數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)安全技術的探討與分析

由于空中接口的開放性，移動通信尤其是數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中的安全性能一直是用戶所關注的焦點。本文探討和分析了當前第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中的兩大有代表性的安全技術及其性能。其次，分析了如何在移動通信網(wǎng)中利用入侵檢測系統(tǒng)來檢測非法用戶和不誠實的合法用戶對

關鍵詞：數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，安全技術，鑒權(認證)與密鑰分配，加密，入侵檢測系統(tǒng)，2G/3G


1 序言

　　在移動通信中，若沒有足夠的安全措施，用戶和服務網(wǎng)絡就會面臨諸如搭線竊聽、冒充用戶或網(wǎng)絡、篡改信息、泄露機密信息、拒絕服務等安全威脅。從具體表現(xiàn)形式來看，攻擊者可以利用網(wǎng)絡協(xié)議和系統(tǒng)的弱點進行拒絕服務、位置跟蹤，并在空中接口截獲信令和用戶數(shù)據(jù)、劫持呼叫或連接以及對一些敏感數(shù)據(jù)進行篡改、刪除、重放等攻擊行為。從而使用戶不能進行正常的通信且對用戶和服務網(wǎng)絡都會造成嚴重的損失[1]。因此，安全通信在移動通信系統(tǒng)尤其是在數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(以下簡稱為DCMCS)中一直是用戶所關心的焦點。

　　加密技術是實現(xiàn)安全通信的核心，鑒權(認證)與密鑰分配是實現(xiàn)安全通信的重要保障。入侵檢測是一項重要的安全監(jiān)控技術。本文就DCMCS安全體制中的這三大安全技術進行祥細地探討與分析。

2 2G DCMCS中的安全技術

　　 2G DCMCS的安全技術主要以鑒權與密鑰分配(AKA)和無線鏈路數(shù)據(jù)加密為主。當前正在廣泛運行的2G DCMCS 主要以GSM系統(tǒng)和北美DCMCS (DAMPS與N-CDMA等)為主。本節(jié)就這兩大系統(tǒng)的AKA及加密技術進行探討與分析。

2.1 2G DCMCS AKA中的鑒權場合

　　 2G DCMCS中一般均支持以下場合的鑒權：①MS主叫(不含緊急呼叫)；②MS被叫；③MS位置登記；④進行增值業(yè)務操作；⑤切換。除此之外，北美DCMCS在更新SSD(共享秘密數(shù)據(jù))時還需特殊的鑒權以保證其安全性。GSM系統(tǒng)則是在CKSN(加密密鑰序號)校驗未通過時而追加鑒權以保證加密的安全實施。CKSN校驗本身也可看作為鑒權的一種替代，即把AKA→加密過程簡化為CKSN校驗→加密的過程，從而避免每次加密都要重新鑒權。

2.2 2G DCMCS AKA算法和參數(shù)

2.2.1 GSM系統(tǒng)AKA算法和參數(shù)

　　 GSM系統(tǒng)中的AKA算法稱為A3+A8算法，它和數(shù)據(jù)加密的A5算法一起均由GSM的MOU組織進行統(tǒng)一管理，GSM運營商與SIM 卡制作廠商都需與MOU簽署相應的保密協(xié)定后方可獲得具體算法。

　 每一用戶的SIM卡中都保存著唯一的IMSI－Ki對，同時還將該IMSI－Ki對(經(jīng)A2算法加密處理)保存在AuC中。A3算法的輸入?yún)?shù)有兩個，一個是用戶的鑒權鑰Ki，另一個是由AuC產生的RAND(128bits)，運算結果是一個鑒權響應值SRES(32bits)。MS和AuC采用同樣的參數(shù)和算法應得到相同的SRES，網(wǎng)絡據(jù)此來驗證用戶的身份。網(wǎng)絡側A3算法的運行實體既可以是MSC/VLR也可以是HLR/AuC。

2.2.2 北美DCMCS AKA算法和參數(shù)

　　北美DCMCS的鑒權算法、話音和信令加密算法統(tǒng)稱為CAVE(蜂窩鑒權與話音加密)算法，CAVE由美國政府有關法規(guī)(即ITAR和出口管理條例)控制，只向使用者提供標準的算法接口。CAVE中與AKA有關的算法共有兩種，即鑒權簽名算法和SSD生成算法。與GSM A3算法的一個重要區(qū)別是：在不同的鑒權場合和鑒權方式下，CAVE算法輸入?yún)?shù)的組成是不同的，而且不同場合輸出的結果值在鑒權信令規(guī)程中的作用也是不同的，MS及網(wǎng)絡實體必須按照要求提供或使用這些參數(shù)及結果。

2.3 2G DCMCS AKA規(guī)程及機制

　　鑒權規(guī)程定義了MS和各網(wǎng)絡實體相互之間為了實施和完成鑒權而進行的一系列交互過程。GSM系統(tǒng)和北美DCMCS就每種鑒權場合下鑒權的具體實施有著重大差別。這里主要介紹兩大系統(tǒng)在鑒權規(guī)程上的主要特點和處理機制。

