中国移动WLANSIM认证.docx

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中国移动WLANSIM认证

WLAN无感知认证试点技术方案2012（SIM认证）

1.背景

EAP-SIM/AKA是EAP认证方法的一种实现方式，其通过用户（U）SIM卡信息进行认证，与蜂窝认证方式相同，当用户使用SIM卡时，执行EAP-SIM认证流程，当用户使用USIM卡时，执行EAP-AKA认证流程，整个认证过程不需要用户介入任何手工操作，完全由终端自动完成。

2.技术原理

如下图，终端与AC之间通过EAPoL协议通信，AC和AAA服务其通过Radius协议转发EAP消息，AAA服务器使用MAP协议从HLR/HSS获取用户（U）SIM卡鉴权向量，并完成认证，AAA服务器是认证的执行点。

EAP-SIM/AKA认证流程参考如下国际标准

[1]3GPPTS33.234v6.9.0,"WLANInterworkingSecurity".

[2]3GPPTS23.234v6.10.0,"WLANInterworking;SystemDescription".

[3]IETFRFC4186,"EAP-SIM"

[4]IETFRFC4187,"EAP-AKA"

[5]IETFRFC3748,"ExtensibleAuthenticationProtocol（EAP）".

3.关键技术问题

3.1SIM认证签约

3GPP标准规定HSS存放WLAN用户签约信息，AAA服务器与HSS之间通过Diameter协议互通。

对于仍使用HLR的网络，标准建议AAA服务器模拟成MSCServer或者SGSN与HLR交互，完成认证并获取签约数据。

对于认证部分，AAA服务器可完全重用现有D接口或Gr接口的认证消息，但对于如何在HLR标识WLAN签约数据以及如何下发签约数据，标准并未做任何定义和解释。

试点阶段，HLR通过运营商自定义签约字段HPLMNODB第三位（plmn-SpecificBarringType3）存放SIM认证签约开通信息，签约信息通过BOSS开通。

HPLMNODB字段格式见下：

odb-HPLMN-Data{

plmn-SpecificBarringType1（0）,

plmn-pecificBarringType2

（1）,

plmn-SpecificBarringType3

（2）,

plmn-SpecificBarringType4（3）}

为便于BOSS对SIM/PEAP/MAC三种认证方式进行统一业务控制，AAA服务器也存放用户SIM认证签约开通信息，签约信息通过Portal服务器特定页面开通。

HLR上默认对所有潜在试点用户开通SIM认证，SIM认证是否通过由AAA根据自身存储的用户手机号对应的SIM认证签约信息进行控制。

需要通过试点评估HLR保留SIM认证签约信息的必要性。

3.2HLR签约信息下发

如果AAA模拟为MSC服务器，可通过RestoreData方式下发签约参数；如果AAA模拟为SGSN，可通过GPRSUpdateLocation方式下发签约参数。

两种下发方式区别如下：

下发方式

业务签约

WLAN与PS同时附着

在线停机

复制卡控制

厂家支持情况

MAPrestoredata

共有参数+CS特有

支持

不支持

不支持

爱立信HLR需改造其他厂家均支持

MAPGPRSupdatelocation

共有参数+PS特有

不支持

支持

支持

中兴、诺西HLR需改造，其他厂家均支持

使用GPRSUpdateLocation时，如果分组域自有业务已经在线，此时并发接入WLAN时会导致分组域业务下线；如果WLAN业务已经在线，用户并发使用分组域自有业务，可通过AAAServer的控制，避免对WLAN业务的影响。

