传输,实现了国际移动用户识别码(IMSI)的保护。在后续的认证过程中,归属用户服务器(HSS)将衍生密钥S发送至移动管理实体(MME),因此认证向量由移动管理实体(MME)本地生成。但该方案仍然存在诸多问题,首先,车载移动单元(OBU)端和归属用户服务器(HSS)端的身份标识符KI的同步更新若遭到破坏,将导致车载移动单元(OBU)的后续认证失败;其次,认证向量由移动管理实体(MME)生成后,将加重移动管理实体(MME)的计算和存储开销;再者,该方案无法实现长期共享密钥K的更新,不具备前向安全性。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,该方法能够为LTE-R提供更加全面的安全性保护。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是,1、一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,其步骤是:
A、全球用户识别卡(USIM)注册:
用户归属地运营商采集用户身份信息,为其颁发全球移动用户的身份识别卡(USIM);身份识别卡(USIM)中存储安全参数,分别是:国际移动用户识别码(IMSI)、该身份识别卡(USIM)与归属用户服务器(HSS)间的长期共享密钥K、归属用户服务器(HSS)的公钥PK、椭圆曲线的生成元P;完成注册后,将身份识别卡(USIM)安装在车载移动单元(OBU)中;
B、非接入层初始认证:
B1、车载移动单元(OBU)启动并首次接入网络时,先选取一个随机数a,计算用户端公开承诺AO,同时生成一时间戳TS,并获取与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1;然后将归属用户服务器(HSS)的身份IDHSS、用户端公开承诺AO、秘密信息M1进行消息串联,生成接入认证请求消息M2,最后将接入认证请求消息M2发送至移动管理实体(MME);
B2、移动管理实体(MME)收到接入认证请求消息M2后,获取与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’,然后将与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’、移动管理实体(MME)的服务网络号SNID、接入认证请求消息M2,进行串联生成认证向量请求消息M3,将认证向量请求消息M3发送至归属用户服务器(HSS);
B3、归属用户服务器(HSS)收到认证向量请求消息M3后,检索数据库判断其中的服务网络号SNID的正确性,如检索不成功,则执行步骤E;
否则,以归属用户服务器(HSS)的私钥SK解密接入认证请求消息M2,得到国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;归属用户服务器(HSS)判断时间戳TS是否正确,如不正确,则执行步骤E;
否则,对比与车载移动单元(OBU)关联的位置区标识符LAI和与移动管理实体(MME)关联的位置区标识符LAI’,若不匹配,则执行步骤E;
否则,选取n个随机数b(i),其中i为随机数b(i)的序号,i∈(1,2,3…,n),以随机数b(i)、用户端公开承诺AO为输入参数,计算得到n个服务器端公开承诺B(i)和n个密钥KUH(i);再根据国际移动用户识别码(IMSI)检索出长期共享密钥K,以长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i);
再将对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)进行串联生成认证向量AV(i);将n个认证向量AV(i)串联生成认证向量组、然后将其同国际移动用户识别码(IMSI)串联,作为认证向量响应消息M4,发送至移动管理实体(MME);
B4、移动管理实体(MME)收到认证向量响应消息M4并存入自身的数据库;再从认证向量响应消息M4的认证向量组中取出其中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取出对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i);将期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)保存;同时将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标识符KSIASME(i)串联生成认证挑战消息M5;最后将认证挑战消息M5发送给车载移动单元(OBU);
B5、车载移动单元(OBU)收到认证挑战消息M5,提取其中的服务器端公开承诺B(i)和消息认证码MAC(i)和主密钥标识符KSIASME(i);随后以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a为输入参数,计算得到B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功,并以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标识符KSIASME(i)计算得到B3步的主密钥KASME(i);然后,将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),并将挑战响应RES(i)作为挑战响应消息M6,回传至移动管理实体(MME);
