1、1,LTE协议栈EMM培训,移动通信协议研究所2012-03-08,EMM,2,内容提要,开机信令流程（EMM相关） EMM过程类型表述 移动性管理 安全性,3,协议栈各子层功能实现及验证,协议研究 C代码设计 测试 联合调试,实现步骤,4,开机信令流程（EMM相关）,EMM,5,LTE network architecture,E-UTRAN,UE,Evolved packet core (EPC),6,LTE NE Function,7,LTE协议栈架构,7,8,UE端EMM模块结构,9,EMM=DEREGISTERED,Press a button to switch on the ph
2、one,UE,ECM=IDLE,10,eNB S1AP ID,eNB S1AP ID MME S1AP ID,RRC connection established,ECM=CONNECTED,EMM=REGISTERED-INITIATED,Authentication Request,Attach Request IMSI,MME,HSS,eNB,UE,ECM=IDLE,EMM=DEREGISTERED,Initial UE message (eNB S1AP ID, Attach Request IMSI),EMM=COMMON-PROCEDURE-INITIATED,ECM=CONNEC
3、TED,Stored,Allocated,Authentication Information Request (IMSI),Authentication Information Answer (Authentication & security parameters),ECM=,EMM=,Downlink NAS transport (eNB S1AP ID1, MME S1AP ID, Authentication Request),S1-MME interface S1AP protocol,S6A interface Diameter protocol,Allocated,Stored
4、,IMSI,MME S1AP ID MTMSI (GUTI) MME TEID-C,eNB S1AP ID,11,eNB S1AP ID MME S1AP ID,EMM=REGISTERED-INITIATED,ECM=CONNECTED,Uplink NAS transport (eNB S1AP ID, MME S1AP ID, Authentication Response),Downlink NAS transport ( eNB S1AP ID1, MME S1AP ID, ),Authentication Response, = integrity protection,MME,H
5、SS,eNB,UE,EMM=COMMON-PROCEDURE-INITIATED,ECM=,ECM=CONNECTED,MME S1AP ID MTMSI (GUTI) MME TEID-C,IMSI,eNB S1AP ID,12,EMM=REGISTERED-INITIATED,SGW,Uplink NAS transport (eNB S1AP ID, MME S1AP ID, ),Update Location Request (IMSI),Update Location Answer (QoS profile, APN), = integrity protection, = confi
6、dentiality protection,MME,HSS,eNB,UE,EMM=COMMON-PROCEDURE-INITIATED,ECM=CONNECTED,ECM=CONNECTED,eNB S1AP ID MME S1AP ID,Create Session Request (MME TEID-C, IMSI),IMSI,MME TEID-C,Stored,SGW TEID-C SGW TEID-U SGW IP-U,Allocated,DNS,APN,SGW IP,S11 interface GTPv2 protocol,MME S1AP ID MTMSI (GUTI) MME T
7、EID-C,IMSI,eNB S1AP ID,13,Initial Context Setup Request ( eNB S1AP ID1, MME S1AP ID, SGW TEID-U, SGW IP-U, ),eNB TEID-U eNB IP-U SGW TEID-U SGW IP-U,EMM=REGISTERED-INITIATED,SGW,Initial Context Setup Response (eNB S1AP ID, MME S1AP ID, eNB TEID-U, eNB IP-U), = integrity protection, = confidentiality
