ES2617067T3 - Generación de claves criptográficas - Google Patents

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Abstract

Un método para generar una clave criptográfica (120) para proteger una comunicación entre dos entidades (202, 204), en donde el método se lleva a cabo por la primera entidad (202, 302) como parte de un procedimiento de Autentificación y Acuerdo de Claves en base a un protocolo de AKA iniciado por la segunda entidad (204, 304), en el que la primera entidad es un equipo de usuario, tal como una estación móvil, y la segunda entidad es una entidad de red de Evolución de Largo Plazo (LTE), en donde el método comprende los pasos de: - proporcionar (306) una entrada a una función de derivación de clave, comprendiendo la entrada al menos dos parámetros (106, 108), en donde el primer parámetro (106) comprende o se deriva de un conjunto de claves criptográficas (110, 112) que se han calculado por la primera entidad (202) ejecutando el procedimiento de AKA, y el segundo parámetro se deriva de un testigo (116) calculado por la segunda entidad (204, 304) ejecutando el procedimiento de AKA para la primera entidad (202, 302); y - aplicar (308) la función de derivación de clave para generar la clave criptográfica (120) en base a la entrada proporcionada; en donde el testigo (116) comprende un O exclusivo de un número de secuencia y una clave de anonimato , en donde la entrada es única cada vez que se inicia el procedimiento de AKA por la segunda entidad (204, 304) para la primera entidad (202, 302).

Description

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de la operación de seguridad. Alternativamente, el conjunto de claves criptográficas se puede derivar de la Clave de Cifrado y la Clave de Integridad.
Como una implementación particular, el primer parámetro puede comprender o se puede derivar de una concatenación de la CK y la IK, que se puede expresar como
CK || IK.
El dispositivo puede generar no solamente la clave criptográfica en base al primer y segundo parámetros proporcionados, sino también más claves criptográficas en base a la clave criptográfica generada. Al hacerlo así, el dispositivo se puede adaptar para aplicar una o más funciones de derivación de claves adicionales para generar las más claves criptográficas en base a la clave criptográfica que se ha generado.
Estas “más claves criptográficas” pueden comprender al menos una de un conjunto de claves criptográficas para la protección de tráfico de Estrato de No Acceso (NAS), un conjunto de claves criptográficas para la protección de tráfico de Control de Recursos Radio (RRC), un conjunto de claves criptográficas para la protección de tráfico del Plano de Usuario (UP) y una clave criptográfica intermedia KeNB para derivar las claves criptográficas para la protección del tráfico de RRC y/o las claves criptográficas para la protección del tráfico UP.
La entidad de comunicaciones referida anteriormente puede ser un equipo de usuario, tal como una estación móvil (por ejemplo, un teléfono móvil o una tarjeta de red).
Según un aspecto adicional, se proporciona un equipo de usuario que comprende el dispositivo presentado anteriormente. El equipo de usuario puede ser una estación móvil.
Según aún un aspecto adicional, se proporciona un sistema que comprende el equipo de usuario mencionado anteriormente. El sistema también comprende una entidad de red. La entidad de red se puede usar dentro de una red SAE/LTE. La entidad de red puede comprender un AuC/HSS y una MME. La MME puede ser responsable de inicializar la operación de seguridad para el equipo de usuario. El AuC/HSS puede generar la clave criptográfica. Las claves criptográficas generadas se pueden compartir por el equipo de usuario y la MME. El AuC/HSS puede aumentar el SQN, particularmente cada vez que la operación de seguridad se inicializa para el equipo de usuario. Además, el AuC/HSS también puede construir el AUTN en base al SQN.
