家庭基站设备认证机制研究

张　尼　张智江　张　范　裴小燕

[摘要]文章简述了家庭基站在现阶段开展融合业务中的重要作用，介绍了3GPP中家庭基站安全相关的标准进展，研究了家庭基站的设备认证机制，最后对方案选择给出了建议。

[关键调]家庭基站Femtocell安全认证

1引言

家庭基站也称Femtocell，是一种小型、低功率蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场所。它的作用是作为蜂窝网在室内覆盖的补充，为用户提供话音及数据服务。家庭基站使用IP协议，采用扁平化的基站架构，可以通过现有的DSL、Cable或光纤等宽带手段接入移动运营商的核心网络。远端由专用网关实现从IP网到移动网的连接。它的大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。Femtocell适用于CDMA、GSM、UMTS等各种标准和支持2G、2.5G、3G的产品，与运营商的其它移动基站同制式、同频段，适用于现有移动终端。它具有1个载波，发射功率为10mW-100mW，覆盖半径为50m～200m，支持4～6个活动用户，允许的最大用户运动速度为10kin／h。

近期发展来看，家庭基站是实现固网、移动形成融合平台的有效方案。对于家庭基站的应用，需要跳出传统微蜂窝的观念，通过创新的业务模式和应用模式将移动业务主导的个人市场和固定业务主导的家庭市场相结合。它的引入不但可以改善家庭室内覆盖质量，提供高速数据无线接入，卸载宏小区负荷，更重要得是可以增强用户黏性，使移动业务和宽带业务在市场竞争中相互促进相互支撑。目前来看，全球大约有20多个运营商已开展了基于家庭的融合业务探索，如英国电信的BT Fusion，法国电信的“Orange UNIK”和新加坡电信的“Mio”等。

与传统宏基站不同，家庭基站通过固网运营商不可信的链路连接到移动运营商的核心网络，这导致运营商的核心网络与公共网络直接相连，必然为运营商的网络管理带来新的风险。此外，家庭基站部署在不可信的环境中，极易受到恶意用户的攻击，并以家庭基站为跳板，进一步对运营商的核心网络以及用户终端造成严重威胁。

综上所述，为保证家庭基站大规模商用，顺利开展融合业务，需要设计安全、完整的认证机制以保证其安全性。

23GPP中家庭基站安全标准进展

目前，3GPP、3GPP2、Femto Forum等标准组织都在进行家庭基站安全相关的标准化工作，本文主要介绍3GPP中家庭基站的安全标准进展情况。

2007年12月，3GPP SA第38次会议正式立项，开展家庭基站安全机制的研究；同时起草TR33 820，分析家庭基站面临的安全威胁，研究相应的解决措施，涉及家庭基站安全架构、安全威胁、安全要求等内容。2009年3月SA第43次会议通过了TR 33.820。

2008年12月，3GPP SA第42次全会启动WI“Security Aspects of Home NodeB／eNodeB”，正式制定家庭基站的安全标准，计划2010年3月完成该项目。目前来看，业界对家庭基站的安全解决方案已经研究得比较充分，3GPP在这方面的工作将主要起到形成统一方案、促进多厂家设备互通的作用。

随着3GPP在3G家庭基站标准化方面工作的开展，家庭基站相关的标准将逐渐稳定，预计业界也将陆续推出符合3GPP标准的家庭基站解决方案，从而促进3G家庭基站逐步走向规模商用。

3家庭基站的设备认证机制

家庭基站的认证通常包括以下三部分内容：

(1)设备认证，在家庭基站加电后，首先进行家庭基站的设备鉴权，确认家庭基站的身份及硬件设备的合法性；

(2)准入认证，当UE请求通过家庭基站接入网络时，家庭基站通过与安全网关以及与核心网设备交互。执行UE准入鉴权，判决该UE是否有接入该家庭基站的权力；

(3)UE认证，附着在家庭基站的UE的接入请求将被前转到移动核心网，继续进行传统移动网络中的UE接入鉴权。

在上述三种认证方式中，设备认证是家庭基站安全机制的基础，因此本章仅介绍家庭基站的设备认证，其余两种认证方式，可参见相关的3GPP规范TS25.467和TS33.102。

