IP多媒體子系統（IMS）[1]是第三代標準組織（3GPP）在Release 5階段提出的一個開放的網絡架構。由于IMS網絡具有控制和業務分離、接入無關、統一控制等特點，3GPP、國際電信聯盟遠程通信標準化組織（ITU-T）等標準組織明確IMS為下一代網絡的核心，由IMS提供廣泛的基于IP的應用服務。隨著業務的開展，業務安全性和用戶體驗變得越來越重要，GBA是一種通用引導架構[2]，可應用于IMS網絡，解決用戶終端（UE）與應用服務器（AS）之間相互認證的安全問題，并提升用戶業務體驗。
文章深入分析了通用引導架構（GBA）和IMS網絡的技術特點，并從終端安全、算法安全、向量資源共享等角度對GBA在IMS網絡中的應用提出了建議。
1 GBA在IMS中的應用
1.1 GBA架構
隨著眾多業務的開展，運營商和用戶都需要可靠的認證機制來保證業務的合法使用。尤其是在3G/4G業務中，很多應用都需要UE和AS之間進行交互，如業務激活、業務設置、業務訪問等。為了保證業務應用的安全性，就要求在UE和AS之間進行雙向認證。如果UE和AS直接交互，存在兩個嚴重問題：UE和每個AS之間都要進行獨立的認證，包括認證機制的協商、密鑰的管理；UE每次登陸不同的AS，都需要輸入密鑰，用戶體驗差。
因此3GPP標準組織提出了通用認證架構的概念，其中GBA就是一種基于共享密鑰的通用認證架構。GBA使用認證與密鑰協商（AKA）為UE和網絡之間提供一種密鑰共享、相互認證和業務保護的機制，具有較高的安全性和通用性。GBA架構如圖1所示，其中引入了引導服務功能（BSF）、網絡應用功能（NAF）網元以及認證代理（AP）網元[2-7]。
以下是GBA架構中各邏輯實體的具體功能：
（1）BSF。BSF作為引導服務功能，處于用戶的歸屬網絡。BSF通過Zh接口從歸屬用戶服務器（HSS）獲得GBA的用戶安全設置和AKA認證向量，并完成對UE的認證，建立共享密鑰（Ks）。
（2）NAF。NAF作為網絡應用功能，相當于應用服務器AS。NAF收到UE請求后，需要通過Zn接口從BSF獲取UE和BSF引導過程協商完成的密鑰信息，并完成對UE的認證。
圖1 GBA架構
（3）AP。AP作為認證代理功能，一般部署在UE和AS之間。AP代理AS完成對UE的認證，然后AP轉發UE請求交由AS處理。
（4）HSS。所有的用戶安全設置、用戶號碼、認證向量都存儲在HSS中，HSS支持通過Zh接口，返回認證向量給BSF網元。
（5）UE。UE需要支持AKA/HTTP Digest協議，并且能夠與引導服務功能雙向認證產生Ks，進而根據Ks，產生衍生密鑰Ks_NAF，該衍生密鑰則用于UE和NAF/AP之間所進行的雙向認證。
GBA流程一般包括兩個步驟：
（1）執行引導認證流程。通過AKA協議實現BSF與UE之間進行的雙向認證，當認證成功后，UE和BSF擁有Ks。
（2）執行業務訪問流程。UE與網絡應用功能/AP之間通過Ks所產生的Ks_NAF來完成對用戶終端的相關認證。
1.2 IMS網絡
IMS網絡采用分層的架構，分為接入層、傳輸層、控制層和應用層。接入層實現各類軟、硬終端連接到IMS網絡；傳輸層提供網絡和網絡間的連接；控制層主要是用于對會話的控制；應用層支持各種類型的應用服務器[8-9]。
IMS網絡中呼叫會話控制功能（CSCF）完成對用戶的認證和呼叫的控制；HSS是用戶和業務信息的數據庫，完成用戶數據管理、業務簽約等功能；AS提供各類業務和應用[10-12]。
1.3 GBA在IMS中的組網
全IP結構的IMS系統實現移動與固網融合，集數據、語音、視頻于一體，推動運營商轉變到寬帶多媒體應用和服務中來。
在IMS網絡中，很多應用都需要在UE與AS之間進行交互，如UE和基本補充業務服務器（MMTelAS）之間進行補充業務的激活、去激活，例如前轉類、限制類、顯示類業務設置操作。部署GBA通用認證架構能夠以統一的認證機制，解決UE和AS雙向認證的問題，同時增強運營商管控能力。圖2為GBA在IMS網絡中的組網示意，其中虛線是網元與HSS之間的接口，基于Diameter協議；粗實線表示GBA架構的關鍵接口，基于超文件傳輸協議（HTTP）；細實線表示IMS關鍵接口，基于會話初始協議（SIP）協議。
1.4 GBA在IMS中的應用