Según un aspecto adicional, se proporciona un método para generar una clave criptográfica. La clave criptográfica se usa para, entre otros, proteger la comunicación entre dos entidades. El método se lleva a cabo por la primera entidad. El método forma parte de una operación de seguridad distribuida que se inicia por la segunda entidad. El método comprende proporcionar al menos dos parámetros, en donde el primer parámetro o bien comprende o bien se deriva de un conjunto de claves criptográficas que se han calculado por la primera entidad ejecutando la operación de seguridad; y el segundo parámetro o bien comprende o bien se deriva de un testigo que tiene un valor diferente cada vez que se inicia la operación de seguridad por la segunda entidad para la primera entidad (en otras palabras, el valor del testigo nunca es el mismo para cualesquiera dos operaciones de seguridad); y aplicando una función de derivación de claves para generar una clave criptográfica basada en los parámetros proporcionados.
La expresión “un parámetro comprende X” puede significar que la variable X, en su formato de cadena, forma el parámetro o parte del mismo. La expresión “un parámetro se deriva de X” puede significar que el parámetro es el resultado de aplicar ciertas funciones, tales como funciones matemáticas, a al menos la variable X. Ejemplos de funciones incluyen, pero no se limitan a, operaciones aritméticas, operaciones lógicas, operaciones de cadena, y cualquier combinación de las mismas. La operación aritmética puede ser suma, resta, multiplicación, et., y cualesquiera combinaciones significativas de las mismas. La operación lógica puede ser Y, O, O Exclusiva (xOR), NO, etc., y cualesquiera combinaciones significativas de las mismas. La operación de cadena puede ser Concatenación, Inversión, Sustitución, etc., y cualesquiera combinaciones significativas de las mismas. Además, se pueden combinar la operación aritmética, la operación lógica y la operación de cadena.
Particularmente, el testigo mencionado anteriormente puede comprender o ser derivado de un número de secuencia (SQN) que indica el número de veces que la operación de seguridad se ha iniciado por la segunda entidad para la primera entidad. Con cada iniciación, se puede aumentar el SQN por la segunda entidad. Este mecanismo asegura que el testigo tiene un valor diferente para cada operación de seguridad iniciada.
El testigo puede tomar muchas formas. En un caso, el SQN en sí mismo puede ser el testigo. Alternativamente, el testigo se puede derivar del SQN usando un algoritmo que implica ciertas operaciones matemáticas, tales como al menos una de una operación aritmética, una operación lógica y una operación de cadena. Por ejemplo, el testigo puede comprender o ser derivado de un Testigo de Autentificación (AUTN) construido por la segunda entidad en base al SQN y entregado a la primera entidad. Esta construcción y entrega puede ser parte de la operación de seguridad.
Específicamente, el testigo puede comprender una O exclusiva del SQN y una Clave de Anonimato (AK). Más específicamente, el testigo puede ser una concatenación de la O exclusiva del SQN y la Clave de Anonimato (AK),
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un Campo de Autentificación y Gestión de Claves (AMF), y un Código de Autentificación de Mensajes (MAC). Esta concatenación se puede expresar como
testigo = AUTN = (SQN xOR AK) || AMF || MAC
o
testigo = función (AUTN) = función ((SQN xOR AK) || AMF || MAC)
El segundo parámetro puede comprender además o ser derivado de un desafío aleatorio, o código aleatorio (RAND). El RAND se puede generar por la segunda entidad y entregar a la primera entidad como parte de la operación de seguridad. El segundo parámetro puede además comprender aún o ser derivado de un identificador de la primera entidad. Este identificador puede ser una Identidad de Usuario Privado (IMPI) o una Identidad Internacional de Abonado Móvil (IMSI). Incluso además, el segundo parámetro puede comprender o ser derivado de un identificador de red de comunicaciones y particularmente la red de servicio de la primera entidad. Por ejemplo, este identificador podría ser un Identificador Publico de Red Móvil Terrestre (PLMN_ID).
Específicamente, el segundo parámetro puede comprender o ser derivado de una concatenación de 0x02, un PLMN_ID, un RAND, un IMPI o IMSI, y el testigo. Esto se podría expresar como
0x02 || PLMN_ID || RAND || IMPI || testigo.
Cuando el testigo es el SQN en sí mismo, lo anterior llega a ser
0x02 || PLMN_ID || RAND || IMPI || SQN;
y cuando el testigo es el AUTN, lo anterior llega a ser
0x02 || PLMN_ID || RAND || IMPI || AUTN.
