CN1921682A - 增强通用鉴权框架中的密钥协商方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增强通用鉴权框架中的密钥协商方法，用于网络业务应用实体NAF应用客户端与NAF之间的通信衍生密钥的协商，包括步骤：A、外围终端设备向UE请求衍生密钥；该请求中携带外围终端设备标志；B、UE根据UE与执行用户身份初始检查验证的实体BSF的共享密钥Ks、所述外围终端设备标志计算出第一衍生密钥，并提供给外围终端设备上的NAF客户端；C、由网络侧根据所述UE与BSF的共享密钥Ks、获取的所述外围终端设备标志，计算出与第一衍生密钥相同的第二衍生密钥，并将所述第二衍生密钥由NAF保存。使用本发明可实现NAF应用客户端与GBA客户端不同在UE时，NAF客户端与NAF的密钥协商。

Description

增强通用鉴权框架中的密钥协商方法
技术领域
本发明涉及3GPP通用鉴权框架(GAA)技术领域，特别是指一种增强通用鉴权框架中的密钥协商方法。
背景技术
在第三代无线通信标准中，通用鉴权框架(GAA)是多种应用业务实体使用的一个用于完成对用户身份进行验证的通用结构，应用通用鉴权框架可实现对应用业务的用户进行检查和验证身份。上述多种应用业务可以是多播/广播业务、用户证书业务、信息即时提供业务等，也可以是代理业务。
图1示出了所述通用鉴权框架的结构。通用鉴权框架通常由用户(UE)、执行用户身份初始检查验证的实体(BSF)、用户归属网络服务器(HSS)和网络业务应用实体(NAF)组成。BSF用于与UE进行互验证身份，同时生成BSF与用户的共享密钥Ks；HSS中存储用于描述用户信息的描述(Profile)文件，同时HSS还兼有产生鉴权信息的功能。各个实体之间的接口可参见图1。
用户需要使用某种业务时，如果用户知道该业务需要到BSF进行互鉴权过程，则直接到BSF进行互鉴权，否则，用户会首先和该业务对应的NAF联系，如果该NAF使用GAA通用鉴权框架，并且发现该用户还未到BSF进行互认证过程，NAF则通知该用户到BSF进行互鉴权以验证身份。
用户与BSF之间的GBA(互鉴权)的步骤包括：用户向BSF发出鉴权请求；BSF接到鉴权请求后，首先到HSS获取该用户的鉴权信息；BSF获得鉴权信息后采用HTTP digest AKA协议与用户进行双向认证以及密钥协商，完成用户和BSF之间身份的互相认证及共享密钥Ks的生成，BSF还为共享密钥Ks定义了一个有效期限，以便Ks进行定期更新。共享密钥Ks是作为根密钥来使用的，用于衍生出加密通信的密钥。
之后，BSF分配一个会话事务标识(B-TID)发送给用户，该B-TID与Ks相关联，可以用于标识Ks，还包含了Ks的有效期限。
用户收到B-TID后，重新向NAF发出连接请求，且请求消息中携带了该B-TID，同时用户侧根据Ks计算出衍生密钥NAF specific keys(可为Ks_NAF、或为Ks_int_NAF与Ks_ext_NAF，在后文进行了说明)。
NAF收到连接请求后，先在本地查询是否有用户携带的该B-TID，如果NAF不能在本地查询到该B-TID，则向BSF进行查询，该查询消息中携带了NAF标识和B-TID。如果BSF不能在本地查询到该B-TID，则通知NAF没有该用户的信息，此时，NAF将通知用户到BSF重新进行认证鉴权。BSF查询到该B-TID后，使用与用户侧相同的算法计算出Ks的衍生密钥Ksspecific keys，并向NAF发送成功的响应消息，该成功的响应中包括NAF所需的B-TID、与该B-TID对应的衍生密钥NAF specific keys、以及BSF为该密钥设置的有效期限。NAF收到BSF的成功响应消息后，就认为该用户是经过BSF认证的合法用户，同时NAF和用户也就共享了由Ks衍生的密钥NAF specific keys。
之后，NAF和用户在后续的通信过程中通过NAF specific keys来进行加密通信。
当用户发现Ks即将过期，或NAF要求用户重新到BSF进行鉴权时，用户就会重复上述的步骤重新到BSF进行互鉴权，以得到新的共享密钥Ks及衍生密钥NAF specific keys。
