IMS AKA鑑權及應用流程詳解

@auth doubleRabbit
@date 2017-03-14

目的

• 瞭解鑑權及通訊類業務相關鑑權演算法的概念原理
• 瞭解IMS註冊流程
• 瞭解IMS鑑權流程應用

鑑權含義

鑑權是指使用者訪問系統的權利，是提升系統安全性的一種方式，傳統鑑權方法就是使用者名稱與密碼。
鑑權與授權的區別聯絡。邏輯上授權過程發生在鑑權之後，而實際中有時鑑權與授權對於使用者來說體現為同一過程。例如在EPC附著過程中，先發生AIA鑑權過程，再發生ULR位置更新過程（授權）。
接下來講的是針對通訊類業務應用場景，具體涉及IMS註冊流程。

鑑權型別

單向鑑權：使用者鑑權，即網路對使用者鑑權，防止非法使用者接入網路。
雙向鑑權：使用者鑑權與網路鑑權。網路鑑權即使用者鑑權網路，防止使用者接入了非法的網路，例如偽基站。
手機入網採用訊號強弱來進行選擇，偽基站一般發射功率大，相信很多人在2G/3G情況下都碰到過這種情況下，當你到過某一區域時，手機突然離線馬上又上線，收到詐騙與廣告資訊，此時打不通電話，離開一段距離後，又恢復正常。這是由於2G/3G時代採用單向鑑權，偽基站鑑權使用者時直接通過，附著上然後獲取到了你的手機號與卡資訊，給你發資訊，如果雙向鑑權的話，偽基站不知道卡的密碼資訊，手機鑑權網路是肯定不通過的。

鑑權機制與演算法

鑑權機制

鑑權機制是指鑑權過程的執行方式，機制它規範了業務的操作流程。
摘要認證，HTTP/1.0中包括了基本訪問鑑別方案，該方案是採用明文的使用者名稱與密碼在網路傳輸，這樣非常的不安全，後來發展成為基於雜湊加密方式的摘要認證方式，摘要認證的基本意思為取需要認證的一部分資訊，然後利用雜湊加密方法計算得出其比較值。其根據使用協議分為HTTP摘要認證與SIP摘要認證，兩者的計算方法一樣，只是涉及到協議的欄位含義不一樣而己。
SIP摘要：適用於無ISIM 卡的移動和固定終端
HTTP摘要
IMS AKA（AKAV1_MD5與AKAV2_MD5）：適用於具有ISIM 卡的移動和固定終端，是對HTTP摘要認證的擴充套件，主要用於使用者的認證和會話金鑰的分發
EARLY_IMS
NASS_BUNDLED

鑑權機制	鑑權型別
HTTP摘要	單向
SIP摘要	單向
IMS AKA	雙向

鑑權演算法

鑑權演算法是指鑑權過程中相關值（原始值、中間值及終值）的生成方法。

MD5

Message Digest Algorithm MD5，為電腦保安領域廣泛使用的一種雜湊函式，用以提供訊息的完整性保護。另外雜湊函式還有sha-1，具有以下特點。
- 壓縮性：任意長度的資料，算出的MD5值長度都是固定的
- 容易計算：從原資料計算出MD5值很容易
- 抗修改性：對原資料進行任何改動，哪怕只修改1個位元組，所得到的MD5值都有很大區別
- 強抗碰撞：已知原資料和其MD5值，想找到一個具有相同MD5值的資料（即偽造資料）是非常困難的
MD5以512位分組來處理輸入的資訊，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經過了一系列的處理後，演算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯後將生成一個128位雜湊值。目前各個版本語言都有其開源的實現，如linux系統下的實現檔案（md5.h/md5.c）。

Base64

Base64是一種用64個字元來表示任意二進位制資料的方法。其64個字元如下。
['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']
然後對二進位制數進行處理，以每3個位元組一組，共24位，再次進行劃分為4組，以6bit表示一組，最後以6bit一組所代表的數值進行查64個字元表中該位置所對應的字元，所得出的字元即為編碼後的字元。可想而知Base64編碼會把3位元組的二進位制資料編碼為4位元組的文字資料，長度增加33%。

如果要編碼的二進位制資料不是3的倍數，最後會剩下1個或2個位元組怎麼辦？Base64用\x00位元組在末尾補足後，再在編碼的末尾加上1個或2個=號，表示補了多少位元組，解碼的時候，會自動去掉。
Base64適用於小段內容的編碼，比如數字證書籤名、Cookie的內容等。
示例：
EFHcj+MdcOJcptPq9IiBG+K8+3koDIAALYGFWwW8BZM=
解碼：以上示例總為44個字元，即44*6=264個bit，由於末尾有一個=表示補充了1個位元組8位，所以真實長度為264-8=256位，即標準32個位元組。

AKA

AKA機制是由IETF制定、並被3GPP採用，廣泛用於3G無線網路的鑑權機制。IMS的鑑權機制沿用了這種機制的原理和核心演算法，演算法的詳細介紹查閱TS33.102文件。

以上為AKA演算法的原理結構圖，AKA演算法有Milenage與XOR兩種具體實現方式，一般常用Milenage實現方式，目前對於演算法基本（f1-f5）實現均有不同語言的開源實現。

引數	長度（bits）	備註
SQN	48	序列號
AK	48	匿名鑰匙
CK	128	加密金鑰
IK	128	完整性金鑰
AMF	16	鑑權管理域
MAC	64	訊息鑑權碼
MAC-A	64	網路鑑權碼，一般鑑權時作為MAC值
MAC-S	64	重同步鑑權碼，重同步鑑權時作為MAC值
RES	64	鑑權響應
XRES	64	期望鑑權響應，HSS下發給MME，UE響應後計算響應與此比較，一致則通過
c1,c2,c3,c4,c5	128	常數，與或運算的中間變數
r1,r2,r3,r4,r5		0-127的整數，目標引數的週期性旋轉量