Con respecto al primer parámetro usado en el método, este parámetro comprende o se deriva de un conjunto de claves criptográficas que se han obtenido por la primera entidad ejecutando la operación de seguridad. El conjunto de claves criptográficas puede comprender o ser derivado de una Clave de Cifrado (CK) y una Clave de Integridad (IK).
La CK e IK pueden ser la clave de cifrado y la clave de integridad calculada por la primera entidad en base a un AUTN y un RAND. El AUTN y el RAND se pueden entregar desde la segunda entidad. Este cálculo así como la entrega del AUTN y del RAND puede formar parte de la operación de seguridad.
En una implementación, el primer parámetro puede comprender o ser derivado de una concatenación del CK e IK. Esto se puede expresar matemáticamente como
CK || IK.
El método descrito en la presente memoria genera una clave criptográfica. Esta clave puede ser compartida al menos por la primera entidad y la segunda entidad, en cualquier comunicación posterior entre los dos. En ciertas implementaciones, esta clave puede ser una KASME a la que se refiere en la “jerarquía de claves” de la Fig. 2, la cual puede ser compartida por la primera entidad y una Entidad de Gestión de Seguridad de Acceso (ASME) de la segunda entidad.
El método se puede extender para comprender la aplicación de una o más funciones de derivación de claves adicionales para generar claves más criptográficas. Tal generación se basa en, o hace uso de, la clave criptográfica generada en el método básico, no extendido descrito anteriormente, por ejemplo la KASME.
Las claves criptográficas generadas por el método extendido pueden incluir al menos una de un conjunto de claves criptográficas para proteger el tráfico de Estrato de No Acceso (NAS); un conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico de Control de Recursos Radio (RRC); un conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico de Plano de Usuario (UP); y una clave criptográfica intermedia, tal como una KeNB, para derivar las claves criptográficas para proteger el tráfico RRC y/o las claves criptográficas para proteger el tráfico UP. Para una comprensión más fácil de estas claves, se hace referencia a la Fig. 2 que ilustra la jerarquía de claves usada en SAE/LTE.
Específicamente, el conjunto de claves criptográficas para proteger el tráfico NAS puede comprender una clave para proteger el tráfico NAS con un algoritmo de cifrado (KNASenc) y/u otra clave para proteger el tráfico NAS con un algoritmo de integridad (KNASint). De manera similar, el conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico RRC puede comprender una clave para proteger el tráfico RRC con un algoritmo de cifrado (KRRCenc) y/u otra clave para proteger el tráfico RRC con un algoritmo de integridad (KRRCint). Además, el conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico UP puede comprender una clave para proteger el tráfico UP con un algoritmo de cifrado (KUPenc).
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0x02 || PLMN_ID || RAND || IMPI || AUTN.
Como se mencionó anteriormente, el primer parámetro puede comprender o ser derivado de un conjunto de claves criptográficas. Particularmente, este conjunto de claves criptográficas puede comprender una Clave de Cifrado (CK) y una Clave de Integridad (IK) que ha sido calculada por la entidad de comunicaciones como parte de la operación de seguridad. Alternativamente, el conjunto de claves criptográficas se puede derivar de la Clave de Cifrado y la Clave de Integridad.
Como una implementación particular, el primer parámetro puede comprender o ser derivado de una concatenación de la CK e IK, que se puede expresar como
CK || IK.
El dispositivo puede generar no solamente la clave criptográfica en base al primer y segundo parámetros proporcionados, sino también claves más criptográficas en base a la clave criptográfica generada. Al hacerlo así, el dispositivo se puede adaptar para aplicar una o más funciones de derivación de claves adicionales para generar las claves más criptográficas en base a la clave criptográfica que se ha generado.