8、 protection,MME,eNB,UE,EMM=COMMON-PROCEDURE-INITIATED,ECM=CONNECTED,ECM=CONNECTED,eNB S1AP ID MME S1AP ID,Create Session Response (MME TEID-C, SGW TEID-C, SGW TEID-U, SGW IP-U),SGW TEID-C SGW TEID-U SGW IP-U,Stored,EMM=REGISTERED,Stored,Allocated,GUTI TAI LIST,Stored,eNB TEID-U eNB IP-U,Temporarily
9、stored,MME S1AP ID MTMSI (GUTI) MME TEID-C,IMSI,eNB S1AP ID,IMSI,MME TEID-C,SGW TEID-C SGW TEID-U SGW IP-U,14,Modify Bearer Request (SGW TEID-C, eNB TEID-U, eNB IP-U),Modify Bearer Response (MME TEID-C),EMM=REGISTERED,Attach completed!,eNB S1AP ID MME S1AP ID eNB TEID-U eNB IP-U SGW TEID-U SGW IP-U,
10、SGW, = integrity protection, = confidentiality protection,MME,eNB,UE,EMM=COMMON-PROCEDURE-INITIATED,ECM=CONNECTED,ECM=CONNECTED,GUTI TAI LIST,Uplink NAS transport (eNB S1AP ID, MME S1AP ID, ),EMM=REGISTERED,eNB TEID-U eNB IP-U,Temporarily stored,First uplink data packet,First downlink data packet,IM
11、SI,MME TEID-C,SGW TEID-C SGW TEID-U SGW IP-U,eNB TEID-U eNB IP-U,SGW TEID-C SGW TEID-U SGW IP-U,MME S1AP ID MTMSI (GUTI) MME TEID-C,IMSI,eNB S1AP ID,15,EMM过程类型,EMM,16,EMM实体主要过程描述,17,EMM状态转换,根据协议规范和设计实现EMM共分为7个大状态和20个小状态： 7个大状态为EMM-NULL,EMM-DER,EMM-DIN,EMM-REG,EMM-RIN,EMM-SRI,EMM-TRACKING-AREA-UPDATI
12、NG-INITIATED。 20个小状态为NUL,DPS,DNC,DNS,DLS,DNI,DAA，DAN,RIN,RNS,RPS,RLS,RAU,RUN,RUM,RID,RNC,TAI,DIN,SRI。在进行状态跳转时会根据不同的EMM原因值跳转到不同的小状态。,18,UE端EMM状态跃迁图,EMM_NUL,Disenable s1模式,Enable s1模式,EMM_DER,关机信号,任意状态,EMM_DIN,EMM_RIN,EMM_SRI,EMM_REG,EMM_TAI,-分离接受 -底层失败,-非关机分离,附着拒绝,附着请求,-附着接受； -默认上下文激活,业务请求,业务接受,TAU请求
13、,TAU拒绝或小区 禁止接入或TAU仅 EPS业务成功,TAU拒绝,19,Attach和Detach过程,作用： Attach过程完成UE在网络的注册，完成核心网（EPC）对该UE默认承载的建立 Detach过程完成UE在网络侧的注销和所有EPS承载的删除 Attach说明： LTE中，Attach伴随着核心网处默认承载的建立 Detach说明： UE/MME/SGSN/HSS均可发起detach过程 若网络侧长时间没有获得UE的信息，则会发起隐式的Detach过程，即核心网将该UE的所有承载释放而不通知UE,Attach与Detach过程,20,Attach Procedure,在无线网部分
14、，LTE的attach与3G的类似，完成相同的功能 而在核心网部分，除鉴权、身份验证、用户注册以外，LTE还包含默认承载的建立，而3G中没有,Attach信令流程 E-UTRAN部分,21,Attach过程说明,处在RRC_IDLE态的UE进行Attach过程，首先发起随机接入过程，即MSG1消息； eNB检测到MSG1消息后，向UE发送随机接入响应消息，即MSG2消息； UE收到随机接入响应后，根据MSG2的TA调整上行发送时机，向eNB发送RRCConnectionRequest消息； eNB向UE发送RRCConnectionSetup消息，包含建立SRB1承载信息和无线资源配置信息；
