LTE传输安全组网技术及规划要点

熊伟+刘智奋+林超文

【摘 要】在LTE网络中，eNodeB回传采用IP分组承载传送网。IP网络除了简单灵活、扁平化、完全开放等特点外，还使承载的业务面临各种信息安全问题。通过详细分析802.1x、IPSec、SSL和PKI等传输安全关键技术，提出了不同层次的传输安全保护组网建议，以解决eNodeB与EPC核心网之间的通信安全问题。

【关键词】LTE 802.1x IPSec SSL PKI

1 引言

由于IP方式组网灵活、带宽扩容成本低，是未来传输组网的趋势。但是，作为LTE无线回传网络来说弊端也多，其存在的主要安全威胁如下：

（1）eNodeB接入层：伪造eNodeB接入运营商网络，对网络上的其他设备进行攻击。

（2）S1/X2接口：泄露、讹用、篡改信息，窃取传输网络中的切换数据，获取重要用户信息或篡改相关内容。

（3）OM网管通道：截获OM接口传递的基站重要信息，进行盗窃或删除基站配置文件、版本信息。

2 IP传输常见的安全解决方式

针对上述威胁点，IP网络常用的安全解决方式如表1所示：

（1）接入层对应数据链路层，采用802.1x，通过RADIUS服务器的认证，可以防止非法eNodeB接入到运营商网络。

（2）汇聚层对应网络层，采用IPSec，通过安全网关进行身份认证，建立IPSec隧道，来保护（S1/X2/OM）接口数据流的传输安全。

（3）核心、汇聚层对应传输层到应用层之间，采用SSL，为OM网管数据提供机密性保护、数据完整性保护以及身份认证机制。

3 传输安全关键技术

3.1 802.1x技术

802.1x技术提供eNodeB和接入层LAN交换机间的基于设备证书认证。通过对eNodeB的MAC地址进行认证，限制未经认证的设备接入网络。802.1x认证接入控制系统的组成包括：客户端（eNodeB）、认证接入设备（接入层LAN交换机）、认证服务器（RADIUS），如图2所示。

初始接入时eNodeB未经过认证，eNodeB的数字证书承载在EAPoL报文中通过接入设备的不受控端口发送给RADIUS服务器，RADIUS服务器根据配置的根CA证书对eNodeB进行认证。认证通过后对受控端口进行授权，S1/X2数据才可以经授权端口正常通过，从而达到合法用户接入、保护网络安全的目的。

3.2 IPSec技术

（1）密钥交换协议IKE

IKE可以在不安全的网络上安全地分发密钥、验证身份、建立IPSec SA，为需要加密和认证的通信双方提供算法、密钥协商服务，用于eNodeB动态建立IPSec SA。通过策略协商、DH交换、对端身份认证这三次交换完成IKE安全联盟的建立。

IKE认证方法包括预共享密钥认证和数字证书认证，具体如下：

1）预共享密钥认证是指通信双方使用相同的密钥，验证对端身份。eNodeB基站侧通过预置预共享密钥实现合法入网。

2）通过CA数字证书认证，网络需要部署PKI系统。

（2）IPSec流程

IPSec技术可保护eNodeB的X2、S1-MME、S1-U、OM网管接口。协议族包括IKE、ESP、AH等。IPSec通过IKE协议完成密钥协商以及身份认证，进一步通过ESP/AH安全协议、加密算法、加密密钥进行数据的加密和封装。

IPSec技术的核心是IPSec SA安全联盟，由IKE动态建立，具体流程如下：

第一阶段：通信对等体建立一个已通过安全认证的通道，即IKE SA；

第二阶段：利用已创建的IKE SA来协商创建具体的IPSec SA；

第三阶段：数据通信时IPSec本端对数据加密，接收端对数据进行解密。

IPSec SA具有生存周期，如果达到指定的生存周期LTS，则IPSec SA就会失效。IPSec SA失效前，IKE将为IPSec协商建立新的SA。

3.3 SSL技术

SSL主要保护应用层协议如HTTP、FTP、TELNET等，它们均透明地建立于SSL协议之上，在应用层协议通信之前SSL就完成加密、通信密钥的协商以及认证工作，从而保证通信的机密性。

