專利名稱：無線通信系統(tǒng)中在用戶終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行認(rèn)證的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，特別是涉及一種在無線通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)和用戶終端設(shè)備進(jìn)行相互認(rèn)證的方法，用于加快呼叫建立的過程。
背景技術(shù)：
第三代移動通信系統(tǒng)的主要目的是希望能夠為最終用戶在全球上的任何地點(diǎn)和任何時間提供無縫的服務(wù)。其中，通用移動通信系統(tǒng)(以下簡稱UMTS)作為第三代移動通信系統(tǒng)的一種網(wǎng)絡(luò)平臺，在很多運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)中都得到了應(yīng)用。圖1是UMTS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖。
用戶設(shè)備101(以下稱為UE)是用來接收作為被叫的業(yè)務(wù)或者呼叫，發(fā)送作為主叫的業(yè)務(wù)或呼叫的一個裝置。基站102(以下稱為Node B)是通過發(fā)送接收器件與用戶設(shè)備利用無線信號進(jìn)行通信的設(shè)備。UE與NodeB之間的空中接口涉及物理層和媒體接入層(以下稱為MAC層)。物理層負(fù)責(zé)處理與無線信號收發(fā)相關(guān)的操作，MAC負(fù)責(zé)將不同的業(yè)務(wù)映射到物理層上去?？刂茻o線網(wǎng)絡(luò)控制器(以下稱為CRNC)控制基站中各個小區(qū)的無線資源管理、分配及使用，負(fù)責(zé)將各個小區(qū)中的無線資源分配給用戶設(shè)備UE。無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC在對于UE的角色來說可以有服務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)控制器(以下稱為SRNC)和漂移無線網(wǎng)絡(luò)控制器(以下稱為DRNC)的區(qū)別。SRNC是為用戶設(shè)備提供無線資源控制連接(以下稱為RRC)的實體，通過它用戶設(shè)備才可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信令和從網(wǎng)絡(luò)接收控制信令。SRNC從CRNC處得到給該用戶分配的網(wǎng)絡(luò)資源，將該資源配置參數(shù)通過RRC信令發(fā)送給用戶設(shè)備。這樣用戶設(shè)備才能夠與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。SRNC與用戶設(shè)備之間的接口為Uu接口。服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)105(以下稱為SGSN)是負(fù)責(zé)管理用戶設(shè)備的移動管理狀態(tài)及會話管理狀態(tài)的實體，用戶設(shè)備的移動性管理和與會話相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量的協(xié)商也是發(fā)生在UE與SGSN之間的。SGSN與用戶設(shè)備的SRNC之間的接口為Iu，負(fù)責(zé)為用戶數(shù)據(jù)的傳輸建立用戶平面的傳輸通道及傳送信令的信令連接。網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)106(以下稱為GGSN)為用戶設(shè)備與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(以下稱為PDN)的數(shù)據(jù)傳輸起一個網(wǎng)關(guān)的功能。GGSN為用戶設(shè)備分配因特網(wǎng)協(xié)議(以下稱為IP)地址，用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)和發(fā)給該用戶的數(shù)據(jù)都以該地址為標(biāo)識。GGSN與SGSN之間的接口稱為Gn，該接口負(fù)責(zé)在SGSN與GGSN之間對業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量的協(xié)商，及建立用戶平面的GPRS用戶平面隧道(以下稱為GTP-U)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GGSN與PDN之間的接口為Gi，該接口的功能比較廣泛，可以用來對用戶進(jìn)行IP地址分配、鑒權(quán)認(rèn)證計費(fèi)等功能。GGSN最主要的功能就是接收和分析收到的數(shù)據(jù)，然后將屬于某一個用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)傳到相應(yīng)的GTP-U隧道上去。
UTRAN既可以同時和這兩個域連接，也可以只和其中的一個域連接。UTRAN的目標(biāo)是提供一組統(tǒng)一的無線承載，它可以用于突發(fā)的分組業(yè)務(wù)，也可以用于傳統(tǒng)的電話業(yè)務(wù)。每個URAN能夠在一定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行無線覆蓋，提供業(yè)務(wù)。這個區(qū)域被定義為UTRAN登記區(qū)域(以下簡稱URA)。為了提供所述的無線覆蓋，每個URAN包括一個無線網(wǎng)絡(luò)控制器(以下簡稱RNC)和其控制下的至少一個基站(以下簡稱NodeB)。從邏輯上來說，每個NodeB又可能包含至少一個蜂窩(以下簡稱Cell)。RNC可以同其它RNC相連，支持由于用戶終端設(shè)備(以下簡稱UE)移動所帶來的切換和移動性管理。CN連接到其它類型的網(wǎng)絡(luò)，從而為最終用戶提供無縫服務(wù)。
無線資源處理是UTRAN的內(nèi)部功能，CN不定義分配的無線資源類型。通常UE和RNC之間需要建立一個無線資源控制(以下簡稱RRC)連接，以便在UTRAN與UE間傳送大量的用戶數(shù)據(jù)流和信令流。RRC有兩種模式RRC連接模式和RRC空閑模式。RRC的模式描述了識別UE身份的方式。在RRC空閑模式，通過和CN有關(guān)的身份識別UE。在RRC連接模式，通過在公共傳輸信道上分配給UE的無線網(wǎng)絡(luò)臨時身份(以下簡稱RNTI)來識別UE。
參見圖2，對于UE的移動性功能，在UMTS系統(tǒng)中使用四個不同的區(qū)域概念。位置區(qū)域(以下簡稱LA)和路由區(qū)域(以下簡稱RA)用于核心網(wǎng)。URA和蜂窩Cell區(qū)域用于UTRAN。位置區(qū)域LA與CS業(yè)務(wù)有關(guān)，路由區(qū)域RA與PS業(yè)務(wù)有關(guān)。一個位置區(qū)域LA由一個CN節(jié)點(diǎn)處理。UE在一個位置區(qū)域LA中登記，也就意味著UE在處理此位置區(qū)域LA的CN節(jié)點(diǎn)中登記。一個路由區(qū)域RA由一個CN節(jié)點(diǎn)處理。UE在一個路由區(qū)域RA中登記，也就意味著UE在處理此路由區(qū)域RA的CN節(jié)點(diǎn)中登記。在UMTS系統(tǒng)中，MSC/VLR使用LA來尋呼UE，SGSN使用RA來尋呼UE。URA和Cell區(qū)域只在UTRAN中可見并用于RRC連接模式。
合并的MSC/VLR+SGSN對CS/PS業(yè)務(wù)，CN使用位置區(qū)域LA/路由區(qū)域RA。CN在開始尋呼和CS/PS業(yè)務(wù)有關(guān)的UE時，使用LA/RA。MSC/VLR和SGSN可以分配給UE一個和CS/RS業(yè)務(wù)有關(guān)的臨時身份，TMSI/P-TMSI。這個臨時身份在一個LA/RA內(nèi)是唯一的。
當(dāng)終端處于RRC連接模式時，使用UTRAN內(nèi)部區(qū)域。在UTRAN開始尋呼時使用這些區(qū)域。UTRAN內(nèi)部區(qū)域更新是無線網(wǎng)絡(luò)過程，并且在UTRAN外應(yīng)該看不見UTRAN內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)。在RRC連接模式，主要的狀態(tài)是蜂窩連接狀態(tài)和URA連接狀態(tài)，可以在蜂窩級或URA級知道UE位置。在UTRAN內(nèi)使用無線網(wǎng)絡(luò)臨時標(biāo)識符(以下簡稱RNTI)作為臨時的UE標(biāo)識，它在RRC連接建立時分配給UE。在此模式下只有一個RNC作為服務(wù)RNC，在UE和此SRNC間建立了RRC連接。
