WLAN信令流程研究AKASIM.doc
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1、WLAN信令流程研究WLAN业务是中国移动提供的一种无线宽带接入服务。用户可通过内置WLAN无线模块的终端(如PC、PDA、手机等)或WLAN网卡的方式获得互联网接入服务。WLAN业务可满足用户高速、自由地访问互联网业务和中国移动自有业务的需求。目前,中国移动基于WEB认证的WLAN业务已得到了有效的推广和应用。但是,WLAN对于中国移动的2/3G业务却没有起到应有的分流作用,因此针对上述情况,将开通SIM认证功能,实现2/3G手机终端轻松接入WLAN网络,分流移动数据流量。为此,需要对Radius系统进行功能开发、WLAN AC进行功能改造、HLR进行升级,从而实现对WLAN SIM认证的支
2、持。1. WLAN业务EAP-SIM全鉴权认证信令流程分析EAP-SIM认证采用2G GSM认证算法,基于移动用户的身份识别模块,适用于2G移动终端接入WLAN网络。相较于GSM认证,EAP-SIM增加了双向认证,加强了认证的可靠性。同时,EAP-SIM通过禁止RAND重复使用和串联多个RAND以增加Kc参数的长度,增强了密钥素材的安全性。EAP-SIM采用基于SIM卡的双向认证机制,基本流程是由用户终端根据WLAN接入网请求,将保存在USIM卡内的NAI和随机数NONCE_MT传送给AC,AC根据预定义规则分析用户对应归属网络中的认证服务器并传送用户标识。认证服务器收到该用户的NAI后,提取
3、出IMSI,向HLR申请获取鉴权三元组和该用户的签约信息。认证服务器将取得的鉴权三元组中的RAND参数下发给用户终端,并根据n串Kc和用户终端传送的NONCE_MT给这条消息加上MAC。用户终端则根据RAND 来验证MAC的正确性,若终端计算而得的MAC同收到的MAC不一致,则认为认证中心非法,中止本次认证;若验证成功,则终端将计算出来的RES回复给认证服务器,此条消息也由终端计算的MAC来保护。认证服务器验证RES和MAC的正确性,若验证都成功,则认证服务器发送成功消息给用户终端,同时将密钥信息(MSK)发送到AC,使得AC得以与用户终端间建立安全有效的通信。图1 WLAN SIM全鉴权认证
4、上网信令流程图建立关联流程扫描流程1. 在Active Scanning模式下,用户终端通过在每个信道上发送基于802.11协议的Probe Request消息向AP发起探测请求,发送主要参数见表1;表1 Probe Request主要参数表主要参数参数值Capability Information能力信息:支持扩展服务集(ESS,仅在Beacon和Probe Response中有意义)、支持独立基本服务集(Independent BSS,即没有AP的Ad hoc网络,仅在Beacon和Probe Response中有意义)、AP是否支持免竞争轮询(CF-Pollable,在Beacon/Pr
5、obe Response/Association中有意义)、终端是否加入轮询列表(CF Poll Request,在Beacon/Probe Response/Association中有意义)、保密(Privacy,表明AP可实现WEP,设置为1时表明必须使用WEP,在Beacon/Probe Response/Association Response中传递)SSID业务集识别号,置空或携带上次连接的SSID或用户选定的SSIDSupported Rates用户终端支持的传输速率2. AP通过Probe Response消息,向用户终端下发SSID和物理层参数等信息,如表2所示表2 Probe
6、 Response主要参数表主要参数参数值Timestamp时间戳,记录此帧发送的时间值Beacon IntervalBeacon帧的发送时间间隔Capability InformationAP能力信息,如,在具备AP的无线网络中,ESS=1,IBSS=0;必须采用WEP加密时,Privacy=1SSID业务集识别号,诸如,CMCC,CMCC-EDUSupported Rates网络支持的传输速率FH Parameter Set物理层参数,跳频参数集,包括跳频顺序组(HopSet)、跳频模式(HopPattern)、跳频索引(HopIndex)DS Parameter Set物理层参数,直扩参
7、数集,包括通道编号(CurrentChannel)CF Parameter SetCF参数集,包括下次免竞争周期开始前DTIM(Delivery TIM)出现次数(CFPCount)、免竞争周期间DTIM出现间隔(CFPPeriod)、免竞争周期的最长时间(CFPMaxDuration)、免竞争周期剩余时间(CFPDurationRemaining)IBSS Parameter SetIBSS参数集,即没有AP的Ad hoc网络参数集,包括ATIM Window长度(Announcement Traffic Indication Message Frame Window)在Passive Sc
8、anning模式下,则由AP不断广播下发可标识BSS的Beacon帧(信标帧)来通知用户终端包括SSID、物理层参数等信息,主要参数见表3表3 Beacon主要参数表主要参数参数值Timestamp时间戳,记录此帧发送的时间值Beacon IntervalBeacon帧的发送时间间隔Capability InformationAP能力信息SSID业务集识别号,诸如,CMCC,CMCC-EDUSupported Rates网络支持的传输速率FH Parameter Set物理层参数,跳频参数集DS Parameter Set物理层参数,直扩参数集CF Parameter SetCF参数集IBSS
