<!-- title: NR AS安全模式控制与算法协商拆解 -->
<!-- domain: security -->

# NR AS安全模式控制（SMC）与双算法协商信令深度拆解

## 引言：NAS安全 ≠ AS安全——5G双层安全激活的设计哲学

在5G系统中，安全激活并非一步到位的单一操作，而是被精心拆分为**NAS层安全**和**AS层安全**两个独立阶段。NAS安全模式控制（NAS SMC）由AMF发起，保护UE与核心网之间的NAS信令；而AS安全模式控制（AS SMC）由gNB发起，保护UE与基站之间的RRC信令和用户面数据。

这种双层设计的核心意图在于：**信任域隔离**。核心网和接入网由不同实体运营时，NAS密钥与AS密钥完全隔离，gNB无法获得KNAS密钥，AMF也无法直接控制AS算法选择。本文将聚焦TS 33.501 Section 6.4/6.6与TS 38.331 Section 5.3.4中定义的AS SMC完整机制，逐步拆解从算法协商到密钥推演的全链路信令过程。

## 一、AS SMC在5G初始接入中的时序定位

AS安全模式控制并非孤立存在，它嵌入在5G UE初始注册流程的特定位置。以下是完整的时序上下文：

```mermaid
sequenceDiagram
    participant UE
    participant gNB
    participant AMF
    
    Note over UE,AMF: Phase 1: RRC连接建立（无安全保护）
    UE->>gNB: RRCSetupRequest
    gNB->>UE: RRCSetup
    UE->>gNB: RRCSetupComplete（携带Registration Request）
    gNB->>AMF: INITIAL UE MESSAGE
    
    Note over UE,AMF: Phase 2: NAS认证与NAS SMC
    AMF->>UE: Authentication Request/Result（5G-AKA）
    AMF->>UE: NAS Security Mode Command
    UE->>AMF: NAS Security Mode Complete
    AMF->>UE: Registration Accept
    
    Note over UE,AMF: Phase 3: Initial Context Setup → AS SMC
    AMF->>gNB: INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST<br/>（含KgNB + SecurityAlgorithm优先列表）
    gNB->>UE: SecurityModeCommand<br/>（RRC消息，已完整性保护）
    UE->>gNB: SecurityModeComplete<br/>（RRC消息，已加密+完整性保护）
    gNB->>AMF: INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE
    
    Note over UE,AMF: Phase 4: 专用承载建立
    gNB->>UE: RRCReconfiguration（已安全保护）
    UE->>gNB: RRCReconfigurationComplete
```

**关键设计要点**：AS SMC必须在NAS SMC之后执行，因为gNB所需的KgNB密钥是从KAMF推演而来的。AMF在Initial Context Setup Request消息中将KgNB传递给gNB，gNB才能启动AS层的密钥推演和安全激活。

## 二、AS安全模式控制信令逐消息拆解

### 2.1 SecurityModeCommand（gNB → UE）

SecurityModeCommand是RRC层消息，由TS 38.331 Section 6.2.2定义。其ASN.1结构如下：

```
SecurityModeCommand ::= SEQUENCE {
    rrc-TransactionIdentifier          RRC-TransactionIdentifier,
    criticalExtensions                 CHOICE {
        securityModeCommand            SecurityModeCommand-IEs,
        criticalExtensionsFuture       SEQUENCE {}
    }
}

SecurityModeCommand-IEs ::= SEQUENCE {
    securityConfigSMC                  SecurityConfigSMC,
    lateNonCriticalExtension           OCTET STRING OPTIONAL,
    nonCriticalExtension               SEQUENCE {} OPTIONAL
}

SecurityConfigSMC ::= SEQUENCE {
    securityAlgorithmConfig            SecurityAlgorithmConfig
}

SecurityAlgorithmConfig ::= SEQUENCE {
    cipheringAlgorithm                 CipheringAlgorithm,
    integrityProtAlgorithm             IntegrityProtAlgorithm OPTIONAL
}
```

