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9. Authentication/Security流程。

0）准备知识

1）鉴权流程

A. 鉴权流程（请求阶段）：

B. 鉴权流程（响应阶段）：

C. 鉴权流程（鉴权确认和注册绑定部分）

2）5G密钥相关推导图

9. Authentication/Security流程。

0）准备知识

该步骤为UE的5G的鉴权流程，本文以目前使用的5G AKA鉴权方式为例介绍。5G AKA相比4G增加了归属网络的鉴权功能。4G的鉴权由MME完成，而5G的鉴权由AMF和AUSF共同完成，且5G的鉴权向量不支持预取，也不支持一次获取多组鉴权向量。

归属网络的AUSF提供鉴权过程的锚点密钥（anchor key）KSEAF，它是由加密保存在AUSF中的中间密钥Kausf计算得到的。5G中，锚点密钥和和服务网络（Serving Network）进行绑定，向UE提供隐式的服务网络认证。绑定的方式是将5G SN名称作为密钥推导的输入参数。

（1）5G SNN（Serving Network Name）

5G SNN的作用：

用于推导锚点密钥，作为AUSF推导Kseaf的输入参数，及作为UE推导RES*和XRES*的输入参数；
将锚点密钥和服务网络绑定；
通过将服务码（Service code）设置为“5G”来保证锚点密钥用于5G核心网和UE之间的鉴权认证。

5G SNN的构成：

SNN最长1020个字节，由两部分构成：SNN-service-code和SNN-network-identifier，中间用冒号“:”进行连接。

由于在认证和鉴权过程中，安全密钥需要在UE和SEAF（位于AMF中）中分别推导，因此，SNN作为密钥推导的输入参数，需要在UE和SEAF分别进行构造。

SNN-service-code：固定为“5G”。在通过non-3GPP接入时，也用于区分接入网络，作为Access Network Identity使用；
SNN-network-identifier：用于识别当前的移动网络。根据TS 24.501章节9.12.1规定，对于PLMN网络，该值为：mncXXX.mccXXX.3gppnetwork.org（都为小写字母）。对应中国移动的5G网络SNN-network-identifier为：mnc000.mcc460.3gppnetwork.org。

UE侧根据RAT和小区广播的PLMN信息可以很容易推导出SNN，进而用于安全密钥的推导；而AMF侧根据配置信息也可以构造出SNN，用于鉴权和认证。

（2）鉴权流程的触发条件

通常，与UE建立信令连接的流程都可以触发鉴权流程。我们常见到的能够触发鉴权流程的场景为：

UE使用SUCI发起注册流程；
AMF没有UE的有效上下文；
Registration Request消息没有被完整性保护；
UE携带5G-GUTI注册，但是old AMF对注册请求消息执行完整性检查失败；

1）鉴权流程

本部分的鉴权流程分成三个部分：

鉴权流程（请求阶段）
鉴权流程（响应阶段）
鉴权流程（鉴权确认和注册绑定部分）

A. 鉴权流程（请求阶段）：

（1）消息方向：AMF/SEAF -> AUSF

HTTP方法：POST

消息名称：Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request

在整体注册流程的第8步中，AMF根据从UE得到的SUCI或者从old AMF得到的SUPI，选择对该UE进行鉴权的AUSF，构造Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request消息并发送给该AUSF。

该请求的资源URI为：

{apiRoot}/nausf-auth/v1/ue-authentications

携带的参数类型为：AuthenticationInfo，具体的字段信息如下图，我们常见到的IE为SUPI或者SUCI，及SNN：

只要AMF得到了UE的SUPI，在Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request消息中包括的都是SUPI，除非AMF不知道UE的SUPI，才会在该消息中包含SUCI。

AUSF收到请求消息后，会检查消息中的Serving Network Name是否得到了授权。如果检查失败，则返回：403 Forbidden，携带的原因值为：SERVING_NETWORK_NOT_AUTHORIZED。

（2）消息方向：AUSF -> UDM

HTTP方法：POST

消息名称：Nudm_UEAuthentication_Get Request

该请求的资源URI为：

{apiRoot}/nudm-ueau/v1/{supiOrSuci}/security-information/ generate-auth-data

该消息用于AUSF请求UDM为UE选择一种鉴权方法，并计算新的鉴权向量（如果该鉴权需要鉴权向量的话）。如果请求中包含的是SUCI，UDM收到该请求后，首先，SIDF将SUCI解密为SUPI，之后根据SUPI为UE选择鉴权方式。目前，5G使用的鉴权方式有两种：EAP-AKA’ 和5G AKA。

