GSM手機端到端安全加密通信系統

　1 概述

　　1.1 研究背景

　　GSM是基于TDMA方式的蜂窩移動通信標準，可提供語音、數據、短消息及WAP上網等業務，是移動通信的主流網絡，也是國民經濟各行各業重要的通信手段。大量涉及商業以及個人的敏感信息通過GSM手機傳遞，必然要求GSM網絡有更好的安全性。

　　較之深受竊聽和盜用危害的第一代模擬移動通信系統，GSM的安全保密性能有了較大的提高，但其安全功能是不完整和不徹底的，其中隱患之一便是GSM僅支持空中接口加密[1]。

圖1.1 現有GSM網絡僅支持空中接口加密

　圖1.2 端到端安全加密通信

　　如圖1.1所示，移動臺和基站收發臺之間的無線鏈路信息以密文方式傳輸，而GSM網絡內部有線鏈路信息以明文方式傳輸，現有的GSM網絡不能提供端到端的安全加密通信，不法分子可以從某種途徑竊聽和盜取數據。本作品目標便是解決GSM的這一缺陷，如圖1.2所示，真正實現端到端安全加密通信。

1.2 國內外研究動態

　　國內外市場上有一些實現手機端到端安全加密通信的產品與解決方案。對這些產品進行技術分析后可以發現，其技術路線是基于GSM數據通道，利用傳統加密算法實現端到端安全加密通信的。例如GSMK Cryptophone 200型號的手機，基于GSM數據信道傳輸，采用AES算法加密和SHA256哈希函數，密鑰交換采用 Diffie-Hellman協議。

　　從傳輸用戶信息的角度來看，GSM系統提供了三種方式，即話音方式、短消息方式和數據方式。其中數據傳輸方式提供的靈活性最大，適合于傳輸加密話音。只要話音編碼速率足夠低，GSM網絡能夠保證足夠的QoS來保證語音的端到端傳輸，模擬話音信號編碼生成的數字話音信號加密后就可以通過GSM數據信道傳輸，實現移動臺與移動臺、移動臺與有線用戶間的話音端到端加密功能。

　　但是使用數據通道也有如下的缺點：

　　(1)由于建立連接和運用自動重傳機制造成的延時過大問題;

　　(2)GSM數據通道在通過國際網絡上存在互用性的問題;

　　(3)數據通道的兩端不能使用現有的移動網絡的業務，需要申請額外的業務類型。

　　可見，數據信道的算法雖然是目前比較成熟的，但是其致命的弱點是不可避免的延時和網絡互用性問題，使其不是用來進行實時語音通話的最佳選擇。

　　綜上所述，為了提供實時語言安全傳輸，需要借助數據通道以外的途徑進行安全設計。

　　1.3 設計動機與預期功能

　　通過分析可知，GSM網絡的承載通道除了前述不受限的數據通道，還有13k bit/s的編碼語音通道。能否基于GSM的語音通道，最終實現GSM網絡的端到端安全加密通信，本文對這個問題進行了深入的探索與研究。

　　語音通道方式是GSM 系統標準的語音傳送方式，所有對語音信號編解碼的規范都是標準的，在網絡中傳輸時按照GSM 協議的規定對原始話音進行處理。為了降低數字信號的比特率，需要在保持重建語音質量的前提下對語音進行編解碼。語音編解碼技術對通過語音信道加密的方案有很大的影響。GSM中采用的規則脈沖激勵―長時預測(RPE-LTP)編碼器是一種基于語音冗余壓縮技術的參量編碼器。在參量編碼器中，語音信號是用一組模型的特征參量來表示，它是由原始語音信號通過計算得到的。

　　因此，如果在聲碼器編碼之前用傳統算法加密的話，話音加密后成為白噪聲，此時基于話音冗余壓縮技術的聲碼器失效，從而還原不出原始語音信號;而如果直接在手機聲碼器編碼后加密的話，由于在基站需要先解密然后才能解碼，所以需要改造基站設備。

　　由此推導出本作品的設計原則：

　　1、使用語音信道：由于數據信道的缺點，排除數據通道而選用語音信道。

　　2、無法使用信道加密：上述的分析說明不能進行信道加密。

　　3、只能利用網絡現有的信道傳輸能力傳輸加密后的信息。

　　因此，本作品確定采用信源加密的技術方案。該方案在語音信號進入聲碼器之前，采用一種針對聲碼器原理不破壞語音信號的語音特性的加密方法，從而可以在接收端恢復出原來的語音信號。本方案不需要改造基站設備，因此對通訊網絡而言是透明的，只需要改造終端設備即可，以較小的代價換得高強度的安全。