**关键IE解析**：

| IE名称 | 类型 | 含义 | 取值范围 |
|--------|------|------|---------|
| rrc-TransactionIdentifier | INTEGER(0..3) | RRC事务标识，用于匹配Command/Complete | 0-3 |
| cipheringAlgorithm | ENUMERATED | AS加密算法选择 | nea0/nea1/nea2/nea3 |
| integrityProtAlgorithm | ENUMERATED | AS完整性保护算法 | nia0/nia1/nia2/nia3 |

**安全保护状态**：SecurityModeCommand消息本身使用选定的完整性保护算法进行保护（使用KRRCint密钥），但**不进行加密**。这是因为在发送此消息时，下行加密尚未激活——加密从SecurityModeComplete消息开始生效。

### 2.2 SecurityModeComplete（UE → gNB）

```
SecurityModeComplete ::= SEQUENCE {
    rrc-TransactionIdentifier          RRC-TransactionIdentifier,
    criticalExtensions                 CHOICE {
        securityModeComplete           SecurityModeComplete-IEs,
        criticalExtensionsFuture       SEQUENCE {}
    }
}
```

SecurityModeComplete是AS SMC成功完成的确认消息。与Command不同，此消息**同时进行完整性保护和加密**。UE在发送此消息前，已完成了全部AS密钥的推演，包括KRRCint、KRRCenc和KUPenc。

**重要细节**：SecurityModeComplete消息体几乎为空（无关键IE），它仅靠RRC事务标识符匹配SecurityModeCommand。其真正的安全意义在于：**这条消息的发送本身就证明了UE已成功激活了AS安全上下文**。

### 2.3 SecurityModeFailure（UE → gNB）——异常路径

当UE无法接受gNB选择的算法时，会返回SecurityModeFailure：

```
SecurityModeFailure ::= SEQUENCE {
    rrc-TransactionIdentifier          RRC-TransactionIdentifier,
    criticalExtensions                 CHOICE {
        securityModeFailure            SecurityModeFailure-IEs,
        criticalExtensionsFuture       SEQUENCE {}
    }
}
```

触发SecurityModeFailure的典型场景：
1. gNB选择的加密算法不在UE支持列表中
2. gNB选择的完整性保护算法不在UE支持列表中
3. UE在推演密钥时检测到内部错误

## 三、算法协商机制深度解析

### 3.1 算法选择的三个约束条件

gNB在发送SecurityModeCommand之前，需要完成算法选择。这个选择受三重约束：

```mermaid
flowchart TD
    A["AMF提供的SecurityAlgorithm<br/>（运营商策略优先级列表）"] --> D{gNB算法选择引擎}
    B["UE上报的UESecurityCapability<br/>（UE支持的算法集合）"] --> D
    C["gNB本地支持的算法集合<br/>（基站设备能力）"] --> D
    D --> E[取三方交集]
    E --> F[按优先级排序选择最高优先级算法]
    F --> G[生成SecurityModeCommand]

    style A fill:#e1f5fe
    style B fill:#fff3e0
    style C fill:#e8f5e9
    style G fill:#fce4ec
```

**约束1：AMF提供的SecurityAlgorithm**

AMF在Initial Context Setup Request中向gNB传递SecurityAlgorithm IE，其中包含运营商配置的算法优先级列表。这个列表决定了当多种算法同时可用时，gNB应优先选择哪种算法。

**约束2：UE安全能力**

UE在Registration Request中通过UESecurityCapability IE上报自己支持的所有5G安全算法：

| UE安全能力IE | 包含的算法列表 |
|-------------|-------------|
| EncryptionAlgorithms | NEA0, NEA1, NEA2, NEA3的支持位图 |
| IntegrityProtectionAlgorithms | NIA0, NIA1, NIA2, NIA3的支持位图 |
| EncryptionAlgorithmsEUTRA | EEA0, EEA1, EEA2, EEA3（EPS向后兼容） |
| IntegrityProtectionAlgorithmsEUTRA | EIA0, EIA1, EIA2, EIA3 |