9、 Parameter SetIBSS参数集,即没有AP的Ad hoc网络参数集TIM流量标识图,终端处于省电模式下缓存在AP中的帧,包括缓存的DTIM个数(DTIMCount)、DTIM下发间隔(DTIMPeriod)等鉴权流程3. 用户终端向AP提交Authentication Request请求,对于Open System认证方式,即无需Challenge的认证;而对于Shared Key认证方式,则是在终端提出请求后,由AP下发未加密的Challenge,经终端用Key进行WEP加密后,再上传加密的Challenge至AP,见表3表3 Authentication Request主要参数
10、表主要参数参数值Authentication Algorithm Number用户终端采用的认证算法,0表示Open System算法,1表示Shared Key算法Authentication Transaction Sequence Number认证交互序列号,标识消息顺序Status Code状态码,此消息中为0,即保留(Reserved)Challenge Text认证所需Challenge,Shared Key模式下通过WEP加密上传给AP4. 对于Open System认证方式,AP向用户终端回复鉴权结果;而对于Shared Key认证方式,先回复未加密的Challenge,待收到
11、终端上传的经过WEP加密的Challenge后,进行密文Challenge解密并和明文Challenge比较回复用户终端,见表4表4 Authentication Response主要参数表主要参数参数值Authentication Algorithm Number采用的认证算法,0表示OpenSystem算法,1表示SharedKey算法Authentication Transaction Sequence Number认证交互序列号,表识消息顺序Status Code状态码,0表示AP同意采用用户终端指定的认证算法或认证成功,其余表示失败,如,15,Authentication rejec
12、ted because of challenge failureChallenge Text认证所需Challenge,Shared Key模式下明文下发给用户终端关联流程5. 用户终端向AP发起关联请求,主要参数见表5表5 Association Request主要参数表主要参数参数值Capability Information用户终端能力信息Listen Interval信息接收时间间隔,用户终端将其处于省电模式无法接收数据帧的时长告知APSSID业务集识别号,诸如,CMCC,CMCC-EDUSupported Rates用户终端支持的传输速率6. AP响应用户终端,成功关联后,用户终端同
13、AP建立逻辑连接,主要参数见表6表6 Association Response主要参数表主要参数参数值Capability InformationAP能力信息Status Code状态码,表示AP处理结果,0表示成功,其余表示失败原因Association ID关联识别码,关联期间由AP分配的识别码Supported Rates网络支持的传输速率认证流程请求鉴权7. 用户终端同WLAN网络建立关联后,向网络发送EAPoL-Start,发起鉴权请求,参数见表7。表7 EAPoL Start请求主要参数表主要参数及属性参数值Type1,表征为EAPoL StartLength消息体长度,此处为0获
14、取用户身份NAI8. WLAN网络发送EAP-Request/Identity消息至用户终端,要求接入终端提供身份标识,主要参数见表8。表8 EAP Request/Identity请求主要参数表主要参数及属性参数值Type0,表征为EAP PacketLength消息体长度Body:Code0x01,表征为EAP RequestBody:Identifier标识,随机数,用于请求和响应的匹配Body:LengthEAP分组长度Body:Data:Type0x01,表征为IdentityBody:Data:Type Data用户身份,此处留空,由终端填写9. 用户终端回复EAP-Respons
15、e/Identity消息,向网络发送其用户身份标识信息,身份标识可以为伪随机NAI或永久NAI(IMSI封装在其中),主要参数见表9。表9 EAP Response/Identity请求主要参数表主要参数及属性参数值Type0,表征为EAP PacketLength消息体长度Body:Code0x02,表征为EAP ResponseBody:Identifier标识,随机数,用于请求和响应的匹配Body:LengthEAP分组长度Body:Data:Type0x01,表征为IdentityBody:Data:Type Data用户身份,此处由终端返回NAI,如,永久NAI:1460001234