SSL为在eNodeB与网管之间的OM和FTP通信提供安全的数据传输通道，保护远端运维的安全性。eNodeB通信中SSL连接过程如下：

（1）eNodeB与网管系统之间建立TCP连接。

（2）网管系统作为SSL的客户端向基站发起SSL握手过程。

（3）SSL握手并认证成功后，eNodeB与网管之间建立基于SSL保护的OM通道。

3.4 PKI技术

PKI系统主要是为网络提供密钥和数字证书管理，应用于eNodeB和安全网关（以下简称SeGW）之间的身份认证、OM通道SSL建链时的身份认证、eNodeB接入时802.1x身份认证。LTE网络中PKI系统包括：eNodeB基站、SeGW、网管等；证书颁发中心CA、证书注册中心RA、数字证书和CRL存储库。

CA服务器认证eNodeB基站流程如下：

（1）当PKI系统中部署多级CA时，多级CA的证书组成一条证书链。根CA的证书是证书链上的顶级证书，可以认证证书链上的所有证书。证书链用于验证由证书链中最底层CA颁发的设备证书的合法性。

（2）如果基站的设备证书到根CA之间有一条证书链，对端要预置该证书链，IPSec认证过程中SeGW用该证书链验证基站发送的设备证书的合法性。

4 传输安全组网规划endprint

4.1 非安全组网向PKI安全组网演进

非安全组网向PKI安全组网演进如图3所示：

（1）需要在网络中部署SeGW安全网关，SeGW上部署设备证书和根证书。

（2）部署PKI系统，CA服务器上预置设备厂家根证书。

（3）eNodeB与传输接入层之间部署802.1x认证。

（4）OM网管通道采用IPSec+SSL技术。

4.2 IPSec组网案例

IPSec在应用时需要使用SeGW功能，在LTE网络中通常由MME或S-GW兼做。IPSec SA由eNodeB根据配置的IPSec安全策略和SeGW进行IKE协商建立，形成ACL、IPSec安全提议两个部分。eNodeB通过ACL来指定要保护的数据流；IPSec安全提议负责定义包括对数据流的封装模式、采用的安全协议、加密算法和认证算法。

IPSec负责对eNodeB的信令、业务数据流和OM数据流，以及eNodeB与CA服务器、CRL服务器之间证书管理相关的数据流提供保护。

eNodeB和SeGW使用数字证书进行身份认证，故需要在网络中部署PKI系统和RADIUS/DHCP服务器。根据3GPP标准，CA服务器的证书请求响应消息中要携带根证书或证书链，因此CA服务器上要预置设备的根证书。

IPSec典型组网如图4所示。

在这种典型网络中部署了RADIUS/DHCP服务器，eNodeB通过DHCP协议获取上述OM通道信息、运营商CA信息、SeGW信息。DHCP是实现主机动态配置的协议、配置参数的分配和分发。eNodeB获得配置文件后，再与SeGW进行协商建立IPSec通道。

实际部署中，RADIUS/DHCP服务器和OM网管服务器可以部署在同一硬件上，但是分不同的逻辑通信实体。

4.3 IPSec组网规划

规划步骤依次是：部署SeGW和PKI系统；数据规划；数据改造；基站环境检查；修改网络路由；IPSec通道和OM的建立。其中需要重点说明的是：

（1）数据规划是重点，包括：规划SeGW的IP地址、IKE加密算法、IKE DH组、认证方法；确定IPSec封装模式、ESP加密、完整性算法、AH完整性算法；收集CA服务器的CA Name、签名算法相关信息。

（2）基站环境检查：是否已配置IPSec的License、是否预置设备证书和根证书。

（3）修改网络路由：使所有需要IPSec保护的数据流先经过SeGW再到达目的端。

IPSec组网还需要考虑安全域、认证方式和数据流保护这三个主要因素，具体如下：

（1）整个网络分为安全域和非安全域，IPSec只保护非安全域。通常情况下，接入网络被认为是不安全的，而核心网络是安全的。将SeGW部署在安全域与非安全域的边界，eNodeB和SeGW之间采用IPSec保护。

（2）eNodeB与SeGW之间的认证方式采用PKI认证。

（3）eNodeB的数据流包括信令面、用户面、OM通道、时钟等数据流。在做组网规划时应识别出要保护的数据流，指定保护策略。对于OM通道，eNodeB提供IPSec+SSL保护。