B6、移动管理实体(MME)收到挑战响应消息M6后,提取其中的挑战响应RES(i),并同B4步中从AV(i)提取的期望响应XRES(i)进行对比,若不相同,则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取随机数RMME,将随机数RMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,作为临时国际移动用户识别码(TMSI),并加密发送至车载移动单元(OBU);再将B4步的服务器端公开承诺B(i)作为认证成功消息M7发送至归属用户服务器(HSS),随后从自身数据库中删除B4步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
B7、归属用户服务器(HSS)收到认证成功消息M7后,根据公开承诺B(i)、用户端公开承诺AO再次计算出B3步的密钥KUH(i),并将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),完成初始认证;车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
当车载移动单元(OBU)发生位置更新重新请求接入网络时,进行C步的操作;
C、非接入层重认证:
C1、车载移动单元(OBU)将临时国际移动用户识别码(TMSI)发送给移动管理实体(MME),发起重认证请求;
C2、移动管理实体(MME)收到临时国际移动用户识别码(TMSI)后,通过对应的国际移动用户识别码(IMSI)检索出对应的认证向量组,若检索失败,执行步骤A;
否则,取出认证向量组中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取其中的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标志符KSIASME(i)和期望响应XRES(i);保存主密钥KASME(i)和期望响应XRES(i);将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)进行消息串联后发送给车载移动单元(OBU);
C3、车载移动单元(OBU)收到来自移动管理实体(MME)的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)后,以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a计算出B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与接收到来自移动管理实体(MME)的消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功;然后以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标志符KSIASME(i)为输入参数,计算B3步的主密钥KASME(i),并将挑战响应RES(i)发送至移动管理实体(MME);
C4、移动管理实体(MME)收到挑战响应RES(i)后,将C2步骤中从认证向量AV(i)中提取的期望响应XRES(i)与挑战响应RES(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取重认证随机数RRMME,以该重认证随机数RRMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,以更新临时国际移动用户识别码(TMSI),并将更新后的国际移动用户识别码(TMSI)加密发送至车载移动单元(OBU),随后从自身数据库中删除C2步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将新的临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
随后,车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
D、当车载移动单元(OBU)再次发生位置更新重新请求接入网络时,重复C步的操作;
E、认证失败,终止操作。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
一、本发明提出了利用归属用户服务器(HSS)的公钥加密传输国际移动用户识别码(IMSI)和时间戳TS以及位置区标识符LAI的方法,能够有效保护国际移动用户识别码(IMSI)的机密性,实现对重放攻击和重定向攻击的抵抗,提高了安全性。
二、本方法中归属用户服务器(HSS)的公钥在全球用户识别卡(USIM)注册阶段就已经通过发行商直接写入到卡中,因此在后续的使用过程中,车载移动单元(OBU)可直接从卡中读取公钥数据,避免了公钥密码体制中的公钥证书管理与传递问题,无需部署公钥基础设施(PKI)。降低了LTE-R网络结构的冗余度和复杂度。
三、本发明在认证向量的生成过程中引入了Diffie-Hellman密钥交换算法,车载移动单元(OBU)和归属用户服务器(HSS)通过该算法协商了密钥KUH(i),在此密钥协商的过程中,隐藏了原协议中明文传输的随机数,保证了随机数的机密性。密钥KUH(i)和长期共享密钥K作为两个秘密值共同参与计算主密钥KASME(i),使得提出的方案具备了前向安全性。
四、当车载移动单元(OBU)和移动管理实体(MME)完成初始双向认证后,车载移动单元(OBU)和归属用户服务器(HSS)间的长期共享密钥K将更新为本次初始认证的密钥KUH(i),避免因密钥K长期使用而泄露的风险,提高系统的整体安全性。
进一步,本发明的的步骤B1中车载移动单元(OBU)启动并首次接入网络时,先选取一个随机数a,计算用户端公开承诺AO的具体方法是:将随机数a与A步中身份识别卡(USIM)中存储的椭圆曲线的生成元P,进行倍点运算,得到用户端公开承诺AO,即AO=a·P。