这里需要说明的是，对于GBA_ME过程，上述用户指的是移动设备(ME)，此时所述生成的NAF specific keys即为Ks_NAF；如果是GBA_U过程，上述用户指的是移动设备中的用户识别模块(UICC)，此时所述的生成的NAF specific keys包括两个衍生密钥：给UICC的Ks_int_NAF和给ME的Ks_ext_NAF。
以上的过程适用于NAF应用客户端保存在UE的情况(即NAF应用客户端在UE的ME上，或者在UE的UICC上)。但是随着通用鉴权框架应用范围越来越广泛，出现一些新的应用场景。其中一个比较大的应用场景就是NAF应用客户端与终端分离的情况，这种情况是指：某个移动用户具备多个终端设备(除了手机以外，还具备其它终端设备如PC机，WLAN UE，掌上电脑等)，而这些终端采用同一个UICC(如SIM卡)用户信息访问网络业务，导致NAF应用客户端和UE不在同一个设备上。如图2示出了这种情况下的GAA架构，可以称为增强GAA框架，这种情况下NAF应用客户端不在手机上，而是在UE以外的某一个或者某几个外围终端设备上。当这些外围终端设备不具备GBA功能时，就会出现NAF应用客户端在外围终端设备上，与执行GBA的客户端不在同一个设备上的情况。现在的GAA规范主要针对NAF应用客户端与GBA客户端在同一个终端的情况，尚没有针对图2所述GAA构架方式的鉴权方法。
并且，对于多个外围终端设备共享一个UE上的GBA客户端时，如果这些外围终端设备中的某两个或者某几个访问同一个NAF时，还会出现多个外围终端设备采用同一个衍生密钥与某一个NAF通信的情况，造成安全隐患：如果其中一个被攻破，另外一个也会不攻自破。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了增强通用鉴权框架中的密钥协商方法，以解决NAF应用客户端与GBA客户端不同在UE时，NAF客户端与NAF的协商密钥，以实现加密通信。
本发明提供的增强通用鉴权框架中的密钥协商方法，用于外围终端设备上的网络业务应用实体NAF应用客户端与NAF之间的加密通信，包括以下步骤：
A、外围终端设备向UE请求衍生密钥；该请求中携带外围终端设备标志；
B、UE根据UE与执行用户身份初始检查验证的实体BSF的共享密钥Ks、所述外围终端设备标志计算出第一衍生密钥，并提供给外围终端设备上的NAF客户端；
C、由网络侧根据所述UE与BSF的共享密钥Ks、获取的所述外围终端设备标志，计算出与第一衍生密钥相同的第二衍生密钥，并将所述第二衍生密钥由NAF保存。
可选的，步骤A前进一步包括：NAF客户端通过外围终端设备向所述NAF发送连接请求；NAF收到所述连接请求后，查找未存储有用于所述加密通信的衍生密钥时，指示外围终端设备执行所述加密通信的密钥协商。
可选的，步骤C后进一步包括：所述第一或第二衍生密钥超过各自有效期限时，或共享密钥Ks更新后，返回步骤B。
可选的，所述UE与BSF的共享密钥Ks是UE与BSF执行互鉴权GBA过程生成的共享密钥。
可选的，步骤B进一步包括：UE提供给外围终端设备一个可用于标识所述共享密钥Ks的会话事务标识B-TID，并通过外围终端设备发送给网络侧；步骤C所述共享密钥Ks是根据所述的会话事务标识B-TID确定出的。
可选的，所述网络侧包括BSF和NAF；步骤C所述计算第二衍生密钥是由所述BSF进行计算的。
可选的，所述网络侧包括BSF和NAF；步骤C所述计算出第二衍生密钥的步骤包括：由BSF根据所述共享密钥Ks计算出临时密钥，再由NAF根据所述临时密钥和所述外围终端设备标志计算出所述第二衍生密钥。
可选的，所述计算Ks的过程中，还使用以下参数进行计算：随机数RAND、用户的IP多媒体私有身份标识IMPI、所述NAF标识，特定的字符串。
可选的，所述外围终端设备标志为以下之一：外围终端设备的MAC地址、IP地址、全局可路由的用户代理通用资源标识符GRUU、设备标识。
