LTE及LTE-A網(wǎng)絡(luò)安全性的分析與改進(jìn).pdf

1、近些年來(lái)，寬帶移動(dòng)無(wú)線通信的高需求以及大量無(wú)線多媒體應(yīng)用的出現(xiàn)，促使了寬帶無(wú)線接入技術(shù)不斷的發(fā)展。為了確保自己在蜂窩通信技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效地填補(bǔ)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間存在的技術(shù)差距，第三代伙伴組織計(jì)劃(3GPP)于2004年底啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)和系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)兩大計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)化工作。通過(guò)設(shè)計(jì)新的無(wú)線接入技術(shù)并進(jìn)一步改進(jìn)LTE系統(tǒng)，3GPP于2008年開始了LTE-Advanced(LTE-A)的研究

2、工作，并將其作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織的第四代通信系統(tǒng)(4G)標(biāo)準(zhǔn)。由于3GPP LTE和LTE-Advanced(LTE-A)的架構(gòu)支持扁平化的IP連接以及多種無(wú)線技術(shù)的全交互操作，這些新的特征為設(shè)計(jì)LTE和LTE-A系統(tǒng)的安全機(jī)制帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
　　為了克服第三代通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)安全機(jī)制中存在的安全缺陷，3GPP LTE提出了一種新的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制EPS AKA以及一個(gè)新的密鑰分層和切換密鑰管理機(jī)制去確保LTE系統(tǒng)

3、架構(gòu)中接入和移動(dòng)過(guò)程的安全性。除了保持了LTE系統(tǒng)的安全強(qiáng)度外，LTE-A系統(tǒng)引進(jìn)了多種新的實(shí)體和應(yīng)用如機(jī)器類型通信、家庭基站、中繼節(jié)點(diǎn)等，并詳細(xì)描述了相關(guān)的安全缺陷、安全需求以及相應(yīng)的對(duì)策。然而，現(xiàn)存的LTE/LTE-A網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制仍然存在著大量的安全問(wèn)題。因此需要進(jìn)一步的研究和解決。
　　本文系統(tǒng)的分析了現(xiàn)存LTE和LTE-A網(wǎng)絡(luò)中存在的安全問(wèn)題，并針對(duì)其中的安全問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決方法。本文主要取得以下成果。
　　1)

4、首先分析了現(xiàn)存的家庭基站(HeNB)與普通基站(eNB)相互切換的過(guò)程，指出現(xiàn)存的3GPP LTE HeNB和eNB之間的切換過(guò)程不僅需要針對(duì)不同的場(chǎng)景采用不同的切換認(rèn)證流程，而且需要一種復(fù)雜的切換密鑰管理機(jī)制來(lái)管理和生成密鑰，這將增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，現(xiàn)存的LTE切換認(rèn)證過(guò)程以及切換密鑰管理機(jī)制中存在大量的安全缺陷，如不能抵抗后向安全攻擊、去同步攻擊以及重放攻擊等。針對(duì)上述的問(wèn)題，提出了一種適合于所有場(chǎng)景的快速安全的切換認(rèn)證方案

5、。與其他切換方案相比，提出的方案不但實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的認(rèn)證過(guò)程和理想的效率，并且提供了包括前向和后向安全等多種安全特征。同時(shí)在形式化工具AVISPA和SPAN的輔助驗(yàn)證下，該協(xié)議達(dá)到了設(shè)計(jì)的安全需求。
　　2)其次分析了多種無(wú)線技術(shù)交互操作中所存在的安全問(wèn)題，指出現(xiàn)存的3GPPLTE-A接入網(wǎng)絡(luò)(E-UTRAN)與其他非3GPP接入網(wǎng)絡(luò)之間的切換認(rèn)證過(guò)程需要執(zhí)行完整的接入認(rèn)證協(xié)議并且針對(duì)不同的移動(dòng)場(chǎng)景需要不同的認(rèn)證流程，從而造成大量的信

6、息交換而且增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。基于上述問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了一種適合于異種無(wú)線接入系統(tǒng)之間的快速安全認(rèn)證協(xié)議，與其他現(xiàn)存的方案相比，提出的方案不但可提供包括前向安全以及用戶匿名等多種強(qiáng)的安全特征，而且可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的認(rèn)證過(guò)程以及理想的效率。此外在形式化工具TLA+和TLC的輔助驗(yàn)證下，該協(xié)議達(dá)到了設(shè)計(jì)的安全需求。
　　3)最后分析了機(jī)器類型通信(MTC)在LTE-A網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用安全問(wèn)題，指出現(xiàn)存的3GPP LTE-A網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足大量設(shè)