这里采用椭圆曲线上的倍点运算计算公开承诺,相较于使用大素数模指数运算的优势在于:计算效率更高。同时,在达到相同的比特安全强度时,前者所需的比特长度更短,能够节省通信开销。
进一步,本发明的步骤B1中车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1的具体方法是:将国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI串接后,再由公钥PK对串接后的消息进行加密运算,即:
M1=EPK{IMSI||TS||LAI}
其中||表示字符串联运算,EPK{■}表示由公钥PK对消息■进行加密运算。
采用椭圆曲线公钥密码体制(ECC)进行加密操作,具有更好的安全性,该算法提供更强的保护,比目前的其他加密算法能更好的防止攻击;且这ECC加密算法只需较短的密钥长度即可提供较好的安全性,如256位的ECC密钥加密强度等同于3072位RSA密钥的水平(目前普通使用的RSA密钥长度是2048位)。也即本发明以更低的计算能力代价得到了更高的安全性。
更进一步,本发明的步骤B3中,以随机数b(i)、用户端公开承诺AO为输入参数,计算得到n个服务器端公开承诺B(i)和n个密钥KUH(i)的具体方法是:
将随机数b(i)与椭圆曲线的生成元P进行倍点运算,即得服务器端公开承诺B(i),即B(i)=b(i)■P;
将随机数b(i)与用户端公开承诺AO进行倍点运算,即得密钥KUH(i),即KUH(i)=b(i)■Ao。
更进一步,本发明的步骤B3中,以长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i)的生成公式是:
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是,一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,其步骤是:
A、全球用户识别卡(USIM)注册:
用户归属地运营商采集用户身份信息,为其颁发全球移动用户的身份识别卡(USIM);身份识别卡(USIM)中存储安全参数,分别是:国际移动用户识别码(IMSI)、该身份识别卡(USIM)与归属用户服务器(HSS)间的长期共享密钥K、归属用户服务器(HSS)的公钥PK、椭圆曲线的生成元P;完成注册后,将身份识别卡(USIM)安装在车载移动单元(OBU)中;
B、非接入层初始认证:
B1、车载移动单元(OBU)启动并首次接入网络时,先选取一个随机数a,计算用户端公开承诺AO,同时生成一时间戳TS,并获取与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1;然后将归属用户服务器(HSS)的身份IDHSS、用户端公开承诺AO、秘密信息M1进行消息串联,生成接入认证请求消息M2,最后将接入认证请求消息M2发送至移动管理实体(MME);
B2、移动管理实体(MME)收到接入认证请求消息M2后,获取与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’,然后将与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’、移动管理实体(MME)的服务网络号SNID、接入认证请求消息M2,进行串联生成认证向量请求消息M3,将认证向量请求消息M3发送至归属用户服务器(HSS);
B3、归属用户服务器(HSS)收到认证向量请求消息M3后,检索数据库判断其中的服务网络号SNID的正确性,如检索不成功,则执行步骤E;
否则,以归属用户服务器(HSS)的私钥SK解密接入认证请求消息M2,得到国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;归属用户服务器(HSS)判断时间戳TS是否正确,如不正确,则执行步骤E;
否则,对比与车载移动单元(OBU)关联的位置区标识符LAI和与移动管理实体(MME)关联的位置区标识符LAI’,若不匹配,则执行步骤E;
否则,选取n个随机数b(i),其中i为随机数b(i)的序号,i∈(1,2,3…,n),以随机数b(i)、用户端公开承诺AO为输入参数,计算得到n个服务器端公开承诺B(i)和n个密钥KUH(i);再根据国际移动用户识别码(IMSI)检索出长期共享密钥K,以长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i);
再将对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)进行串联生成认证向量AV(i);将n个认证向量AV(i)串联生成认证向量组、然后将其同国际移动用户识别码(IMSI)串联,作为认证向量响应消息M4,发送至移动管理实体(MME);
B4、移动管理实体(MME)收到认证向量响应消息M4并存入自身的数据库;再从认证向量响应消息M4的认证向量组中取出其中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取出对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i);将期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)保存;同时将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标识符KSIASME(i)串联生成认证挑战消息M5;最后将认证挑战消息M5发送给车载移动单元(OBU);