试点阶段优选通过RestoreData下发签约参数。

对于已支持GPRSUpdateLocation下发签约参数的省份，可在试点中评估此下发方式对分组域自有业务体验影响。

AAA服务器需要配置试点省份IMSI号段范围，通过IMSI号段判断归属省，以区别使用签约下发消息。

3.3SSID设置

需设置新的SSID（CMCC-AUTO），支持存量终端使用SIM认证方式。

SIM认证与PEAP认证使用相同SSID。

3.4下线控制

SIM认证仍保留8小时下线机制

可通过AC开关开启/关闭SIM认证对应SSID的15分钟下线机制。

（已确认，部分AC厂家已支持，部分AC厂商需升级支持）。

3.5Keep-alive机制（可选）

AC利用EAP信令周期性探测UE状态，如果UE在一定时间内无响应（异常关机、移出WiFi覆盖区域），则网络侧对此用户进行下线操作。

具体实现机制如下图：

AC在一定时间内无流量后，向终端发送EAP-Request/identity消息，终端如果在线则回复EAP-Response消息，如果AC收到终端响应后，回复EAP-Success，如果AC没有收到终端响应，则在一定时间内重发EAP-Request消息，在重传一定次数后，仍未收到响应，则从网络侧下线用户。

此机制可能存在如下潜两个问题：

1）上述流程不是标准流程，部分终端周期性收到心跳后，可能出于安全或其它因素考虑，不处理EAP-Request消息。

2）终端在EAP-Response消息中可能不携带网络侧分配的伪随机名或快速鉴权名，而是携带IMSI，增加空口传输IMSI的概率。

鉴于部分厂家已支持此功能，试点期间作为可选项，在提供此功能的厂家设备上验证其效果。

AC如果支持Keep-alive机制，对AC性能有一定影响，可通过试点进行评估。

4.接入流程

4.1总体接入流程

统一认证接入包括802.11建立关联、认证、DHCP地址分配、UE与AC保活、计费、网络退出几个阶段。

总体接入流程如下图描述：

图1统一认证总体接入流程

4.2EAP-SIM认证

图2EAP-SIM全鉴权认证接入流程

EAP-SIM全鉴权认证接入流程说明：

1）WLANUE和WLANAN建立关联之后，UE向WLANAN发送EAPoL-Start，发起鉴权请求。

2）WLANAN发送EAP-Request/Identity消息到WLANUE。

3）WLANUE回复EAP-Response/Identity消息，向网络发送其用户身份标识信息，身份标识可以为伪随机NAI或永久NAI。

4）WLANAN将EAP报文使用RADIUSAccess-Request消息封装，并将Identity放在RADIUS的User-Name属性中，发送给3GPPAAAServer。

5）3GPPAAAServer收到包含用户身份的EAP-Response/Identity报文。

6）3GPPAAAServer识别出用户准备使用的认证方法为EAP-SIM。

如果UE送上的Identity为伪随机NAI，3GPPAAAServer检查本地没有该伪随机NAI与IMSI的映射关系，则使用EAPRequest/SIM-Start消息再次请求永久NAI（6、7、8、9步仅用于WLANUE漫游到新的拜访地而使用其他AAA分配的伪随机NAI接入认证的场景）。

EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中，发送给WLANAN。

7）WLANAN转发EAP-Request/SIM-Start消息到WLANUE。

8）WLANUE使用EAP-Response/SIM-Start消息携带永久NAI进行响应

9）WLANAN转发EAP-Response/SIM-Start消息携带永久NAI到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

10）3GPPAAAServer检查本地是否缓存可用的鉴权向量，如果没有则向HLR发送MAP_SEND_AUTH_INFO请求，请求获取n组鉴权向量（n可配置，取值范围1~5，缺省建议5组，具体要求参见本试点方案6.3.1节AAA鉴权功能内容）。

11）HLR响应3GPPAAAServer鉴权请求，下发n组鉴权三元组。

12）3GPPAAAServer检查本地是否存在用户的签约信息。

如果没有，则AAA向HLR发起MAP_UPDATE_GPRS_LOC或MAP-RESTORE-DATA获取用户签约信息，具体消息的使用请参照3.2节HLR签约消息下发要求。

