??? 摘 要： 移動(dòng)通信使用無(wú)線信道，由于網(wǎng)絡(luò)的開放性和無(wú)線傳輸?shù)奶匦裕嬖诙喾N安全隱患。認(rèn)證機(jī)制" title="認(rèn)證機(jī)制">認(rèn)證機(jī)制是防止網(wǎng)絡(luò)欺騙的重要手段。列舉了CDMA技術(shù)體制的各種認(rèn)證方法，并詳細(xì)分析了cdma2000 1x系統(tǒng)實(shí)體認(rèn)證機(jī)制的原理和過(guò)程。
??? 關(guān)鍵詞： cdma2000 1x? 移動(dòng)通信安全? 實(shí)體認(rèn)證
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??? 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，通信中的安全問(wèn)題正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。它關(guān)系到用戶、制造商和運(yùn)營(yíng)商的切身利益。人們?cè)谑褂靡苿?dòng)通信得到便利的同時(shí)，也對(duì)通信中的信息安全提出了更高的要求。
??? 由于空中接口的開放性，為確保用戶訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源的合法性和安全性以及服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性，各種移動(dòng)通信系統(tǒng)" title="移動(dòng)通信系統(tǒng)">移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍采用了相應(yīng)的安全機(jī)制" title="安全機(jī)制">安全機(jī)制，這些安全機(jī)制主要分為認(rèn)證和加密。其中認(rèn)證機(jī)制又包括實(shí)體認(rèn)證和消息認(rèn)證。前者是移動(dòng)臺(tái)MS（Mobile Station）和基站BS（Base Station）之間為了驗(yàn)證MS或BS的身份真實(shí)性而進(jìn)行的信息交換過(guò)程，而后者則適用于接收方驗(yàn)證通信內(nèi)容的真實(shí)性和完整性。本文重點(diǎn)研究基于IS-95的cdma2000 lx系統(tǒng)的實(shí)體認(rèn)證機(jī)制。
1 CDMA的安全機(jī)制
1.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu)
??? 移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)層次和五個(gè)安全域，如圖1所示。
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??? 四個(gè)層次分別為傳輸層、歸屬層/服務(wù)層、應(yīng)用層和系統(tǒng)安全管理配置層。五個(gè)安全域分別為：（I）網(wǎng)絡(luò)接入安全；（II）網(wǎng)絡(luò)域安全；（III）用戶域安全；（IV）應(yīng)用域安全；（V）安全特性的可視性及可配置能力。
1.2 CDMA的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制
??? CDMA無(wú)線鏈路采用偽隨機(jī)碼PN（Pseudo_random Noise code）對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，使得信號(hào)很難被攔截和竊聽，此外，還規(guī)定一系列接入安全機(jī)制，如圖2所示。由于終端處理能力和空中帶寬受限，兩地的CDMA安全基于私鑰技術(shù)，安全協(xié)議依賴于一個(gè)64bit的認(rèn)證密鑰(A_Key)和終端的電子序列號(hào)(ESN)。CDMA的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制提供以下安全特征：
??? (1)匿名性，為終端分配TMSI。
??? (2)基于查詢/應(yīng)答的單向認(rèn)證。
??? (3)語(yǔ)音/用戶數(shù)據(jù)/用戶信令保密。
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??? CDMA的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制采用四種安全算法：(1)蜂窩認(rèn)證和話音加密算法CAVE（Cellular Authentication and Voice Encryption），用于查詢/應(yīng)答(Cha11enge/Response)認(rèn)證協(xié)議和密鑰生成；(2)專用長(zhǎng)碼掩碼PLCM（Private Long Code Mask）算法，用于控制擴(kuò)頻序列，然后將擴(kuò)頻序列與語(yǔ)音數(shù)據(jù)異或?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音保密；(3)基于LSFR的流密碼的ORYX算法，用于無(wú)線用戶數(shù)據(jù)加密服務(wù)；(4)增強(qiáng)的分組加密算法E_CMEA（Enhanced Cellular Message Encryption Algorithm），它采用一個(gè)分組密碼，用于加密控制信道。