B5、车载移动单元(OBU)收到认证挑战消息M5,提取其中的服务器端公开承诺B(i)和消息认证码MAC(i)和主密钥标识符KSIASME(i);随后以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a为输入参数,计算得到B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功,并以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标识符KSIASME(i)计算得到B3步的主密钥KASME(i);然后,将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),并将挑战响应RES(i)作为挑战响应消息M6,回传至移动管理实体(MME);
B6、移动管理实体(MME)收到挑战响应消息M6后,提取其中的挑战响应RES(i),并同B4步中从AV(i)提取的期望响应XRES(i)进行对比,若不相同,则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取随机数RMME,将随机数RMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,作为临时国际移动用户识别码(TMSI),并加密发送至车载移动单元(OBU);再将B4步的服务器端公开承诺B(i)作为认证成功消息M7发送至归属用户服务器(HSS),随后从自身数据库中删除B4步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
B7、归属用户服务器(HSS)收到认证成功消息M7后,根据公开承诺B(i)、用户端公开承诺AO再次计算出B3步的密钥KUH(i),并将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),完成初始认证;车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
当车载移动单元(OBU)发生位置更新重新请求接入网络时,进行C步的操作;
C、非接入层重认证:
C1、车载移动单元(OBU)将临时国际移动用户识别码(TMSI)发送给移动管理实体(MME),发起重认证请求;
C2、移动管理实体(MME)收到临时国际移动用户识别码(TMSI)后,通过对应的国际移动用户识别码(IMSI)检索出对应的认证向量组,若检索失败,执行步骤A;
否则,取出认证向量组中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取其中的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标志符KSIASME(i)和期望响应XRES(i);保存主密钥KASME(i)和期望响应XRES(i);将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)进行消息串联后发送给车载移动单元(OBU);
C3、车载移动单元(OBU)收到来自移动管理实体(MME)的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)后,以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a计算出B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与接收到来自移动管理实体(MME)的消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功;然后以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标志符KSIASME(i)为输入参数,计算B3步的主密钥KASME(i),并将挑战响应RES(i)发送至移动管理实体(MME);
C4、移动管理实体(MME)收到挑战响应RES(i)后,将C2步骤中从认证向量AV(i)中提取的期望响应XRES(i)与挑战响应RES(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取重认证随机数RRMME,以该重认证随机数RRMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,以更新临时国际移动用户识别码(TMSI),并将更新后的国际移动用户识别码(TMSI)加密发送至车载移动单元(OBU),随后从自身数据库中删除C2步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将新的临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
随后,车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
D、当车载移动单元(OBU)再次发生位置更新重新请求接入网络时,重复C步的操作;
E、认证失败,终止操作。
本例的步骤B1中车载移动单元(OBU)启动并首次接入网络时,先选取一个随机数a,计算用户端公开承诺AO的具体方法是:将随机数a与A步中身份识别卡(USIM)中存储的椭圆曲线的生成元P,进行倍点运算,得到用户端公开承诺AO,即AO=a■P。
本例的步骤B1中车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1的具体方法是:将国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI串接后,再由公钥PK对串接后的消息进行加密运算,即:
M1=EPK{IMSI||TS||LAI}
其中||表示字符串联运算,EPK{■}表示由公钥PK对消息■进行加密运算。
本例的步骤B3中,以随机数b(i)、用户端公开承诺AO为输入参数,计算得到n个服务器端公开承诺B(i)和n个密钥KUH(i)的具体方法是:
将随机数b(i)与椭圆曲线的生成元P进行倍点运算,即得服务器端公开承诺B(i),即B(i)=b(i)■P;
将随机数b(i)与用户端公开承诺AO进行倍点运算,即得密钥KUH(i),即KUH(i)=b(i)■Ao。
本例的步骤B3中,以长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i)的生成公式是:
Claims (3)
1.一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,其步骤是:
A、全球用户识别卡(USIM)注册:
用户归属地运营商采集用户身份信息,为其颁发全球移动用户的身份识别卡(USIM);身份识别卡(USIM)中存储安全参数,分别是:国际移动用户识别码(IMSI)、该身份识别卡(USIM)与归属用户服务器(HSS)间的长期共享密钥K、归属用户服务器(HSS)的公钥PK、椭圆曲线的生成元P;完成注册后,将身份识别卡(USIM)安装在车载移动单元(OBU)中;
B、非接入层初始认证:
B1、车载移动单元(OBU)启动并首次接入网络时,先选取一个随机数a,将随机数a与椭圆曲线的生成元P,进行倍点运算,得到用户端公开承诺AO,即AO=a·P,同时生成一时间戳TS,并获取与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1;然后将归属用户服务器(HSS)的身份IDHSS、用户端公开承诺AO、秘密信息M1进行消息串联,生成接入认证请求消息M2,最后将接入认证请求消息M2发送至移动管理实体(MME);
B2、移动管理实体(MME)收到接入认证请求消息M2后,获取与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’,然后将与移动管理实体(MME)关联的基站标志符LAI’、移动管理实体(MME)的服务网络号SNID、接入认证请求消息M2,进行串联生成认证向量请求消息M3,将认证向量请求消息M3发送至归属用户服务器(HSS);
B3、归属用户服务器(HSS)收到认证向量请求消息M3后,检索数据库判断其中的服务网络号SNID的正确性,如检索不成功,则执行步骤E;
否则,以归属用户服务器(HSS)的私钥SK解密接入认证请求消息M2,得到国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI;归属用户服务器(HSS)判断时间戳TS是否正确,如不正确,则执行步骤E;
否则,对比与车载移动单元(OBU)关联的位置区标识符LAI和与移动管理实体(MME)关联的位置区标识符LAI’,若不匹配,则执行步骤E;
否则,选取n个随机数b(i),其中i为随机数b(i)的序号,i∈(1,2,3…,n),以随机数b(i)、用户端公开承诺AO为输入参数,计算得到n个服务器端公开承诺B(i)和n个密钥KUH(i);其具体计算方法是:
将随机数b(i)与椭圆曲线的生成元P进行倍点运算,即得服务器端公开承诺B(i),即B(i)=b(i)·P;
将随机数b(i)与用户端公开承诺AO进行倍点运算,即得密钥KUH(i),即KUH(i)=b(i)·Ao;
再根据国际移动用户识别码(IMSI)检索出长期共享密钥K,以服务网络号SNID、长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i);
再将对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)进行串联生成认证向量AV(i);将n个认证向量AV(i)串联生成认证向量组、然后将其同国际移动用户识别码(IMSI)串联,作为认证向量响应消息M4,发送至移动管理实体(MME);
B4、移动管理实体(MME)收到认证向量响应消息M4并存入自身的数据库;再从认证向量响应消息M4的认证向量组中取出其中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取出对应的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i);将期望响应XRES(i)、主密钥KASME(i)保存;同时将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标识符KSIASME(i)串联生成认证挑战消息M5;最后将认证挑战消息M5发送给车载移动单元(OBU);
B5、车载移动单元(OBU)收到认证挑战消息M5,提取其中的服务器端公开承诺B(i)和消息认证码MAC(i)和主密钥标识符KSIASME(i);随后以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a为输入参数,计算得到B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功,并以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标识符KSIASME(i)计算得到B3步的主密钥KASME(i);然后,将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),并将挑战响应RES(i)作为挑战响应消息M6,回传至移动管理实体(MME);