可选的，步骤C所述外围终端设备标志的获取步骤包括：外围终端设备向网络侧的NAF发送连接请求时，该连接请求携带所述外围终端设备标志；网络侧从所述连接请求中获取所述外围终端设备标志。
可选的，步骤C所述外围终端设备标志的获取步骤包括：所述UE将步骤A接收到的外围设备标志发送给网络侧。
可选的，步骤C后进一步包括：BSF或NAF根据外围终端设备标志识别来自某个用户的不同外围终端设备的连接请求；并据此控制所述用户执行同一个业务的不同外围终端设备接入的数量。
由上述方法可以看出，本发明实现了在GBA客户端在UE，而NAF应用客户端在其他终端状态下的GAA鉴权方式。
并且，本发明采用设备标志作为计算衍生密钥的参数之一，不同的外围终端设备访问同一个应用或NAF时，采用不同的衍生密钥可以避免同一个用户的不同外围终端设备采用相同的衍生密钥访问同一个业务。因为如果计算衍生密钥的参数不加入新的参数时，当一用户的某两个外围终端设备上的NAF应用终端在Ks的有效期内均访问某一个相同的应用时，这样由于所有参数都一样，那么为两个终端计算出来的衍生密钥也一定相同。于是造成了两个终端设备上的应用客户端采用同一密钥访问某个业务。那么其中一个被攻破，另外一个也会不攻自破，造成很大的不安全性。本发明参数里加上标识不同终端外围终端设备的设备标志后，对于不同的外围终端设备终端计算出来的衍生密钥就会不一样，提高了安全性。
另一方面，外围终端设备上NAF应用客户端向NAF报告自己的设备标志，不但可以对不同的终端设备计算出不同的衍生密钥，而且还可以使区分来自同一个用户不同的终端的连接请求，这样便可以根据本地策略，处理一个用户的多个终端的接入问题。
附图说明
图1为GAA框架示意图。
图2为NAF应用客户端和GBA客户端分离状态下的增强GAA框架示意图。
图3为增强GAA框架中NAF客户端与NAF通信的密钥协商流程图。
具体实施方式
下面参见图3示出的本发明的GAA鉴权流程图，其中，示出的UE和外围终端设备均属于同一个用户，下面对增强GAA框架下的NAF应用客户端与NAF通信的密钥协商方法进行说明，包括以下步骤：
步骤301：外围终端设备上的NAF应用客户端需要使用某种业务时，向该业务对应的NAF发送连接请求。如果该NAF应用客户端知道需要到BSF进行互鉴权过程，则可以跳过这一步骤，直接进入步骤303。
步骤302：收到请求后，NAF查找是否已经存储了该对应于用户设备有效的衍生密钥，如果没有，指示外围终端设备上的NAF应用客户端采用加密方式与其通信，例如可指示采用GAA密钥与其进行安全通信，如果已经存在有效的NAF与该用户设备的共享的衍生密钥，则直接使用该密钥通信，并结束本流程。
步骤303：收到指示后，外围终端设备上NAF应用客户端向UE请求本次要与NAF加密通信所使用的衍生密钥NAF specific keys，并在请求消息里携带所述NAF标识、外围终端设备的设备标志。
这里，设备标志是指用于区分不同外围终端设备的标识符，可以是设备MAC地址，IP地址，或者是GRUU标志(Globally Routable UA URI，全局可路由的用户代理通用资源标识符)，设备标识(类似于ME的IMEI)等。外围终端设备可以通过数据线、USB、蓝牙、或红外线等接口作为本地接口与UE相连以交互消息。
步骤304：UE接到请求后，在本地查找是否具备有效的Ks。如果具备有效的Ks，直接转入步骤308；如果没有有效的Ks，那么就向BSF发送鉴权请求，以执行GBA过程。
步骤305：根据GBA过程，收到鉴权请求的BSF到HSS获取该用户的鉴权信息。
步骤306：BSF获得鉴权信息后与UE进行双向认证以及密钥协商，完成用户和BSF之间身份的互相鉴权及共享密钥Ks的生成。
步骤307：BSF还可为Ks定义一个有效期，并分配一个可用于标识Ks的会话事务标识(B-TID)发送给UE。并在Ks到期后，返回步骤305以更新Ks。
步骤308：UE根据Ks计算衍生密钥，计算参数除了Ks、″gba-me″‖RAND‖IMPI‖NAF_ID以外，还包括外围终端设备的设备标志，从而实现为不同的外围终端设备生成不同的衍生密钥NAF specific keys。具体来说，可分为：