一個RA由屬于連接到同一CN節(jié)點(diǎn)的RNCs的多個蜂窩組成，RA與RNCs間的映射由擁有此RA的SGSN處理。一個LA由屬于連接到同一CN節(jié)點(diǎn)的RNCs的多個蜂窩組成，LA與RNCs間的映射由擁有此LA的MSC/VLR處理。一個RA/LA只由一個CN服務(wù)節(jié)點(diǎn)處理，即一個SGSN或者M(jìn)SC/VLR。有些運(yùn)營商可能會采用以下的組網(wǎng)方式RA與LA相等或一個RA是一個，且只能是一個LA的子集，也就是一個RA不會超過一個LA。LA與Cell間及RA與Cell間的映射在RNC內(nèi)處理。
UE一開始在CN的各自業(yè)務(wù)域進(jìn)行業(yè)務(wù)登記。當(dāng)UE從一個URA(以下稱之為舊的URA)移動到一個新的URA時，會引起新的URA所屬的RNC執(zhí)行URA更新過程，這樣在需要時，才能夠找到此UE。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商就必須通過一定的驗證過程來確信，發(fā)起URA更新的UE就是這個有效的UE。這個驗證的過程就涉及RNC對RNC和UE之間所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查。
參見圖3，每個UE內(nèi)部具有一個包含了用戶的特定信息、用于用戶識別的用戶識別模塊(以下簡稱SIM)的卡片和用于處理其他功能、特別是支持用戶移動功能的移動設(shè)備(以下簡稱ME)。SIM卡片上記錄有各種數(shù)據(jù)和可執(zhí)行文件。其中，數(shù)據(jù)部分包含了唯一永久標(biāo)識用戶身份的國際移動用戶身份(以下簡稱IMSI)、UE當(dāng)前的位置信息、完整性密匙(以下簡稱IK)以及其它安全和管理信息。在每次呼叫終止、手機(jī)完全終止服務(wù)或者當(dāng)終端從一個URA移動到另一個URA時，所述的位置信息將隨之被更新。位置信息包括了臨時用于標(biāo)識用戶的匿名標(biāo)識，它在每個URA內(nèi)部使用。根據(jù)使用RRC模式的不同、以及CS/PS業(yè)務(wù)域的不同，這個匿名標(biāo)識可能是臨時用戶識別碼(以下簡稱TMSI)、分組臨時移動用戶碼(以下簡稱P-TMSI)或者無線網(wǎng)絡(luò)臨時標(biāo)識符(以下簡稱RNTI)。
不直接使用IMSI而使用TMSI或者其它的臨時標(biāo)識來匿名標(biāo)識某一個UE的目的是出于安全方面的考慮。因為用戶身份是重要而又敏感的信息，在通信中必須保證這些信息的機(jī)密性。身份保密的目的是保護(hù)用戶的隱私，避免永久用戶標(biāo)識IMSI信息的泄漏。
TMSI/P-TMSI具有本地特征，僅在歸屬區(qū)域MSC/VLR或用戶注冊的路由區(qū)域RA內(nèi)有效。在此區(qū)域外，為避免混淆，還應(yīng)該附加一個位置區(qū)域標(biāo)識(以下簡稱LAI)或路由區(qū)域標(biāo)識(以下簡稱RAI)。臨時用戶標(biāo)識與永久用戶標(biāo)識之間的關(guān)系保存在用戶注冊的MSC/VLR或者SGSN中。
為了避免用戶的可追蹤性，通常不應(yīng)該長期使用同一TMSI/P-TMSI來鑒別一個用戶的身份。參見圖4，以PS域為例，P-TMSI的更新是在安全模式建立以后由SGSN發(fā)起，再分配過程如下首先SGSN產(chǎn)生一個新的P-TMSIn，并將該P(yáng)-TMSIn與IMSI的映射關(guān)系存儲在它的數(shù)據(jù)庫中，然后SGSN向用戶發(fā)送P-TMSIn及一個新的路由區(qū)域標(biāo)識RAIn；然后，用戶收到之后，保存P-TMSIn并自動刪除與先前P-TMSIo之間的關(guān)聯(lián)后，向SGSN發(fā)送應(yīng)答；最后，SGSN收到應(yīng)答后，從數(shù)據(jù)庫中刪除與舊的P-TMSIo的關(guān)聯(lián)，P-TMSIn用于隨后的身份鑒別過程中。
在UMTS系統(tǒng)中，當(dāng)用戶無法通過P-TMSI來鑒別其身份時，可利用IMSI來鑒別自己的身份。此過程主要用于用戶第一次注冊到一個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)或SGSN無法從P-TMSI中得到IMSI。此時，由SGSN向用戶發(fā)送IMSI請求，用戶的應(yīng)答是包含IMSI信息的純文本。
同樣出于安全方面的考慮，UE和URAN之間的通信是采用加密密匙進(jìn)行了加密的。加密密匙通常是在UE家鄉(xiāng)環(huán)境中(以下簡稱HE)的認(rèn)證中心(以下簡稱AuC)或者歸屬位置寄存器(以下簡稱HLR)中所保存的加密密匙CK。在CS域和PS域通常有不同的CK。為了避免使本專利的描述過于冗長，在下面的說明中，僅以PS域的操作為例，而略去了類似的CS域的詳細(xì)描述。
上述的CK通過認(rèn)證和密匙協(xié)商(以下簡稱AKA)過程而得到。所描述的過程是基于某個只被SIM和HLR所共享的密匙K來進(jìn)行的，UE和網(wǎng)絡(luò)各自通過證明自己都能夠獲知這個密匙，從而達(dá)到相互認(rèn)證的目的。除此之外，為了支持網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，SIM和用戶的本地環(huán)境都還各自記錄著序列號SQNMS和序列號SQNHE。對每個用戶都有一個單獨(dú)的序列號SQNHE，SQNMS表明了SIM所接受的最高的序列號。UE給相關(guān)的SGSN發(fā)送進(jìn)程接入請求消息以使其獲得該移動臺的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)出認(rèn)證請求，其中包括一個隨機(jī)數(shù)，UE按一定的算法對此隨機(jī)數(shù)進(jìn)行處理后，發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)給網(wǎng)絡(luò)方面，由網(wǎng)絡(luò)方面判斷此用戶的合法性。
參見圖5，AKA的具體過程如下首先，UE向SGSN發(fā)送能夠表明自己身份的標(biāo)識。SGSN能夠從這個標(biāo)識中直接，或者通過所存儲的P-TMSI和IMSI的映射關(guān)系間接得到唯一永久標(biāo)識用戶身份的IMSI以及其歸屬局HLR信息。然后，SGSN向該HLR發(fā)送“認(rèn)證數(shù)據(jù)請求”，請求獲得與該IMSI對應(yīng)的認(rèn)證數(shù)據(jù)。“認(rèn)證數(shù)據(jù)請求”中包含用戶的IMSI和所請求的域的類別(PS或者CS)。之后，在收到SGSN的“認(rèn)證數(shù)據(jù)請求”后，HLR隨即生成n個認(rèn)證向量(以下簡稱AV)，或者從已經(jīng)計算出的AV數(shù)據(jù)庫中取出所需的數(shù)量，按照序號排序后把它們發(fā)送給VLR。圖17描述了AV的生成方法。其中所述的AMF、f1、f2、f3、f4、f5算法超出了本發(fā)明的范圍，因此省去了對它們的詳細(xì)描述。每個AV包括以下信息隨機(jī)數(shù)RAND，期望回應(yīng)XRES，加密密匙CK，完整性密匙IK，和認(rèn)證令牌AUTN。每一個每個AV都能用于SGSN和SIM之間的一次認(rèn)證和密匙協(xié)商。
此后，當(dāng)SGSN發(fā)起一次認(rèn)證和密匙協(xié)商時，它會從排了序的AV數(shù)組種選擇下一個AV，將其中的隨機(jī)數(shù)RAND及認(rèn)證令牌AUTN發(fā)送給UE，請求用戶產(chǎn)生認(rèn)證數(shù)據(jù)。各節(jié)點(diǎn)對AV的處理是按照先進(jìn)/先出的原則。
接下來，SIM接收到認(rèn)證請求后，首先計算XMAC，并與AUTN中的MAC進(jìn)行比較，若不同，則向VLR發(fā)送拒絕認(rèn)證消息，并放棄該過程。同時還要驗證接受到的序列號SQN是否在有效的范圍內(nèi)，若不在，MS向VLR發(fā)送同步失敗消息，并放棄該過程。上述兩項均通過后，UE用f2計算出RES，用f3計算出CK，用f4算法計算出IK，并將RES發(fā)送給SGSN。
最后，SGSN接收到來自UE的RES后，將RES與AV中的XRES進(jìn)行比較，相同則認(rèn)證成功，否則認(rèn)證失敗。由于MS和HLR計算CK用的都是同一種算法f3，計算IK用的都是同一種算法f4，故而所得出的CK、IK必定相同，這樣經(jīng)過相互身份認(rèn)證和密匙協(xié)商后，SIM和SGSN分別將該過程中的CK、IK傳給具體執(zhí)行加密和完整性保護(hù)功能的ME和RNC，為以后UE和RNC的保密通信使用。