Estas “claves más criptográficas” pueden comprender al menos una de un conjunto de claves criptográficas para la protección de tráfico de Estrato de No Acceso (NAS), un conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico de Control de Recursos Radio (RRC), un conjunto de claves criptográficas para la protección del tráfico del Plano de Usuario (UP), y una clave criptográfica intermedia KeNB para derivar las claves criptográficas para la protección del tráfico de RRC y/o las claves criptográficas para la protección del tráfico UP.
La entidad de comunicaciones referido anteriormente puede ser un equipo de usuario, tal como una estación móvil (por ejemplo, un teléfono móvil o una tarjeta de red).
Según un aspecto adicional, se proporciona un equipo de usuario que comprende el dispositivo presentado anteriormente. El equipo de usuario puede ser una estación móvil.
Según aún un aspecto adicional, se proporciona un sistema que comprende el equipo de usuario mencionado anteriormente. El sistema también comprende una entidad de red. La entidad de red se puede usar para una red SAE/LTE. La entidad de red puede comprender un AuC/HSS y una MME. La MME puede ser responsable de iniciar la operación de seguridad para el equipo de usuario. El AuC/HSS puede generar la clave criptográfica. Las claves criptográficas generadas se pueden compartir por el equipo de usuario y la MME. El AuC/HSS puede aumentar el SQN, particularmente cada vez que la operación de seguridad se inicia para el equipo de usuario. Además, el AuC/HSS también puede construir el AUTN en base al SQN.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, la técnica de generación de claves criptográficas se describirá con referencia a las realizaciones ejemplares ilustradas en los dibujos, en donde:
La Fig. 1 es un diagrama que muestra el concepto básico del protocolo AKA de UMTS;
La Fig. 2 es un diagrama de bloques que ilustra una jerarquía de claves propuesta para el sistema SAE/LTE;
La Fig. 3 es un diagrama de bloques que muestra una realización del dispositivo;
La Fig. 4 es un diagrama de bloques que muestra una realización del sistema;
La Fig. 5 es un diagrama de bloques que muestra una realización del método;
La Fig. 6 es un diagrama de bloques que muestra un procedimiento de la operación de AKA de UMTS, Generación de un Vector de Autentificación por una entidad de red;
La Fig. 7 es un diagrama de bloques que muestra otro procedimiento de la operación de AKA de UMTS, Autentificación y Establecimiento de Claves;
La Fig. 8 es un diagrama de bloques que muestra la función de autentificación general realizada por el UE como parte de la operación de AKA de UMTS;
La Fig. 9 es un diagrama de bloques que muestra un algoritmo criptográfico particular para realizar la función de autentificación anterior en el UE; y
La Fig. 10 es un diagrama de bloques que muestra un detalle particular del algoritmo criptográfico anterior.
Descripción detallada
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En la siguiente descripción, para propósitos de explicación y no de limitación, se fijan en adelante detalles específicos, tales como secuencias particulares de pasos, interfaces y configuraciones, para proporcionar una minuciosa comprensión de la técnica de generación de claves criptográficas. Será evidente a aquellos expertos en la técnica que la técnica se puede poner en práctica en otras realizaciones que se salen de estos detalles específicos. Por ejemplo, mientras que la técnica se describirá en primer lugar en contexto con el protocolo de AKA de UMTS y en el entorno de red SAE/LTE, será evidente para las personas expertas que la técnica también se puede poner en práctica en conexión con otros protocolos, arquitecturas, o entornos de seguridad.
Además, aquellos expertos en la técnica apreciarán que las funciones explicadas en la presente memoria más adelante se pueden implementar usando soporte lógico que funciona en conjunto con un microprocesador u ordenador de propósito general programado. También se apreciará que mientras que la técnica se describe en primer lugar en forma de métodos y dispositivos, la técnica también se puede realizar en un producto de programa de ordenador así como en un sistema que comprende un procesador de ordenador y una memoria acoplada al procesador, en donde la memoria se codifica con uno o más programas que pueden realizar la función descrita en la presente memoria.