当UICC具备GBA功能时(属于GBA_U过程)，由UICC计算衍生密钥Ks_ext_NAF和Ks_int_NAF。如：Ks_ext_NAF＝KDF(Ks，″gba-me″‖RAND‖IMPI‖NAF_Id‖设备标志)；Ks_int_NAF＝KDF(Ks，″gba-u″‖RAND‖IMPI‖NAF_Id‖设备标志)。其中RAND是一个随机数，IMPI是指用户的IP多媒体私有身份标识，NAF_ID指NAF标识，″gba-me″和″gba-u″代表字符串；KDF是密钥导出函数的缩写。
当Ks存放在ME上(属于GBA_ME过程)，则由ME计算衍生密钥Ks_NAF，如：Ks_NAF＝KDF(Ks，″gba-me″‖RAND‖IMPI‖NAF_Id‖设备标志)。
另外值得说明的是，在对外围设备的NAF specific keys的计算也可以分为两个步骤进行：第一步，按照原来的计算衍生密钥方式计算出Ks临时衍生密钥(以Ks_(ext)_NAF_temp和Ks_int_NAF_temp表示)：Ks_(ext)_NAF_temp＝KDF(Ks，″gba-me″‖RAND‖IMPI‖NAF_Id)；Ks_int_NAF_temp＝KDF(Ks，″gba-u″‖RAND‖IMPI‖NAF_Id)；第二步，再由临时衍生密钥计算外围设备的衍生密钥：Ks_int/(ext)_NAF＝KDF(Ks_int/(ext)_NAF_temp，设备标志)。
这样，如果外围设备和NAF有计算密钥的功能，该衍生密钥的计算的上述第二步还可以放在外围设备和NAF上进行，UE和BSF可以分别将Ks_int/(ext)_NAF_temp发给外围设备和NAF。
步骤309：UE通过本地接口将计算出的衍生密钥NAF specific keys和标识Ks的B-TID一起发送给外围终端设备上的NAF应用客户端。
步骤310：外围终端设备上的NAF应用客户端再次向NAF发送连接请求，并在请求消息中携带所述B-TID以及设备标志。
值得指出的是，NAF可能通过其他方式获得此次通信外围设备标志。例如，可以是运营商网络在本地配置已经配置了该外围终端的信息，外围设备或者UE通过短消息的方式告诉运营商网络(如BSF或NAF)要启用某个外围终端设备某项特征信息，运营商网络(如BSF)在本地查找到设备标志并通知NAF。也可以是外围设备或者UE通过其他消息直接告诉NAF外围设备的某项信息。之后不再赘述。
步骤311：NAF向BSF发送密钥查询消息进行查询，该查询消息中携带了NAF标识和B-TID以及设备标志。
步骤312：BSF接收到查询消息后，根据消息中的B-TID查找到对应的密钥Ks，并根据B-TID、设备标志以及NAF标识，采用与步骤308所述UE侧相同算法计算衍生密钥。
步骤313：BSF将衍生密钥NAF specific keys连同生成的该密钥的有效期一起返回给NAF。
步骤314：之后，NAF便和外围终端设备采用所述衍生密钥NAF specifickeys加密之间的通信。并在衍生密钥到期后，返回步骤308以更新衍生密钥。这里说明一下，当上述过程计算衍生密钥NAF specific keys为Ks_ext_NAF和Ks_int_NAF时，NAF和外围终端可协商选择一个作为加密通信的衍生密钥。
另外，根据设备标志可区分某一个用户的不同外围终端设备，可利用该特点实现根据配置策略控制某一用户访问某一个业务的外围终端接入数。可由BSF进行配置和接入控制，也可以将配置策略发给NAF由NAF进行控制，例如可以在USS(User Security Setting，用户安全设置)设置相应的标志，运营商进行配置好后，由BSF发给NAF，由NAF进行接入控制。
在进行接入控制时，根据设备标志来区分该用户的不同终端连接，并根据配置的策略进行相应处理。例如，如果只允许某用户同一时刻只有一个外围终端设备访问NAF(实现NAF的实体可以是某个应用服务器AS)，那么如果发现该用户有新的终端连接请求，则可以拒绝新的连接请求，也可断开旧的连接接入新的连接。
