5G-AKA与EAP-AKA'双轨认证机制拆解：从SUCI加密到密钥层级全链推演

graph TD
    UE["UE<br/>(EAP Peer)"] -->|"EAP-Request/Response<br/>经NAS透传"| SEAF["SEAF/AMF<br/>(Pass-through<br/>Authenticator)"]
    SEAF -->|"Nausf_UEAuthentication<br/>SBI服务"| AUSF["AUSF<br/>(Backend<br/>Authentication Server)"]
    AUSF -->|"Nudm_UEAuthentication_Get"| UDM["UDM/ARPF<br/>(凭证仓库)"]

    style UE fill:#4CAF50,color:white
    style SEAF fill:#2196F3,color:white
    style AUSF fill:#FF9800,color:white
    style UDM fill:#9C27B0,color:white

sequenceDiagram
    participant UE
    participant SEAF as SEAF/AMF
    participant AUSF
    participant UDM as UDM/ARPF

    UE->>SEAF: Registration Request<br/>（含SUCI或5G-GUTI）
    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request<br/>（SUCI/SUPI + serving network name）
    AUSF->>AUSF: 验证SEAF是否有权使用<br/>该serving network name
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get Request<br/>（SUCI/SUPI + SN-Name）
    UDM->>UDM: SIDF解密SUCI→SUPI<br/>（如收到SUCI）
    UDM->>UDM: ARPF选择认证方法<br/>（5G-AKA或EAP-AKA'）
    UDM-->>AUSF: Nudm_UEAuthentication_Get Response<br/>（认证向量+方法指示）

Serving Network Name = "5G:" + SN Id

sequenceDiagram
    participant UE as UE (USIM+ME)
    participant SEAF as SEAF/AMF
    participant AUSF as AUSF
    participant UDM as UDM/ARPF

    rect rgb(240,248,255)
    Note over UE,UDM: 阶段一：认证向量生成
    SEAF->>AUSF: ① Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request<br/>SUCI/SUPI, SN-Name
    AUSF->>UDM: ② Nudm_UEAuthentication_Get Request<br/>SUCI/SUPI, SN-Name
    UDM->>UDM: ③ SIDF解密SUCI→SUPI<br/>生成AV(RAND,AUTN,CK,IK,XRES)<br/>AMF separation bit=1<br/>推导K_AUSF(Annex A.2)<br/>计算XRES*(Annex A.4)<br/>构造5G HE AV
    UDM-->>AUSF: ④ Nudm_UEAuthentication_Get Response<br/>5G HE AV(RAND,AUTN,XRES*,K_AUSF)<br/>+ SUPI + 方法指示=5G AKA
    end

    rect rgb(255,248,240)
    Note over UE,AUSF: 阶段二：服务网络认证向量处理
    AUSF->>AUSF: ⑤ 存储XRES*+SUCI/SUPI<br/>计算HXRES*(Annex A.5)<br/>计算K_SEAF(Annex A.6)<br/>构造5G SE AV
    AUSF-->>SEAF: ⑥ Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response<br/>5G SE AV(RAND,AUTN,HXRES*)
    end

    rect rgb(240,255,240)
    Note over UE,SEAF: 阶段三：UE质询-应答
    SEAF->>UE: ⑦ NAS Authentication Request<br/>RAND, AUTN, ngKSI, ABBA
    UE->>UE: ⑧ USIM验证AUTN→计算RES<br/>ME计算RES*(Annex A.4)<br/>计算K_AUSF(A.2)→K_SEAF(A.6)
    UE-->>SEAF: ⑨ NAS Authentication Response<br/>RES*
    SEAF->>SEAF: ⑩ 计算HRES*(Annex A.5)<br/>比较HRES* vs HXRES*
    end

    rect rgb(255,240,255)
    Note over SEAF,AUSF: 阶段四：归属网络确认
    SEAF->>AUSF: ⑪ Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request<br/>RES*
    AUSF->>AUSF: ⑫ 比较RES* vs XRES*<br/>通知UDM认证结果
    AUSF-->>SEAF: ⑬ Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response<br/>认证成功/失败 + K_SEAF + SUPI
    SEAF->>SEAF: ⑭ 推导K_AMF(Annex A.7)<br/>提供ngKSI+K_AMF给AMF
    end

flowchart TD
    A["SEAF收到RES*"] --> B["计算HRES*<br/>SHA-256(RAND||RES*)"]
    B --> C{"HRES* == HXRES*?"}
    C -->|是| D["服务网络认证通过<br/>（第一层验证）"]
    C -->|否| E["服务网络认证失败<br/>可能为伪造UE"]
    D --> F["发送RES*给AUSF"]
    F --> G{"AUSF: RES* == XRES*?"}
    G -->|是| H["归属网络认证通过<br/>（第二层验证）<br/>返回K_SEAF+SUPI"]
    G -->|否| I["归属网络认证失败<br/>通知SEAF"]

    style D fill:#4CAF50,color:white
    style H fill:#2196F3,color:white
    style E fill:#f44336,color:white
    style I fill:#f44336,color:white

sequenceDiagram
    participant UE as UE (USIM+ME)
    participant SEAF as SEAF/AMF
    participant AUSF as AUSF
    participant UDM as UDM/ARPF

    rect rgb(240,248,255)
    Note over UE,UDM: 认证向量生成
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get Request<br/>SUCI/SUPI, SN-Name
    UDM->>UDM: 生成AV(RAND,AUTN,CK,IK,XRES)<br/>计算CK',IK'(Annex A.3)<br/>构造转换后AV'
    UDM-->>AUSF: AV'(RAND,AUTN,XRES,CK',IK')<br/>+ 方法指示=EAP-AKA'
    end