13）HLR向3GPPAAAServer发起插入用户数据MAP_INSERT_SUBS_DATA请求，向3GPPAAAServer插入数据。

14）3GPPAAAServer响应HLR插入用户数据消息，完成用户签约信息获取。

15）HLR向3GPPAAAServer回复MAP_UPDATE_GPRS_LOC或MAP-RESTORE-DATA完成HLR的交互流程。

具体消息的使用必须与步骤12）中使用的消息匹配，且必须符合3.2节HLR签约消息下发要求。

16）3GPPAAAServer检查用户签约通过后，根据算法生成TEKs、MSK和EMSK（参见IETFRFC4186），将N组（N可配置，取值为2或3，默认N=2）RAND串起来后生成一个N*RAND。

为支持标识保密功能，AAAServer还要生成伪随机NAI和快速重鉴权NAI，用于后续的全鉴权和快速重鉴权过程。

17）3GPPAAAServer在EAP-Request/SIM-Challenge消息中发送RAND，一个消息鉴权码（MAC）和2个用户标识（伪随机NAI和快速重鉴权NAI）给WLANAN，EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中。

3GPPAAAServer可选发送给WLANUE一个指示。

指出希望保护最后的成功结果消息（如果结果成功）。

18）WLANAN转发EAPRequest/SIM-Challenge消息到WLANUE。

19）WLANUE根据每个RAND为128bit，解析出m个RAND，依据GSM算法得出K_sres，K_int，K_ency，Session_Key，并且用K_int得出AT_MAC，和接收到的AT_MAC进行比较，如果一致，表示AAAServer认证通过。

再利用K_sres作为key用规定的算法生成MAC_SRES。

20）WLANUE使用新密钥素材覆盖整个EAP消息计算新消息认证码（messageauthenticationcode，MAC）值。

WLANUE发送包含RES和新消息认证码的EAPResponse/SIM/Challenge消息给WLANAN。

如果WLANUE从3GPPAAAServer收到认证结果保护指示，则WLANUE必须在此消息中包含结果指示。

否则WLANUE必须忽略该指示。

21）WLANAN发送EAPResponse/SIM-Challenge报文到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

22）3GPPAAAServer利用本端产生的K_sres作为key生成MAC_SRES，和接收到的MAC_SRES进行比较，如果一致，表示客户端认证通过。

23）如果所有检查都成功，且3GPPAAAServer之前发送过认证结果保护标识，则3GPPAAAServer必须在发送EAPSuccess消息前发送EAPRequest/SIM/Notification消息。

EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中，且用MAC保护。

24）WLANAN转发EAP消息到WLANUE。

25）WLANUE发送EAPResponse/SIM-Notification。

26）WLANAN转发EAPResponse/SIM-Notification消息到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

3GPPAAAServer必须忽略该消息内容。

27）3GPPAAAServer发送EAP-Success消息到WLANAN（可能在发送EAPNotification之前，参见第23步描述）。

如果3GPPAAAServer产生了额外的用于WLANAN和WLANUE间链路保护的机密性和/或完整性保护的鉴权密钥，3GPPAAAServer在RADIUSAccess-Accept消息中包含这些密钥素材。

28）WLANAN通过EAPSuccess消息通知WLANUE鉴权成功。

至此，EAP-SIM交互已经成功完成，WLANUE和WLANAN共享交互过程中生成的密钥素材（WLANAN存储密钥信息，暂不使用）。

认证处理可能在任何时候失败，例如由于消息校验码检查失败或者WLANUE没有对网络请求给予响应。

这种情况下EAP-SIM过程将按IETFRFC4186中描述终止。

4.3EAP-AKA认证

图3EAP-AKA全鉴权认证接入流程

EAP-AKA全鉴权认证接入流程

1）WLANUE和WLANAN建立关联之后，UE向WLANAN发送EAPoL-Start，发起鉴权请求。

2）WLANAN发送EAP-Request/Identity消息到WLANUE。

3）WLANUE回复EAP-Response/Identity消息，向网络发送其用户身份标识信息，身份标识可以为伪随机NAI或永久NAI。

4）WLANAN将EAP报文使用RADIUSAccess-Request消息封装，并将Identity放在RADIUS的User-Name属性中，发送给3GPPAAAServer。