**约束3：gNB本地能力**

gNB根据自身设备能力（硬件加密引擎支持的算法集合）进行最终过滤。

### 3.2 算法优先级排序与选择

TS 33.501 Section 5.4.3定义了算法选择规则：

**选择流程**：
1. 取UE支持集合 ∩ gNB支持集合 ∩ AMF允许集合 = 可用算法集合
2. 如果可用集合为空 → 触发安全失败
3. 从可用集合中，按AMF指定优先级选择最高优先级算法
4. 加密算法和完整性保护算法独立选择

### 3.3 5G安全算法一览

| 算法ID | 加密算法（NEA） | 完整性算法（NIA） | 基础密码 | 密钥长度 |
|--------|----------------|-----------------|---------|---------|
| 0 | NEA0（空加密） | NIA0（空完整性） | — | — |
| 1 | NEA1（128-bit SNOW 3G） | NIA1（128-bit SNOW 3G） | SNOW 3G | 128 bit |
| 2 | NEA2（128-bit AES-CTR） | NIA2（128-bit AES-CMAC） | AES | 128 bit |
| 3 | NEA3（128-bit ZUC） | NIA3（128-bit ZUC） | ZUC | 128 bit |

**NEA0/NIA0的使用限制**（TS 33.501 Section 5.4.3.2）：
- 空加密算法NEA0**仅允许**用于未认证的紧急呼叫
- 空完整性保护算法NIA0**绝不允许**用于RRC完整性保护（即AS SMC中完整性保护算法不能选NIA0）
- 运营商可通过配置进一步限制空算法的使用

## 四、AS密钥推演链路完整拆解

### 4.1 从KAMF到AS密钥的完整层级

```mermaid
flowchart TB
    K["K（USIM/UDM共享根密钥）"]
    K --> CKIK["CK || IK<br/>（认证向量输出）"]
    CKIK --> KAUSF["KAUSF<br/>KDF: FC=0x6A"]
    KAUSF --> KSEAF["KSEAF<br/>KDF: FC=0x6C"]
    KSEAF --> KAMF["KAMF<br/>KDF: FC=0x6D"]

    KAMF --> KNASint["KNASint<br/>KDF: FC=0x65<br/>P0=算法类型=0x03"]
    KAMF --> KNASenc["KNASenc<br/>KDF: FC=0x65<br/>P0=算法类型=0x02"]
    KAMF --> KgNB["KgNB<br/>KDF: FC=0x6F"]

    KgNB --> KRRCint["KRRCint<br/>KDF: FC=0x69<br/>P0=0x03+算法ID"]
    KgNB --> KRRCenc["KRRCenc<br/>KDF: FC=0x69<br/>P0=0x02+算法ID"]
    KgNB --> KUPint["KUPint<br/>KDF: FC=0x69<br/>P0=0x05+算法ID"]
    KgNB --> KUPenc["KUPenc<br/>KDF: FC=0x69<br/>P0=0x04+算法ID"]

    style K fill:#ffcdd2
    style KgNB fill:#fff9c4
    style KRRCint fill:#c8e6c9
    style KRRCenc fill:#c8e6c9
    style KUPenc fill:#bbdefb
    style KUPint fill:#bbdefb
```

### 4.2 KgNB推演（TS 33.501 Annex A.7）

AMF使用以下KDF从KAMF推演出KgNB：

```
KgNB = HMAC-SHA-256(KAMF, S)
其中 S = FC || P0 || L0 || P1 || L1
FC  = 0x6F
P0  = access type (0 = 3GPP access)
L0  = 0x00 0x01
P1  = 不存在（无额外参数）
L1  = 不存在
```

### 4.3 AS密钥推演（TS 33.501 Annex A.9）

gNB和UE分别使用相同的KDF从KgNB推演出四个AS密钥：

```
K_AS = HMAC-SHA-256(KgNB, S)
其中 S = FC || P0 || L0 || P1 || L1
FC  = 0x69
P0  = algorithm type distinguisher
L0  = 0x00 0x01
P1  = algorithm identity
L1  = 0x00 0x01
```

**Algorithm Type Distinguishere取值**：

| 算法类型区分值 | 含义 | 目标密钥 |
|--------------|------|---------|
| 0x01 | 128-bit EUTRA加密 | KEUTRAenc（EPS兼容） |
| 0x02 | 128-bit NR RRC加密 | KRRCenc |
| 0x03 | 128-bit NR RRC完整性 | KRRCint |
| 0x04 | 128-bit NR UP加密 | KUPenc |
| 0x05 | 128-bit NR UP完整性 | KUPint |

