本发明涉及网络通信安全技术领域，尤其涉及在移动通信网络中用户及设备和专用网络之间的相互认证方法及系统。
背景技术：
移动通信网络服务由于其移动性和便利性已经广泛应用于人们的日常生活。随着4g移动通信网络的大规模部署，越来越多人开始使用4g网络服务。在享受移动通信网络带来的便利同时，伪基站、伪网络也给移动应用带来新的安全问题。同时，移动通信网络也面临着来自越来智能手持终端设备，越来越多样化，承受数量具大的物联网终端的非法接入及攻击。
移动专用网络用户使用网络业务的过程中，由于用户的移动性及专用网络运营商网络覆盖的局限性，在一些情况下，如漫游场景，用户可能需要通过公共移动网络以漫游的方式接入专用移动核心网。漫游地公共移动接入网对于专网用户及专用核心网来说是不完全可信的。在漫游情况下，用户接入专用核心网时需要进行认证，缺省的认证流程是经过漫游地核心网mme执行并决定认证结果的，那么对于专用核心网就可能存在中间人攻击的风险。此外，当专网用户处于非漫游状态时，此时，用户经过可信的专用接入网直接接入专用核心网，那么上述非完全可信mme充当中间人的问题就没有了，如何针对不同场景采取灵活高效的安全防护措施是一个值得考虑的问题。
为了防止非法用户接入3g及4g网络，设计了aka的认证机制，利用网络侧hss和终端的共享安全凭据信息及aka算法使得网络可以认证用户的合法性，同时用户终端设备也可以认证网络的合法性。目前3gpp设计移动网络安全认证机制假定接入网及核心网所有功能都是安全可信的。现有的3g和4g移动网络假设漫游地网络和归属地网络在安全上是相互可信的，即归属地网络总是信任漫游地网络，因此就没有考虑上述漫游地核心网mme成为中间人的安全风险。目前4g网络对漫游用户认证方法是基于漫游地网络完全可信的假设，还没有针对漫游地核心网功能成为中间人问题的解决方法。现有的漫游用户认证措施无法解决移动专用网络新使用场景面临的新问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种面向移动专用网络的动态附加认证方法及系统，即专用移动通信网络和专网用户相互认证方法，可以实现非可信3gpp接入网环境下或漫游环境下专网用户和专用网络之间的安全可靠相互认证，从而避免专网用户及设备接入伪专用网络，也可防止非法用户及设备接入专用网络。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种面向移动专用网络的动态附加认证方法，其步骤包括：
已与位于专用核心网的移动管理节点mme和服务器hss进行过双向认证的用户终端ue判断是否需要启动动态附加接入认证，如需要，则该ue向位于专用核心网的安全接入服务器sas发起接入认证请求；或者，专用核心网的网关s/p-gw收到所述ue发出的业务请求触发判断是否需要启动sas和ue之间的动态附加接入认证，如需要，则该s/p-gw向sas发起接入认证请求；
sas收到所述接入认证请求后，确定是否启动接入认证，如果启动，则sas向hss发送用户id和由s/p-gw提供的用户身份imsi信息；
hss收到所述用户id和imsi信息后，生成控制面安全保护需要的初始密钥；
sas根据所述初始密钥生成控制面安全保护需要的密钥，保护其与ue之间的控制面交互信息；
ue生成控制面安全保护需要的初始密钥，根据该初始密钥生成控制面安全保护需要的密钥，保护其与sas之间的控制面交互信息；
ue接收sas的认证命令后，认证专用核心网的合法性，并通知sas；
sas认证ue的合法性，并将该认证结果通知ue。
进一步地，根据所述ue的当前位置、是否漫游、接入网络安全可信度、接入网络类型、接入网络id、ue访问的业务是否为专网相关业务以及预配置的安全策略判断是否启动动态附加接入认证。
进一步地，所述安全策略用于判断所述ue与专用核心网之间是否需要启动接入认证，该策略定义了需要启动附加认证的条件。例如：所述ue如果通过非可信3gpp或在漫游状态下通公共lte网(plmnid＝a)接入专用核心网，则需要启动接入认证；如果在非漫游状态下通过专用lte接入网(plmnid＝b)接入专用核心网，则不需要启动接入认证。
进一步地，所述接入认证请求包括ue当前位置、硬件id、接入网络类型、接入网id及plmnid、ip地址信息。
进一步地，所述ue和hss根据ue和hss共享的安全凭据信息(包括ck,ik和共享因子factor)生成初始密钥。