UE在IMS網絡中進行呼叫、短信等業務之前，首先需要進行IMS網絡注冊。IMS網絡注冊過程也是UE和IMS網絡雙向認證的過程。具體來說，當UE經過代理會話控制功能（PCSCF）和查詢會話控制功能（ICSCF）時，會向服務會話控制功能（SCSCF）發送注冊請求，SCSCF則從HSS獲取用戶的AKA認證向量，并采用AKAMD5認證算法，完成對UE的認證，這個過程通常稱為IMS-AKA。認證流程和UE與BSF之間的引導認證流程類似，主要差異如圖2所示。UE和SCSCF之間基于SIP協議，UE和BSF之間基于HTTP協議。
在IMS網絡GBA架構中，UE與AS交互進行業務激活等操作時，首先通過BSF進行引導認證流程，該流程通常稱為GBA-AKA，然后UE通過AP向AS發送業務操作請求，AP向BSF獲取衍生密鑰等信息，完成對UE的認證。
在IMS網絡中部署GBA通用認證架構，需要避免每個AS都要提供獨有的認證機制，同時在一定程度上也增強了運營商管控能力。
2 GBA在IMS中的應用分析
目前IMS網絡在固網改造、VoLTE領域得到廣泛應用，但GBA在IMS網絡中應用還屬于探索階段。下面就GBA在IMS網絡應用中可能出現的一些情況，并結合運營商的考慮，對終端安全、算法安全、向量共享3個方面進行重點分析。
2.1 終端安全分析
在GBA架構中，終端包含兩部分：移動設備（ME）和用戶識別卡。若ME是一個可信的設備，由于Ks和Ks_NAF的計算都依賴于客戶識別模塊（SIM）卡并保存在SIM卡中，那么我們認為基于SIM卡的GBA方案是安全的。
若ME是非法設備或是攻擊者定制的終端，則可能出現ME直接調用SIM卡并得到Ks，實現SIM卡的復用和冒用，具體流程參見圖3。在引導認證階段，ME接收到隨機數（RAND）后，不調用SIM卡的GBA模塊，而是以RAND作為參數調用SIM卡中的AKA認證模塊。SIM卡計算得到Kc和SRES，并返回給ME。ME則利用返回的Kc、SRES，模仿正常流程中SIM卡的操作，并通過計算得到GBA共享密鑰Ks＝KDF(key，Ks-input，“3gpp-gba-res”，SRES)，并將Ks保存在ME中。
在業務訪問階段，UE可利用Ks計算得到Ks_NAF，而不再調用SIM卡的GBA模塊。因此，攻擊者只需要購買一張合法的SIM卡放置在不合法的ME中，并合法訂購某些業務，利用上述方法獲得Ks和Ks_NAF，并且將Ks和Ks_NAF定制在仿造的客戶端軟件中，供他人下載使用。若該業務為包月類型業務，那么使用該仿造的客戶端軟件的終端不需要付費就可以使用該業務，嚴重影響運營商的業務開展。
為了提高IMS網絡GBA架構終端設備的安全性，避免上述情況的出現，有兩種解決方案：
（1）采用通用集成電路卡（UICC），UICC表示物理卡，可以包括多種邏輯應用。在UICC情況下，Ks的協商和生成全部都在UICC中完成，ME無法獲知，安全性高。
（2）對SIM卡終端進行適當的一系列改造，可以避免ME直接從SIM卡得到Ks的可能。
圖2 GBA在IMS網絡中的組網
圖3 非法ME獲取密鑰流程
2.2 算法安全分析
GBA通用引導架構中采用AKA認證，AKA認證采用了MD5算法。MD5是一種用于產生數字簽名的單項散列算法。MD5算法可以將一個任意長度的“字節串”通過一個不可逆的變換算法變換成一個128bit的大整數，即使你看到源程序和算法描述，也無法將一個MD5的值變換回原始的字符串。MD5具有較好的安全性，已經廣泛運用于數字簽名、文件完整性驗證以及口令加密等領域。
目前MD5已經被破解，破解的原理就是快速找到碰撞字符串，碰撞字符串可以生成和真正的源字符串相同的MD5碼，但是破解的過程還是非常困難的。GBA認證架構采用MD5算法也存在一定的安全隱患。為了提高GBA的安全性，也有兩種解決方案：
（1）使用SHA-1算法，該算法與MD5的128位加密相比，使用了160位加密方式，比MD5安全性更高；
（2）在MD5算法中，使用了qop參數，qop表示MD5計算的認證保護級別，包括空、auth、auth-int。“authint”安全級別最高，使用“auth-int”能降低MD5被破解的概率。
2.3 向量共享分析在GBA通用認證架構中，對于終端引導認證流程如圖4所示，具體步驟如下：
（1）UE向BSF發送HTTP請求，包括用戶的私有用戶標識（IMPI）；
（2）BSF通過Zh接口，向HSS發送多媒體認證請求（MAR）認證請求，請求消息中攜帶IMPI；
（3）HSS發送多媒體認證響應（MAA）認證響應消息給BSF，響應消息中攜帶認證向量，如AKA鑒權的五元組向量RAND、AUTN、XRES、CK、IK；