UE和網(wǎng)絡(luò)之間的相互身份認(rèn)證包括用戶認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證兩方面用戶認(rèn)證使服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠確認(rèn)用戶的身份，而網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證使用戶能夠確認(rèn)它正在使用的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)過其所注冊的家鄉(xiāng)環(huán)境HE授權(quán)從而可以給他提供服務(wù)的，其中者也包括了確認(rèn)這個授權(quán)是最新的。為了達(dá)到上述目的，通常情況下在用戶和網(wǎng)絡(luò)之間每次建立連接時，都需要彼此進(jìn)行身份認(rèn)證。在UMTS系統(tǒng)中的身份認(rèn)證過程，包括AKA和本地認(rèn)證兩種機(jī)制。其中，AKA過程就是上述的使用來自用戶家鄉(xiāng)環(huán)境HE的認(rèn)證向量來進(jìn)行的過程。當(dāng)用戶第一次注冊到一個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)時，或者在已注冊的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送服務(wù)請求(SERVICE REQUEST)、位置更新請求(LOCATIONUPDATE REQUEST)、路由區(qū)域更新請求(ROUTING AREA UPDATEREQUEST)、附著網(wǎng)絡(luò)請求(ATTAH REQUEST)、脫離網(wǎng)絡(luò)請求(DETACHREQUEST)和重建連接請求(CONNECTION RE-ESTABLISHMENTREQUEST)等命令后，采用上一次AKA所產(chǎn)生的IK能進(jìn)行的本地認(rèn)證次數(shù)已經(jīng)達(dá)到了最大限制值時，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起這種AKA過程。另一種的本地認(rèn)證機(jī)制是用戶和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間使用上一次AKA過程中所產(chǎn)生的完整性密匙IK。當(dāng)用戶在已注冊的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送服務(wù)請求(SERVICEREQUEST)、位置更新請求(LOCATION UPDATE REQUEST)、路由區(qū)域更新請求(ROUTING AREA UPDATE REQUEST)、附著網(wǎng)絡(luò)請求(ATTAHREQUEST)、脫離網(wǎng)絡(luò)請求(DETACH REQUEST)和重建連接請求(CONNECTION RE-ESTABLISHMENT REQUEST)等命令后，而采用上一次的AKA所產(chǎn)生的IK能進(jìn)行的本地認(rèn)證次數(shù)還沒有達(dá)到了最大限制值時，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起這種本地認(rèn)證過程。由此而知，AKA過程發(fā)生的間隔時間較長；而本地認(rèn)證過程發(fā)生的間隔時間較短。
圖6描述了UMTS系統(tǒng)中進(jìn)行本地認(rèn)證和連接建立的初始過程。
在步驟601，UE在建立RRC連接的過程中將發(fā)送保存在SIM卡上的參數(shù)START的值，以及“UE的安全能力”信息給RNC。如果UE具有這個能力的話，上述步驟中還可能傳輸GSM等級2和3能力。所述的UE的安全能力信息包括UE所能夠支持的各種加密算法UEA和完整性保護(hù)算法UIA。START值和UE的安全能力信息被存儲在服務(wù)RNC(以下簡稱SRNC)中。如果在RRC連接建立過程中傳輸了GSM等級2和3能力，RNC需要存儲UE的GSM域加密能力(參見步驟607)。
在步驟602，UE并且通過初始的第三層消息給VLR/SGSN。所述的第三層消息包括“連接管理服務(wù)請求(CM_SERVICE_REQUEST)、位置更新請求(LOCATION UPDATE REQUEST)、路由區(qū)域更新請求(ROUTING AREA UPDATE REQUEST)、附著網(wǎng)絡(luò)請求(ATTAHREQUEST)、尋呼響應(yīng)(PAGING RESPONSE)等類型。它包括了用戶身份識別信息和密鑰組識別(以下簡稱KSI)信息。其中的KSI是指上一次在CS域或者PS域內(nèi)認(rèn)證時，由這個域所分配的對CK/IK組的標(biāo)識。
在步驟603，如果需要，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部以及網(wǎng)絡(luò)和UE之間一定的交互操作，來確認(rèn)用戶的身份標(biāo)識IMSI。根據(jù)IK能夠允許的最大限制值，可能會存在AKA過程來認(rèn)證用戶并產(chǎn)生新的密匙IK和CK。同時，網(wǎng)絡(luò)會給這個IK/CK組分配一個KSI標(biāo)識。AKA的過程在圖4中有描述。
在步驟604，SGSN決定允許使用的各種UIA和UEA算法，并按照優(yōu)先級排隊。
在步驟605，SGSN通過發(fā)送RANAP消息“安全模式命令(Security_mode_command)”到RNC發(fā)起完整性保護(hù)和加密操作。“安全模式命令”消息攜帶的參數(shù)包括按照優(yōu)先級排列的許可RNC使用的各種UIA列表和將要使用的IK。如果以后的通信要加密，那么上述消息中還包括包括按照優(yōu)先級排列的各種UEA列表和將要使用的CK。如果之前進(jìn)行了新的AKA過程，那么發(fā)給RNC的消息應(yīng)該指示這一點(diǎn)。這個指示就意味著在使用新密匙時，START值將被復(fù)位成0。否則的話，RNC將使用步驟601中所得到的START值。
在步驟606，RNC收到“安全模式命令Security_mode_command”消息后比較UE支持的UIA/UEA和其許可使用的UIA/UEA，在UE支持的算法列表中，選用最高優(yōu)先級的UIA/UEA算法，并生成隨機(jī)值FRESH，開始啟動下行鏈路完整性保護(hù)。如果所收到的“安全模式命令Security_mode_command”消息中的需求不能被滿足，那么RNC向SGSN發(fā)送“安全模式拒絕SECURITY MODE REJECT”消息。
在步驟607，RNC產(chǎn)生“安全模式命令Security_mode_command”消息。所屬的消息中包括了UE的安全能力、可選的GSM加密能力(如果RNC在步驟601中收到此信息)、所要使用的UIA和FRESH參數(shù)以及如果使用加密的話那么所需要UEA。其它信息(如開始加密標(biāo)志)也可能包含在內(nèi)。由于UE能同時擁有CS域和PS域的兩套加密和完整性保護(hù)密匙組，因此網(wǎng)絡(luò)必須要加一個CN域指示，來表明要使用的是CS域還是PS域的密匙組。在發(fā)送消息之前，RNC產(chǎn)生用于完整性保護(hù)的消息識別碼MAC-I，并把它附著到消息中。
在步驟608，在接收到RNC發(fā)出的Security_mode_command(安全模式命令)消息后，UE首先確認(rèn)此消息中的“UE的安全能力”同步驟601中的“UE的安全能力”一致。同樣，如果在步驟601中包括了GSM等級能力，那么也要同樣對其進(jìn)行驗證。UE根據(jù)在接收的Security_mode_command消息中的參數(shù)，使用指示的UIA、存儲的START和接收的FRESH參數(shù)，計算XMAC-I，通過比較接收的MAC-I和生成的XMAC-I，驗證完整性保護(hù)是否成功。
在步驟609，如果成功實施完整性保護(hù)，UE將生成MAC-I，向RNC發(fā)出包含MAC-I的Security_mode_complete。如果沒有成功實施完整性保護(hù)，那么在UE就結(jié)束本過程。
在步驟610，一旦接收到響應(yīng)消息“安全模式完成(Security_mode_complete)”，SRNC計算消息的XMAC-I。SRNC通過比較接收的MAC-I和生成的XMAC-I，驗證完整性保護(hù)是否成功。
在步驟611，如果驗證成功，RNC向SGSN發(fā)送包括被選擇的算法的RANAP消息Security_mode_complete，從而結(jié)束本地認(rèn)證過程。
發(fā)往UE的“安全模式命令Security_mode_command”消息開始了下行的完整性保護(hù)，也就是說，這條消息和以后的發(fā)往UE的下行消息都使用新的完整性保護(hù)配置進(jìn)行保護(hù)。從UE發(fā)出的“安全模式完成Security_mode_complete”消息開始了上行的完整性保護(hù)，也就是說這條消息和以后的來自UE的上行消息都使用新的完整性保護(hù)配置進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)需要使用加密時，RNC和UE之間在安全模式建立過程中交換加密開始時間。這個加密開始時間就設(shè)定了使用新的加密配置開始下行加密和上行加密的RLC序列號或者CFN序列號。