15、UE完成SRB1承载和无线资源配置，向eNB发送RRCConnectionSetupComplete消息，包含NAS层Attach request信息； eNB选择MME，向MME发送INITIAL UE MESSAGE消息，包含NAS层Attach request消息； MME向eNB发送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，请求建立默认承载，包含NAS层Attach Accept、Activate default EPS bearer context request消息； eNB接收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，如果不包含UE能
16、力信息，则eNB向UE发送UECapabilityEnquiry消息，查询UE能力； UE向eNB发送UECapabilityInformation消息，报告UE能力信息； eNB向MME发送UE CAPABILITY INFO INDICATION消息，更新MME的UE能力信息； eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中UE支持的安全信息，向UE发送 SecurityModeCommand消息，进行安全激活； UE向eNB发送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成； eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST
17、消息中的ERAB建立信息，向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息进行UE资源重配，包括重配SRB1和无线资源配置，建立SRB2、DRB（包括默认承载）等； UE向eNB发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示资源配置完成； eNB向MME发送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE响应消息，表明UE上下文建立完成； UE向eNB发送ULInformationTransfer消息，包含NAS层Attach Complete、Activate default EPS bearer context ac
18、cept消息； eNB向MME发送上行直传UPLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS层Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息。,Attach流程说明,22,Connected UE initiated Detach,Detach信令流程连接态UE发起,23,Connected UE initiated Detach说明,处在RRC_CONNECTED态的UE进行Detach过程，向eNB发送UL NAS Transfer消息，包含NAS层Detach request信息； eNB向MME发送上行直传
19、UPLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS层Detach request信息； MME向Serving-GW发送Delete Session Request，以删除EPS承载； Serving-GW向MME发送Delete Session Response，以确认EPS承载删除； MME向基站发送下行直传DOWNLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS层Detach accept消息； eNB向UE发送DLInformationTransfer消息，包含NAS层Detach accept消息； MME向eNB发送UE CONTEXT RELEASE COMMAND消息
20、，请求eNB释放UE上下文信息； eNB接收到UE CONTEXT RELEASE COMMAND消息，向UE发送RRCConnectionRelease消息，释放RRC连接； eNB释放UE上下文信息，向MME发送UE CONTEXT RELEASE COMPLETE消息进行响应。,24,Service Request过程,作用 把EMM模式从EMM-IDLE转换成EMM-CONNECTED模式，并为上行链路用户数据或信令发送建立无线链路和S1承载。另一个目的是，唤起MO/MT CS 滚回过程以下情况UE会唤起业务请求过程：a) UE处于EMM-IDLE模式时，从网络收到一个CN域为“PS”