B6、移动管理实体(MME)收到挑战响应消息M6后,提取其中的挑战响应RES(i),并同B4步中从AV(i)提取的期望响应XRES(i)进行对比,若不相同,则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取随机数RMME,将随机数RMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,作为临时国际移动用户识别码(TMSI),并加密发送至车载移动单元(OBU);再将B4步的服务器端公开承诺B(i)作为认证成功消息M7发送至归属用户服务器(HSS),随后从自身数据库中删除B4步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
B7、归属用户服务器(HSS)收到认证成功消息M7后,根据公开承诺B(i)、用户端公开承诺AO再次计算出B3步的密钥KUH(i),并将长期共享密钥K更新为密钥KUH(i),完成初始认证;车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
当车载移动单元(OBU)发生位置更新重新请求接入网络时,进行C步的操作;
C、非接入层重认证:
C1、车载移动单元(OBU)将临时国际移动用户识别码(TMSI)发送给移动管理实体(MME),发起重认证请求;
C2、移动管理实体(MME)收到临时国际移动用户识别码(TMSI)后,通过对应的国际移动用户识别码(IMSI)检索出对应的认证向量组,若检索失败,执行步骤A;
否则,取出认证向量组中的一个认证向量AV(i),随后从该认证向量AV(i)中提取其中的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标志符KSIASME(i)和期望响应XRES(i);保存主密钥KASME(i)和期望响应XRES(i);将服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)进行消息串联后发送给车载移动单元(OBU);
C3、车载移动单元(OBU)收到来自移动管理实体(MME)的服务器端公开承诺B(i)、消息认证码MAC(i)、主密钥标志符KSIASME(i)后,以服务器端公开承诺B(i)和B1步的随机数a计算出B3步的密钥KUH(i);再以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)为输入参数,生成期望消息认证码XMAC(i)、挑战响应RES(i),并将生成的期望消息认证码XMAC(i)与接收到来自移动管理实体(MME)的消息认证码MAC(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,车载移动单元(OBU)认证移动管理实体(MME)成功;然后以长期共享密钥K、计算出的密钥KUH(i)、主密钥标志符KSIASME(i)为输入参数,计算B3步的主密钥KASME(i),并将挑战响应RES(i)发送至移动管理实体(MME);
C4、移动管理实体(MME)收到挑战响应RES(i)后,将C2步骤中从认证向量AV(i)中提取的期望响应XRES(i)与挑战响应RES(i)对比,若不相同则执行步骤E;否则,移动管理实体(MME)认证车载移动单元(OBU)成功;随后,移动管理实体(MME)选取重认证随机数RRMME,以该重认证随机数RRMME、国际移动用户识别码(IMSI)进行串联后,再进行哈希运算生成识别码,以更新临时国际移动用户识别码(TMSI),并将更新后的国际移动用户识别码(TMSI)加密发送至车载移动单元(OBU),随后从自身数据库中删除C2步提取的认证向量AV(i),其余的认证向量AV(i)构成更新后的认证向量组;最后将新的临时国际移动用户识别码(TMSI)与对应的国际移动用户识别码(IMSI)进行链接;
随后,车载移动单元(OBU)通过关联的基站与移动管理实体间(MME)进行通信;
D、当车载移动单元(OBU)再次发生位置更新重新请求接入网络时,重复C步的操作;
E、认证失败,终止操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,其特征在于:
所述的步骤B1中车载移动单元(OBU)再以国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI、归属用户服务器(HSS)的公钥PK为输入参数,生成秘密信息M1的具体方法是:将国际移动用户识别码(IMSI)、时间戳TS、与车载移动单元(OBU)关联的基站标志符LAI串接后,再由公钥PK对串接后的消息进行加密运算,即:
M1=EPK{IMSI||TS||LAI}
其中||表示字符串联运算,EPK{■}表示由公钥PK对消息■进行加密运算。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合密码的LTE-R车-地通信非接入层认证密钥协商方法,其特征在于:
所述的步骤B3中,以服务网络号SNID、长期共享密钥K和密钥KUH(i),生成对应的n个:消息认证码MAC(i)、匿名性保护密钥AK(i)、主密钥KASME(i)、主密钥标识符KSIASME(i)、期望响应XRES(i)的生成公式是:
消息认证码MAC(i):MAC(i)=fK 1(KUH(i));
主密钥KASME(i):KASME(i)=KDFK(SNID⊕AK(i)||KUH(i));
主密钥标识符KSIASME(i):KSIASME(i)=SNID⊕AK(i);
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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