在UMTS系統(tǒng)中，當(dāng)某個UE在隨機(jī)接入信道上對另一個移動臺或固定網(wǎng)用戶發(fā)起呼叫時，PLMN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將開始一系列的操作。首先，UE發(fā)起呼叫時，UE中的無線資源管理RRC單元通過隨機(jī)接入進(jìn)程啟動信令鏈路的建立。該進(jìn)程在隨機(jī)接入信道上發(fā)送信道請求消息及安全能力消息通過NodeB給RNC。若RNC成功接收到，則這個請求被送到RNC中的無線資源管理RRC單元，由其分配一個專用信道，并在接入允許信道上發(fā)送立即指配消息。UE在啟動主呼進(jìn)程的同時還設(shè)置定時器，以一定的時間間隔重復(fù)呼叫。如果按預(yù)定次數(shù)重復(fù)呼叫仍收不到響應(yīng)，則放棄這次呼叫。
當(dāng)UE收到立即指配消息后轉(zhuǎn)換到指定的專用信道上，從而和RNC之間建立起主信令鏈路。這之后一直到無線業(yè)務(wù)信道分配以前的一切信令都是在這個專用信道上進(jìn)行的，業(yè)務(wù)信道接通后的通話過程中的信令則是在隨路控制信道中進(jìn)行。UE中的連接管理CM單元繼續(xù)用發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層的業(yè)務(wù)請求消息來啟動建立數(shù)據(jù)鏈路的進(jìn)程。該業(yè)務(wù)請求實際上是被嵌入一個完整的步驟602中所述的第三層的“連接管理服務(wù)請求(CM_SERVICE_REQUEST)”消息，交RNC發(fā)給SGSN的。
然后，根據(jù)具體情況，經(jīng)過UE和網(wǎng)絡(luò)之間的相互身份認(rèn)證之后，UE對接收到的消息進(jìn)行完整性檢驗，其移動管理層MM同時監(jiān)控完整性保護(hù)的啟動。而SGSN收到來自RNC的“安全模式完成Security_mode_complete”消息，安全控制過程成功啟動。如果需要加密，激活后的某個時間，UE和RNC就可以開始進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、信道標(biāo)識、信令等的加密保護(hù)了。
同理，移動臺被呼過程也與此類似，在隨機(jī)接入過程以后的安全流程和上述的過程一樣。
下面將描述現(xiàn)有技術(shù)問題需要改善的地方。
現(xiàn)有的UMTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在可升級性差，呼叫建立時間長，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。目前，負(fù)責(zé)制定UMTS標(biāo)準(zhǔn)的第三代移動通信伙伴計劃(3GPP)標(biāo)準(zhǔn)化組織正在進(jìn)行UMTS系統(tǒng)的長期演化(以下簡稱LTE)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，其中長期演化的目標(biāo)之一就是加快呼叫建立過程，減少呼叫建立時間。針對UMTS系統(tǒng)的長期演化的各種目標(biāo)，各個公司都提出了希望的長期演化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中一種提出的長期演化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。
圖7中演進(jìn)的基站(以下稱為ENB)集中了UMTS系統(tǒng)中基站和RNC的功能，主要負(fù)責(zé)無線信號的收發(fā)、與用戶設(shè)備之間的信令連接、移動性管理等功能，而演進(jìn)的GGSN(以下稱為E-GGSN)則集中了UMTS系統(tǒng)中SGSN和GGSN的功能，主要負(fù)責(zé)移動性管理、與PDN網(wǎng)絡(luò)的接口、業(yè)務(wù)質(zhì)量的協(xié)商等。
圖8中的基站ENB跟UMTS中的基站功能差別不大，都是負(fù)責(zé)無線信號的接收與發(fā)送，還擁有部分MAC層的功能；錨點(diǎn)anchor與UMTS中的RNC功能類似，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的加密解密、控制ENB中無線資源的分配、與用戶設(shè)備之間的信令連接和處于連接狀態(tài)時用戶移動性的管理。E-GGSN的功能則融合了UMTS系統(tǒng)中的SGSN和GGSN的功能，主要負(fù)責(zé)移動性管理、與PDN網(wǎng)絡(luò)的接口、業(yè)務(wù)質(zhì)量的協(xié)商等。
為簡化起見，在下面的對本發(fā)明的描述中，將不局限于某一種體系結(jié)構(gòu)。而將圖7中的ENB及圖8中的ENB和錨點(diǎn)anchor稱為E-RAN，而將E-GGSN稱為E-CN。
從連接建立的過程上來看，通常用戶在鍵入對方號碼、按下通話鍵后，總是希望能夠盡快的建立起這個呼叫。而根據(jù)前面的介紹，UE和RRC之間建立起主信令鏈路之后、需要進(jìn)行UE和網(wǎng)絡(luò)之間的相互身份認(rèn)證，之后才能繼續(xù)這個呼叫；而其中的UE和網(wǎng)絡(luò)之間的相互身份認(rèn)證過程就會花費(fèi)很多時間。因此，僅僅從系統(tǒng)組成上進(jìn)行簡化還不足以滿足LTE提出的足夠短的連接建立時間的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了降低呼叫建立時間，加速用戶的業(yè)務(wù)接入過程，提出了一種新的耗時較短的UE和網(wǎng)絡(luò)間的彼此認(rèn)證機(jī)制的方法，從而加快呼叫建立的過程。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提出了一種無線通信系統(tǒng)中在用戶終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行認(rèn)證的方法，所述方法包括以下步驟UE向網(wǎng)絡(luò)傳送認(rèn)證請求消息，所述認(rèn)證請求消息包括認(rèn)證參考值；網(wǎng)絡(luò)判斷其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是否與認(rèn)證參考值一致，如果一致，則表示網(wǎng)絡(luò)側(cè)認(rèn)證成功并向UE發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息，所述認(rèn)證響應(yīng)消息包含另一認(rèn)證參考值；以及UE接收從網(wǎng)絡(luò)傳送來的所述認(rèn)證響應(yīng)消息，并驗證所述認(rèn)證響應(yīng)消息中所包含的所述另一認(rèn)證參考值是否與其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值一致，如果一致，則用戶終端設(shè)備側(cè)認(rèn)證成功。
優(yōu)選地，所述認(rèn)證請求消息包含UE所采用的加密算法、完整性保護(hù)算法和認(rèn)證用參數(shù)信息。
優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是根據(jù)所述加密算法、完整性保護(hù)算法、認(rèn)證用參數(shù)信息、以及網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的密鑰信息來產(chǎn)生的。
優(yōu)選地，所述UE自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是根據(jù)UE自身所保存的所述加密算法、完整性保護(hù)算法、認(rèn)證用參數(shù)信息、以及密鑰信息來產(chǎn)生的。
優(yōu)選地，所述認(rèn)證用參數(shù)信息包括FRESH隨機(jī)數(shù)和START值。
優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的密鑰信息包括加密密鑰信息和完整性保護(hù)密鑰信息。
優(yōu)選地，所述加密密鑰信息和完整性保護(hù)密鑰信息是由網(wǎng)絡(luò)中的核心網(wǎng)實體部分所產(chǎn)生的。
優(yōu)選地，UE向網(wǎng)絡(luò)傳送的認(rèn)證請求消息所包含的加密算法和完整性保護(hù)算法是從網(wǎng)絡(luò)所提供的多個加密算法和完整性保護(hù)算法所選的、所述UE所能支持的加密算法和完整性保護(hù)算法。
優(yōu)選地，所述隨機(jī)數(shù)FRESH是由網(wǎng)絡(luò)廣播的。
優(yōu)選地，所述隨機(jī)數(shù)FRESH是由UE自身所固有的。
