Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ 技术创新 ＬＴＥ网络承载铁路业务安全保障机制研究 石 杰 ・ 韩宜君 李 莉 （１．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 １ ０００７０； ２．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 １ ０００７０） 摘要：ＬＴＥ作为下一代宽带移动通信系统，目前在中国已经开始大规模商用。研究分析ＬＴＥ系统的安 全架构，并讨论其应用于铁路系统承载列控或者语音等业务的安全保障机制，以期￣，－Ｊ－ＬＴＥ技术在铁 路系统的应用具有指导意义。 关键词：铁路；通信系统；ＬＴＥ；安全机制；铁路应用 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ＬＴＥ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＬＴＥ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐｕｂｌｉｃ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙｓ ｆｏｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｏｉｃｅ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｅｔｃ，ｈｏｐｅｆｕｌｌｙ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＴＥ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ＬＴＥ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙｓ ＤｏＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３—４４４０．２０１６．０６．００９ 应用 １ 概述 ２０１１年ｌ２月，ＵＩＣ在第七届高速铁路大会上， 确定 铁路下一代移动通信系统将直接由ＧＳＭ—Ｒ 技术向ＬＴＥ技术发展。ＬＴＥ在Ｕ ＭＴＳ和ＧＳＭ的 基础上进行了改进，继承了其系统的安全技术的优 点，同时可以提供更加完善的安全特性和安全服务。 通信安全是通信系统的一个组成部分，尤其是对于 承载铁路业务的通信系统，对安全性提出了更高的 用户应用程序１．—————＿．｛ 服务商应用程序 ＩＩＩ １ 归腻 ／ 服 移动设备（连垂 ＭＥ）七 堡 三 ｌ（ＡＮ）ｌ 服务 网络 （ＳＮ） 传输层 图１ ＬＴＥ安全体系架构 要求，因此需要对ＬＴＥ网络承载铁路业务的安全保 障机制进行研究。 的网络安全架构相比，有如下区别： １）移动设备（Ｍｏｂｉｌｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＭＥ）和服 务网络（Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＳＮ）之间为双向箭头， 表明ＭＥ和ＳＮ之间也存在非接人层安全，非接入 层和接入层的安全相互独立。 ２）接入网络（Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＡＮ）和ＳＮ ２ ＬＴＥ／ＳＡＥ的安全架构 ＬＴＥ／ＳＡＥ网络的安全架构和Ｕ ＭＴＳ的安全架 构基本相同，分为３个层面：由高到低分别是应用 层、归属／服务层、传输层。如图１所示。 由图１可知，ＬＴＥ／ＳＡＥ的安全架构和ＵＭＴＳ 之间为双向箭头，表明ＡＮ和ｓＮ之间的通信需要 进行安全保护。 ３）增加服务网认证的概念，归属环境（Ｈｏｍｅ 基金项目：中国铁路总公司科枝研究开发计划重点课题 （２０１ ５ＸＯ１ Ｏ－－Ｅ） Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＨＥ）和ＳＮ之间的箭头由单向箭头 改为双向箭头，缩减空闲模式的信令开销。 铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１６年ｌ２月，第ｌ３卷第６期 此外，ＬＴＥ／ＳＡＥ网络的安全又分为５个安全 置当前是否提供或者使用某项服务。 特性组（域），每组分别应对不同的安全威胁，以完 成不同的安全目标： １）网络接入安全（Ｉ） 由于用户终端通过空中接口接人到ＬＴＥ网络 ３ ＬＴＥ网络承载铁路业务信息安全保障机制 ＬＴＥ在网络接人域的空中接口是开放的无线信 道，在此接口中传输的通信内容可能被窃听，通信 时，该过程中，用户数据可能在空中接口被截获。 网络接入安全的作用是为用户的接人提供安全保障， 数据可能被篡改，甚至通信对方的身份有可能被假 冒等。这些不安全因素将直接威胁到承载铁路业务 的安全性。因此，在将ＬＴＥ网络应用到承载铁路业 务中，需要建立完善的ＬＴＥ安全机制。 ３．１ ＬＴＥ－Ｒ网络的安全层次 ＬＴＥ—Ｒ网络基于ＬＴＥ／ＳＡＥ网络，采用扁平 化的网络架构，从而使得ｅＮＢ处于一个不完全信任 防止针对无线接入链路的攻击，阻止用户私有信息 被非法窃听或者被肆意篡改。 ２）网络域安全（ＩＩ） 网络域安全主要防御对有线网络的攻击，保证 节点能够安全的交换ＡＮ和ＳＮ之间以及ＡＮ内部 的信令数据、用户数据，并保证用户接入的ｓＮ是 合法授权的。ＳＮ是否合法授权由归属网络决定。其 主要包括密钥建立、密钥分配和安全通信３个层次。 ３）用户域安全（ＩＩＩ） 用户域安全主要保证用户能够安全的接入移动 台，主要包括２个层次的认证： ＵＳＩＭ对用户的认证：只有合法的用户终端才 能使用特定的ＵＳＩＭ，该认证可以通过设置ＳＩＭ 卡的个人识别码ＰＩＮ（Ｐｅｒｓｏｎａ ｌＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｎｕｍｂｅｒ）实现。 区域。为了防止ｅＮＢ被攻击后对核心网构成威胁， 在原来认为安全的ｅＮＢ与核心网之间也需要增加安 全保护措施。因此，ＬＴＥ—Ｒ的安全机制包括两个 层次，接入层（Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ，ＡＳ）和非接入层 （Ｎｏｎ－Ａｃｃｅｓｓ Ｓｔｒａｔｕｍ，ＮＡＳ）如图２所示。 ＵＳＩＭ到终端的连接：只有合法的ＵＳＩＭ，才能 匹配特定的终端设备，Ｕ ＳＩＭ和终端用户共享存储在 图２ ＬＴＥ－Ｒ的安全层次 ＵＳＩＭ和用户终端中的密钥，对于不能证实自己的合 法身份的ＵＳＩＭ，用户终端对它的访问将拒绝。 ４）应用域安全（ＩＶ） 应用域安全主要保证用户与服务提供商的应用程 序之间可以安全的进行信息交互。应用层上的业务对 １）接人层（ＡＳ）安全 ＡＳ安全是Ｕ Ｅ与ｅＮＢ之间的安全，包括ＡＳ 信令安全和用户面（Ｕｓｅｒ Ｐｌａｎｅ，ＵＰ）数据安全。 ＡＳ信令安全主要指ＲＲ Ｃ安全，包含加密和完整性 保护；用户面ＵＰ数据的安全仅包含加密，未考虑 完整性保护。 ＡＳ层加密和完整性保护均由分组数据汇聚协 议（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＤ ＣＰ） 于安全有不同的应用需求，其不同的安全级别可由网 络操作员或服务提供商根据自身需求进行适当选择。 ５）安全服务的可视性和可配置性（Ｖ） 安全特性的可视性（ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ）：安全 特性的可视性主要是指在某些事件中，系统可以提 实体实现。 ２）非接人层（ＮＡＳ）安全 ＮＡＳ安全是Ｕ Ｅ和ＭＭＥ之间的安全，即 供安全特性的可见度，即安全功能是否在运行，对 于用户而言一般是透明的。例如：网内加密的提示， ＮＡＳ信令安全，包含加密和完整性保护。 ＮＡＳ层加密和完整性保护由ＥＰＳ移动性管理 ＡＳ加密的提示等。 （ＥＰＳ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＥＭＭ）实体实现。 ３．２ ＬＴＥ－Ｒ网络的安全机制 ＬＴＥ—Ｒ的安全机制流程可以大致分为以下几 个部分，如图３所示。 