（4）BSF構造401Unauthorized響應，響應消息中包含了RAND和鑒權令牌（AUTN），不攜帶IK、CK、XRES；
（5）UE通過檢查AUTN來認證網絡，包括檢查是否失序，同時UE根據自身密鑰信息計算出CK、IK和RES，從而BSF和UE各自擁有共享密鑰Ks=CK||IK；
（6）UE發送HTTP請求到BSF，其中包含著UE計算的AKA響應值（RES）；
（7）BSF通過自身密鑰信息，計算RES完成對UE的認證。若認證成功，生成Ks和B-TID；（8）BSF發送200OK消息到UE通知認證成功，該消息中包含BTID。此外，在這個200OK消息中還要包含共享密鑰Ks的生存期。
上述GBA-AKA流程和IMS-AKA（UE在IMS網絡注冊流程）具有共同的特點是BSF和SCSCF的AKA認證向量都是從HSS下載。
目前這種機制，存在兩個問題：
（1）GBA-AKA和IMS-AKA彼此分離且獨立，同一個終端需要使用不同的AKA認證向量，增加了資源的消耗；
（2）目前IMS-AKA，SCSCF一次從HSS下載5組AKA認證向量，GBA-AKA僅下載1組，AKA認證向量包含了遞增的序列號（SQN）。通常UE先在IMS注冊，下載5組向量，然后執行GBA-AKA，下載包含最新的SQN的向量，那么IMS網絡其他幾組認證向量將失效，因為終端認為本地的SQN大于IMS網絡SCSCF保存的向量SQN，產生了失序情況。
為了減少失序情況的產生，減少AKA認證向量的消耗，結合GBAAKA和IMS-AKA的特點，可以考慮GBA在IMS網絡實際商用部署時，將GBA-AKA和IMS-AKA的認證向量實現共享。一種可行的解決方案是：SCSCF和BSF之間共享認證向量。具體來說，IMS-AKA流程中，S-CSCF從HSS下載新的認證向量后，增加向BSF同步認證向量的接口，BSF本地保存認證向量，以便GBA-AKA流程使用。在GBA-AKA流程中，如果BSF從HSS下載了新的認證向量，BSF需要向SCSCF同步認證向量，以便IMS-AKA流程使用。通過該解決方案，提高了AKA認證向量資源的使用效率，減少了失序情況。
圖4 UE與BSF交互流程
3 GBA在IMS中應用的建議
3.1 合一部署為了減少網絡的復雜性，方便運營商的運維管理，在IMS網絡中部署GBA架構，可以考慮將部分邏輯網元進行物理合設，有3種解決方案。
方案1：AP和SCSCF合設。AP和SCSCF與AS都有接口，AP和SCSCF物理合設，可以簡化組網。
方案2：SCSCF和BSF合設。SCSCF和BSF都需要訪問HSS，獲取認證向量，兩者與HSS接口相同，采用同樣的消息獲取認證向量，BSF和SCSCF物理合設，可以共享認證向量及部分處理邏輯。
方案3：BSF和AP合設。BSF和AP作為邏輯網元，各自具有獨立的邏輯，實際部署時，可以進行物理合設，簡化網絡。
3.2 應用建議
IMS網絡目前已經支持：一鍵通、即時通信IM、多媒體短信、彩鈴、Centrex、MMTELAS等應用服務，此外IMS開放式應用架構還支持游戲、音樂等新的應用服務。隨著IMS網絡業務越來越多，GBA在IMS網絡中應用需求就越強烈。基于對GBA和IMS的深入研究，結合應用的深入分析，對IMS網絡中部署GBA架構，我們提出如下建議：
（1）終端需要支持對網絡的認證，防止偽造網絡竊取用戶信息。
（2）終端最好能夠支持通用集成電路卡（UICC）卡，對于SIM卡用戶，最好能夠對終端進行改造，提高終端的安全性。
（3）在MD5算法中，要求終端和網絡采用“auth-int”進行計算。
（4）采用AKA認證向量的共享機制，減少向量資源的消耗，減少失序情況的出現。
（5）考慮GBA網絡的安全性，需要BSF/AP和UE之間部署防火墻，或者BSF/AP內置防攻擊功能，保證GBA網絡的安全性。
（6）根據運營商需求，考慮合一部署，簡化網絡。
4 結束語
文章分析了GBA架構和流程，結合GBA架構在IMS網絡中應用，從終端安全、算法安全、認證向量共享等幾個角度進行了深入分析，為GBA架構在IMS網絡中商用提出了一些建設性意見，包括共享向量、采用SHA-1算法、采用UICC卡、合一部署等。這些研究和建議必然對GBA架構在IMS網絡中的應用帶來一定的幫助和指導。
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