进一步地，所述初始密钥的生成算法如图2所示(图中usim设置于ue上)，具体为：以ue和hss共享的安全凭据信息的ck,ik和共享因子factor、服务网络标识snid以及序列号sqn异或ak为输入，通过标准密钥演算函数kdf运算生成初始密钥ks_init。
进一步地，所述ue和sas还根据ue和sas共享的安全凭据信息(包括共享因子factor和共享时间戳timestamp)以及ue和hss共享的安全凭据信息生成密钥；所述共享包括静态预配置或通过共享的第三方设备传递的信息。
进一步地，所述密钥包括机密性保护密钥和完整性保护密钥；
所述机密性保护密钥的生成算法如图3所示(图中usim设置于ue上)，具体为：以初始密钥ks_init、ue和hss共享的安全凭据信息、ue和sas共享的安全凭据信息、alg-id、新定义的机密性保护算法类型标识符sa-init-enc-alg以及新定义的算法标识256-eea4aesbasedalgorithm(aes-ctr)作为输入，经密钥演算函数kdf运算生成机密性保护密钥kinit_enc；
所述完整性保护密钥的生成算法如图3所示，具体为：以初始密钥ks_init、ue和hss共享的安全凭据信息、ue和sas共享的安全凭据信息、alg-id、新定义的完整性保护算法类型标识符sa-init-int-alg以及新定义的算法标识256-eia4aesbasedalgorithm(aes-cmac)作为输入，经密钥演算函数kdf运算生成完整性保护密钥kinit_int；
该密钥演算架构具体如下：
algorithmtypedistinguishers
拓展定义：
sa-init-enc-alg＝0x09，
sa-init-int-alg＝0x10；
alg-id；
拓展定义：
"0100"＝256-eea4aesbasedalgorithm(aes-ctr)，
"0110"＝256-eia4aesbasedalgorithm(aes-cmac)；
机密性保护密钥：
kinit_enc
＝kdf(factor,time,sa-init-enc-alg,256-eea4aesbasedalgorithm(aes-ctr),ks_init)；
完整性保护密钥：
kinit_int
＝kdf(factor,time,sa-init-int-alg,256-eia4aesbasedalgorithm(aes-cmac),ks_init)。
进一步地，所述认证命令包括hss生成的随机数rand以及认证令牌autn信息。
进一步地，所述ue根据其生成的初始密钥、ue和sas共享的安全凭据信息以及aka算法来认证专用核心网的合法性。
进一步地，所述sas根据hss生成的初始密钥、ue和sas共享的安全凭据信息以及aka算法来认证ue的合法性。
一种面向移动专用网络的动态附加认证系统，包括：
ue，用于发送接入认证请求或业务请求，生成控制面安全保护需要的初始密钥及密钥，保护其与sas之间的控制面交互信息，并认证专用核心网的合法性；
sas，位于专用核心网，用于确定是否启动动态附加接入认证，生成控制面安全保护需要的密钥，保护其与ue之间的控制面交互信息，并认证ue的合法性；
hss，位于专用核心网，用于生成控制面安全保护需要的初始密钥；
s/p-gw，位于专用核心网，用于向sas提供用户身份imsi信息。
进一步地，如果所述ue发送接入认证请求，则在发送之前先判断是否需要启动动态附加接入认证；如果所述ue发送业务请求，则该业务请求触发所述s/p-gw判断是否需要启动sas和ue之间的动态附加接入认证。
本发明提出了一种专用移动通信网络用户和专用移动通信网络之间安全可靠的相互认证的方法。为了避免漫游情况下公共核心网控制面功能mme引起的可信问题，在专用核心网引入sas。该方法通过利用ue和专用核心网共享的安全凭据信息及依据密钥生成算法生成的密钥，保护ue到sas之间的接口消息。sas根据ue的当前位置、接入网络安全可信度、用户漫游状态等信息，决定是否对该ue进行动态附加接入认证。如果需要进行认证，sas和hss交互获取根据ue和hss共享的安全凭据信息生成的认证数据，并使用该认证数据和ue进行接入认证。根据认证结果，确定该ue是否可以接入专用网络。
此外，本发明通过增强终端功能，使得ue利用和hss及sas共享的安全凭据信息及初始密钥生成算法生成密钥，以保护ue与sas之间的接口。此外需要增强核心网hss功能，hss需要利用和ue共享的安全凭据信息及初始密钥生成算法生成初始密钥并将该密钥传递给sas。ue或s/p-gw根据接入网络id、接入网络可信度、漫游状态及预配置的安全策略，决定是否触发sas启动附加独立认证。
