基于Lowe分类法的5G网络EAP-AKA<inline-formula><tex-math id="Z-20190723051620-1">\begin{document}$ ' $\end{document}</tex-math><alternatives><graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190063_Z-20190723051620-1.jpg"></graphic><graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190063_Z-20190723051620-1.png"></graphic></alternatives></inline-formula>协议安全性分析

刘彩霞; 胡鑫鑫; 刘树新; 游伟; 赵宇

doi:10.11999/JEIT190063

基于Lowe分类法的5G网络EAP-AKA$ ' $协议安全性分析

doi: 10.11999/JEIT190063

国家数字交换系统工程技术研究中心郑州 450002

基金项目: 国家自然科学创新研究群体基金(61521003)，国家自然科学基金(61801515)

详细信息

作者简介:
刘彩霞：女，1974年生，教授，博士生导师，研究方向为移动通信网络、新型网络体系结构

胡鑫鑫：男，1994年生，硕士生，研究方向为5G 网络安全、新一代移动通信技术

刘树新：男，1987年生，博士，讲师，研究方向为复杂网络、网络信息挖掘

游伟：男，1984年生，博士，讲师，研究方向为密码学、移动通信网络

赵宇：男，1984年生，博士，讲师，研究方向为移动通信网络安全、新型网络体系结构

通讯作者:
胡鑫鑫　justinhu@hust.edu.cn

中图分类号: TP309
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出版历程
- 收稿日期: 2019-01-23
- 修回日期: 2019-05-19
- 网络出版日期: 2019-05-27
- 刊出日期: 2019-08-01

Security Analysis of 5G Network EAP-AKA′ Protocol Based on Lowe’s Taxonomy

National Digital Switching System Engineering & Technological R&D Center, Zhengzhou 450002, China

Funds: The National Natural Science Fund for Innovative Research Groups (61521003), The National Natural Science Foundation of China (61801515)

摘要

摘要: 移动网鉴权认证协议攻击不断涌现，针对5G网络新协议EAP-AKA$ '$，该文提出一种基于Lowe分类法的EAP-AKA$ '$安全性分析模型。首先对5G网络协议EAP-AKA$ '$、信道及攻击者进行形式化建模。然后对Lowe鉴权性质进行形式化描述，利用TAMARIN证明器分析协议中安全锚点密钥K_SEAF的Lowe鉴权性质、完美前向保密性、机密性等安全目标，发现了3GPP隐式鉴权方式下的4条攻击路径。最后针对发现的安全问题提出2种改进方案并验证其有效性，并将5G网络两种鉴权协议EAP-AKA$ '$和5G AKA的安全性进行了对比，发现前者在Lowe鉴权性质方面更安全。
- 网络安全 /
- 安全锚点密钥 /
- EAP-AKA$ '$ /
- Lowe分类法 /
- Dolev-Yao敌手模型 /
- TAMARIN
Abstract: Mobile network authentication protocol attacks continue to emerge. For the new 5G network protocol EAP-AKA', an EAP-AKA' security analysis method based on Lowe’s taxonomy is proposed. Firstly, 5G network, EAP-AKA', communication channel and adversary are formally modeled. Then Lowe authentication property is formally modeled. Using the TAMARIN prover, objectives of the security anchor key K_SEAF are analyzed, such as Lowe’s taxonomy, perfect forward secrecy, confidentiality, etc. Four attack paths under 3GPP implicit authentication mode are discovered. Two improved schemes are proposed for the discovered security problems and their security is verified. Finally, the security of the two authentication protocols EAP-AKA’ and 5G AKA of the 5G network is compared, and it is found that the former is safer in terms of Lowe authentication property.
- Network security /
- Security anchor key /
- EAP-AKA$ '$ /
- Lowe’s taxonomy /
- Dolev-Yao adversary model /
- TAMARIN

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图 1 5G网络漫游场景下的信任模型

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图 2 5G网络EAP-AKA’协议鉴权流程

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图 3 基于Lowe分类法的EAP-AKA$ ' $协议安全分析模型

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图 4 安全目标形式化描述

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图 5 TAMARIN证明器工作原理

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图 6 两种改进方案

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表 1 符号说明

符号	定义
Create(A, id, R)	对编号为id的角色A创建一个事件
Claim_type(A, t)	角色A在时刻t声明一个事件
Honest(A)	角色A不被攻击者感染
Reveal(A)	角色A被攻击者感染
K(t)	攻击者获取了传递的信息
F@i	在时刻i发生事件F
#i<#j	时刻i早于时刻j
#i=#j	时刻i与时刻j相同
x=y	消息变量x, y相等

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表 2 用spthy语言描述协议状态转移

　rule SN_1send:

　let m = ‘Identity Request’

　in [ St_SN_0($SN, ～id, $HN, SK) ]

　--[ Send($SN, m)]->

　[ Out(m), St_SN_1($SN, ～id, $HN, SK)]

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表 3 隐式鉴权和显式鉴权对比(对K_SEAF的机密性、完美前向保密性)

协议参与方	UE		SN		HN
	隐式	显式	隐式	显式	隐式	显式
K_SEAF机密性	√	√	√	√	√	√
K_SEAF完美前向保密性	×	×	×	×	×	×

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表 4 EAP-AKA$ '$和5G AKA对比(隐式鉴权)

协议参与方	UE对SN		UE对HN		SN对UE		HN对UE
	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA
存活性	√	×	√	√	√	√	√	√
弱一致性	√	×	√	√	√	×	√	√
非单射一致性	×	×	√	×	√	×	√	×
单射一致性	×	×	√	×	√	×	√	×

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表 5 EAP-AKA$ '$和5G AKA对比(显式鉴权)

协议参与方	UE对SN		UE对HN		SN对UE		HN对UE
	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA	EAP-AKA′	5G AKA
存活性	√	√	√	√	√	√	√	√
弱一致性	√	√	√	√	√	√	√	√
非单射一致性	√	√	√	√	√	√	√	×
单射一致性	√	√	√	√	√	√	√	×

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表 6 改进MAC计算方式

　MAC=f₁(K, <SQN_HN, R, SNN >)

　故AUTN=<CONC, f₁(K, MAC)>

　　　　　=< SQN_HN⊕AK, f₁(K, <SQN_HN, R, SNN >)>

　　　　　=< SQN_HN⊕f₅(K, R), f₁(K, <SQN_HN, R, SNN >)>

　　　　　=KDF_AUTN(SQN_HN, K, R, SNN)

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