優(yōu)選地，所述隨機(jī)數(shù)FRESH是可更新的。


通過參考以下結(jié)合附圖對所采用的優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見，其中圖1是示出了UMTS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的圖；圖2是用于解釋UMTS系統(tǒng)中不同區(qū)域之間的關(guān)系的圖；圖3是示出了UE的組成結(jié)構(gòu)圖；圖4是示出了臨時標(biāo)識分配過程的圖；圖5是示出了AKA過程的圖；圖6是示出了本地認(rèn)證和連接建立過程的圖；圖7是示出了E-UTMS的一種體系結(jié)構(gòu)的圖；圖8是示出了E-UTMS的另一種體系結(jié)構(gòu)的圖；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行相互認(rèn)證的過程的圖；圖10是用于解釋MAC-I計算及驗證的圖；圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行相互認(rèn)證的過程的圖；圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行相互認(rèn)證的過程的圖；圖13是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的消息轉(zhuǎn)發(fā)方式的圖；圖14是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的相互認(rèn)證過程中、UE的操作的流程圖；圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的相互認(rèn)證過程中、E-RAN的節(jié)點(diǎn)的操作的流程圖；圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的相互認(rèn)證過程中、E-CN的節(jié)點(diǎn)的操作的流程圖；以及圖17是用于解釋鑒權(quán)矢量組生成的圖。
具體實施例方式
首先，需要注意的是，本發(fā)明可以圖7或圖8的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，但并不僅局限于這兩種體系結(jié)構(gòu)。
下面將參考附圖來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行相互認(rèn)證的過程的圖。
如以上參考圖6所述，用戶設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，首先要發(fā)送消息給網(wǎng)絡(luò)，這條消息在UMTS系統(tǒng)中可以是業(yè)務(wù)請求，路由區(qū)域更新等。本發(fā)明并不限制第一條發(fā)送的消息內(nèi)容。在第一條消息中，UE要根據(jù)已有的參數(shù)，按照圖10中描述的方法計算MAC-I及驗證MAC-I。計算MAC-I的參數(shù)分別是IK，COUNT-I，MESSAGE，DIRECTION和FRESH。
在特定情況下，比如用戶設(shè)備在同一個地方進(jìn)行周期性的路由區(qū)域更新，用戶設(shè)備在與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，有可能兩次過程會發(fā)送內(nèi)容完全相同的消息。同時，也有可能某些非法的用戶會竊聽到一個正常進(jìn)行通信的用戶設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送的消息內(nèi)容，然后在合適的時候偽裝成這個合法用戶再次向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送包含這個內(nèi)容的消息。這時候，網(wǎng)絡(luò)就需要能夠區(qū)分出所收到的消息是來自合法的用戶還是偽裝的用戶。所述的FRESH參數(shù)就是為了達(dá)到這個目的。當(dāng)用于計算MAC-I時的其余IK、COUNT-I、MESSAGE和DIRECTION等參數(shù)完全相同時，兩次計算過程采用不同的FRESH參數(shù)也能夠產(chǎn)生不同的MAC-I。這時候，只有真正合法的用戶設(shè)備才知道IK，進(jìn)而可以計算出新的MAC-I。
IK是在鑒權(quán)過程中產(chǎn)生的，具體可以參見圖6的描述。因為用戶設(shè)備有可能保存多個IK，那么在用戶設(shè)備發(fā)給網(wǎng)絡(luò)的第一條消息中，UE要告訴網(wǎng)絡(luò)它用來加密和完整性保護(hù)的IK和CK是哪個。IK和CK是用一個序列號來表示的，這個序列號唯一標(biāo)識一個IK和CK的組合。當(dāng)E-CN收到這個序列號之后就知道用戶設(shè)備用的是哪個IK和CK了。
COUNT-I是UE自己保存的一個參數(shù)。這個值是在用戶設(shè)備開始與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，由一個START進(jìn)行初始化的。START是一個UE自己保存的參數(shù)，這個參數(shù)在每次用戶返回空閑狀態(tài)的時候都要更新一下，更新的值是與當(dāng)時的COUNT-I或者COUNT-C的最高20位一致，然后在這個值的基礎(chǔ)上加2。
MESSAGE就是要進(jìn)行完整性保護(hù)的消息本身。
DIRECTION標(biāo)識該消息的方向，是由用戶設(shè)備發(fā)給網(wǎng)絡(luò)的的上行消息還是由網(wǎng)絡(luò)發(fā)給用戶設(shè)備的下行消息。
FRESH這個值的獲得是本發(fā)明的內(nèi)容之一，會在下面描述。
這個五個參數(shù)輸入到算法f9當(dāng)中，就會計算出MAC-I。
當(dāng)接收端收到MAC-I之后，按照圖10右邊的算法和輸入?yún)?shù)，算出XMAC-I。然后將收到的MAC-I與計算出的XMAC-I進(jìn)行比較。如果兩者相等，那么就可以認(rèn)為發(fā)送端是合法的用戶終端或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
然后用戶設(shè)備將給網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的第一條消息封裝好，里面要包含MAC-I(步驟902)。當(dāng)無線接入網(wǎng)收到這條消息后，會保存MAC-I，并將這第一條消息進(jìn)行必要的處理。例如，在步驟903，將MAC-I從消息中抽取出來，將剩下的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給E-CN?；蛘邔⒂脩粼O(shè)備發(fā)送的消息利用Iu+接口的消息進(jìn)行封裝，發(fā)送給E-CN。當(dāng)E-CN收到這第一條消息之后，查看該用戶設(shè)備是否有合法的標(biāo)識如P-TMSI，所用的進(jìn)行完整性保護(hù)的IK和加密的CK序列是哪個。然后E-CN給無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送安全模式命令(步驟904)，該消息中包含要進(jìn)行加密的密鑰CK和進(jìn)行完整性包含的IK，及加密算法，完整性包含算法。該消息還可能有其他功能如用戶平面建立、服務(wù)質(zhì)量協(xié)商等，但這些因為與本發(fā)明沒有關(guān)系，在此不贅述。RAN收到進(jìn)行完整性保護(hù)的IK后，將從用戶設(shè)備收到的MAC-I1按照圖10中的過程進(jìn)行驗證(步驟905)。如果驗證通過，RAN再產(chǎn)生一個MAC-I2(步驟906)，這個值的產(chǎn)生方式與用戶設(shè)備產(chǎn)生MAC-I的方法是一樣的，輸入5個參數(shù)到f9算法之后，就可以得到該結(jié)果。然后RAN將MAC-I包含在要發(fā)給用戶設(shè)備的消息安全模式命令中(步驟907)，該消息還有包括加密算法，完整性包含算法等參數(shù)。如果在步驟904，消息還進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量協(xié)商，用戶平面建立等功能，那么在步驟907，也應(yīng)該有類似用戶無線承載建立的功能。當(dāng)用戶設(shè)備收到安全模式命令后，將其他中的MAC-I取出，然后利用圖10中的算法，查看這個MAC-I是否沒有經(jīng)過任何修改(步驟908)。若是，則表明這個RAN是可以相信的，是合法的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的第一實施例和第二實施例。
在本發(fā)明中，F(xiàn)RESH參數(shù)的獲得可以通過不同的實施例體現(xiàn)出來。
圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行相互認(rèn)證的過程的圖。
E-CN(也就是核心網(wǎng)實體)確定本網(wǎng)絡(luò)要用的加密算法和完整性保護(hù)算法，這可以是一個或多個。如果是多個，那么根據(jù)給出的順序的不同，代表優(yōu)先級的不同。例如E-CN想讓用戶設(shè)備在有能力的前提下優(yōu)先使用算法1，次之選擇算法2，再次之選擇算法3，那么在步驟1101的消息安全模式廣播中，會包含算法1，算法2和算法3。當(dāng)E-RAN收到該廣播消息后，就在其所有小區(qū)中廣播這些算法及其優(yōu)先級(步驟1102)。在安全模式廣播消息中，不但包含網(wǎng)絡(luò)讓用戶設(shè)備選擇的加密算法和完整性包含算法，還包括網(wǎng)絡(luò)想讓用戶設(shè)備使用的FRESH值，該參數(shù)的使用在圖10中的描述中有很好的說明。當(dāng)用戶設(shè)備收到這些參數(shù)之后，就保存他們，以便在跟網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時使用。
當(dāng)用戶設(shè)備想與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，它發(fā)出第一條消息給E-RAN(步驟1103)，該消息中包含它所要使用的加密密鑰和完整性保護(hù)密鑰的序列號，通過圖10的步驟所計算出的MAC-I，以及它選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法，用戶標(biāo)識等參數(shù)。當(dāng)E-RAN收到從用戶設(shè)備處接收到的第一條消息后，就保存MAC-I，加密算法和完整性保護(hù)算法，將消息的其他部分或者消息的全部轉(zhuǎn)發(fā)給E-CN(步驟1104)。這個過程在圖13的時候會詳細(xì)講述。當(dāng)E-CN收到從用戶設(shè)備發(fā)送的第一條消息后，查看用戶選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法是否合法。通過查看KSI，知道用戶設(shè)備進(jìn)行加密或者完整性保護(hù)所使用的密鑰分別是什么。該消息中一般還包括用戶的標(biāo)識如P-TMSI等參數(shù)。當(dāng)E-CN知道該用戶設(shè)備是合法用戶后，向E-RAN發(fā)送安全模式命令消息(步驟1105)，該消息中包括網(wǎng)絡(luò)想讓用戶設(shè)備和E-RAN進(jìn)行加密和完整性保護(hù)使用的算法。該算法可以和用戶設(shè)備自己在步驟1103中選擇的是一樣的。如果該參數(shù)不包含在該步驟1105所傳送的消息中，那么E-RAN和用戶設(shè)備都默認(rèn)用戶設(shè)備所選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法可以使用，否則就使用網(wǎng)絡(luò)所重新配置的加密算法和完整性保護(hù)算法。步驟1105所傳送的消息中還包含加密密鑰CK和完整性包含密鑰IK，這兩個參數(shù)傳給E-RAN，從而使得E-RAN對下行信令和數(shù)據(jù)可以進(jìn)行完整性保護(hù)和加密操作。
當(dāng)E-RAN收到安全模式命令后(步驟1105)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的IK，及用戶設(shè)備在步驟1103所傳送的消息中包括的完整性保護(hù)算法，對在步驟1103中收到的MAC-I按照圖10中的操作方法，驗證該MAC-I是否正確。如果正確，說明該用戶設(shè)備是一個合法的UE，否則就是不合法的。如果該用戶設(shè)備合法，E-RAN就向用戶設(shè)備發(fā)送安全模式命令消息(步驟1106)，該消息中包含網(wǎng)絡(luò)想要重新配置的加密算法和完整性保護(hù)算法，如果在步驟1105，沒有包含加密算法和完整性包含算法，那么在步驟1106所傳送的消息中也不包含加密算法和完整性包含算法。同時E-RAN計算一個MAC-I，將其包含在安全模式命令中，發(fā)送給UE。MAC-I用的完整性保護(hù)算法應(yīng)該是步驟1105中所涉及的算法，否則就是用戶設(shè)備在步驟1103中告知E-RAN的。
用戶設(shè)備收到安全模式命令后，如果該消息中沒有保護(hù)加密算法和完整性保護(hù)算法，就利用用戶自己選擇的完整性保護(hù)算法根據(jù)圖10的方法驗證MAC-I是否正確。否則就按照該消息中包含的完整性保護(hù)算法進(jìn)行驗證。如果驗證正確，那么就認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)是合法的，繼續(xù)下面的操作。
本實施例的一個變形，網(wǎng)絡(luò)可以不廣播加密算法和完整性保護(hù)算法，而是由用戶設(shè)備才自己的安全能力中選擇一個，同樣的在步驟1103里告知E-RAN。
圖12是本發(fā)明的第二個實施例。
E-GGSN(也就是核心網(wǎng)實體)確定本網(wǎng)絡(luò)要用的加密算法和完整性保護(hù)算法，這可以是一個或多個。如果是多個，那么根據(jù)給出的順序的不同，代表優(yōu)先級的不同。例如E-GGSN想讓用戶設(shè)備在有能力的前提下優(yōu)先使用算法1，次之選擇算法2，再次之選擇算法3，那么在消息安全模式廣播中(步驟1201)，會包含算法1，算法2和算法3。當(dāng)E-RAN收到該消息后，就在其所有小區(qū)中廣播這些算法及其優(yōu)先級(步驟1202)。在步驟1202所傳送的安全模式廣播消息中，包含網(wǎng)絡(luò)讓用戶設(shè)備選擇的加密算法和完整性包含算法。當(dāng)用戶設(shè)備收到這些參數(shù)之后，就保存他們，以便在跟網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時使用。
當(dāng)用戶設(shè)備想與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，它發(fā)出第一條消息給E-RAN(步驟1203)，該消息中包含它所要使用的加密密鑰和完整性保護(hù)密鑰的序列號，通過圖10的步驟所計算出的MAC-I，以及它選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法，用戶標(biāo)識，用來產(chǎn)生MAC-I的FRESH值等參數(shù)。其中計算MAC-I時，所用到的FRESH值，可以是一個隨機(jī)數(shù)，也可以是START加上一個隨機(jī)數(shù)或者加一個固定的值。
當(dāng)E-RAN收到從用戶設(shè)備處接收到的第一條消息后(步驟1203)，就保存MAC-I，F(xiàn)RESH，加密算法和完整性保護(hù)算法，將消息的其他部分或者消息的全部轉(zhuǎn)發(fā)給E-GGSN(步驟1203)。這個過程在圖13的時候會詳細(xì)講述。當(dāng)E-CN收到從用戶設(shè)備發(fā)送的第一條消息后(步驟1204)，查看用戶選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法是否合法。通過查看KSI，知道用戶設(shè)備進(jìn)行加密或者完整性保護(hù)所使用的密鑰分別是什么。在步驟1204所傳送的該消息中一般還包括用戶的標(biāo)識如P-TMSI等參數(shù)。當(dāng)E-CN知道該用戶設(shè)備是合法用戶后，向E-RAN發(fā)送安全模式命令消息(步驟1205)，該消息中包括網(wǎng)絡(luò)想讓用戶設(shè)備和E-RAN進(jìn)行加密和完整性保護(hù)使用的算法。該算法可以和用戶設(shè)備自己在步驟1203中選擇的是一樣的。如果該參數(shù)不包含在該步驟1205所傳送的消息中，那么E-RAN和用戶設(shè)備都默認(rèn)用戶設(shè)備所選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法可以使用，否則就使用網(wǎng)絡(luò)所重新配置的加密算法和完整性保護(hù)算法。在步驟1205中所傳送的消息中還包含加密密鑰CK和完整性包含密鑰IK，這兩個參數(shù)傳給E-RAN，從而使得E-RAN對下行信令和數(shù)據(jù)可以進(jìn)行完整性保護(hù)和加密操作。
當(dāng)E-RAN收到安全模式命令后(步驟1205)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送的IK，及用戶設(shè)備在步驟1203中所涉及的完整性保護(hù)算法和FRESH值，就對在步驟1203中收到的MAC-I按照圖10中的操作方法，驗證該MAC-I是否正確。如果正確，說明該用戶設(shè)備是一個合法的UE，否則就是不合法的。如果該用戶設(shè)備合法，E-RAN就向用戶設(shè)備發(fā)送安全模式命令消息(步驟1206)，該消息中包含網(wǎng)絡(luò)想要重新配置的加密算法和完整性保護(hù)算法，如果在步驟1205中，沒有包含加密算法和完整性包含算法，那么在步驟1206中也不包含加密算法和完整性包含算法。同時E-RAN計算一個MAC-I，將其包含在安全模式命令中，發(fā)送給UE。MAC-I用的完整性保護(hù)算法應(yīng)該是步驟1205中包含的算法，否則就是用戶設(shè)備在步驟1203中告知E-RAN的。