**Algorithm Identity取值**：

| 算法标识 | 含义 |
|---------|------|
| 0x00 | NEA0/NIA0（空算法） |
| 0x01 | NEA1/NIA1（SNOW 3G） |
| 0x02 | NEA2/NIA2（AES） |
| 0x03 | NEA3/NIA3（ZUC） |

**推演示例**：假设gNB选择了NEA2作为加密算法、NIA2作为完整性保护算法，则：

```
KRRCint = HMAC-SHA-256(KgNB, 0x69 || 0x03 || 0x0001 || 0x02 || 0x0001)
KRRCenc = HMAC-SHA-256(KgNB, 0x69 || 0x02 || 0x0001 || 0x02 || 0x0001)
KUPenc  = HMAC-SHA-256(KgNB, 0x69 || 0x04 || 0x0001 || 0x02 || 0x0001)
KUPint  = HMAC-SHA-256(KgNB, 0x69 || 0x05 || 0x0001 || 0x02 || 0x0001)
```

### 4.4 密钥推演的关键设计原则

**原则一：算法绑定**。AS密钥的推演将算法标识作为KDF输入参数，意味着**不同算法会产生不同的密钥**。这确保了即使KgNB相同，选择NEA1和NEA2会得到完全不同的KRRCenc。如果后续通过切换改变算法，密钥也会随之改变。

**原则二：方向隔离**。虽然AS层没有像NAS那样显式区分上行/下行密钥，但加密计数器（COUNT）的方向位确保了上下行使用不同的计数器空间，防止重放攻击。

**原则三：前向安全**。每次切换时，gNB会基于NH（Next Hop）参数或源gNB的KgNB推演新的目标gNB密钥，确保旧密钥无法从新密钥推演（详见TS 33.501 Section 6.9）。

## 五、AS SMC完整状态机与异常处理

### 5.1 AS安全激活状态机

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> AS_Security_Not_Activated: RRC连接建立
    AS_Security_Not_Activated --> AS_Security_Activation_Pending: 发送SecurityModeCommand
    AS_Security_Activation_Pending --> AS_Security_Activated: 收到SecurityModeComplete
    AS_Security_Activation_Pending --> AS_Security_Not_Activated: 收到SecurityModeFailure
    AS_Security_Activation_Pending --> AS_Security_Failed: T360定时器超时
    AS_Security_Activated --> AS_Security_Reactivation: RRC重配触发算法更新
    AS_Security_Reactivation --> AS_Security_Activated: 新算法激活完成
    AS_Security_Activated --> [*]: RRC连接释放
    AS_Security_Failed --> [*]: RRC连接释放
```

### 5.2 定时器与重传

| 参数 | 取值 | 说明 |
|------|------|------|
| T360定时器 | 100ms/200ms/...（TS 38.331 Table 7.1） | gNB发送SecurityModeCommand后启动 |
| 最大重传次数 | 依赖于实现 | 超时后可重发SecurityModeCommand |
| 失败后行为 | RRC连接释放 | 连续失败后释放RRC连接 |

### 5.3 NAS SMC与AS SMC的时序关系

一个常见疑问是：NAS SMC和AS SMC能否并行执行？答案在TS 33.501 Section 6.6中有明确规定：

| 场景 | NAS SMC | AS SMC | 允许并行？ |
|------|---------|--------|----------|
| 初始注册 | 先执行 | 后执行 | **否**，AS SMC依赖KgNB |
| 服务请求 | 可能已激活 | 需要重新激活 | **否**，按序执行 |
| 切换 | 已激活 | 可能更新算法 | **否**，切换过程中串行 |
| RRC重建立 | 已激活 | 需要重新激活 | **否**，必须先完成AS安全 |

**为什么不能并行？** 因为AS SMC所需的KgNB来自AMF的Initial Context Setup消息，而这个消息通常在NAS SMC完成之后才发送。此外，并行执行会引入安全漏洞——攻击者可能利用两个SMC之间的时间差进行降级攻击。

## 六、用户面安全激活机制

### 6.1 UP安全的三种模式

TS 33.501 Section 6.6.2为用户面安全定义了三种激活模式：

| UP安全模式 | 加密 | 完整性保护 | 适用场景 |
|-----------|------|----------|---------|
| 不需要 | 不激活 | 不激活 | 某些物联网低价值业务 |
| 仅加密 | 激活 | 不激活 | 普通数据业务（默认） |
| 加密+完整性保护 | 激活 | 激活 | URLLC/高可靠业务 |

**UP安全激活方式**：用户面安全不是通过AS SMC单独激活的，而是通过RRCReconfiguration消息中的SecurityConfig字段间接激活。AMF在Initial Context Setup Request中携带**UP安全策略**（UPSecurityPolicy IE），gNB根据此策略决定是否激活UP完整性保护。

### 6.2 UP安全策略传递链

