AKA鉴权

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AKA鉴权

目前IMS的鉴权的机制有“Sip Digest”、“AKA”、“CAVE-based AKA”三种。

在《中国电信IMS网络SIP协议总体技术要求》里对这三种方式的适用范围描述如下：

• SIP Digest 鉴权适用于无ISIM 卡的移动和固定终端
• AKA 鉴权适用于具有ISIM 卡的移动和固定终端
• CAVE-based AKA 鉴权适用于具有R-UIM 卡的移动终端

   

  在《中国电信IMS网络SIP IAD设备技术要求》里仅要求必须支持“Sip Digest”，其它方式没有特别说明。

   

  “Sip Digest”机制目前我们已经实现了，考虑到设备已经开始支持插入SIM卡，所以当前需要实现“AKA”鉴权机制。

   

  AKA机制是由IETF制定、并被3GPP采用，广泛用于3G无线网络的鉴权机制。IMS的鉴权机制沿用了这种机制的原理和核心算法，故称之为IMS-AKA机制。

   

  IMS AKA 机制是对HTTP摘要认证机制的扩展，主要用于用户认证和会话密钥的分发，它的实现基于一个长期共享密钥（KEY）和一个序列号（SQN），它们仅在HSS与UE中可见，由于HSS不与UE直接通信，而是由S-CSCF执行认证这程，因此它们不会将真实的KEY暴露给外界。

一、正常情况

1. 用户发起注册请求

   用户在使用IMS服务之前必须向IMS网络进行注册，注册的目的是将用户的私有标识(IMPI)与用户想要注册的公有标识(IMPU)绑定。每个用户只有一个IMPI，而可拥有多个IMPU，每个IMPU对应相应的服务配置。（参见《IMS标识》小节）。

   UE在初始的注册请求SIP REGISTER消息中发送它的IMPI，该IMPI对应我们当前设备的鉴权用户的配置。这个初始的REGISTER消息的主要头域和参数如下所示。

   REGISTER        sip:open-ims.test SIP/2.0

   Authorization:Digestusername=””,

   realm=”open-ims.test”,

   nonce=””,

   uri=”sip:open-ims.test”,

   response=””,

   algorithm=AKAv1-MD5

    

• 由于3GPP AKA被映射到HTTP摘要机制，因此认证方案的值被设置为“Digest”
• username为用户的私有用户标识，将被S-CSCF和HSS用于识别用户并找到相应的AV
• “response”和“nonce”域的值在初始注册请求消息中都设置为空
• realmk 和uri设置为用户的归属域

   

  P-CSCF将这个REGISTER消息转发给I-CSCF，I-CSCF联系HSS，以选择为用户提供服务的S-CSCF，然后将REGISTER请求消息转发给选定的S-CSCF。当S-CSCF收到REGISTER消息后，如果发现该用户还没有被认证，则S-CSCF向HSS发送多媒体认证请求(MAR)消息以请求认证数据。

   

1. HSS计算认证向量

   HSS收到MAR消息之后，运行AKA算法，为该用户计算认证向量(AV)，计算过程如下：首先产生最新的序列号SQN和一个不可预测的随机提问数(RAND)。然后HSS将根据它与该UE之间的共享密钥Key，以及刚刚产生的SQN和RAND来计算其他的参数，其原理如下图所示。

    

   

    

其中，各个参数的计算公式如下(⊕按位异或，||表示串接)：

• 计算消息认证码(MAC)：MAC = F1K(SQN || RAND || AMF)；
• 计算期望的认证应答(XRES)：XRES = F2K (RAND)；
• 计算保密性密钥(CK)：CK = F3K (RAND)；
• 计算完整性密钥(IK)：IK = F4K (RAND)；
• 匿名密钥(AK)：AK = F5K (RAND)；
• 网络认证令牌(AUTN)：AUTN = (SQN⊕AK )|| AMF || MAC；
• AV：AV=RAND||XRES||CK||IK||AUTN；

AK用来隐藏SQN，因为SQN可能会暴露用户的位置信息。如果不需要隐藏SQN，那么AK被设置为0。

1. 网络向用户提问

   HSS通过上述的计算过程得到了一组AV，其中每个AV都是一个五元组(RAND, XRES, AUTN, CK, IK)，该认证五元组并不包括Key和SQN本身。然后，HSS将这些认证数据通过多媒体认证应答(MAA)消息发送给S-CSCF。

    

   S-CSCF从HSS得到所需的安全相关的参数。这些参数使得S-CSCF可以在不需要知道共享密钥Key和SQN的情况下就可以执行认证过程。S-CSCF基于AV中的数据，通过401响应返回WWW-Authenticate消息。

    

   SIP/2.0 401Unauthorized

   WWW-Authenticate:Digest realm=” open-ims.test”,

            nonce=ABDFER+FBDF4GDF45GGDF,

            algorithm=AKAv1-MD5,

            ik=”5cbcvb”,

            ck=”cvvcbvbv”

    

• 去除了XRES元素，S-CSCF保存在本地，用于后续终端把鉴权响应结果发送过来后，对比终端的合法性。
• 其中，在nonce字段填入了将RAND和AUTN参数串接后进行Base64编码后的字符串。
• 在ik和ck字段加入完整性密钥和保密性密钥。
• 在algorithm字段放入值“AKAv1-MD5”，表示使用的是3GPP AKA认证机制。

   

  P-CSCF接收到S-CSCF返回的401应答消息后，在将其发往UE之前，将其中的完整性密钥IK和保密性密钥CK保存下来，并将它们从AV中删除掉（这两个元素属于AKA算法的附属产品，用于后期终端与P-CSCF之间实现安全机制的密钥使用，参见《安全机制协商》），然后将响应发往UE。