用戶設(shè)備收到安全模式命令后，如果該消息中沒有保護(hù)加密算法和完整性保護(hù)算法，就利用用戶自己選擇的完整性保護(hù)算法根據(jù)圖10的方法驗證MAC-I是否正確。否則就按照該消息中包含的完整性保護(hù)算法進(jìn)行驗證。如果驗證正確，那么就認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)是合法的，繼續(xù)下面的操作。
該實施例的一個變通就是在步驟1206所傳送的安全模式命令消息中可以攜帶一個新的FRESH值，并且在步驟1206所傳送的這條消息是通過這個新的FRESH進(jìn)行完整性保護(hù)的。然后用戶設(shè)備收到在步驟1206所傳送的安全模式命令后，用這條消息中包含的FRESH對其進(jìn)行完整性檢驗。如果通過，則表示該網(wǎng)絡(luò)是可信的。
本實施例的一個變形，網(wǎng)絡(luò)可以不廣播加密算法和完整性保護(hù)算法，而是由用戶設(shè)備才自己的安全能力中選擇一個，同樣的在步驟1203里告知E-RAN。
實際上用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)可以事先約定計算MAC-I時不使用FRESH參數(shù)。這時候，為了保證對相同內(nèi)容的兩次計算所產(chǎn)生的MAC-I不一樣，可以使兩次計算時所使用的COUN-I不一樣。由于COUNT-I是由START進(jìn)行初始化的，這也就是說使兩次計算時所使用的START不一樣。因此，作為本實施例的一個變形，網(wǎng)絡(luò)可以在上一次通信過程中，給用戶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備指定一個供下次使用的新的START值。這樣，在下次通信過程中，用戶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用這個指定的START值進(jìn)行MAC-I計算。網(wǎng)絡(luò)同樣使用所保存的START值進(jìn)行MAC-I計算。這時候，所述的START值可以在下次通信過程中由用戶通信設(shè)備傳給網(wǎng)絡(luò)，或者由網(wǎng)絡(luò)傳給用戶通信設(shè)備，也可以不進(jìn)行傳輸。如果進(jìn)行傳輸，接收方可以驗證本次通信過程所使用的START值是否自己所保存的START值一樣。
同樣，作為本實施例的另一個變形，用戶設(shè)備在每次通信過程中使用一個新的START值。這樣，用戶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)使用這個START值進(jìn)行MAC-I計算。這時候，所述的START值需要由用戶通信設(shè)備傳給網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)可以保存上次所使用的START值，從而驗證本次通信過程所使用的START值是否和自己所保存的START值一樣。
圖13描述了用戶設(shè)備如何與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交互的方法。
用戶設(shè)備與E-RAN之間有一個專門的接口Uu+及針對該接口的相應(yīng)消息名稱。其中有的消息應(yīng)該負(fù)責(zé)傳遞從用戶設(shè)備到E-CN的信令，該信令可以稱為L3信令。這與現(xiàn)在UMTS中的初始直接傳輸INITIAL DIRECTTRANSFER及上行直接傳輸U(kuò)PLINK DIRECT TRANSFER及下行直接傳輸DOWNLINK DIRECT TRANSFER可以是類似的。L3的信令就包含在這些特殊的Uu+接口消息中。
當(dāng)E-RAN收到這類消息之后，就將其中的L3信令轉(zhuǎn)發(fā)給E-CN或者轉(zhuǎn)發(fā)給UE。E-RAN與E-CN之間的接口Iu+負(fù)責(zé)傳遞用戶設(shè)備與E-CN之間信令的消息可以與UMTS中的初始UE消息INITIAL UE MESSAGE和直接傳輸DIRECT TRANSFER類似。L3的信令就包含在這些特殊的Iu+接口消息中。
圖13的1301和1302就是通過這種機(jī)制傳輸用戶設(shè)備與E-CN之間的信令的。UE發(fā)送1301UE與E-RAN之間的信令給E-RAN，該消息中除了包含L3信令之外，還包含UE讓E-RAN處理的信息單元。同樣地，E-RAN在收到該消息后，將L3信令轉(zhuǎn)發(fā)給E-CN，E-RAN給E-GGSN發(fā)送1302E-RAN與E-CN之間的信令轉(zhuǎn)發(fā)L3信令，該消息中不僅包含L3信令，還包含該E-RAN讓E-GGSN進(jìn)行處理的信息單元。
用戶設(shè)備與E-CN進(jìn)行信令交互還可以通過1311和1312這兩步來進(jìn)行。1311和1312這兩個消息的名稱可以一樣，也可以不一樣，但是這兩個消息在UE與E-RAN之間的接口和E-RAN與E-CN之間的接口間要能一一對應(yīng)起來。E-RAN可以將1311消息中的某些信息單元抽取出來，不傳遞給E-CN。也可以在此消息的基礎(chǔ)上添加某些新的信息單元，然后通過1302發(fā)送給E-CN。
圖14描述的是本發(fā)明的UE的動作行為。
用戶設(shè)備收到廣播消息中的安全模式廣播消息(步驟1401)，消息中保護(hù)網(wǎng)絡(luò)讓用戶設(shè)備選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法及其優(yōu)先級。用戶設(shè)備保存這些信息，以便與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的時候使用。如果廣播消息中包含F(xiàn)RESH，那么用戶設(shè)備也要保存該參數(shù)(步驟1402)。當(dāng)用戶設(shè)備要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送第一條消息時，根據(jù)圖10中描述的過程，計算要發(fā)送消息的MAC-I，將其包含在第一條消息中，發(fā)送給E-RAN(步驟1403)。該消息還要包括用戶設(shè)備要使用的加密算法和完整性保護(hù)算法。UE收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的安全模式命令，取出其中的MAC-I，按照圖10描述的方法進(jìn)行驗證(步驟1404)。如果驗證成功，就繼續(xù)后續(xù)操作。否則UE認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不合法，退出與網(wǎng)絡(luò)的通信過程。
圖15描述的是本發(fā)明的E-RAN的動作行為。
E-RAN收到E-CN發(fā)送的要在其小區(qū)廣播安全模式的消息“安全模式廣播”(步驟1501)，該消息中包括要廣播的加密算法和完整性保護(hù)算法及各自的優(yōu)先級。然后E-RAN在其控制的小區(qū)的系統(tǒng)信息廣播中將加密算法和完整性保護(hù)算法及各自的優(yōu)先級以小區(qū)廣播的方式告知用戶設(shè)備。如果對應(yīng)于本發(fā)明的第一實施例(圖11所述)，E-RAN還需要廣播FRESH參數(shù)。當(dāng)E-RAN收到用戶設(shè)備的第一條消息后(步驟1502)，使用該消息中包含的完整性保護(hù)算法，及其他相關(guān)參數(shù)驗證其中的MAC-I是否正確(步驟1503)。E-RAN要保存用戶設(shè)備所選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法。如果在步驟1501中，E-RAN有廣播FRESH值，那么在步驟1503進(jìn)行檢驗MAC-I的時候使用的FRESH就是廣播消息中的，否則該消息應(yīng)該包含用戶進(jìn)行完整性保護(hù)所使用的FRESH。驗證MAC-I的方法按照圖10的描述進(jìn)行(步驟1504)。如果驗證通過，那么在步驟1505，E-RAN向E-CN轉(zhuǎn)發(fā)從用戶設(shè)備處收到的第一條消息。否則，就E-RAN就認(rèn)為用戶設(shè)備為非法用戶，結(jié)束該過程。在步驟1506，當(dāng)E-RAN收到從E-CN發(fā)送的安全模式命令后，如果其中保護(hù)加密算法或完整性保護(hù)算法，那么就覆蓋用戶設(shè)備所選擇的算法，否則就使用用戶設(shè)備所選擇的算法。E-RAN向用戶設(shè)備發(fā)送安全模式命令消息，該消息中攜帶E-RAN計算出的MAC-I，及E-CN更改的加密算法和完整性保護(hù)算法。