21、的 寻呼请求；b) UE在EMM-IDLE模式，挂起发送的用户数据；c) UE在EMM-IDLE模式，上行信令挂起；d) UE用CS fallback和从低层请求生成的CS fallback来配置 EMM-IDLE或EMM-CONNECTED模式。e) UE用CS fallback和收到的CN域为“CS”的寻呼请求来配置EMM-IDLE模式，或者用CS fallback与收到的CS SERVICE NOTIFICATION 消息来配置EMM-CONNECTED。,25,UE triggered Service Request,26,Service Request过程,说明 当UE发起servi
22、ce request时，需先发起随机接入过程 Service Request由RRC Connection Setup Comlete携带上去 当下行数据达到时，网络侧先对UE进行寻呼，随后UE发起随机接入过程，并发起service request过程 UE发起service request相当于主叫过程 下行数据达到发起的service request相当于被叫接入,27,寻呼（Paging）,由网络向空闲态或连接态的UE发起 Paging消息会在UE注册的所有小区发送（TA范围内） 核心网触发：通知UE接收寻呼请求（被叫，数据推送） eNodeB触发：通知系统消息更新以及通知UE接收ETW
23、S等信息,目的： 1）网络端请求建立与UE的NAS 信令连接（也可以用来建立与UE之间传输cdma2000信令消息）； 2）触发UE的重附着（当由于网络失败时）。如果当UE收到EPS 业务时还没有附着，UE则忽视该寻呼。另外，网络可以用寻呼来发起移动性终止CS fallback过程或SMS。,28,S-TMSI寻呼,当NAS信令消息，或用户数据在等待发送给UE而此时没有NAS信令连接存在时，网络将会发起一个用于EPS业务的寻呼过程。该过程用S-TMSI，CN域指示器设置为PS。为了初始该过程，网络端的EMM实体会请求低层发起寻呼，开启T3413。UE收到寻呼后，将发送一个SERVICE REQ
24、UEST消息响应。如果EPS业务寻呼与EMM特殊过程，或者业务请求过程冲突，则UE将会忽视该寻呼过程。 UE和网络将进行EMM特殊过程和业务请求过程。网络收到来自UE的响应将停止定时器。,29,IMSI寻呼,当网络发生错误需要恢复时（例如S-TMSI不可用），可发起IMSI寻呼，UE收到后执行本地detach，然后再开始attach。,30,移动性管理,EMM,31,TAU概述,当移动台由一个TA移动到另一个TA时，必须在新的TA上重新进行位置登记以 通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息，这个过程就是跟踪区更新 (Tracking Area Update,TAU),TAU的定义,32,TA
25、U概述,为了确认移动台的位置，LTE网络覆盖区将被分为许多个跟踪区(Tracking Area, TA) TA功能与3G的位置区(LA)和路由区(RA)类似，是LTE系统中位置更新和寻呼的基本单位。TA用TA码(Tracking Area Code, TAC)标识，一个TA可包含一个或多个小区，TAC在这些小区的SIB1中广播 与LAC、RAC类似，网络运营时用TAI作为TA的唯一标识，TAI由MCC、MNC和TAC组成，共计6字节,TA和TAI的定义,UE在附着时，MME会为UE分配一组TA list（长度116）并发送给UE保存，当需要寻呼UE时，网络会在TA list所包含的小区内向UE
26、发送寻呼消息。,TAI LIST长度为898字节，分为三种类型，最多可包含16个TAIs UE附着时，MME通过ATTACH ACCEPT或TAU ACCEPT消息为UE分配一组TAI(TAI list) 当需要寻呼UE时，网络在TAI list所包含的所有小区内向UE发送寻呼 UE收到TAI LIST后保存在本地，移动过程中只要进入的新TA的TAI包含在TA LIST中，UE都无需发起TAU过程,33,Identifier,PLMN-Identity = MCC+MNC TAI = PLMN-Identity + TAC,34,TAU概述,UE状态不同 空闲态TAU 连接态TAU 更新内容不
27、同 非联合TAU更新TAI LIST 联合TAU更新TAI LIST + LAU,当前TA不在UE的TAI list里 周期性TAU表明UE Alive；网络配置， IDLE或连接态均强制执行 从服务区外返回服务区时，且周期性TAU到期，立刻执行 MME负载均衡时，可要求UE发起TAU ECM-IDLE状态下UE的GERAN和UTRAN Radio能力发生变化 从UTRAN PMM Connected或GPRS READY状态通过小区重选进入E-UTRAN时。,TAU的应用场景,TAU分类,35,TAU过程,在网络登记新的用户位置信息 进入新的TA，其TAI不在UE存储的TAI LIST内 给