对于家庭基站，可以采用机卡不分离模式或机卡分离模式，每种模式下，均可使用证书或EAP AKA认证方式，下面分别对这四种情况进行介绍。

3.1支持机卡不分离模式

为了便于描述，首先引入信任状的概念。本文中的信任状是指在某种认证方式下，保存在家庭基站和网络中的秘密数据。对于证书认证，信任状指的是私钥；对于EAP AKA认证信任状指的是根密钥K。

机卡不分离模式要求认证信任状嵌入在家庭基站中。EAP AKA和证书两种认证方式均可满足机卡不分离的需求。

(1)EAP-AKA／SIM(AKA／SIM信任状不可插拔)

家庭基站和运营商核心网络之间交互的信息都是基于IP协议进行传输，目前3GPP已经采纳IPsec作为网络节点间的通信安全保护技术，即家庭基站和安全网关之间执行交互认证后，家庭基站和安全网关问建立安全隧道以保护家庭基站和安全网关之间交互的信息的安全。

如图1所示，家庭基站和运营商核心网络利用IPsec协议中的IKEv2承载EAP-AKA／SIM的方式进行双向认证，关于IKEv2协议可参见RFC 4306。

1、家庭基站获得安全网关的IP地址，向SG发起IKEv2认证请求，家庭基站和SG执行IKE_SA_INIT初始交换流程：

2、在IKE_AUTH阶段的第一条消息中，家庭基站向安全网关发送家庭基站的身份标识(携带在Idi载荷中发送)，开始协商子安全关联。如果家庭基站的远程IP地址需要动态配置，这条消息中还需要携带配置载荷；

3、安全网关向AAA服务器发送携带空的EAP AVP的认证请求消息，这条消息中包含在第二步中接收到的家庭基站的身份标识；

4、AAA服务器从HSS／HLR获取用户信息和认证向量；

5、AAA服务器发送认证挑战给安全网关；

6、安全网关向家庭基站发送IKE_AUTH响应。IKE_AUTH响应消息中包含从AAA服务器接收到的EAP消息(EAP-Request／AKA(SIM)-Challenge消息)。如果家庭基站需要使用安全网关的证书对安全网关进行认证时，这条消息中还需要包含安全网关身份标识、证书和和用于保护在第1步中发送给家庭基站的消息的AUTH参数；

7、家庭基站发送认证挑战响应消息。在响应消息中包含EAP消息。当家庭基站需要基于安全网关的证书来认证安全网关时，家庭基站需要检查认证参数AUTH；

8、安全网关向AAA服务器转发EAP-Response／AKA(SIM)-Challenge消息；

9、当所有的认证成功时，AAA服务器向安全网关返回

包含一个EAP成功和密钥材料的认证应答。密钥材料应该包含在认证过程中生成的MSK；

10、为了认证IKE_SA_INIT阶段消息，安全网关将会使用MSK生成AUTH参数；

11、安全网关将EAP成功消息发送给家庭基站；

12、家庭基站将使用它自己保存的MSK作为输入参数生成认证第一条IKE_SA_INIT消息的AUTH参数。家庭基站向安全网关发送AUTH参数：

13、安全网关认证从家庭基站接收到的AUTH的正确性并且计算认证IKE_SA_INIT消息的AUTH参数。如果家庭基站在CFG_REQUEST消息中请求远程IP与配置载荷、安全关联以及其余的IKEv2参数一起发送给家庭基站，至此IKEv2协商结束；

14、若安全网关检测到对于这个家庭基站已经有一个旧的IKE SA存在了，则安全网关删除这个IKE SA并且向家庭基站发送包含一个删除载荷的INFORMATIONAL交换以在家庭基站上删除旧的IKE SA。

(2)证书方式(证书不可插拔)