16、567890wlan.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org伪随机NAI:30123456789ABCDEFaaa0000.wlan.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org10. AC将EAP报文使用RADIUS协议的Access Request消息封装,并将Identity放在消息的User-Name属性中送到认证服务器,由认证服务器进行认证,主要参数见表10。表10 Access_Request请求主要参数表主要参数参数值User-NameNAI,网络接入标识NAS-IP-AddressAC IP地址Calling-Station-IDWLAN用户M
17、AC地址Called-Station-IDMAC地址:SSID,如,00-15-70-91-E2-40:CMCCNAS-Identifier热点编码,NAS-ID,如,3858002121000460NAS-Port-Id标识NAS端口的文本串,如,slot=10EAP-MessageEAP认证消息体Message-AuthenticatorEAP消息验证码,如,19497EB2200137E60AC6EProxy-StateProxy状态,涉及Radius之间的认证计费转发时必须携带。WLAN漫游时,各级Proxy都可以在请求报文中增加Proxy状态,若原报文中存在Proxy-State属性
18、则增加的Proxy-State属性必须放在所有的Proxy-State属性之后。下级PROXY必须原封不动的转发Proxy-State属性。11. 认证服务器收到包含用户身份的EAP-Response/Identity报文后,根据NAI识别出用户准备使用的认证方法为EAP-SIM。认证服务器使用EAP Request/SIM/Start消息回应AC,表明开始EAP-SIM认证,要求终端上报随机数。如果UE上传的Identity为伪随机NAI,则认证服务器还需检查本地是否存在该伪随机NAI与IMSI的映射关系,若无则在请求中要求终端返回永久NAI。EAP报文封装在RADIUS Access Ch
19、allenge消息中,发送给AC,主要参数见表11。表11 Access_Challenge请求主要参数表主要参数参数值User-NameNAI,网络接入标识EAP-MessageEAP认证消息体Message-AuthenticatorEAP消息验证码,如,19497EB2200137E60AC6EProxy-StateProxy状态,涉及Radius之间的认证计费转发时必须携带。12. AC转发EAP-Request/SIM/Start消息到用户终端,主要参数见表12。表12 EAP Request/SIM/Start请求主要参数表主要参数及属性参数值Type0,表征为EAP Packet
20、Length消息体长度Body:Code0x01,表征为EAP RequestBody:Identifier标识,随机数,用于请求和响应的匹配Body:LengthEAP分组长度Body:Data:Type0x12,表征为EAP-SIMBody:Data:EAP-SIM SubType0x0a,表征为StartBody:Data:Attribute TypeAT_VERSION_LIST,版本协商列表AT_PERMANENT_ID_REQ(可选),要求终端返回永久NAIBody:Data:Attribute Length各属性字段长度Body:Data:Attribute value终端可选择
21、的EAP消息版本,如,1AT_PERMANENT_ID_REQ的值置013. 用户终端使用EAP-Response/SIM/Start消息携带永久NAI进行响应,主要参数见表13。表13 EAP Response/SIM/Start请求主要参数表主要参数及属性参数值Type0,表征为EAP PacketLength消息体长度Body:Code2,表征为EAP ResponseBody:Identifier标识,随机数,用于请求和响应的匹配Body:LengthEAP分组长度Body:Data:Type0x12,表征为EAP-SIMBody:Data:EAP-SIM SubType0x0a,表征
22、为StartBody:Data:Attribute TypeAT_NONCE_MT,终端产生的随机数AT_SELECTED_VERSION,终端选择的版本AT_IDENITY(可选),用户身份,对于用户终端漫游到新的拜访地而使用其他认证服务器分配的伪随机NAI接入场景下有此参数Body:Data:Attribute Length各属性字段长度Body:Data:Attribute value1. 终端返回的随机数NONCE_MT2. 终端选择的版本,如,13. 永久NAI,如,1460001234567890wlan.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org14. AC转发E
23、AP-Response/SIM/Start消息携带永久NAI到认证服务器,EAP报文封装在RADIUS Access Request消息中。获取鉴权信息15. 认证服务器检查本地是否缓存有可用的鉴权向量,若无,则向HLR发送MAP信令Send Authentication Info Request,请求HLR提供鉴权三元组,主要参数见表14。表14 Send Authentication Info Request请求主要参数表主要参数及属性参数值IMSI用户终端的IMSINumber of requested vectors鉴权向量获取的组数Requesting node type请求方的枚举
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