1.1 LTE發(fā)展背景

伴隨GSM等移動網(wǎng)絡(luò)在過去的二十年中的廣泛普及，全球語音通信業(yè)務(wù)獲得了巨大的成功。目前，全球的移動語音用戶已超過了18億。同時，我們的通信習(xí)慣也從以往的點到點（Place to Place）演進到人與人。

個人通信的迅猛發(fā)展極大地促使了個人通信設(shè)備的微型化和多樣化，結(jié)合多媒體消息、在線游戲、視頻點播、音樂下載和移動電視等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力，大大滿足了個人通信和娛樂的需求。

另外，盡量利用網(wǎng)絡(luò)來提供計算和存儲能力，通過低成本的寬帶無線傳送到終端，將有利于個人通信娛樂設(shè)備的微型化和普及。GSM網(wǎng)絡(luò)演進到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA網(wǎng)絡(luò)以提供更多樣化的通信和娛樂業(yè)務(wù)，降低無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運營成本，已成為GSM移動運營商的必經(jīng)之路。但這也僅僅是往寬帶無線技術(shù)演進的一個開始。WCDMA/HSDPA與GPRS/EDGE相比，雖然無線性能大大提高，但是，在IPR的制肘、應(yīng)對市場挑戰(zhàn)和滿足用戶需求等領(lǐng)域，還是有很多局限。

由于CDMA通信系統(tǒng)形成的特定歷史背景，3G所涉及的核心專利被少數(shù)公司持有，在IPR上形成了一家獨大的局面。專利授權(quán)費用已成為廠家承重負(fù)擔(dān)�？梢哉f，3G廠商和運營商在專利問題上處處受到制肘，業(yè)界迫切需要改變這種不利局面。

面對高速發(fā)展的移動通信市場的巨大誘惑和大量低成本，高帶寬的無線技術(shù)快速普及，眾多非傳統(tǒng)移動運營商也紛紛加入了移動通信市場，并引進了新的商業(yè)運營模式。例如，Google與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商（ISP）Earthlink合作，已在美國舊金山全市提供免費的無線接入服務(wù)，雙方共享廣告收入，并將廣告收入作為其主要盈利途徑，Google更將這種新的運營模式申請了專利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡廳和飯館等，由于本身業(yè)務(wù)激烈競爭的原因，提供免費WiFi無線接入方式，通過因特網(wǎng)可以輕易的查詢到這類信息。最近，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商“SKYPE”更在這些免費的無線寬帶接入基礎(chǔ)上，新增了幾乎免費的語音及視頻通信業(yè)務(wù)。這些新興力量給傳統(tǒng)移動運營商帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，加快現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)演進，滿足用戶需求，提供新型業(yè)務(wù)成為在激烈的競爭中處于不敗之地的唯一選擇。

與此同時，用戶期望運營商提供任何時間任何地點不低于1Mbps的無線接入速度，小于20ms的低系統(tǒng)傳輸延遲，在高移動速率環(huán)境下的全網(wǎng)無縫覆蓋。而最重要的一點是能被廣大用戶負(fù)擔(dān)得起的廉價終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

這些要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力，尋找突破性的空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看來是勢在必行。LTE(長期演進)是由3GPP(第三代合作伙伴計劃)定義的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的下一個演進目標(biāo),支持在成對頻譜和非成對頻譜上的運行,可實現(xiàn)對現(xiàn)有和未來的無線頻帶頻譜的高效利用。它還支持1.4～20MHz的信道帶寬。業(yè)界對LTE的廣泛支持,確保了LTE擁有規(guī)模經(jīng)濟效益,因此是一種非常經(jīng)濟高效的解決方案。

2006年9月,3GPP最終確定了LTE:也稱之為演進的UTRA和UTRAN(Evolved UTRA and UTRAN)的研究項目。該項研究的目標(biāo)是確定3GPP接入技術(shù)的長期演進計劃,使其可以在遙遠(yuǎn)的將來保持競爭優(yōu)勢,相應(yīng)的工作項目計劃在2007年下半年完成。

3GPP還開展了一項平行研究:即系統(tǒng)架構(gòu)演進(SAE),展示核心網(wǎng)絡(luò)的演進要點。這是一個基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),旨在簡化網(wǎng)絡(luò)操作,確保平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。

1.2 LTE安全機制概述

隨著移動通信的普及，移動通信中的安全問題正受到越來越多的關(guān)注，人們對移動通信中的信息安全也提出了更高的要求。在2G（以GSM網(wǎng)絡(luò)為例）中，用戶卡和網(wǎng)絡(luò)側(cè)配合完成鑒權(quán)來防止未經(jīng)授權(quán)的接入，從而保護運營商和合法用戶雙方的權(quán)益。但GSM網(wǎng)絡(luò)在身份認(rèn)證及加密算法等方面存在著許多安全隱患：首先，由于其使用的COMP128-1算法的安全缺陷，用戶SIM卡和鑒權(quán)中心（AuC）間共享的安全密鑰可在很短的時間內(nèi)被破譯，從而導(dǎo)致對可物理接觸到的SIM卡進行克�。�GSM網(wǎng)絡(luò)沒有考慮數(shù)據(jù)完整性保護的問題，難以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程被篡改等問題。

第三代移動通信系統(tǒng)（3G）在2G的基礎(chǔ)上進行了改進，繼承了2G系統(tǒng)安全的優(yōu)點，同時針對3G系統(tǒng)的新特性，定義了更加完善的安全特征與安全服務(wù)。R99側(cè)重接入網(wǎng)安全，定義了UMTS的安全架構(gòu)，采用基于Milenage算法的AKA鑒權(quán)，實現(xiàn)了終端和網(wǎng)絡(luò)間的雙向認(rèn)證，定義了強制的完整性保護和可選的加密保護，提供了更好的安全性保護；R4增加了基于IP的信令的保護；R5增加了IMS的安全機制；R6增加了通用鑒權(quán)架構(gòu)GAA（Generic Authentication Architecture）和MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）安全機制。

3G技術(shù)的出現(xiàn)推動了移動通信網(wǎng)數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)的發(fā)展，在更大程度上滿足了個人通信和娛樂的需求，正在被廣泛推廣和應(yīng)用。為了進一步發(fā)展3G技術(shù)，3GPP于2004年將LTE（Long Time Evolution）作為3G系統(tǒng)的長期演進，并于2006年開始標(biāo)準(zhǔn)制定工作。在開展LTE研究項目的同時，啟動了SAE（System Architecture Evolution）的研究項目。LTE/SAE的安全功能也不斷得到完善、擴展和加強，本文對LTE/SAE的安全技術(shù)進行了詳細(xì)介紹。

2 LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 LTE基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE采用扁平化、IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的接口使用IP傳輸，通過IMS承載綜合業(yè)務(wù)，原UTRAN的CS域業(yè)務(wù)均可由LTE網(wǎng)絡(luò)的PS域承載。原有PS域的SGSN（service GPRS support node）和GGSN（gateway GPRS support node）功能歸并后重新作了劃分，成為兩個新的邏輯網(wǎng)元：移動管理實體(MME)和服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Serving Gateway)，實現(xiàn)PS域的承載和控制相分離。新增的PDN GW網(wǎng)元實現(xiàn)各種類型的無線接入。

LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示：

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