（4）对于eNodeB之间X2接口的数据流，推荐采用集中式安全保护方式。集中式安全组网下，多个eNodeB分别与SeGW建立IPSec通道，eNodeB之间X2接口的数据流利用该IPSec通道进行安全保护。

4.4 IPSec的封装模式选择

IPSec数据流的封装模式可分为隧道模式和传输模式，均用于eNodeB和MME/S-GW之间的IPSec保护。两者区别如下：

（1）隧道模式：只对原始IP数据包提供安全保护。

（2）传输模式：对IP数据包的有效载荷和高层协议提供保护。

IPSec封装模式选择考虑以下因素：

（1）安全性：隧道模式优于传输模式，因为隧道模式可以对原始IP报文完整地进行加密和完整性保护。

（2）性能：传输模式优于隧道模式，因为隧道模式多额外的IP头，占用更多带宽。

（3）隧道模式要求网络中部署SeGW来隔离安全域和非安全域，并在SeGW上实施隧道封装、加密、完整性保护等功能；而传输模式则需要通信两端都支持IKE协商、加密、完整性保护等功能。

因此，选用哪种封装模式需要在安全、部署能力和性能之间做出权衡，并根据IPSec对端所支持的模式来进行配置。

4.5 IPSec通道备份组网规划

为了保障IPSec通道的安全进行通道的主备组网，分为以下两种方式：

（1）eNodeB出两个物理端口分配4个IP，与两个SeGW建立两条IPSec通道，安全策略分别绑定在这两个端口上，并启用BFD检测。IP1对IP2，IP3对IP4。

（2）eNodeB出一个端口分配3个IP，也建两条IPSec通道，但IP1对应IP2和IP3。

启用IPSec通道备份功能后，两条IPSec通道同时可用（一主一备）。对于上行传输，eNodeB选用主用通道；对于下行传输，eNodeB在主备两条IPSec通道同时接收数据，并利用BFD检测自身与SeGW间的连通性。如果主用通道故障，则eNodeB将上行数据的传输切换到备用通道。

4.6 eNodeB级联场景下IPSec组网

在特殊情况下eNodeB存在级联，级联eNodeB有以下两种方式实现IPSec功能：

（1）各eNodeB-1和2独立实现IPSec功能，Hub eNodeB-1负责路由转发。

（2）Hub eNodeB-3统一提供所下挂基站的IPSec功能。

eNodeB级联组网如图5所示。

5 结束语

在数据链路层802.1x可以保证eNodeB合法接入；网络层IPSec为eNodeB提供全程IP传输安全，保证数据的机密性、完整性和可用性；应用层SSL对OM通道的数据提供加密保护；三种技术完成不同层次的传输安全保护。本文结合笔者多年的设计经验，给出了安全组网方案及传输网络规划时需要考虑的各种关键因素，为实际工程规划提供了参考。

参考文献：

[1] 广州杰赛通信规划设计院. LTE网络规划设计手册[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[2] 周贤伟. IPSec解析[M]. 北京： 国防工业出版社， 2006.

[3] 蓝集明，陈林. 对IPSec中AH和ESP协议的分析与建议[J]. 计算机技术与发展， 2009（11）： 15-17.

[4] 高祥，周林. 802.1x协议及其在宽带接入中的应用[J]. 重庆邮电学院学报： 自然科学版， 2004（1）： 91-93.

[5] 徐家臻，陈莘萌. 基于IPSec与基于SSL的VPN的比较与分析[J]. 计算机工程与设计， 2004（4）： 586-588.★endprint

4.1 非安全组网向PKI安全组网演进

非安全组网向PKI安全组网演进如图3所示：

（1）需要在网络中部署SeGW安全网关，SeGW上部署设备证书和根证书。

（2）部署PKI系统，CA服务器上预置设备厂家根证书。

（3）eNodeB与传输接入层之间部署802.1x认证。

（4）OM网管通道采用IPSec+SSL技术。

4.2 IPSec组网案例

IPSec在应用时需要使用SeGW功能，在LTE网络中通常由MME或S-GW兼做。IPSec SA由eNodeB根据配置的IPSec安全策略和SeGW进行IKE协商建立，形成ACL、IPSec安全提议两个部分。eNodeB通过ACL来指定要保护的数据流；IPSec安全提议负责定义包括对数据流的封装模式、采用的安全协议、加密算法和认证算法。