安全的可配置性（ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｅｏｒｔｆｉｇｕｒａｂｉｌｉｔｙ）： 安全的可配置性是基于安全特性可视性的基础上实 现的，即网络和用户根据安全特性的状态，可以配 铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１６年１２月 认证和密钥协商（ＡＫＡ）过程，也即鉴权过 程，是ＥＰＳ加密和完整性保护的第一步。认证和 密钥协商机制的目的是为用户和网络之间提供相 互的认证，并商定信息加密和完整性保护所需要 的密钥。ＡＫＡ过程发生在用户终端（ＵＥ，包括 ＭＥ／ＵＳＩＭ）、移动性管理实体（ＭＭＥ）、归属环境 （ＨＥ）３个实体之间，通过归属环境ＨＥ中的鉴权 中心ＡｕＣ和ＵＳＩＭ之间共享的长久密钥Ｋ实现用 假设ＵＥ开机时，ＵＳＩＭ卡中没有有效的ＥＰＳ 安全场景。通常，Ｕ Ｅ开机选网后会首先向网络发 起附着请求，此消息是没有加密和完整性保护的。 此时，因为有效的ＥＰＳ安全场景尚未建立，这会触 发网络发起认证和密钥协商（Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｋｅｙ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ，ＡＫＡ）过程，认证网络和ＵＥ的 合法性，并会产生一些必要的安全参数。 户和网络之间的双向鉴权，确保无线链路的安全。 ３．２．３ ＮＡＳ ＳＭＣ过程 当ＡＫＡ过程完成后，ＥＰＳ安全上下文已经建 立，但是还没有协商相应的安全算法，是不完整的 安全上下文，没有被激活使用；或者当前有ＥＰＳ安 全上下文正在被使用，但网络修改相关的安全算 法或者需要重建ＥＰＳ安全上下文，这时就要ＮＡＳ ＳＭＣ过程。 ３．２．４ ＡＳ ＳＭＣ过程 当ＡＫＡ过程成功完成后，生成下一步安全过 程所需要的密钥。但对信令、数据的加密与完整 性保护还需要相应的算法。由于ＵＥ向网络发送 接人层安全模式命令激活接人层安全，提供接 入层信令数据的加密和完整性保护，并且提供用户 面数据的加密功能，该过程包含一个在ｅＮＢ和ＵＥ 之间往返消息。ｅＮＢ发送给Ｕ Ｅ一个ＡＳ ＳＭ Ｃ消 的消息没有进行安全保护，这就会触发ＭＭＥ发起 安全模式命令（Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｍｏｄｅ Ｃｏｍｍａｎｄ，ＮＡＳ ＳＭＣ）过程，并且此消息是需要完整性保护的，以 保证算法没有被操控，该算法即为在ＳＭ Ｃ请求中 选择的算法。经过ＮＡＳ ｓＭＣ过程后，从ＵＥ发出 的ＮＡＳ信令消息均需进行加密和完整性保护，一 直传送到ＭＭＥ后再进行解密和完整性验证。 在ＮＡＳ ＳＭＣ过程之后，一般是ＡＳ ＳＭＣ过 息，然后ＵＥ回复一个ＡＳ ＳＭＣ完成消息。 ３．３ ＬＴＥ－Ｒ网络的密钥架构 为了保证ＬＴＥ－Ｒ的ＮＡＳ层安全与ＡＳ层安全 之间的相对独立性，二者需要分别使用不同的安全 密钥。这种机制提升了系统整体的安全性；同时对 于多类别无线接入技术都连接到ＥＰ Ｃ的情况下，也 更加容易控制整个系统的安全性。 程。当ｅＮＢ和ＵＥ之间进行完成ＡＳ ＳＭＣ过程后， ＰＤＣＰ就可以对ＡＳ信令、数据进行安全保护。 至此，ＮＡＳ层和ＡＳ层的安全性激活都已完 成，业务内容可以在ＵＥ和网络之间安全传输。 上述安全机制详述如下。 ＬＴＥ／ｓＡＥ的密钥层次架构如图４所示，由Ｋ 派生出较多层次的密钥，依次实现各层的加密和完 整性保护，提高了通信中的安全性。 ３．２．１临时身份标识机制 ＩＭＳＩ可以用来唯一识别一个用户，对于终端用 户和网络来说都具有很强的机密陛。为了避免ＩＭＳＩ 在空中接口中传输发生泄露，ＬＴＥ—Ｒ采取一种临 时身份标识机制，ＭＭＥ通过为Ｕ Ｅ分配全球唯一 临时标识（Ｇｌｏｂａｌｌｙ Ｕｎｉｑｕｅ Ｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ， ＧＵＴＩ）作为用户身份的替代，来隐藏用户真实的 身份信息，从而提供ＵＥ标识的保密性。 ３．２．２认证和密钥协商（ＡＫＡ）过程 图４密钥架构 Ｎｏ．