请求消息AuthenticationInfoRequest的内容如下图：

- ResynchronizationInfo

该字段包含两项内容：rand和auts。在鉴权重同步过程中，AUTS由UE计算得到。

B. 鉴权流程（响应阶段）：

（1）UDM生成鉴权向量

UDM/ARPF在生成鉴权向量时，需要将Authentication Management Field (AMF)的separation bit设置为"1"。separation bit为AUTN中AMF字段的第0比特，该值为1标识生成的鉴权向量用于EPS/5G AKA鉴权；如果设置为0，标识该鉴权向量用于GSM、UMTS等非EPS/5G AKA鉴权（具体原理详见TS33.102，6.4.3章节及附录F）。对于鉴权向量来讲，如果设置为1，AKS鉴权过程中产生的CK和IK鉴权密钥不会离开HSS。 UDM/ARPF推导出 KAUSF并计算XRES*（在推导Kausf和XRES*时都会将serving network name作为输入参数使用）。最后UDM/ARPF生成的5G HE AV包含RAND、AUTN、XRES*、KAUSF四个参数。（其中鉴权令牌AUTN = SQN Å AK || AMF || MAC）。

（2）消息方向：UDM -> AUSF

消息名称：Nudm_UEAuthentication_Get Response

成功响应

返回200 OK响应。UDM计算出5G HE AV（RAND、AUTN、XRES*、KAUSF），并在响应消息中返回给AUSF。携带AuthenticationInfoResult内容。

该响应消息包含AuthenticationInfoResult，具体内容如下：

- supi

如果请求消息中是SUCI，UDM会使用SIDF解密出SUPI并在该字段中返回给AUSF。

- authType

AUSF根据该字段为UE开启"5G_AKA"鉴权流程或者"EAP_AKA_PRIME"鉴权流程。

选择的鉴权类型共有三个取值："EAP_AKA_PRIME"、"5G_AKA"和"EAP_TLS"，其中，"EAP_TLS"标准并不强制要求支持。

- AuthenticationVector

鉴权向量包含的内容如下：

其中：

- avType

取值两种："5G_HE_AKA"和"EAP_AKA_PRIME"。

- rand

共128比特，16字节。

- autn

共128比特，16字节。AUTN的构成(SQN xor AK)||AMF||MAC，共48+16+64 bits。

失败响应

- 403 Forbidden

可能的原因值为：AUTHENTICATION_REJECTED、INVALID_HN_PUBLIC_KEY_IDENTIFIER、INVALID_SCHEME_OUTPUT

- 404 Not Found

如果用户没有开户，则携带原因值：USER_NOT_FOUND

- 501 Not Implemented

原因值：UNSUPPORTED_PROTECTION_SCHEME。

（3）AUSF保存XRES*

AUSF临时保存从响应消息中的XRES*和SUPI，用于归属地的鉴权比较。

注：

在TS33.501中，该步骤的解释为：“The AUSF shall store the XRES* temporarily together with the received SUCI or SUPI.”。也就是说本步骤，AUSF也可能保存SUCI。不知道在什么场景下会出现AUSF临时保存SUCI？从上述Nudm_UEAuthentication_Get Response成功的200 OK响应AuthenticationInfoResult内容来看，并没有定义SUCI字段。在失败响应中，只有403 Forbidden，原因值：INVALID_SCHEME_OUTPUT，表示无法解密SUCI，也没有带回SUCI。怀疑3GPP该步骤的解释应该为编写错误。

（4）AUSF计算XRES*

AUSF根据接收到的5G HE AV（RAND、AUTN、XRES*、KAUSF）来计算5G AV（RAND、AUTN、HXRES*、KSEAF）；根据XRES*计算出HXRES*；根据KAUSF计算出KSEAF（计算KSEAF仍然需要serving network name作为输入参数）。锚点密钥Kseaf此时诞生。

（5）消息方向：AUSF -> AMF/SEAF

消息名称：Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response

AUSF 删除KSEAF，并在Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response消息中向AMF返回5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*) 。

从上述可见，AUSF产生的5G AV并没有直接发送给AMF，而是分两步发送：第一步，发送5G SE AV用于拜访地鉴权；第二步，如果拜访地鉴权成功，返回RES*归属地鉴权成功后，将锚点密钥Kseaf发送给AMF，此时才将完整的5G AV发送给了AMF。

该Response的内容如下：

消息IE介绍：

- authType

指示UE本次鉴权网络选择的鉴权方法，共有三个取值："EAP_AKA_PRIME"、"5G_AKA"和"EAP_TLS"。

- _links

该字段包含本次鉴权后，UE返回的RES*，AMF返回RES*时需要调用的AUSF的资源URI。如果是5G AKA，该字段的值为“5g-aka”和执行鉴权确认的超链接URI，如http://172.16.141.122:8080/nausf-auth/v1/ue-authentications/06120902071/5g-aka-confirmation。如果是EAP鉴权，该字段的值为："eap-session"及执行EAP Session的URI。