2.3.1 GSM系統(tǒng)的鑒權規(guī)程

　　GSM采用請求－響應方式進行鑒權。相對于北美DCMCS而言其鑒權規(guī)程要簡單得多。在需要鑒權時， MSC/VLR向MS發(fā)出鑒權命令(含RAND)，MS用此RAND和自身的Ki算出SRESMS，通過鑒權響應消息將SRESMS傳回MSC/VLR，若SRESMS=SRESAuC就認為是合法用戶，鑒權成功。否則鑒權不成功，網(wǎng)絡可以拒絕用戶的業(yè)務要求。圖1的上半部分為GSM的AKA結構圖。另外，GSM系統(tǒng)為提高呼叫接續(xù)速度AuC可預先為本網(wǎng)內的每個用戶提供若干個鑒權參數(shù)組(RAND, SRES, Kc)，并在MS位置登記時由HLR在響應消息中順便傳給VLR保存待用。這樣鑒權程序的執(zhí)行時間將不占用用戶實時業(yè)務的處理時間從而提高呼叫接續(xù)速度。

2.3.2 北美DCMCS的鑒權規(guī)程

　　北美DCMCS的鑒權根據(jù)場合不同采取的方式不盡相同，參與鑒權運算的參數(shù)和鑒權涉及的信令過程也會有所區(qū)別。

2.3.2.1 標準鑒權方式

　這是MS主動進行的一種鑒權方式，以下三種場合將采用標準鑒權：①MS主叫；②MS被叫；③MS位置登記。在這種鑒權方式下，小區(qū)內的所有MS都共用本小區(qū)前向信道/尋呼信道上廣播的RAND，然后MS在進行系統(tǒng)接入時通過其初始接入消息提供算出的響應值AUTHR和所對應的RANDC，并且MS還可根據(jù)情況對內部保存的COUNT計數(shù)值增1，結果值同樣放在初始接入消息中送給網(wǎng)絡方。初始接入消息可以是位置登記，呼叫始發(fā)等，因而這種形式的鑒權在A接口上無顯式的規(guī)程，其消息過程隱含在相應的初始接入消息中。

　 在標準鑒權中網(wǎng)絡方需要執(zhí)行三項校驗：RANDC、AUTHR和COUNT。只有這三項校驗均通過才允許MS接入。①RANDC檢驗：是為了驗證MS鑒權所用的隨機數(shù)是否為本交換機所產生的；②AUTHR校驗：它類似于GSM中SRES校驗；③COUNT校驗(克隆檢測)：它是識別網(wǎng)絡中是否有克隆MS存在的一種有效手段，假如一部MS被克隆，那么只要合法MS和克隆MS都在網(wǎng)上使用，兩機所提供的COUNT值肯定會有不同，由于網(wǎng)絡記錄的COUNT值是兩機呼叫事件發(fā)生次數(shù)總和，因此兩機中的任意一部在某次進行系統(tǒng)接入嘗試時必定會出現(xiàn)該機的COUNT值與網(wǎng)絡方保存的COUNT值不同的情形，網(wǎng)絡即可據(jù)此認定有克隆MS存在。此時網(wǎng)絡方除了拒絕接入外還可采取諸如對MS進行跟蹤等措施。

2.3.2.2 獨特征詢的鑒權方式

　這是由MSC向MS發(fā)起的一種顯式鑒權方式，其消息過程與始呼、尋呼響應或登記等消息過程是互相獨立的，MSC可指示基站在控制信道上向某MS發(fā)出一個特定的RANDU進行鑒權。在以下場合將使用獨特征詢的鑒權方式：①切換；②在話音信道上鑒權；③標準鑒權失敗后可能進行的再次鑒權；④MS請求增值業(yè)務有關的操作。⑤SSD更新時。MSC可在任何時候發(fā)起獨特征詢規(guī)程，最典型的情況是在呼叫建立或登記的開始階段實施這個規(guī)程，當然在發(fā)生切換或標準鑒權失敗后也可追加這種專門的獨特征詢鑒權過程。MS用RANDU計算得到AUTHU，并通過專門的鑒權響應消息發(fā)給MSC/VLR。

2.3.2.3 SSD更新的鑒權方式

　它是一種最高級別的安全性措施，主要應用于情形：①定時的SSD更新；②標準鑒權失敗后可能要進行的SSD更新；③其它管理方面的需要。由于SSD是前兩種鑒權方式下參與運算的重要參數(shù)，因此SSD數(shù)據(jù)需要經(jīng)常更新且SSD更新的發(fā)起和更新結果的確認只能由AuC完成，不能在MSC/VLR中進行，在更新過程中SSD, MIN, ESN號碼都不能在空中傳遞，所以在SSD更新過程中一定同時伴隨基站征詢和獨特鑒權，通過基站征詢過程中的中間響應值AUTHBS來確認MS和網(wǎng)絡側的SSD已取得一致更新。

　　由此可知，北美DCMCS的鑒權機制相對于GSM系統(tǒng)要復雜得多，這主要是由它的安全保密體制及其算法本身決定的。