从上可以看出，本发明实现了GBA客户端在UE，而NAF应用客户端在其他终端状态下的GAA鉴权方式，从而实现了这种情况下的NAF应用客户端与NAF的加密通信。并且，为了保证足够的安全性，不同的外围终端设备访问同一个应用或NAF时，针对不同的外围终端设备生成不同Ksspecific key用于所述加密通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种增强通用鉴权框架中的密钥协商方法，用于外围终端设备上的网络业务应用实体NAF应用客户端与NAF之间的加密通信，其特征在于，包括以下步骤：
A、外围终端设备向UE请求衍生密钥；该请求中携带外围终端设备标志；
B、UE根据UE与执行用户身份初始检查验证的实体BSF的共享密钥Ks、所述外围终端设备标志计算出第一衍生密钥，并提供给外围终端设备上的NAF客户端；
C、由网络侧根据所述UE与BSF的共享密钥Ks、获取的所述外围终端设备标志，计算出与第一衍生密钥相同的第二衍生密钥，并将所述第二衍生密钥由NAF保存。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A前进一步包括：
NAF客户端通过外围终端设备向所述NAF发送连接请求；
NAF收到所述连接请求后，查找未存储有用于所述加密通信的衍生密钥时，指示外围终端设备执行所述加密通信的密钥协商。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C后进一步包括：所述第一或第二衍生密钥超过各自有效期限时，或共享密钥Ks更新后，返回步骤B。
4、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述UE与BSF的共享密钥Ks是UE与BSF执行互鉴权GBA过程生成的共享密钥。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B进一步包括：UE提供给外围终端设备一个可用于标识所述共享密钥Ks的会话事务标识B-TID，并通过外围终端设备发送给网络侧；
步骤C所述共享密钥Ks是根据所述的会话事务标识B-TID确定出的。
6、根据权利要求1所述的方法，特征在于，所述网络侧包括BSF和NAF；
步骤C所述计算第二衍生密钥是由所述BSF进行计算的。
7、根据权利要求1所述的方法，特征在于，所述网络侧包括BSF和NAF；
步骤C所述计算出第二衍生密钥的步骤包括：由BSF根据所述共享密钥Ks计算出临时密钥，再由NAF根据所述临时密钥和所述外围终端设备标志计算出所述第二衍生密钥。
8、根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述计算Ks的过程中，还使用以下参数进行计算：随机数RAND、用户的IP多媒体私有身份标识IMPI、所述NAF标识，特定的字符串。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外围终端设备标志为以下之一：
外围终端设备的MAC地址、IP地址、全局可路由的用户代理通用资源标识符GRUU、设备标识。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述外围终端设备标志的获取步骤包括：
外围终端设备向网络侧的NAF发送连接请求时，该连接请求携带外围终端设备标志；
网络侧从所述连接请求中获取所述外围终端设备标志。
11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述外围终端设备标志的获取步骤包括：所述UE将步骤A接收到的外围设备标志发送给网络侧。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C后进一步包括：
BSF或NAF根据外围终端设备标志识别来自某个用户的不同外围终端设备的连接请求；
并据此控制所述用户执行同一个业务的不同外围终端设备接入的数量。
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