- 5gAuthData

包含上一步骤的5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*)。

（6）消息方向：AMF/SEAF -> UE

消息名称：Authentication Request（NAS消息）

AMF/SEAF保存接收到的HXRES*，并向UE发送Authentication Request消息，启动T3560计时器，消息中包含RAND、AUTN、ngKSI、ABBA等参数。ME转发接收到的Authentication Request消息中的RAND和AUTN 给USIM。

5G AKA流程都是由网络发起的，UE可以拒绝网络发起的鉴权请求。

Authentication Request消息包含在N2接口的Downlink NAS Transport和Uu接口的RRC层DLInformationTransfer消息中发送给UE。

Authentication Request消息定义：

消息IE介绍：

- ngKSI

ngKSI是由SEAF生成的，取值范围0-6（3bit）（7保留）。如果UE发送给网络的ngKSI=7，表示没有密钥可用。ngKSI用于在UE和AMF中识别Kamf。在后续鉴权成功后，用于识别5G安全上下文。如果在初始NAS消息（Registration Request消息）中包含了ngKSI，AMF需要在Authentication Request中分配一个不同的ngKSI。

- ABBA

ABBA参数为保持前向兼容，其长度可变，在R16版本中，长度为2个字节，值规定为：0x0000，用于推导Kamf作为输入参数。该参数用于防止降维攻击。

- Authentication parameter RAND/ Authentication parameter AUTN

均为从AUSF收到的数据。

- EAP message

对于5G AKA鉴权，不包含该IE。

（7）UE计算RES*

USIM收到RAND和AUTN，需要先检查AUTN中的MAC区域，验证接收的AUTN新鲜度。验证通过后，USIM计算RES，并和CK、IK一起返回给ME。如果USIM 根据CK和IK计算出了Kc (如GPRS Kc) 也发给了ME，则ME忽略该值，在USIM和ME上都不保存该值。之后，ME根据收到的RES计算RES*（serving network name、RAND等作为输入参数）。ME根据CK||IK 、serving network name 及AUTN中的SQN Å AK 计算出KAUSF，进而计算出 KSEAF （serving network name作为输入参数）。最后，ME检查AUTN的AMF域的"separation bit"是否为1。

（8）消息方向： UE -> AMF/SEAF

消息名称：Authentication Response（NAS消息）

UE构造Authentication Response消息发送给AMF/SEAF。AMF/SEAF收到Authentication Response消息后停止T3560计时器。

Authentication Response消息包含在Uu接口RRC层的ULInformationTransfer消息和N2接口的Uplink NAS Transport消息中发送给AMF/SEAF。

Authentication Response消息定义：

消息IE介绍：

- Authentication response parameter

该参数为UE计算的RES*。（在5G AKA中，RES*由ME计算得到，16字节长度，在4G中，RES由USIM计算得到，最短4字节，最长16字节。）

（9）AMF/SEAF计算HRES*

AMF/SEAF根据UE发送的RES*计算出HRES* （输入参数有RES*、RAND等），SEAF比较HRES*和HXRES*，如果二者一致，则认为UE在当前的拜访网络鉴权成功。之后，执行第10步，通过Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request消息将RES*发送给AUSF进行归属地鉴权。

如果HRES*和HXRES*不一致，则认为UE在拜访网络鉴权失败，仍然会继续执行第10步，只是此时不携带RES*，而是携带空值，以通知AUSF在拜访地鉴权失败。

如果此时UE不可达，SEAF不会收到RES* ，则SEAF认为本次鉴权失败，并通知AUSF。

注：

网络上及个别厂家文档写到：如果拜访网络鉴权失败，流程结束。该说法并不准确，即使拜访网络鉴权失败，仍然会通知归属地AUSF。

如果在后面第12步中AUSF返回给SEAF鉴权结果Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response消息中，指示RES*在归属地鉴权失败，或者RES*在拜访网络的SEAF中鉴权失败，则认为UE本次鉴权失败。如果UE使用SUCI发起的注册请求，则SEAF向UE发送UE Authentication Reject消息；如果UE使用的5G-GUTI发起的注册请求，AMF会尝试向UE请求SUCI再次进行鉴权尝试。如果最终UE鉴权失败，会收到Authentication Reject消息。