家庭基站和安全网关之间可使用证书方式进行交互认证。证书方式要求有PKI系统的支持，运营商或厂商必须部署PKI系统才能进行证书的发放和证书生命周期管理。运营商和厂商需协商证书发放和证书生命周期管理的各个细节才能保证证书认证的安全性。本文不介绍证书发放和证书生命周期管理相关内容。

家庭基站和SG之间的证书认证流程如图2所述。

1、家庭基站发送IKE_SA_INIT请求给SG：

2、SG发送IKE_SA_INITU向应，向家庭基站请求一个证书；

3、家庭基站在IKE_AUTH中发送家庭基站ID、AUTH负荷、家庭基站证书、并且向SG请求一个证书；

4、SG检查从家庭基站得到的AUTH正确性，并且计算AUTH参数用来认证下一个IKE_SA_INIT消息，SG还认证从家庭基站得到的证书；

注：安全网关判断家庭基站是否能够通过接入授权的机制(如和允许接入的家庭基站的白名单对比，检查证书撤销列表)需要进一步研究；

5、SG发送AUTH参数和它的证书给家庭基站；

6、家庭基站利用存储的根证书认证SG的证书，SG的根签名公钥和其他用于验证的数据需安全的存储在家庭基站中。

7、如果SG检验到针对此家庭基站已存在一个旧IKE SA，则SG删除该IKE SA并发送包含删除载荷的INFORMATIONAL exchange消息给家庭基站用来删除家庭基站中的旧的IKESA。

3.2支持机卡分离模式

(1)EAP-AKA／SIM(AKA信任状可插拔)

与3.1方案的差别在于，本方案中AKA信任状为可插拔的信任状。即家庭基站设备中可插入一张USIM／SIM卡，家庭基站和运营商核心网络之间进行EAP-AKA／SIM认证，认证流程参见图1和相关描述。

本方案存在的安全问题在于USIM／SIM卡难以通过安全的方式和设备绑定。考虑如下场景，攻击者获得合法家庭基站上的USIM／SIM卡；然后利用读卡器将计算机和USIM／SIM卡相连；计算机上软件模拟家庭基站的功能分别和网络侧、USIM／SIM卡通信，通过EAP AKA／SIM认证后连入运营商核心网络，继而对运营商核心网络发起攻击。

(2)EAP AKA／SIM+证书方式(AKA／SIM信任状可插拔。证书不可插拔)

本方案要求家庭基站上配备一张可插拔的USIM/SIM卡，同时配备一个不可插拔的证书。EAP AKA／SIM+证书方式可使用RFC 4739中的方案进行家庭基站和网络侧的交互认证，认证的基本思想为家庭基站和SG之间先执行基于证书的认证，然后家庭基站和AAA服务器之间执行基于EAPAKA／SIM的认证，详细流程参见RFC 4739。

若希望实现将可插拔的AKA／SIM信任状特定的家庭基站设备绑定，即某一特定的AKA/SIM信任状只能在特定的家庭基站上使用，AAA服务器或HSS可保存AKA/SIM信任状ID和证书ID之间的对应关系。在认证过程中，SG将家庭基站的证书ID和AKA／SIM信任状ID发送给AAA服务器／HSS。AAA服务器／HSS检查家庭基站证书ID和AKA／SIM信任状ID之间的对应关系。如果两者对应，则允许家庭基站接入，若两者不对应，则拒绝家庭基站接入。

4结束语

家庭基站作为一种新兴的部署模式，得到了众多运营商的关注，而安全问题是影响家庭基站部署的重要因素。因此家庭基站设计一套复杂、完整的认证机制以保证其安全性。本文中介绍的方案代表着家庭基站设备认证的主流发展趋势。基于证书的认证方式目前在通信领域仅有少量应用。但3GPP已经决定在R9中使用证书认证作为必选的认证方式，这表明了未来证书方式将开始在电信领域内应用。考虑到现有的大部分家庭基站产品，均采用EAP-AKA／SIM方案，且此方案也能提供可接受的安全级别，故此方案可作为PKI系统成熟部署之前的过渡方案使用。从长远角度来看，在PKI系统部署成熟后，家庭基站应支持证书认证的方式。