28、用户分配新的GUTI 核心网在同一个MME pool用GUTI唯一标识一个UE。若TAU过程中更换了MME pool，则核心网会在TAU ACCEPT消息中携带新GUTI 分配给UE 使UE和MME的状态由EMM-DEREGISTERED变为EMM-REGISTERED UE短暂进入无服务区后回到覆盖区，信号恢复，且周期性TAU到期 IDLE态用户可通过TAU过程请求建立用户面资源 IDLE下发起TAU过程时，如果有上行数据或者上行信令(与TAU无关的)发送，UE可以在TAU request消息中设置an “active”标识，来请求建立用户面资源，并且在TAU完成后保持NAS信令连接连接态不
29、可设置该标识,TAU的作用,36,安全性,EMM,37,鉴权过程说明,EPS的鉴权和密钥协商过程的目是，提供UE和网络间的相互鉴权和约定一个密钥KASME。EPS鉴权过程总是由网络发起和控制，但是，UE可以拒绝网络发送的鉴权过程。UE当且仅当只有USIM卡存在是才能执行鉴权任务。当EPS鉴权过程成功完成，一部分本地的的EPS安全上下文在UE端和网络端被建成。在成功的EPS鉴权过程中，CK和IK由USIM计算出。然后CK和IK被ME当做密钥原料来计算新的密钥KASME.。KASME存储在网络的安全上文和ME可变存储器的安全上文中。它是EPS完整性保护密钥和加密密钥的根要密钥。,38,图中的Key
30、进行相关说明,IK、CK： 这是一对在AKA过程中，在AuC和USIM中产生的密钥，这两个密钥在产生过程中都是以USIM和AuC中的永久密钥K作为密钥输入，以鉴权向量中的随机数RAND作为参数输入，在不同的函数中产生（f3，f4）。IK、CK在应用于an EPS security context or a legacy security context时，将进行不同的处理。 NAS keys: KNASint：它同它一个产生该key时选定的的完整性保护算法一起用于对NAS事务进行完整性保护，它是在UE和MME通过KASME和一个选定的完整性保护算法的标识由KDF产生的。 KNASenc：它同一
31、个产生该key时选定的加密算法一起用于对NAS事物进行加密保护，它是由UE和MME通过KASME和一个选定的加密算法的标识由KDF产生的。,密钥等级,39,鉴权参数产生流程,40,鉴权过程,41,加密和完整性保护,UE在加密和完整性保护都被激活的情况下，NAS消息将先被加密，然后再将加密后的NAS消息同NAS序列号一起计算MAC-I。 注意：NAS消息中的Protocol discriminator和Security header type IE项是不会被加密的。 UE在新建一个信令连接时，初始直传NAS消息是没有被加密的。一旦NAS信令的安全连接建立好之后，除了ATTACH REQUEST
32、message and TRACKING AREA UPDATE REQUEST message，UE将对所有的NAS消息进行加密处理，直到NAS信令连接被释放或UE切换到A/Gb mode or Iu mode。,42,加密数据,EEA为加密算法，是在SMC过程中由网络选定的； - KEY 为KNASenc（128bit），它是在SMC过程中计算出来的； - COUNT（32bit）为NAS sequence number (低8bit)、NAS overflow counter (中间16bit)两部分的组合，除此之外还要在高8bit填0，它是由UE自己维护的； - BEARER(5bit
33、)为一个5bit全0常数； - DIRECTION(1bit)为0； - LENGTH为KEYSTREAM的长度； - KEYSTREAM BLOCK为计算出来的密钥流； - PLAINTEXT BLOCK为加密前的明文； - CIPHERTEXT BLOCK为加密后的密文。,Figure : Ciphering of data,43,完整性保护,-EIA为完整性保护算法，这是在SMC过程中由网络选定通知给UE的；-KEY为KNASint，这是在SMC过程中计算出来的；-COUNT为NAS sequence number (低8bit)、NAS overflow counter (高16bit
34、)两部分的组合，它是由UE自己维护的；-MESSAGE为要进行完整性保护的消息；-DIRECTION为0；-BEARER-ID 为5bit全0常数；-MAC-I为计算出来的完整性保护码。,Derivation of MAC-I,44,消息,Message Type,EPS mobile identity,45,2019年5月22日,重庆邮电大学硕士论文答辩,EMM子层功能实现及验证,C代码设计,1、入口函数设计,操作系统调用从操作系统队列接收原语对原语进行处理,2、原语处理函数 3、消息解析函数 4、消息处理函数 5、消息组装函数,46,2019年5月22日,重庆邮电大学硕士论文答辩,EMM子层功能实现及验证,联合调试结果,附着过程结果图 鉴权过程 安全模式过程,47,Thank You !,