圖16描述了本發(fā)明的E-CN的動作行為。
E-CN向E-RAN發(fā)送安全模式廣播消息，讓E-RAN在其控制的小區(qū)中廣播網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的加密算法和完整性保護(hù)算法及各自的優(yōu)先級(步驟1601)。當(dāng)E-CN收到從E-RAN轉(zhuǎn)發(fā)的用戶設(shè)備的第一條消息后(步驟1602)，該消息保護(hù)UE選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法。E-CN查看該消息中用戶設(shè)備的標(biāo)識如P-TMSI是否標(biāo)識一個合法用戶(步驟1603)。如果是，那么就向E-RAN發(fā)送安全模式命令消息(步驟1604)，該消息中包括用戶設(shè)備的標(biāo)識，及網(wǎng)絡(luò)想讓用戶設(shè)備使用的加密算法和完整保護(hù)算法。如果E-CN不想改變用戶選擇的加密算法和完整性保護(hù)算法，那么該消息就不攜帶任何算法信息，最后，在步驟1605，操作結(jié)束。
通過如上所述的本發(fā)明，能夠使得E-UMTS的呼叫建立過程短，速度快，達(dá)到優(yōu)化UMTS的目的。
盡管以上已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例示出了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改、替換和改變。因此，本發(fā)明不應(yīng)由上述實施例來限定，而應(yīng)由所附權(quán)利要求及其等價物來限定。
權(quán)利要求
1.一種無線通信系統(tǒng)中在用戶終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行認(rèn)證的方法，所述方法包括以下步驟網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)傳送認(rèn)證請求消息，所述認(rèn)證請求消息包括認(rèn)證參考值；網(wǎng)絡(luò)判斷其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是否與認(rèn)證參考值一致，如果一致，則表示網(wǎng)絡(luò)側(cè)認(rèn)證成功并向網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息，所述認(rèn)證響應(yīng)消息包含另一認(rèn)證參考值；以及網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備接收從網(wǎng)絡(luò)傳送來的所述認(rèn)證響應(yīng)消息，并驗證所述認(rèn)證響應(yīng)消息中所包含的所述另一認(rèn)證參考值是否與其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值一致，如果一致，則用戶終端設(shè)備側(cè)認(rèn)證成功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述認(rèn)證請求消息包含網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備所采用的加密算法、完整性保護(hù)算法和認(rèn)證用參數(shù)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是根據(jù)所述加密算法、完整性保護(hù)算法、認(rèn)證用參數(shù)信息、以及網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的密鑰信息來產(chǎn)生的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備自身所保存的所述加密算法、完整性保護(hù)算法、認(rèn)證用參數(shù)信息、以及密鑰信息來產(chǎn)生的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3和4之一所述的方法，其特征在于所述認(rèn)證用參數(shù)信息包括FRESH隨機(jī)數(shù)或者START值。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的密鑰信息包括加密密鑰信息和完整性保護(hù)密鑰信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述加密密鑰信息和完整性保護(hù)密鑰信息是由網(wǎng)絡(luò)中的核心網(wǎng)實體部分所產(chǎn)生的。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)傳送的認(rèn)證請求消息所包含的加密算法和完整性保護(hù)算法是從網(wǎng)絡(luò)所提供的多個加密算法和完整性保護(hù)算法所選的、所述網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備所能支持的加密算法和完整性保護(hù)算法。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述隨機(jī)數(shù)FRESH是由網(wǎng)絡(luò)廣播的。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述隨機(jī)數(shù)FRESH是由網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備自身所產(chǎn)生的。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述隨機(jī)數(shù)FRESH是可更新的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述認(rèn)證響應(yīng)消息包含網(wǎng)絡(luò)側(cè)重新指配給網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的加密算法、完整性保護(hù)算法和認(rèn)證用參數(shù)信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述START值是網(wǎng)絡(luò)指定的。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述START值是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備自身所產(chǎn)生的。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)或者用戶設(shè)備接收到START值后，驗證這個START值是否與其所保存的START值一樣。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，用戶設(shè)備在每次通信過程中使用一個新的START值。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種無線通信系統(tǒng)中在用戶終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行認(rèn)證的方法，所述方法包括以下步驟UE向網(wǎng)絡(luò)傳送認(rèn)證請求消息，所述認(rèn)證請求消息包括認(rèn)證參考值；網(wǎng)絡(luò)判斷其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值是否與認(rèn)證參考值一致，如果一致，則表示網(wǎng)絡(luò)側(cè)認(rèn)證成功并向UE發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息，所述認(rèn)證響應(yīng)消息包含另一認(rèn)證參考值；以及UE接收從網(wǎng)絡(luò)傳送來的所述認(rèn)證響應(yīng)消息，并驗證所述認(rèn)證響應(yīng)消息中所包含的所述另一認(rèn)證參考值是否與其自身所產(chǎn)生的認(rèn)證值一致，如果一致，則用戶終端設(shè)備側(cè)認(rèn)證成功。
文檔編號H04W12/06GK1941990SQ200510048309
公開日2007年4月4日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者朱彥民, 格特-揚(yáng)·范利斯豪特, 崔成豪, 李小強(qiáng) 申請人:北京三星通信技術(shù)研究有限公司, 三星電子株式會社