Milenage演算法使用的符號含義

符號	備註
=	等於
十字圓	與或運算
||	串聯運算，如0000||1111=00001111

IMS業務流程

註冊流程

IMS作為IP融合架構下統一的呼叫會話控制中心，詳細的網元意圖在些不表，涉及到的協議為SIP、Diameter，在UE接入註冊時需要執行鑑權過程，如下圖所示。

鑑權關鍵點：
1，第6步SCSCF向HSS通過MAR請求鑑權向量AV，圖為五元向量組，實際為四元向組（AUTH,XRES,CK,IK）；
2，第16步SCSCF計算UE的挑戰回應。
抓包流程如下

信令內容如下
1，UE發起REGISTER訊息，攜帶註冊內容與鑑權相關引數，nonce與response均為空；

Security-Client: ipsec-3gpp;alg=hmac-sha-1-96;prot=esp;mod=trans;ealg=des-ede3-cbc;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800,ipsec-3gpp;alg=hmac-sha-1-96;prot=esp;mod=trans;ealg=aes-cbc;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800,ipsec-3gpp;alg=hmac-sha-1-96;prot=esp;mod=trans;ealg=null;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800,ipsec-3gpp;alg=hmac-md5-96;prot=esp;mod=trans;ealg=des-ede3-cbc;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800,ipsec-3gpp;alg=hmac-md5-96;prot=esp;mod=trans;ealg=aes-cbc;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800,ipsec-3gpp;alg=hmac-md5-96;prot=esp;mod=trans;ealg=null;spi-c=10056063;spi-s=50257488;port-c=31100;port-s=31800
Authorization: Digest username="460001023420005@ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
realm="ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
uri="sip:ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
nonce="",response=""

2，SCSCF針對初始註冊發起401鑑權挑戰，注入nonce值；

WWW-Authenticate: Digest nonce="EFHcj+MdcOJcptPq9IiBG+K8+3koDIAALYGFWwW8BZM=",
algorithm=AKAv1-MD5,
realm="ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
ik=c38457266f24afc342f74258a1c9bd48,
ck=8301e8fb4ac1a2e45e591c3a00c08a2f

3，UE回應挑戰，SCSCF鑑權使用者響應

Authorization: Digest nonce="EFHcj+MdcOJcptPq9IiBG+K8+3koDIAALYGFWwW8BZM=",
username="460001023420005@ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
uri="sip:ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
realm="ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org",
algorithm=AKAv1-MD5,
response="230aecb0480f1db901de081c8b62b964",
integrity-protected="yes"

IMS AKA鑑權流程

IMS AKA鑑權流程涉及到終端UE、PCSCF、SCSCF及HSS網元，UE與HSS共享統一的金鑰，HSS充當鑑權中心生成鑑權向量，不會將原始的金鑰暴露在網路上，PCSCF與UE之間建立IPSEC安全通道，直接與UE之間傳輸通訊，SCSCF負責以HSS的鑑權向量為基準真正執行鑑權決策過程。大體流程如上一節己講，接下來講一下與鑑權相關的具體實現過程。
1，UE發起初始REGISTER請求，即一個不帶integrity-protected引數的或者在認證頭中integrity-protected引數設為No的REGISTER請求，且Authorization頭域中NONCE與RESPONSE欄位值為空，指明鑑權機制為摘要認證，訊息經P/ICSCF傳遞給SCSCF，SCSCF向HSS傳送MAR請求鑑權向量，HSS生成四元鑑權向量組過程如下；

AV = AUTH||XRES||CK||IK
AUTH = SQN@AK || AMF || MAC
MAC = F1K(SQN || RAND || AMF)
CK = F3K(RAND)
IK = F4K(RAND)
AK = F5K(RAND)
XRES = F2K(RAND)

2，SCSCF收到鑑權向量後，將AUTH值經過Base64編碼後填充到401響應的Authorization頭域中的nonce欄位中，並且將IK與CK值填充到ik與ck欄位中，這兩值不需要編碼，因為屬於內部網元之間的資料交換；
3，PCSCF收到SCSCF傳送的響應，協商建立與UE之間的IPSEC通道，並且將CK與IK欄位去掉，然後將訊息傳送給UE；
4，UE收到401呼應後，通過如下方法計算XMAC值與NONCE值中的MAC值進行比較，如果通過則發起第二次REGISTER請求（CSeq遞增），說明使用者鑑權網路成功，否則繼續傳送第一次REGISTER請求；

5，SCSCF收到第二次REGISTER請求後，該請求攜帶UE計算好的RESPONSE值，SCSCF按摘要認證的方式計算出期望的RESPONSE值，如果兩者一致則說明網路鑑權使用者成功，從而完成整個雙向鑑權的過程，否則返回錯誤響應。

A1 = unq(username-value) ":" unq(realm-value) ":" passwd   // 特別注意此處的passwd即為從HSS獲取的xres值
A2 = Method ":" digest-uri-value
RESPONSE=MD5(MD5(A1),":" nc-value":" unq(cnonce-value)":" unq(qop-value)":" MD5(A2))

參考文件

IMS：移動領域的IP多媒體概念和服務
RFC 2617 摘要認證
RFC 3261 初始會話控制協議
RFC 3588 Diameter基礎協議
3GPP TS35.206 33.102 AKA核心演算法

Q&A

如有講述不當之處，請批評指正。