图1所示为在现有lte密钥演算体系基础之上的控制面安全保护密钥的演算体系。图中usim/auc、ue/hss、ue/mme以及ue/enb相关的密钥演算部分为目前现有机制。为了解决ue和新增安全接入服务器sas之间控制面安全保护问题，在现有lte密钥演算体系基础之上进行了扩展，引入了ue/sas相关密钥演算机制。ue和hss各自使用ik、ck及新引进的参数，如共享因子factor等，通过kdf函数演算生成初始密钥ks_init。hss将生成的初始密钥传递给sas。然后，ue和sas各自使用初始密钥ks_init,以及其它新定义参数，包括共享因子factor、时间戳timestamp等，利用kdf函数演算生成机密性保护密钥kinit_enc以及完整性保护密钥kinit_int，用于保护ue和安全接入服务器sas之间信令交互安全。
附图说明
图1是控制面安全保护需要的密钥演算体系图。
图2是控制面安全保护需要的初始密钥演算示意图。
图3是控制面安全保护需要的密钥演算示意图。
图4是实施例一的一种面向移动专用网络的动态附加认证系统结构图。
图5是实施例一的一种面向移动专用网络的动态附加认证方法流程图。
图6是实施例二的一种面向移动专用网络的动态附加认证系统结构图。
图7是实施例二的一种面向移动专用网络的动态附加认证方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
基于本发明同样的技术构思，考虑到对现有终端及网络的不同影响，本发明提出了两种实施例。
实施例一
本实施例为增强现有ue功能，系统架构如图4所示。ue依据漫游状态、接入网类型、接入网可信度等判断是否触发sas启动动态附加接入认证，如果需要，则汇报ue相关信息及接入网相关信息给sas。此外，在专用核心网引入sas，sas根ue当前位置、接入网络安全可信度、接入网络类型、接入网id、接入网的plmnid及预配置的安全策略确定是否启动对该ue进行接入认证。如sas确定认证必要，则ue利用和网络侧hss共享的安全凭据信息及初始密钥生成算法，生成ue和sas之间控制面安全保护需要的初始密钥，并启动ue到sas之间的信令消息安全保护。同时sas和hss交互获取hss根据共享的安全凭据信息生成的认证数据及控制面安全保护需要的密钥。hss需要利用和ue共享的安全凭据信息及初始密钥生成算法，生成控制面安全保护需要的初始密钥并将该初始密钥及认证数据传递给sas。sas根据初始密钥生成密钥，根据该密钥及预配置的安全策略保护sas到ue的接口消息。同时，sas使用hss提供的认证数据通过安全保护的接口和ue依据aka算法进行接入认证，并根据认证结果确定ue是否可以接入专用网络。ue可以根据认证结果确定是否接入该网络。
本实施例的方法如图5所示，主要步骤如下：
(1)ue向核心网功能的mme发送附着请求消息，mme和hss交互获取用户认证数据，并使用该认证数据与ue交互完成用户和网络之间的双向认证。
(2)ue依据其当前位置、接入网络安全可信度、接入网络类型、接入网络id、漫游状态以及要访问的业务(是否为专网相关业务)，判断是否触发动态附加接入认证。
(3)如果需要触发接入认证，ue向sas发起接入认证请求消息，该消息包含：ue当前位置、硬件id、接入网络类型、接入网id及plmnid、用户ip地址等信息。
(4)sas根据ue当前位置、漫游状态、接入网络是否可信、当前位置是否安全等信息，并根据预配置的安全策略确定是否启动接入认证。
安全策略例如：ue在非漫游状态下，通过专用lte接入网(plmnid＝b)接入专用核心网时，不需要启动接入认证；在漫游状态下，通公共lte网(plmnid＝a)接入时，需要启动接入认证。
(5)sas向s/p-gw发送消息，请求用户身份imsi信息。
(6)s/p-gw查找到对应的imsi信息，通过响应消息将imsi信息告诉sas。
(7)如果需要启动接入认证，sas向hss发送消息请求用户认证数据，该数据包含用户id和imsi信息。
(8)hss根据和ue共享的安全凭据信息生成认证向量，根据初始密钥生成算法生成控制面安全保护需要的初始密钥。
(9)hss将生成的认证向量及初始密钥，通过响应消息通知给sas。
(10)sas回复ue响应消息，该消息包含接入检查结果，即是否需要启动接入认证。
(11)如果需要启动接入认证，ue以和hss共享的安全凭据信息，利用初始密钥生成算法生成控制面安全保护需要的初始密钥。
(12)ue根据其生成的初始密钥、和hss共享的安全凭据信息以及和sas共享的安全凭据信息作为输入，以密钥生成算法生成控制面安全保护需要的密钥，采用预配置算法保护sas和ue的控制面交互的aka认证信息。