5）3GPPAAAServer收到包含用户身份的EAP-Response/Identity报文。

6）3GPPAAAServer识别出用户准备使用的认证方法为EAP-AKA。

如果UE送上的Identity为伪随机NAI，3GPPAAAServer检查本地没有该伪随机NAI与IMSI的映射关系，则使用EAPRequest/AKA-Identity消息再次请求永久NAI（6、7、8、9步仅用于WLANUE漫游到新的拜访地而使用其他AAA分配的伪随机NAI接入认证的场景）。

EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中，发送给WLANAN。

7）WLANAN转发EAP-Request/AKA-Identity消息到WLANUE。

8）WLANUE使用EAP-Response/AKA-Identity消息携带永久NAI进行响应

9）WLANAN转发EAP-Response/AKA-Identity消息携带永久NAI到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

10）3GPPAAAServer检查本地是否缓存可用的鉴权向量，如果没有则向HLR发送MAP_SEND_AUTH_INFO请求，请求获取n组鉴权向量（n可配置，取值范围1~5，缺省建议5组，具体要求参见本试点方案6.3.1节AAA鉴权功能内容）。

11）HLR响应3GPPAAAServer鉴权请求，下发n组鉴权五元组。

12）3GPPAAAServer检查本地是否存在用户的签约信息。

如果没有，则AAA向HLR发起MAP_UPDATE_GPRS_LOC获取用户签约信息。

具体消息的使用请参照3.2节HLR签约消息下发要求。

13）HLR向3GPPAAAServer发起插入用户数据MAP_INSERT_SUBS_DATA请求，向3GPPAAAServer插入数据。

14）3GPPAAAServer响应HLR插入用户数据消息，完成用户签约信息获取。

15）HLR向3GPPAAAServer回复MAP_UPDATE_GPRS_LOC响应消息，完成HLR的交互流程。

具体消息的使用必须与步骤12）中使用的消息匹配，且必须符合3.2节HLR签约消息下发要求。

16）3GPPAAAServer检查用户签约通过后，根据算法生成TEKs、MSK和EMSK（参见IETFRFC4187）。

为支持标识保密功能，AAAServer还要生成伪随机NAI和快速重鉴权NAI，用于后续的全鉴权和快速重鉴权过程。

17）3GPPAAAServer在EAP-Request/AKA-Challenge消息中发送RAND，AUTH,一个消息鉴权码（MAC）和2个用户标识（伪随机NAI和快速重鉴权NAI）给WLANAN，EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中。