IPSec负责对eNodeB的信令、业务数据流和OM数据流，以及eNodeB与CA服务器、CRL服务器之间证书管理相关的数据流提供保护。

eNodeB和SeGW使用数字证书进行身份认证，故需要在网络中部署PKI系统和RADIUS/DHCP服务器。根据3GPP标准，CA服务器的证书请求响应消息中要携带根证书或证书链，因此CA服务器上要预置设备的根证书。

IPSec典型组网如图4所示。

在这种典型网络中部署了RADIUS/DHCP服务器，eNodeB通过DHCP协议获取上述OM通道信息、运营商CA信息、SeGW信息。DHCP是实现主机动态配置的协议、配置参数的分配和分发。eNodeB获得配置文件后，再与SeGW进行协商建立IPSec通道。

实际部署中，RADIUS/DHCP服务器和OM网管服务器可以部署在同一硬件上，但是分不同的逻辑通信实体。

4.3 IPSec组网规划

规划步骤依次是：部署SeGW和PKI系统；数据规划；数据改造；基站环境检查；修改网络路由；IPSec通道和OM的建立。其中需要重点说明的是：

（1）数据规划是重点，包括：规划SeGW的IP地址、IKE加密算法、IKE DH组、认证方法；确定IPSec封装模式、ESP加密、完整性算法、AH完整性算法；收集CA服务器的CA Name、签名算法相关信息。

（2）基站环境检查：是否已配置IPSec的License、是否预置设备证书和根证书。

（3）修改网络路由：使所有需要IPSec保护的数据流先经过SeGW再到达目的端。

IPSec组网还需要考虑安全域、认证方式和数据流保护这三个主要因素，具体如下：

（1）整个网络分为安全域和非安全域，IPSec只保护非安全域。通常情况下，接入网络被认为是不安全的，而核心网络是安全的。将SeGW部署在安全域与非安全域的边界，eNodeB和SeGW之间采用IPSec保护。

（2）eNodeB与SeGW之间的认证方式采用PKI认证。

（3）eNodeB的数据流包括信令面、用户面、OM通道、时钟等数据流。在做组网规划时应识别出要保护的数据流，指定保护策略。对于OM通道，eNodeB提供IPSec+SSL保护。

（4）对于eNodeB之间X2接口的数据流，推荐采用集中式安全保护方式。集中式安全组网下，多个eNodeB分别与SeGW建立IPSec通道，eNodeB之间X2接口的数据流利用该IPSec通道进行安全保护。

4.4 IPSec的封装模式选择

IPSec数据流的封装模式可分为隧道模式和传输模式，均用于eNodeB和MME/S-GW之间的IPSec保护。两者区别如下：

（1）隧道模式：只对原始IP数据包提供安全保护。

（2）传输模式：对IP数据包的有效载荷和高层协议提供保护。

IPSec封装模式选择考虑以下因素：

（1）安全性：隧道模式优于传输模式，因为隧道模式可以对原始IP报文完整地进行加密和完整性保护。

（2）性能：传输模式优于隧道模式，因为隧道模式多额外的IP头，占用更多带宽。

（3）隧道模式要求网络中部署SeGW来隔离安全域和非安全域，并在SeGW上实施隧道封装、加密、完整性保护等功能；而传输模式则需要通信两端都支持IKE协商、加密、完整性保护等功能。

因此，选用哪种封装模式需要在安全、部署能力和性能之间做出权衡，并根据IPSec对端所支持的模式来进行配置。

4.5 IPSec通道备份组网规划

为了保障IPSec通道的安全进行通道的主备组网，分为以下两种方式：

（1）eNodeB出两个物理端口分配4个IP，与两个SeGW建立两条IPSec通道，安全策略分别绑定在这两个端口上，并启用BFD检测。IP1对IP2，IP3对IP4。