   

  SIP/2.0 401Unauthorized

  WWW-Authenticate:Digest realm=” open-ims.test”,

           nonce=ABDFER+FBDF4GDF45GGDF,

           algorithm=AKAv1-MD5

   

1. 用户认证网络身份

   UE接收到网络返回的401应答消息后，进行AKA算法，执行以下工作：

• 首先基于存储的共享密钥Key来校验网络认证令牌AUTN，如果AUTN校验成功，网络就被认证通过（即确认认证数据是从归属网络中发来的）。计算AKA参数的过程如下图片所示。UE中的认证服务模块通过随机数RAND计算出匿名密钥AK，然后使用匿名密钥AK来恢复序列号SQN，接着通过得到的序列号SQN、RAND和配置保存的认证管理域AMF来计算期望的消息认证码XMAC。将计算得到的期望的消息认证码XMAC和从网络认证令牌AUTN中取得的由HSS计算的消息认证码MAC相比较。如果这两个参数一致，那么用户认证网络身份成功，接着进行下面的步骤；如果不一致，则用户认证网络身份失败，UE向网络发送不携带response字段的REGISTER消息，以此通知网络提问无效。

   

  

   

• 如果用户认证网络身份成功，UE将接着检查序列号SQN是否在正确的范围之内（比较这次提问的序列号SQN是否比上次提问时使用的SQNi大）。如果SQN在正确的范围之内（即SQN > SQNi，将SQNi更新为SQN，并保存，以备下次使用），UE将会计算认证应答（RES）。如果SQN不大于SQNi，则认为本次提问的AV是不新鲜的，UE与网络失同步，则UE计算重同步参数AUTS，使用携带该重同步参数的REGISTER消息重新发起注册请求（参见（SQN同步失败情况））。
• 如果UE确认SQN在正确的范围之内，则接着计算保密性密钥CK和完整性密钥IK，并将CK、IK进行保存，用于后继与P-CSCF之间实现安全机制的密钥使用，参见《安全机制协商》。
• 最后，UE在发往S-CSCF的第二个REGISTER请求中返回认证挑战应答RES。

   

  REGISTER        sip:open-ims.test SIP/2.0

  Authorization:Digestusername=””,

  realm=”open-ims.test”,

  nonce=” ABDFER+FBDF4GDF45GGDF “,

  uri=”sip:open-ims.test”,

  response=”sfsdfrtygjghtyu”

   

  5) 网络认证用户身份

  P-CSCF将这个携带认证应答的REGISTER消息转发给I-CSCF，I-CSCF重新查询HSS以发现S-CSCF，然后将REGISTER消息转发给S-CSCF。当S-CSCF接收到REGISTER消息之后，进行解析并从认证头域Authorization中取出相应的参数：

• 如果Authorization头域中的response字段为空，再检查重同步参数字段auts是否为空：如果AUTS参数不为空，说明UE检查出了SQN同步失败，S-CSCF使用这个重同步参数AUTS重新向HSS请求认证数据，当下载认证数据成功后，再用新的认证向量重新向UE提问。如果AUTS参数也为空，说明S-CSCF的提问无效，S-CSCF选择下一个认证向量，重新用401消息进行提问。如果S-CSCF用完了所有的认证向量后，用户仍然无法确认网络身份，S-CSCF认为本次认证失败，放弃本次认证过程，并发送403Forbidden消息通知用户。《参见（SQN同步失败情况）》
• 如果Authorization头域中的response字段不为空，则S-CSCF取出其中的认证应答RES参数，并将其和保存在S-CSCF中的认证应答XRES相比较。如果一致，S-CSCF就认为用户回答提问正确，认证用户身份成功，允许用户接入网络，同时向UE回送200 OK消息；如果不一致，S-CSCF就认为用户回答提问错误，认证用户身份失败，S-CSCF不允许用户接入网络，那么S-CSCF应该发送403 Forbidden应答消息给UE，通知认证失败，并且放弃本次认证过程。

二、SQN同步失败情况

每个终端为每一轮认证过程维护一个序列号，如果终端检测到超出了序列号码范围之外的认证请求，那么它就放弃该认证并向网络返回一个同步失败消息，一定程度上可以避免重放攻击。

完整AKA鉴权流程请参考上节《正常情况》，该小节仅描述涉及SQN同步失败情况下的一些关键处理点。

在第12步流程中，UE从S-CSCF发来的AUTN中恢复SQN，此时UE发现SQN同步校验失败，UE在进行第二个Register消息Authorization头域中增加AUTS属性，该属性值为正确的SQN序号。

Authorization:Digest username=” “,

realm=” open-ims.test “,

nonce=” ABDFER+FBDF4GDF45GGDF “,

uri=” sip:open-ims.test “,

qop=auth,

nc=00000001,

cnonce=”0a4f113b”,

response=” sfsdfrtygjghtyu “,

opaque=”5ccc069c403ebaf9f0171e9517f40e41″,

auts=”5PYxMuX2NOT2NeQ=”

在第18步流程中，S-CSCF发现Register消息包含有AUTS属性，则知道当前与终端网络同步出现问题，使用终端传来的新的SQN重新向HSS早请认证向量。

后续流程同正常AKA鉴权流程相同，这里不详细描述，可以参考《正常情况》小节。

参考资料

《中国电信IMS网络SIP协议总体技术要求》

《基于AKA的IMS接入认证机制》

《IMS-移动领域的IP多媒体概念和服务》