3GPPAAAServer可选发送给WLANUE一个指示。

指出希望保护最后的成功结果消息（如果结果成功）。

18）WLANAN转发EAP-Request/AKA-Challenge消息到WLANUE。

19）WLANUE运行USIM中UMTS算法。

USIM验证AUTN并且据此认证网络。

如果AUTN验证错误，终端拒绝鉴权（未在本例中显示）。

如果序列号验证失败，终端发起同步过程。

参见[IETFRFC4187]。

重同步过程如下：

A、USIM计算根据Ki、SQN、AMF以及随机数RAND通过f1star计算MAC－S，MAC－S和SQN一起组成AUTS。

然后向3GPPAAAServer发送鉴权失败消息，带有参数AUTS。

B、3GPPAAAServer收到带有AUTS参数的鉴权失败消息后，发现是重同步过程，就向HLR/AUC索取新的鉴权向量。

C、HLR收到3GPPAAAServer的索取鉴权向量请求后，发现是重同步过程，就转入同步过程的处理。

首先验证SQN是否在正确的范围内，即下一个产生的序列码SQN是否能被USIM接受。

如果SQN在正确的范围内，那么HLR/AUC产生一批新的鉴权向量并把它发送给3GPPAAAServer。

如果SQN不在正确的范围内，则HLR/AUC根据Ki、SQN、AMF、RAND通过f1star算法计算并验证XMAC－S。

如果XMAC－S=MAC－S，则把SQNms的值赋给SQNHE，然后产生一批新的鉴权向量并把它发送给3GPPAAAServer。

D、3GPPAAAServer重新向MS发起一个鉴权流程，处理同正常的鉴权过程。

如果AUTN验证正确，USIM计算RES,IK和CK。

WLANUE从由USIM新计算出的IK和CK推导出新的附加密钥素材。

用新导出的密钥素材检查收到的MAC。

如果收到受保护的伪随机身份和快速重鉴权身份，WLANUE保存这些临时身份用于后续鉴权。

20）WLANUE使用新密钥素材覆盖整个EAP消息计算新消息认证码（messageauthenticationcode，MAC）值。

WLANUE发送包含RES和新消息认证码的EAPResponse/AKA-Challenge消息给WLANAN。

如果WLANUE从3GPPAAAServer收到认证结果保护指示，则WLANUE必须在此消息中包含结果指示。

否则WLANUE必须忽略该指示。

21）WLANAN发送EAP-Response/AKA-Challenge报文到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

22）3GPPAAAServer检查收到的消息认证码（MAC）比较XRES和收到RES。

23）如果所有检查都成功，且3GPPAAAServer之前发送过认证结果保护标识，则3GPPAAAServer必须在发送EAPSuccess消息前发送EAP-Request/AKA-Notification消息。

EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中，且用MAC保护。

24）WLANAN转发EAP消息到WLANUE。

25）WLANUE发送EAP-Response/AKA-Notification。

26）WLANAN发送EAP-Response/AKA-Notification消息到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

3GPPAAAServer必须忽略该消息内容。

27）3GPPAAAServer发送EAPSuccess消息到WLANAN（可能在发送EAP-Notification之前，参见第23步描述）。

如果3GPPAAAServer产生了额外的用于WLANAN和WLANUE间链路保护的机密性和/或完整性保护的鉴权密钥，3GPPAAAServer在RADIUSAccess-Accept消息中包含这些密钥素材（WLANAN存储密钥信息，暂不使用）。

28）WLANAN通过EAPSuccess消息通知WLANUE鉴权成功。

至此，EAP-AKA交互已经成功完成。

认证处理可能在任何时候失败，例如由于消息校验码检查失败或者WLANUE没有对网络请求给予响应。

这种情况下EAP-AKA过程将按IETFRFC4187中描述终止。

4.4快速鉴权

在每一次全鉴权认证后，为了节省信令开销和认证时延，AAA服务器可为终端分配快速鉴权用户名，之后终端和网络间进行快速鉴权。

超过快速鉴权设定次数后或者超过快速鉴权设定周期后，AAA服务器重新进行全鉴权。

4.4.1EAP-SIM快速鉴权

图4EAP-SIM快速鉴权接入流程

EAP-SIM快速鉴权接入流程说明：

1）WLANAN发送EAP-Request/Identity消息到WLANUE。

2）WLANUE用包含快速重鉴权身份的EAP-Response/Identity消息（该快速重鉴权身份有之前的全鉴权流程中3GPPAAAServer下发）。

3）WLANAN转发EAPResponse/Identity消息到AAAServer，EAP报文封装在RADIUSAccess-Request消息中。

4）3GPPAAAServerr根据NAI识别UE发起EAP-SIM快速重鉴权流程，且快速重鉴权NAI可识别。

启动计数器并在EAP-Request消息中包含NONCE、MAC和用于下一次快速重鉴权受保护的快速重鉴权标识。

该计数器由全鉴权过程初始化为1。

EAP报文封装在RADIUSAccess-Challenge消息中

3GPPAAAServer可选地发送一个结果指示给WLANUE。

3GPPAAAServer如果无法识别UE送上来的快速重鉴权NAI，3GPPAAAServer则发起全鉴权流程中的6、7、8、9步，用于获取UE的永久NAI。

后续流程即为EAP-SIM的全鉴权流程，详细参考以上EAP-SIM全鉴权流程。

5）WLAN-AN转发EAP-Request消息到WLANUE。

6）WLAN-UE校验计数器之最新，消息认证码正确并发送包含相同计数器值（由AAAServer累加）和计算的消息鉴权码（MAC）的EAP-Response消息。

7）WLANAN转发EAP-Response响应消息到3GPPAAAServer，EAP报文封装在RADIUSA