（2）eNodeB出一个端口分配3个IP，也建两条IPSec通道，但IP1对应IP2和IP3。

启用IPSec通道备份功能后，两条IPSec通道同时可用（一主一备）。对于上行传输，eNodeB选用主用通道；对于下行传输，eNodeB在主备两条IPSec通道同时接收数据，并利用BFD检测自身与SeGW间的连通性。如果主用通道故障，则eNodeB将上行数据的传输切换到备用通道。

4.6 eNodeB级联场景下IPSec组网

在特殊情况下eNodeB存在级联，级联eNodeB有以下两种方式实现IPSec功能：

（1）各eNodeB-1和2独立实现IPSec功能，Hub eNodeB-1负责路由转发。

（2）Hub eNodeB-3统一提供所下挂基站的IPSec功能。

eNodeB级联组网如图5所示。

5 结束语

在数据链路层802.1x可以保证eNodeB合法接入；网络层IPSec为eNodeB提供全程IP传输安全，保证数据的机密性、完整性和可用性；应用层SSL对OM通道的数据提供加密保护；三种技术完成不同层次的传输安全保护。本文结合笔者多年的设计经验，给出了安全组网方案及传输网络规划时需要考虑的各种关键因素，为实际工程规划提供了参考。

参考文献：

[1] 广州杰赛通信规划设计院. LTE网络规划设计手册[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[2] 周贤伟. IPSec解析[M]. 北京： 国防工业出版社， 2006.

[3] 蓝集明，陈林. 对IPSec中AH和ESP协议的分析与建议[J]. 计算机技术与发展， 2009（11）： 15-17.

[4] 高祥，周林. 802.1x协议及其在宽带接入中的应用[J]. 重庆邮电学院学报： 自然科学版， 2004（1）： 91-93.

[5] 徐家臻，陈莘萌. 基于IPSec与基于SSL的VPN的比较与分析[J]. 计算机工程与设计， 2004（4）： 586-588.★endprint

4.1 非安全组网向PKI安全组网演进

非安全组网向PKI安全组网演进如图3所示：

（1）需要在网络中部署SeGW安全网关，SeGW上部署设备证书和根证书。

（2）部署PKI系统，CA服务器上预置设备厂家根证书。

（3）eNodeB与传输接入层之间部署802.1x认证。

（4）OM网管通道采用IPSec+SSL技术。

4.2 IPSec组网案例

IPSec在应用时需要使用SeGW功能，在LTE网络中通常由MME或S-GW兼做。IPSec SA由eNodeB根据配置的IPSec安全策略和SeGW进行IKE协商建立，形成ACL、IPSec安全提议两个部分。eNodeB通过ACL来指定要保护的数据流；IPSec安全提议负责定义包括对数据流的封装模式、采用的安全协议、加密算法和认证算法。

IPSec负责对eNodeB的信令、业务数据流和OM数据流，以及eNodeB与CA服务器、CRL服务器之间证书管理相关的数据流提供保护。

eNodeB和SeGW使用数字证书进行身份认证，故需要在网络中部署PKI系统和RADIUS/DHCP服务器。根据3GPP标准，CA服务器的证书请求响应消息中要携带根证书或证书链，因此CA服务器上要预置设备的根证书。

IPSec典型组网如图4所示。

在这种典型网络中部署了RADIUS/DHCP服务器，eNodeB通过DHCP协议获取上述OM通道信息、运营商CA信息、SeGW信息。DHCP是实现主机动态配置的协议、配置参数的分配和分发。eNodeB获得配置文件后，再与SeGW进行协商建立IPSec通道。

实际部署中，RADIUS/DHCP服务器和OM网管服务器可以部署在同一硬件上，但是分不同的逻辑通信实体。

4.3 IPSec组网规划

规划步骤依次是：部署SeGW和PKI系统；数据规划；数据改造；基站环境检查；修改网络路由；IPSec通道和OM的建立。其中需要重点说明的是：

（1）数据规划是重点，包括：规划SeGW的IP地址、IKE加密算法、IKE DH组、认证方法；确定IPSec封装模式、ESP加密、完整性算法、AH完整性算法；收集CA服务器的CA Name、签名算法相关信息。