    rect rgb(255,248,240)
    Note over UE,AUSF: EAP质询-应答
    AUSF-->>SEAF: EAP-Request/AKA'-Challenge<br/>（封装在Nausf Response中）
    SEAF->>UE: NAS Authentication Request<br/>EAP-Request/AKA'-Challenge<br/>+ ngKSI, ABBA
    UE->>UE: USIM验证AUTN→RES,CK,IK<br/>ME推导CK',IK'(Annex A.3)
    UE-->>SEAF: NAS Authentication Response<br/>EAP-Response/AKA'-Challenge
    SEAF->>AUSF: Nausf Request<br/>（透传EAP-Response/AKA'-Challenge）
    AUSF->>AUSF: 比较XRES vs RES
    end

    rect rgb(240,255,240)
    Note over UE,AUSF: 密钥推演与确认
    AUSF->>AUSF: 从CK',IK'推导EMSK<br/>取EMSK最高256位=K_AUSF<br/>推导K_SEAF(Annex A.6)
    AUSF-->>SEAF: EAP-Success<br/>（含K_SEAF, SUPI）
    SEAF->>UE: NAS消息<br/>EAP-Success + ngKSI + ABBA
    UE->>UE: 推导EMSK→K_AUSF→K_SEAF→K_AMF
    end

flowchart TD
    K["K<br/>（长期密钥, 128/256bit<br/>存储于USIM和ARPF）"]

    K -->|"5G-AKA"| CK_IK["CK, IK<br/>（USIM生成）"]
    K -->|"EAP-AKA'"| CK_IK2["CK, IK<br/>（USIM生成）"]

    CK_IK --> KAUSF_5G["K_AUSF<br/>FC=0x6A<br/>KEY=CK||IK<br/>P0=SN-Name, P1=SQN⊕AK"]
    CK_IK2 --> CKP_IKP["CK', IK'<br/>FC=via TS 33.402 A.2<br/>KEY=CK||IK<br/>P0=SN-Name"]
    CKP_IKP --> EMSK["EMSK (512bit)<br/>RFC 5448 / Annex F"]
    EMSK --> KAUSF_EAP["K_AUSF<br/>EMSK最高256位"]

    KAUSF_5G --> KSEAF["K_SEAF<br/>锚点密钥<br/>FC=0x6C<br/>KEY=K_AUSF<br/>P0=SN-Name"]
    KAUSF_EAP --> KSEAF

    KSEAF --> KAMF["K_AMF<br/>FC=0x6D<br/>KEY=K_SEAF<br/>P0=SUPI, P1=ABBA"]

    KAMF --> KNAS["NAS密钥"]
    KAMF --> KAS["AS/接入网密钥"]
    KAMF --> KN3IWF["非3GPP密钥<br/>K_N3IWF<br/>FC=0x6E"]

    KNAS --> KNASint["K_NASint<br/>FC=0x69<br/>NAS完整性"]
    KNAS --> KNASenc["K_NASenc<br/>FC=0x69<br/>NAS加密"]

    KAS --> KgNB["K_gNB<br/>FC=0x6E<br/>KEY=K_AMF<br/>P0=UL NAS COUNT"]
    KgNB --> KRRCint["K_RRCint<br/>FC=0x69"]
    KgNB --> KRRCenc["K_RRCenc<br/>FC=0x69"]
    KgNB --> KUPenc["K_UPenc<br/>FC=0x69"]
    KgNB --> KUPint["K_UPint<br/>FC=0x69"]
    KAMF --> NH["NH<br/>FC=0x6F<br/>前向安全链"]

    style K fill:#f44336,color:white
    style KSEAF fill:#FF9800,color:white
    style KAMF fill:#2196F3,color:white
    style KgNB fill:#4CAF50,color:white

KDF(KEY, S) = HMAC-SHA-256(KEY, S)
其中 S = FC || P0 || L0 || P1 || L1 || ... || Pn || Ln

SUCI = <SUPI Type> || <MCC> || <MNC> || <Routing Indicator> || <Protection Scheme ID> || <Home Network PK ID> || <Scheme Output>

flowchart TD
    A["SUPI中的MSIN<br/>（明文）"] --> B["生成ECC临时<br/>公私钥对"]
    B --> C["ECDH协商<br/>UE临时私钥×HN公钥"]
    C --> D["KDF生成密钥材料<br/>EK + ICB + MK"]
    D --> E["AES-128-CTR加密<br/>MSIN→密文"]
    D --> F["HMAC-SHA-256<br/>计算MAC tag"]
    E --> G["Scheme Output =<br/>临时公钥+密文+MAC"]
    F --> G

    style G fill:#4CAF50,color:white

stateDiagram-v2
    [*] --> AuthPending: 收到RAND/AUTN
    AuthPending --> VerifyAUTN: USIM验证AUTN

    VerifyAUTN --> AuthSuccess: AUTN验证通过
    VerifyAUTN --> MACFailure: MAC验证失败
    VerifyAUTN --> SyncFailure: SQN不同步

    MACFailure --> SendAuthReject: UE发送<br/>Authentication Failure<br/>CAUSE=MAC failure
    SyncFailure --> SendSyncFail: UE发送<br/>Authentication Failure<br/>CAUSE=Sync failure<br/>+AUTS参数

    SendSyncFail --> ARPFReSync: ARPF验证AUTS<br/>重新生成AV
    ARPFReSync --> AuthPending: 新RAND/AUTN

    SendAuthReject --> [*]: 网络决定<br/>重试或拒绝
    AuthSuccess --> [*]