在UE侧，如果UE对Authentication Reject消息完整性检查通过，UE会设置update status为5U3 ROAMING NOT ALLOWED，并删除保存的5G-GUTI、TAI list、last visited registered TAI和ngKSI。在UE关机或者USIM卡更换之前不会再进行重新注册。如果Authentication Reject完整性检查失败，在30分钟到60分钟之间，会再次发起注册。

（10）消息方向： AMF/SEAF -> AUSF

HTTP方法：PUT（注意：EAP鉴权方式时本步骤为POST方法）

消息名称：Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request

该请求消息调用AUSF的资源URI:

{apiRoot}/nausf-auth/v1/ue-authentications/{authCtxId}/5g-aka-confirmation

该URI在第5步的响应消息中_links字段携带，也可以由AMF自行构造。如果构造的不准确，则在返回响应消息：404 Not Found，携带原因值：CONTEXT_NOT_FOUND，表示AUSF没有找到对应的资源URI。

该消息携带的确认数据只有ConfirmationData，包含：RES*。但是该值也有为空的情况，表示通知AUSF拜访地鉴权失败。具体场景如下：

- UE不可达的情况，AMF不会收到RES*；

- 拜访地鉴权失败AMF比较HRES*和HXRES*不一致；

- AMF收到UE的authentication failure消息，如：synchronization failure或者MAC failure。

（11）AUSF验证RES*

AUSF收到RES*后，首先验证5G AV是否过期。如果5G AV过期了，则认为归属网络鉴权失败。如果5G AV验证不超期，AUSF加密保存Kausf。之后，AUSF比较接收到的 RES*和保存的XRES*是否一致，如果一致，AUSF认为归属网络鉴权成功，并通知UDM鉴权结果，之后开启鉴权确认和注册绑定流程。

（12）消息方向： AUSF -> AMF/SEAF

消息名称：Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response

如果AUSF鉴权成功，则向AMF/SEAF返回200 OK响应，携带ConfirmationDataResponse信息，具体内容如下：

消息IE介绍：

- authResult

该IE共有三个可选值：

- AUTHENTICATION_SUCCESS：归属地鉴权成功

- AUTHENTICATION_FAILURE：归属地鉴权失败

- AUTHENTICATION_ONGOING：表示EAP Session鉴权正在进行，目前不涉及。

- supi/kseaf

从整个流程中可以看到，只有当归属地鉴权成功后，AMF才能得到解密后的SUPI和锚点Kseaf。拜访网络在得到SUPI之前，不能使用任何网络服务。之后SEAF根据Kseaf、ABBA参数和SUPI推导出Kamf，并和ngKSI一起发送给AMF。

C. 鉴权流程（鉴权确认和注册绑定部分）

该步骤主要用于防止AMF的虚假注册，如UE所处拜访网络没有的AMF，确发起了Nudm_UECM_Registration_Request，导致UE注册在了一个不存在的AMF上。

（1）消息方向：AUSF -> UDM

HTTP方法：POST

消息名称：Nudm_UEAuthentication_ResultConfirmation Request

该请求消息的资源URI如下：

{apiRoot}/nudm-ueau/v1/{supi}/auth-events

资源URI中包含SUPI，消息体仅包含AuthEvent参数，内容如下：

消息IE介绍：

- nfInstanceId

执行鉴权的NF instance （如AUSF）。

- success

该值为布尔类型，true表示AUSF鉴权成功，false 表示鉴权不成功。false值也用于AUSF请求UDM删除鉴权结果。

- authRemovalInd

可选项，用于指示UDM中的鉴权结果是否删除，true表示删除。默认值为false。

（2）UDM保存AuthEvent相关信息

UDM保存UE的鉴权状态，如SUPI、鉴权结果、时间戳、serving network name等。

（3）消息方向：UDM -> AUSF

消息名称：Nudm_UEAuthentication_ResultConfirmation Response

成功响应

返回201 Created，消息体可以为空。如果不为空，则返回AuthEvent内容。HTTP消息头的Location字段包含创建的资源，URI如下：

{apiRoot}/nudm-ueau/v1/{supi}/auth-events/{authEventId}

失败响应

404 Not Found，原因值：USER_NOT_FOUND。

（3）UDM对后续流程的鉴权

如果UDM收到了UE的后续流程，如：AMF发送的Nudm_UECM_Registration_Request消息，UDM会根据运营商策略执行相关检测和保护操作（详见TS 33.501，3GPP仅提供了建议操作）。

2）5G密钥相关推导图

（1）5GS密钥推导图（TS 33.501）

（2）5GS密钥分布及生成模式图（TS 33.501）

（3）UDM鉴权向量推导图（TS 33.102）

（4）UE鉴权推导图（TS 33.102）

后续流程，留待下回分解 ......

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