인증

LTE는 EPS-AKA라는 방식을 사용하여 인증을 합니다. 여기서 인증은 "상호인증"인데요. 즉, 망도 가입자를 인증하지만 가입자도 망을 인증하는 구조입니다. 일단 인증을 위해서는 UE(단말)과 HSS(가입자 DB) 모두에 가입자 고유 식별자인 IMSI와 LTE Security Key인 LTE K 값이 들어 있어야 합니다(물론 UE와 HSS에 들어 있는 값은 동일한 값이어야 합니다). 이 IMSI와 LTE K는 사용자가 LTE 서비스에 가입을 하면 USIM을 받게 되고 그 USIM에 IMSI와 LTE K가 들어가 있고, 통신사업자는 HSS에 이와 동일한 값을 Provisioning 해 놓습니다.

이후 가입자(UE)가 전원을 키면 UE는 망에 인증을 요청(Attach Request 메시지)하게 되구요, 이 메시지를 수신한 MME(LTE 망에 두뇌 역할을 하는 entity)는 HSS에게 해당 가입자(IMSI로 식별)를 인증하기 위한 인증정보(Authentication Vector)를 받아 오게 됩니다. 이후 MME는 이 인증정보를 이용하여 가입자를 인증하고, 또한 가입자도 HSS가 하는 것과 동일한 방식으로 인증정보를 생성하여 그 정보를 이용하여 망을 인증하게 됩니다.

깊이 들어가지 않고 설명을 드리다 보니 쉽지 않네요. 좀 더 깊숙한 얘기는 다음번에 하도록 하고 인증에 대한 얘기는 이 정도로 마치겠습니다.

무선구간 보안

사실 무선통신기술에서 "인증"과 "보안"은 항상 함께 다루어 지는데요. 그 이유는 가입자와 망간에 "인증" 과정이 성공적으로 끝나게 되면 이 인증의 결과로 어떤 Master Key가 나오게 됩니다. 그리고 이 Master Key를 가지고 복잡한 알고리즘을 돌려 무선구간에서 무결성확인(Integrity Check)과 암호화(Encryption 혹은 Ciphering)를 할 수 있는 Key들을 생성하게 됩니다. LTE의 경우 이 Master Key를 KASME라고 합니다. (WiBro의 경우 Master Key를 MSK라고 부릅니다.)

여기서 잠깐! 무결성보호와 암호화가 뭔지 간단히 살펴 보도록 하겠습니다.

• 무결성확인/보호(Integrity Check): 송신측에서 자신이 가지고 있는 Key값과 메시지 내용(보내려는 데이터)을 어떤 알고리즘을 돌려 32바이트(예를 들어 32바이트)짜리 어떤 값을 얻습니다. 그리고 그 값(A)을 메시지 맨 뒤에 붙여서 보냅니다. 그러면 이를 수신한 쪽에서는 역시 동일한 Key를 가지고 메시지 내용을 동일 알고리즘을 돌려 32바이트짜리 어떤 값을 얻고, 그 값이 수신된 메시지 맨 뒤에 있는 값(A)과 동일한지 확인하는 것입니다. 만약 중간에서 누군가가 메시지를 변조했다면 메시지 내용이 달라졌을테고 그러면 수신쪽에서는 메시지 내용을 계산한 32바이트 그 어떤 값과 메시지 맨 뒤에 붙인 값이 달라 질 것입니다. 그러면 수신쪽에서는 아는 것이죠... 아 어떤 놈이 메시지를 바꿨구먼... 그러면 수신쪽에서는 메시지를 버리겠죠.
• 암호화(Encryption/Ciphering): 송신측에서 자신이 가지고 있는 Key값과 어떤 알고리즘을 이용하여 메시지 내용을 암호화 시켜서 보냅니다. 역시 수신측은 동일 Key와 동일 알고리즘으로 본 메시지를 복호화(암호를 품)하는 것입니다.

그래서 이 KASME를 이용하여 먼저 UE와 MME간에 메시지(이 둘간에 주고 받는 메시지를 NAS 메시지라고 부릅니다. 사용자 데이터는 MME로 가지 않고 UE와 MME간에는 오로지 control 메시지들만 주고받습니다.)에 대한 무결성확인을 위해 사용되는 Key인 KNASint(NAS=NAS 메시지, int=Integrity)를 UE와 MME에서 각각 생성하게 되구요, 암호화를 하는데 사용되는 Key인 KNASenc(enc=encryption)를 역시 UE와 MME에서 생성합니다. 그러면 이제 UE와 MME간 주고 받는 메시지는 이 Key들을 이용하여 무결성보호 & 암호화 되어 안전해 지는 겁니다. 

그런 후 이번에는 UE와 eNB간에 주고 받는 모든 control 메시지에 대한 무결성확인과 암호화를 위한 Key인 KRRCint(RRC=RRC 메시지, int=Integrity)와 KRRCenc(enc=encryption)를 생성하고, 이를 통해 UE와 MME간 control 메시지는 무결성보호 & 암호화 되어  안전하게 주고 받을 수 있게 됩니다. 

그리고 마지막으로 UE와 eNB간에 주고 받는 모든 data 메시지(사용자가 보낸 유저 데이터)에 대한 암호화(사용자 데이터는 무결성보호 하지 않음)를 위한 Key인 KUPenc(UP=User Plane, enc=encryption)를 생성하고, 이를 통해 UE와 eNB간 data 메시지는 암호화 되어 안전하게 주고 받을 수 있게 됩니다.

왠지 핵심을 교묘히 피해 겉만 훓은 기분이네요... 하지만 LTE 초보자분들이 인증과 무선구간보안에 대해서 너무 깊게 들어가실 필요는 없을 듯 합니다. 그 외에도 LTE QoS, Attach Procedure, Handover 등등 공부하셔야 하는게 너무 많으니까요.

"LTE는 EPS-AKA로 단말과 망이 서로 상호인증을 한다. 그리고 UE와 MME/eNB간에는 제어신호가 암호화 및 무결성 보호되어 전송되고, UE와 eNB간에는 사용자 트래픽이 암호화되어 전송되므로 매우 안전하다" 정도만 기억하셔도 좋을 듯 합니다.