６石杰，韩宜君，李莉：ＬＴＥ网络承载铁路业务安全保障机制研究 Ｕ ／ＳＡＥ网络的密钥层次架构中包含如下密钥： １）ＵＥ和ＨＳＳ间共享的密钥Ｋ、ＣＫ／ＩＫ Ｋ为长期共享密钥，长度为１２８ ｂｉｔ，其存储在 ＵＳＩＭ卡和ＡｕＣ中，用来推算其他密钥。 ＣＫ／ＩＫ为ＵＳＩＭ和ＡｕＣ在ＡＫＡ认证过程中 行ＮＡＳ信令ＣＯＵＮＴ和ＫＡＳＭＥ推算获得。ＫｅＮＢ 用于推导ＡＳ层（ＲＲＣ业务和ＵＰ业务）密钥。 ＫＲＲＣｅｎｃ和ＫＲＲＣｉｎｔ为ＵＥ和ｅＮＢ通过ＡＳ ＳＭＣ过程协商加密和完整性保护算法，根据ＫｅＮＢ 推演得到，用于ＵＥ和ｅＮＢ之间ＲＣＣ加密。 ＫＵＰｅｎｃ为ＵＥ和ｅＮＢ通过ＡＳ ＳＭＣ过程协 商加密和完整性保护算法，根据ＫｅＮＢ推演得到， 用于ＵＥ和ｅＮＢ间ＵＰ的加密。 生成的密钥对。ＣＫ是加密密钥，ＩＫ是完整性保护 密钥，两者的长度均为１２８ ｂｉｔ。这两个参数不被直 接使用，而是一直存储在归属用户服务器（Ｈｏｍｅ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｓｅｒｖｅｒ，ＨＳＳ，存在于归属环境ＨＥ） 中，用于推算中间密钥ＫＡＳＭＥ。 ４结束语 ＬＴＥ目前技术标准成熟，且在国内外公众通信 网络、城市轨道交通领域以及朔黄铁路中均已得到 成功应用，而由于铁路业务的特殊应用场景和业务 需求，以及铁路业务的高可靠性和高安全性的要求， 继续深入研究ＬＴＥ应用于铁路业务的安全保障机制 具有重大意义。 参考文献 【１］５ＧＰＰ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ Ｐａｒｔｎｅｒｓ．５ＧＰＰ ＴＳ ５５．４０１－－Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｓｐｅｃｔｓ；５ＧＰＰ Ｓｙｓｔｅｍ ２）ＵＥ和ＡＳＭＥ共享的中间密钥ＫＡＳＭＥ ＫＡＳＭＥ是由ＵＥ和ＨｓＳ依据ＣＫ／ＩＫ推算得到 的密钥，长度为２５６ ｂｉｔ，主要作用为推算下层密钥。 ３）Ｕ Ｅ与ＭＭＥ的共享密钥ＫＮＡＳｅｎｃ、 ＫＮＡＳｉｎｔ ＫＮＡＳｅｎｃ和ＫＮＡＳｉｎｔ为ＵＥ和ＭＭＥ根据 ＫＡＳＭＥ推算得到的密钥，两者分别用于ＵＥ和 ＭＭＥ间ＮＡＳ信令的加密和完整性保护。它们都是 ＵＥ和ＭＭＥ通过ＮＡＳ ＳＭＣ过程协商的加密算法 获得。在ＮＡＳ ＳＭＣ过程中，ＭＭＥ和ＵＥ都要依 据自身的安全能力选择加密和完整性保护算法，在 使用时，两者都要由２５６ ｂｉｔ截断为１２８ ｂｉｔ。 ４）ＵＥ与ｅＮＢ的共享密钥ＫｅＮＢ、ＫＲＲＣｅｎｃ、 ＫＲＲＣｉｎｔ、ＫＵＰｅｎｃ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＳＡＥ）；Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｓ】．２０ １ ５． ［２］邓亚平，付红，谢显中，等．５ＧＰＰ ＬＴＥ／ＳＡＥ安全机制及其 在协议栈中的实现［Ｊ】＿电讯技术，２００９，４９（９）：２７－－５２． ［３】许杨春．ＬＴＥ接入过程中的安全机制【Ｊ】．移动通信，２Ｏ１１ （１ ６）：４５－４６． ＫｅＮＢ为ＵＥ从ＥＣＭ—ＩＤＬＥ状态进入ＥＣＭ— ＣＯＮＮＥＣＴＥＤ状态时，由ＵＥ和ＭＭＥ各自依据上 （收稿日期：２Ｏ１ ６－Ｏ８—２５） （上接２８页） 工业以太网光模块目前最大可以达到８０ ｋｍ， 同时可以采用跳站方式实现区间中继，组网方式较 为灵活。 考虑目前ＧＰＯＮ系统的主要设备成本在ＯＬＴ ４结束语 随着高速铁路推进高清视频监控的全覆盖，区 间接入网络的宽带化是一种必然趋势，且优点突出， 值得我们对采取的技术路线进行深入探讨。 在具体的工程应用中，应结合工程实际情况， 综合考虑系统性能、建设成本、运营维护成本的平 衡，选择不同技术路线的产品来满足工程应用的实 际需要。 （收稿日期：２Ｏ１ ６－０９．２２） 侧，而杭黄铁路的站间距目前有４个区间超过 ４０ ｋｍ，如采用ＧＰＯＮ方式，就需要增加８个区间 环的中继ＰＯＮ设备，大大增加了系统建设成本。 因此，建议在杭黄铁路区间视频组网仍然采用工业 以太网方式。 铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１６年１２月