(13)sas以初始密钥、和ue共享的安全凭据信息、ue和hss的安全凭据信息作为输入，依据密钥生成算法生成控制面保护需要的密钥。采用预配置的安全策略保护sas和ue之间的控制面交互的aka认证信息。
(14)sas向ue发送附加认证命令消息，该消息包含hss生成的随机数rand及认证令牌autn信息。
(15)ue依据和hss共享的安全凭据信息及aka算法认证专用核心网的合法性。
(16)认证专用核心网通过后，ue发送认证请求消息，该消息包含使用安全凭据信息及aka算法生成的认证响应结果res。
(17)收到ue的认证响应数据后，sas认证ue的合法性。
(18)sas回复ue附加认证响应消息，该消息包含认证结果。
实施例二
本实施例引入新网络功能的安全接入服务器sas，位于专用核心网，以避免对现有网络功能的mme的影响，系统架构如图6所示。专用核心网网关s/p-gw收到用户访问业务请求后，根据接入网络id、接入网类型、plmnid、接入网络可信度、漫游状态(是否漫游)、预配置的安全策略以及用户访问的业务类型/名称，决定是否触发动态附加接入认证。如果需要触发，s/p-gw通过和sas之间新定义的接口汇报ue当前位置、接入网类型、接入网可信度、漫游状态等信息。sas根据ue当前位置、接入网络安全可信度、接入网络类型、接入网id、接入网的plmnid及预配置的安全策略，确定是否启动对该ue进行接入认证。如果必要，启动ue和专用核心网之间的认证过程。
本实施例的方法流程如图7所示，主要步骤如下：
(1)ue向核心网功能mme发送附着请求消息。mme和hss交互获取用户认证数据，使用该认证数据和ue交互完成用户和网络之间的双向认证。
(2)ue向应用服务器af发起业务请求，如http请求消息，先由s/p-gw接收。
(3)s/p-gw根据接入网络id、接入网类型、plmnid、接入网络可信度、漫游状态及预配置的安全策略及用户访问的业务类型/名称，决定是否触发动态附加接入认证。
(4)如果需要触发接入认证，s/p-gw通过新定义的接口向sas发送接入认证请求消息，该消息包含以下相关信息：ue当前位置、接入网络类型、接入网络plmn名称、接入网可信度、漫游状态、用户身份imsi信息等。
(5)sas根据s/p-gw上报的ue当前位置、漫游状态、接入网络是否可信、ue当前位置是否安全等信息，根据预配置的安全策略确定是否启动接入认证。
(6)如果需要启动接入认证，sas向hss发送消息请求用户认证数据，该数据包含用户id和imsi信息。
(7)hss根据和ue共享的安全凭据信息生成认证向量，根据初始密钥生成算法生成控制面安全保护需要的初始密钥。
(8)hss将生成的认证向量及初始密钥，通过响应消息通知给sas。
(9)sas回复ue响应消息，该消息包含接入检查结果，即是否需要启动接入认证。
(10)如果需要启动接入认证，ue以和hss共享的安全凭据信息，利用初始密钥生成算法生成控制面安全保护需要的初始密钥。
(11)ue根据其生成的初始密钥、和hss共享的安全凭据信息以及和sas共享的安全凭据信息作为输入，以密钥生成算法生成控制面安全保护需要的密钥，采用预配置算法保护sas和ue的控制面交互的aka认证信息。
(12)sas以初始密钥、和ue共享的安全凭据信息、ue和hss的安全凭据信息作为输入，依据密钥生成算法生成控制面保护需要的密钥。采用预配置的安全策略保护sas和ue之间的控制面交互的aka认证信息。
(13)sas向ue发送附加认证命令消息，该消息包含hss生成的随机数rand及认证令牌autn信息。
(14)ue依据和hss共享的安全凭据信息及aka算法认证专用网络的合法性。
(15)认证专用核心网通过后，ue发送认证请求消息，该消息包含使用安全凭据信息及aka算法生成的认证响应结果res。
(16)收到ue的认证响应数据后，sas认证ue的合法性。
(17)sas回复ue附加认证响应消息，该消息包含认证结果；发送认证通知消息给s/p-gw，该消息包含用户认证结果。
(18)p-gw回复sas响应消息。
(19)根据认证结果，s/p-gw决定是否允许该ue的业务请求通过。
(20)如果认证通过，s/p-gw将该用户的ip数据包(业务请求消息)路由到位于专网之后的业务服务器af。
(21)ue和af进行业务交互。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。