數字蜂窩移動通信系統安全技術的探討與分析

由于空中接口的開放性，移動通信尤其是數字蜂窩移動通信系統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字蜂窩移動通信系統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中利用入侵檢測系統來檢測非法用戶和不誠實的合法用戶對

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


1 序言

　　在移動通信中，若沒有足夠的安全措施，用戶和服務網絡就會面臨諸如搭線竊聽、冒充用戶或網絡、篡改信息、泄露機密信息、拒絕服務等安全威脅。從具體表現形式來看，攻擊者可以利用網絡協議和系統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據、劫持呼叫或連接以及對一些敏感數據進行篡改、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絡都會造成嚴重的損失[1]。因此，安全通信在移動通信系統尤其是在數字蜂窩移動通信系統(以下簡稱為DCMCS)中一直是用戶所關心的焦點。

　　加密技術是實現安全通信的核心，鑒權(認證)與密鑰分配是實現安全通信的重要保障。入侵檢測是一項重要的安全監控技術。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)和無線鏈路數據加密為主。當前正在廣泛運行的2G DCMCS 主要以GSM系統和北美DCMCS (DAMPS與N-CDMA等)為主。本節就這兩大系統的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進行增值業務操作；⑤切換。除此之外，北美DCMCS在更新SSD(共享秘密數據)時還需特殊的鑒權以保證其安全性。GSM系統則是在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

2.2.1 GSM系統AKA算法和參數

　　 GSM系統中的AKA算法稱為A3+A8算法，它和數據加密的A5算法一起均由GSM的MOU組織進行統一管理，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A2算法加密處理)保存在AuC中。A3算法的輸入參數有兩個，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采用同樣的參數和算法應得到相同的SRES，網絡據此來驗證用戶的身份。網絡側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

　　北美DCMCS的鑒權算法、話音和信令加密算法統稱為CAVE(蜂窩鑒權與話音加密)算法，CAVE由美國政府有關法規(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算法的一個重要區別是：在不同的鑒權場合和鑒權方式下，CAVE算法輸入參數的組成是不同的，而且不同場合輸出的結果值在鑒權信令規程中的作用也是不同的，MS及網絡實體必須按照要求提供或使用這些參數及結果。

2.3 2G DCMCS AKA規程及機制

　　鑒權規程定義了MS和各網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在鑒權規程上的主要特點和處理機制。

2.3.1 GSM系統的鑒權規程

　　GSM采用請求－響應方式進行鑒權。相對于北美DCMCS而言其鑒權規程要簡單得多。在需要鑒權時， MSC/VLR向MS發出鑒權命令(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，網絡可以拒絕用戶的業務要求。圖1的上半部分為GSM的AKA結構圖。另外，GSM系統為提高呼叫接續速度AuC可預先為本網內的每個用戶提供若干個鑒權參數組(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。這樣鑒權程序的執行時間將不占用用戶實時業務的處理時間從而提高呼叫接續速度。

2.3.2 北美DCMCS的鑒權規程

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

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，小區內的所有MS都共用本小區前向信道/尋呼信道上廣播的RAND，然后MS在進行系統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還可根據情況對內部保存的COUNT計數值增1，結果值同樣放在初始接入消息中送給網絡方。初始接入消息可以是位置登記，呼叫始發等，因而這種形式的鑒權在A接口上無顯式的規程，其消息過程隱含在相應的初始接入消息中。

　 在標準鑒權中網絡方需要執行三項校驗：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都在網上使用，兩機所提供的COUNT值肯定會有不同，由于網絡記錄的COUNT值是兩機呼叫事件發生次數總和，因此兩機中的任意一部在某次進行系統接入嘗試時必定會出現該機的COUNT值與網絡方保存的COUNT值不同的情形，網絡即可據此認定有克隆MS存在。此時網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請求增值業務有關的操作。⑤SSD更新時。MSC可在任何時候發起獨特征詢規程，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程，當然在發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，因此SSD數據需要經常更新且SSD更新的發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。