```
UDM订阅数据 → UDR → PCF策略 → AMF（UPSecurityPolicy）→ gNB（SecurityIndication）→ PDCP层
```

AMF通过N2接口（Initial Context Setup Request）向gNB传递SecurityIndication IE：

| SecurityIndication IE | 含义 |
|----------------------|------|
| integrityProtectionPermitted | 是否允许UP完整性保护 |
| confidentialityProtectionPermitted | 是否允许UP加密 |
| maximumIntegrityProtectedDataRatePerUE | UE级别最大完整性保护速率 |
| maximumIntegrityProtectedDataRatePerDRB | DRB级别最大完整性保护速率 |

## 七、实战抓包识别与故障排查

### 7.1 抓包中如何定位AS SMC流程

在Wireshark中解码ngap和rrc_nr协议后，AS SMC流程可通过以下关键帧标识：

| 帧序号 | 协议层 | 消息类型 | 关键字段 |
|-------|--------|---------|---------|
| N | NGAP | Initial Context Setup Request | SecurityKey（KgNB）、UESecurityCapabilities |
| N+1 | RRC_NR | SecurityModeCommand | securityAlgorithmConfig → cipheringAlgorithm, integrityProtAlgorithm |
| N+2 | RRC_NR | SecurityModeComplete | rrc-TransactionIdentifier |

**Wireshark过滤表达式**：
```
rrc_nr.securityModeCommand || rrc_nr.securityModeComplete || rrc_nr.securityModeFailure
```

### 7.2 常见故障场景与排查思路

**故障1：SecurityModeFailure循环**

| 症状 | 可能原因 | 排查方法 |
|------|---------|---------|
| UE持续返回SecurityModeFailure | UE安全能力被AMF/gNB错误解析 | 检查Registration Request中UESecurityCapability IE编码 |
| gNB选择了UE不支持的算法 | AMF优先级列表与UE能力不匹配 | 对比UESecurityCapability与gNB选择的算法 |
| NEA0被选为加密算法但UE拒绝 | 运营商策略不允许空加密 | 检查AMF中的安全策略配置 |

**故障2：AS SMC后RRC消息解密失败**

| 症状 | 可能原因 | 排查方法 |
|------|---------|---------|
| SecurityModeComplete后RRCReconfiguration无法解码 | KgNB传递错误 | 检查NGAP Initial Context Setup中SecurityKey |
| 加密算法与密钥不匹配 | gNB和UE选择了不同算法 | 检查SecurityModeCommand中算法标识 |
| COUNT值不同步 | PDCP COUNT初始化不一致 | 确认双方都从COUNT=0开始 |

**故障3：AS安全激活延迟过大**

| 症状 | 可能原因 | 排查方法 |
|------|---------|---------|
| 从NAS SMC到AS SMC间隔超过200ms | Initial Context Setup消息过大 | 检查AMF是否携带了过多的辅助数据 |
| KgNB推演耗时过长 | gNB加密引擎性能不足 | 监控gNB的KDF执行时间 |
## 八、与4G EPS AS安全的对比分析

| 对比维度 | 4G EPS AS SMC | 5G NR AS SMC |
|---------|---------------|--------------|
| 规范定义 | TS 33.401 Section 7.2 | TS 33.501 Section 6.6 |
| 根密钥 | KeNB（从KASME推演） | KgNB（从KAMF推演） |
| RRC加密密钥 | KRRCenc | KRRCenc（同名但推演参数不同） |
| RRC完整性密钥 | KRRCint | KRRCint |
| UP完整性保护 | 不支持 | 支持（KUPint） |
| UP加密密钥 | KUPenc | KUPenc |
| 空完整性保护 | 允许（EIA0） | **禁止**用于AS |
| 算法数量 | EEA0/1/2/3, EIA0/1/2/3 | NEA0/1/2/3, NIA0/1/2/3 |