（2）基站环境检查：是否已配置IPSec的License、是否预置设备证书和根证书。

（3）修改网络路由：使所有需要IPSec保护的数据流先经过SeGW再到达目的端。

IPSec组网还需要考虑安全域、认证方式和数据流保护这三个主要因素，具体如下：

（1）整个网络分为安全域和非安全域，IPSec只保护非安全域。通常情况下，接入网络被认为是不安全的，而核心网络是安全的。将SeGW部署在安全域与非安全域的边界，eNodeB和SeGW之间采用IPSec保护。

（2）eNodeB与SeGW之间的认证方式采用PKI认证。

（3）eNodeB的数据流包括信令面、用户面、OM通道、时钟等数据流。在做组网规划时应识别出要保护的数据流，指定保护策略。对于OM通道，eNodeB提供IPSec+SSL保护。

（4）对于eNodeB之间X2接口的数据流，推荐采用集中式安全保护方式。集中式安全组网下，多个eNodeB分别与SeGW建立IPSec通道，eNodeB之间X2接口的数据流利用该IPSec通道进行安全保护。

4.4 IPSec的封装模式选择

IPSec数据流的封装模式可分为隧道模式和传输模式，均用于eNodeB和MME/S-GW之间的IPSec保护。两者区别如下：

（1）隧道模式：只对原始IP数据包提供安全保护。

（2）传输模式：对IP数据包的有效载荷和高层协议提供保护。

IPSec封装模式选择考虑以下因素：

（1）安全性：隧道模式优于传输模式，因为隧道模式可以对原始IP报文完整地进行加密和完整性保护。

（2）性能：传输模式优于隧道模式，因为隧道模式多额外的IP头，占用更多带宽。

（3）隧道模式要求网络中部署SeGW来隔离安全域和非安全域，并在SeGW上实施隧道封装、加密、完整性保护等功能；而传输模式则需要通信两端都支持IKE协商、加密、完整性保护等功能。

因此，选用哪种封装模式需要在安全、部署能力和性能之间做出权衡，并根据IPSec对端所支持的模式来进行配置。

4.5 IPSec通道备份组网规划

为了保障IPSec通道的安全进行通道的主备组网，分为以下两种方式：

（1）eNodeB出两个物理端口分配4个IP，与两个SeGW建立两条IPSec通道，安全策略分别绑定在这两个端口上，并启用BFD检测。IP1对IP2，IP3对IP4。

（2）eNodeB出一个端口分配3个IP，也建两条IPSec通道，但IP1对应IP2和IP3。

启用IPSec通道备份功能后，两条IPSec通道同时可用（一主一备）。对于上行传输，eNodeB选用主用通道；对于下行传输，eNodeB在主备两条IPSec通道同时接收数据，并利用BFD检测自身与SeGW间的连通性。如果主用通道故障，则eNodeB将上行数据的传输切换到备用通道。

4.6 eNodeB级联场景下IPSec组网

在特殊情况下eNodeB存在级联，级联eNodeB有以下两种方式实现IPSec功能：

（1）各eNodeB-1和2独立实现IPSec功能，Hub eNodeB-1负责路由转发。

（2）Hub eNodeB-3统一提供所下挂基站的IPSec功能。

eNodeB级联组网如图5所示。

5 结束语

在数据链路层802.1x可以保证eNodeB合法接入；网络层IPSec为eNodeB提供全程IP传输安全，保证数据的机密性、完整性和可用性；应用层SSL对OM通道的数据提供加密保护；三种技术完成不同层次的传输安全保护。本文结合笔者多年的设计经验，给出了安全组网方案及传输网络规划时需要考虑的各种关键因素，为实际工程规划提供了参考。

参考文献：

[1] 广州杰赛通信规划设计院. LTE网络规划设计手册[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2013.

[2] 周贤伟. IPSec解析[M]. 北京： 国防工业出版社， 2006.

[3] 蓝集明，陈林. 对IPSec中AH和ESP协议的分析与建议[J]. 计算机技术与发展， 2009（11）： 15-17.

[4] 高祥，周林. 802.1x协议及其在宽带接入中的应用[J]. 重庆邮电学院学报： 自然科学版， 2004（1）： 91-93.

[5] 徐家臻，陈莘萌. 基于IPSec与基于SSL的VPN的比较与分析[J]. 计算机工程与设计， 2004（4）： 586-588.★endprint