La Fig. 3 muestra una realización de un dispositivo 100 adaptado para generar una clave criptográfica para una entidad de comunicaciones (no mostrada en la Fig. 3). La entidad de comunicaciones está adaptada para ejecutar una operación de seguridad. El dispositivo 100 comprende un primer componente 102 y un segundo componente
104. El primer componente 102 está adaptado para proporcionar al menos dos parámetros, figuradamente mostrados en las fechas 106 y 108.
El primer parámetro 106 comprende o se deriva de un conjunto de claves criptográficas 110 y 112. (Aunque se muestran dos claves en la figura, el conjunto de claves criptográficas puede incluir cualquier número de claves.) El conjunto de claves criptográficas se ha calculado por la entidad de comunicaciones ejecutando la operación de seguridad. La derivación del conjunto de claves criptográficas 110 y 112 en el primer parámetro 106 se muestra figuradamente como un bloque 114. El segundo parámetro 108 comprende o se deriva de un testigo 116. El testigo 116 tiene un valor diferente cada vez que se inicia la operación de seguridad para la entidad de comunicaciones. La derivación del testigo 116 en el segundo parámetro 108 se muestra figuradamente como un bloque 118. El segundo componente 104 del dispositivo 100 está adaptado para ejecutar una función de derivación de clave para generar una clave criptográfica 120 en base a los parámetros 106 y 108 proporcionados.
Con referencia a la Fig. 4, se muestra una realización de un sistema 200 que comprende el dispositivo 100 mencionado anteriormente. El dispositivo 100 puede estar comprendido en una entidad de comunicaciones 202, que puede ser un UE, tal como una estación móvil. Por supuesto, la entidad de comunicaciones 202 puede ser cualquier tipo adecuado de entidad de comunicaciones capaz de acoger el dispositivo 100. Además, el sistema comprende una entidad de red 204, que puede residir en una red SAE/LTE. La entidad de red 204 puede comprender un AuC o HSS y una MME. También puede ser otra entidad de comunicaciones en una red SAE/LTE.
Correspondiente al dispositivo de generación de claves criptográficas 100 mostrado en las Fig. 3 y 4, un diagrama 300 que ilustra una realización de un método para generar una clave criptográfica se muestra en la Fig. 5. La clave generada se usa para proteger la comunicación entre dos entidades. La primera entidad 302 puede corresponder a la entidad de comunicaciones 202 como se muestra en la Fig. 4, y la segunda entidad 304 puede corresponder a la entidad de red 204 de la Fig. 4. La primera entidad puede ser un UE. No obstante, la realización no está limitada a un escenario de UE-entidad de red. En su lugar, se puede aplicar a cualesquiera dos entidades de comunicaciones en general.
La MME puede ser responsable de iniciar la operación de seguridad para la entidad de comunicaciones 202. Las claves criptográficas generadas se pueden compartir por la MME y la entidad de comunicaciones 202.
Particularmente, la realización del método se lleva a cabo por la primera entidad 302 como parte de una operación de seguridad ilustrada figuradamente en la fecha 300’, que se inicia por la segunda entidad 304 (particularmente por la MME de la misma) para la primera entidad 302. La realización en sí misma comprende dos pasos, 306 y 308. El paso 306 proporciona al menos dos parámetros (106 y 108 de la Fig. 3). El primer parámetro comprende o se deriva de un conjunto de claves criptográficas (110 y 112 como se muestra en la Fig. 3) que se ha calculado por la primera entidad 302 ejecutando la operación de seguridad 300’. El segundo parámetro comprende o se deriva de un testigo (116 como se muestra en la Fig. 3) que tiene un valor diferente cada vez que se inicia la operación de seguridad 300’ por la segunda entidad 304 para la primera entidad 302. En el segundo paso 308, una función de derivación de clave se aplica para generar una clave criptográfica (120 como se muestra en la Fig.3) en base a los parámetros proporcionados (106 y 108 como se muestra en la Fig. 3).
Más adelante, se dan detalles considerables para explicar la técnica de generación de claves criptográficas con un énfasis particular sobre cómo la técnica puede evitar con éxito la colisión de claves entre dos UE, o de manera más importante, entre dos ejecuciones distintas de la operación de seguridad para uno y el mismo UE.