| UP安全策略 | 无（核心网不控制） | AMF通过N2传递策略 |
| 最大完整性保护速率 | 不适用 | 有速率限制参数 |

**5G相对4G的关键安全增强**：
1. **禁止空完整性保护**：4G允许EIA0用于RRC完整性保护，5G严格禁止NIA0用于AS层完整性
2. **用户面完整性保护**：5G新增了UP完整性保护能力，防止用户面数据被篡改
3. **UP安全策略**：核心网可以通过策略控制UP安全激活，4G中UP安全完全由eNB本地决定

## 常见问题

**Q1: NAS SMC和AS SMC中的算法可以不同吗？**
A: 可以且通常是不同的。NAS SMC中AMF选择NAS层算法（KNASenc/KNASint），AS SMC中gNB选择AS层算法（KRRCenc/KRRCint）。两者独立选择，但都从KAMF→KgNB这一条密钥链路衍生。实际网络中，NAS和AS通常都选择NEA2/NIA2（AES），但这并非强制要求。

**Q2: 为什么SecurityModeCommand只做完整性保护不做加密？**
A: 这是一个"鸡和蛋"的问题。SecurityModeCommand中携带了加密算法标识，UE需要先读取这个消息才能知道用什么算法来加密。如果这条消息本身被加密，UE就不知道用什么算法解密它。因此设计为先激活完整性保护（用KRRCint保护），UE确认算法后再激活加密。完整性保护本身已经能防止消息被篡改。

**Q3: 切换场景下AS安全如何处理？**
A: 切换时AS安全分为Xn切换和N2切换两种情况。Xn切换中，源gNB直接将KgNB（或NH推演的新密钥）传递给目标gNB，目标gNB重新推演AS密钥，但**不会**重新执行AS SMC过程——安全上下文通过RRCReconfiguration中的handoverType字段隐式更新。N2切换中，AMF参与密钥分发，目标gNB从AMF获得新的SecurityKey。

**Q4: UP完整性保护为什么有速率限制？**
A: 完整性保护算法（如AES-CMAC）对每个PDCP SDU都需要计算一个消息认证码（MAC-I），计算开销较大。对于高速数据业务（如1Gbps下载），逐包完整性保护可能成为性能瓶颈。因此TS 33.501引入了maximumIntegrityProtectedDataRate参数，允许运营商配置速率上限，超过上限的数据包可以跳过完整性保护。

**Q5: 256-bit算法何时引入5G？**
A: TS 33.501 Release 18（R18）已开始讨论256-bit安全算法的引入框架，但截至R19，标准中仍以128-bit算法为主。256-bit算法的标准化涉及KDF扩展、算法标识扩展（需要新的算法ID）、以及USIM卡硬件升级等多个方面，预计在6G标准（Release 20+）中才会正式强制要求。

## 参考来源

1. [3GPP TS 33.501 V19.x.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/33501.htm) — Section 6.4（AS密钥推演）、Section 6.6（AS安全激活流程）、Annex A.7/A.9（KDF定义）
2. [3GPP TS 38.331 V19.x.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/38331.htm) — Section 5.3.4（SMC RRC过程定义）、Section 6.2.2（消息ASN.1结构）
3. [3GPP TS 24.501 V19.x.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/24501.htm) — NAS SMC消息编码与UESecurityCapability IE定义
4. [3glteinfo - 5G NR SecurityModeCommand](https://www.3glteinfo.com/messages/5g/rrc/5g-rrc-security-mode-command/) — RRC消息结构详解
5. [TelecomTrainer - Understanding 5G NR AS Security](https://www.telecomtrainer.com/understanding-5g-nr-as-security-procedure-step-by-step-guide-to-key-derivation-and-integrity-protection/) — AS安全密钥推演步骤指南

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> 本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵**爱卫生**（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。
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