La generación de claves criptográficas puede ser parte de la operación de AKA de UMTS. La AKA de UMTS está basada en la implementación que el UE, particularmente el USIM del mismo, y el AuC/HSS en el Entorno
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La función de más adelante es una primera solución al problema de colisión expuesto anteriormente:
KDF(CK || IK, RAND || IMPI || SQN)
donde SQN se han incluido de esta manera en las entradas. Ahora, incluso si dos RAND son el mismo, es decir, RAND = RAND’, el hecho de que el SQN siempre aumente (por ejemplo, por uno) asegurará que las entradas son diferentes, únicas, o distintas.
Una solución alternativa es usar
KDF(CK || IK, RAND || IMPI || AUTN).
Esta solución puede ser más simple de implementar dado que el AUTN se puede usar “como está” a partir de la señalización de la AKA. No obstante, la “unicidad” de las entradas en este caso puede no ser obvia dado que
AUTN = (SQN xOR AK) || AMF || MAC
e incluso si SQN  SQN’, si no se puede ver inmediatamente que (SQN xOR AK), (SQN’ xOR AK’) serán distintos ya que la AK podría “cancelar” potencialmente las diferencias. No obstante, más adelante, la distinción de (SQN xOR AK) se puede demostrar.
Supongamos que
(CK || IK, RAND || IMPI || AUTN) = (CK’ || IK’, RAND’ || IMPI || AUTN’).
Ya se ha mostrado que esto implica que CK = CK’, IK = IK’, y RAND = RAND’. De esta manera queda por ser comprobado si podría ser que AUTN = AUTN’. Esta comprobación se puede traducir en comprobar si
(SQN xOR AK) || AMF || MAC = (SQN’ xOR AK’) || AMF’ || MAC’.
Supongamos sin pérdida de generalidad que AMF = AMF’ y MAC = MAC’. Entonces solamente es necesario comprobar si lo siguiente podría mantener:
SQN xOR AK = SQN’ xOR AK’.
Recordar que se espera que RAND = RAND’. Con referencia al algoritmo Milenage mostrado en la Fig. 9, esto implica que AK = AK’ (ya que se produjeron a partir de los mismos RAND). De esta manera, tenía que ser que
SQN = SQN’,
que es una contradicción dado que, como ya se señaló, SQN siempre “intensifica” y de esta manera SQN  SQN’.
De esta manera, se demuestra que la segunda solución también garantiza la unicidad de las entradas a la función KDF.
Como solución general, en lugar de usar SQN o AUTN para lograr la unicidad, es factible cualquier testigo que tiene un valor diferente cada vez que la operación de AKA de UMTS se inicia por la red para el UE. Por ejemplo, SQN xOR AK (que forma parte del AUTN) se puede usar dado que tiene (mediante el análisis anterior) la propiedad de unicidad requerida.
La técnica de generación de claves criptográficas descrita aquí anteriormente presenta numerosas ventajas. Por ejemplo, garantiza la unicidad de las entradas de KDF. Por lo tanto, evita con éxito los encargos provocados por posibles entradas idénticas. Con esta técnica, la clave criptográfica generada será capaz de cumplir, por ejemplo, los requisitos de alto nivel de seguridad en los sistemas SAE/LTE. Como una ventaja adicional, la técnica se puede implementar en base a los USIM ya desplegados sin requerir alguna sustitución del USIM. Otra ventaja específica con el uso del AUTN más que el SQN es que la invención se puede implementar en el terminal móvil (fuera del USIM).
Aunque las realizaciones de la técnica de generación de claves criptográficas se ha ilustrado en los dibujos adjuntos y descrito en una descripción anteriormente mencionada, se entenderá que la técnica no está limitada a las realizaciones descritas en la presente memoria. La técnica es capaz de numerosas readaptaciones, modificaciones y sustituciones sin salirse del alcance de la invención.
Símbolos y abreviaturas
Para los propósitos del presente documento, aplican los siguientes símbolos y abreviaturas: || Concatenación xOR OR Exclusiva
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