1.3 認(rèn)證
??? 通常，在以下場(chǎng)合均需要認(rèn)證：MS發(fā)起呼叫(不含緊急呼叫)、MS接收呼叫、MS位置登記、MS進(jìn)行補(bǔ)充業(yè)務(wù)操作、切換(包括在MSC_A內(nèi)從一個(gè)BS切換到另一個(gè)BS、從MSC-A切換到MSC_B以及在MSC_B內(nèi)又發(fā)生了內(nèi)部BS之間的切換等情形)。除此以外，由于認(rèn)證技術(shù)本身特點(diǎn)的影響，CDMA在更新共享秘密數(shù)據(jù)SSD（Shared Secret Data）時(shí)還需要特殊的認(rèn)證，以保證SSD的安全性。認(rèn)證過(guò)程幾乎涉及網(wǎng)絡(luò)中所有實(shí)體，包括MSC、拜訪位置寄存器VLR、歸屬位置寄存器HLR、鑒權(quán)中心AUC以及基站子系統(tǒng)BSS和MS。
??? 在目前的2G和2.5G CDMA系統(tǒng)接入網(wǎng)" title="接入網(wǎng)">接入網(wǎng)中，認(rèn)證過(guò)程只對(duì)接入CDMA系統(tǒng)的終端進(jìn)行認(rèn)證，而終端并不對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證。這種認(rèn)證過(guò)程能夠防止非法終端接入網(wǎng)絡(luò)及使用網(wǎng)絡(luò)資源,但無(wú)法防止偽基站的攻擊。
??? cdma2000實(shí)體認(rèn)證涉及到的內(nèi)容有根密鑰A_Key、SSD、SSD的更新以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端認(rèn)證過(guò)程等。
2 cdma2000 1x的接入安全機(jī)制
2.1 密鑰和相關(guān)參數(shù)管理
??? 無(wú)線接入涉及的安全參數(shù)主要有ESN、A_Key、SSD以及RAND和呼叫歷史參數(shù)COUNT。cdma2000 lx主要管理A_Key和SSD的分配和更新。其中，ESN長(zhǎng)32bit，是MS的唯一標(biāo)識(shí)，由廠家設(shè)定；A_Key是主密鑰，用于產(chǎn)生SSD；SSD則用于認(rèn)證和產(chǎn)生子密鑰；RAND是一個(gè)32bit的值，與SSD_A和其他參數(shù)結(jié)合起來(lái)用于對(duì)MS發(fā)起/終止呼叫和注冊(cè)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證；COUNT定義一個(gè)保存在基站中的模64的事件計(jì)數(shù)，當(dāng)MS接收到一個(gè)參數(shù)更新指令時(shí)將更新COUNT。
??? 在任何時(shí)候，每個(gè)MS總是擁有一個(gè)當(dāng)前的SSD值，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享一個(gè)32bit的隨機(jī)值RAND。RAND由服務(wù)網(wǎng)絡(luò)周期性地進(jìn)行更新。
??? A_Key長(zhǎng)64bit，存儲(chǔ)在MS的永久性安全標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器中，僅對(duì)MS和HLR/AC可知，且不在空中傳輸。A_Key不直接參與認(rèn)證和保密，只是用于產(chǎn)生子密鑰，而子密鑰則用來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音、信令及用戶數(shù)據(jù)的保密工作。因此，保證A_Key的安全至關(guān)重要。A_Key可以重新設(shè)置，終端和網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證中心AC的A_Key必須同步更新。其設(shè)置方法有以下幾種：
??? (1) 由制造商設(shè)置并分發(fā)給服務(wù)提供商" title="服務(wù)提供商">服務(wù)提供商。制造商必須產(chǎn)生和存儲(chǔ)密鑰，制造商和服務(wù)提供商需要建立安全的分發(fā)通道，因此對(duì)制造商和服務(wù)提供商而言，這種方法不太可行，但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)卻非常方便。
??? (2) 由服務(wù)提供商產(chǎn)生，在銷售點(diǎn)由機(jī)器分配或由用戶手動(dòng)設(shè)置。這種方法的前提是信任經(jīng)銷商，如果是機(jī)器分配，則要求所有終端具有標(biāo)準(zhǔn)接口；如果是手動(dòng)設(shè)置，則對(duì)用戶來(lái)說(shuō)并不方便，而且密鑰分配和管理機(jī)制也很復(fù)雜。
??? (3) 通過(guò)空中服務(wù)提供功能OTASP(Over The Air Service Provisioning)在用戶和服務(wù)提供商之間實(shí)現(xiàn)密鑰的產(chǎn)生和分配。終端的A_Key通過(guò)OTASP更新，可以切斷克隆終端的服務(wù)或?yàn)楹戏ㄓ脩籼峁┬路?wù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是一種受歡迎的A_Key分發(fā)機(jī)制，也是目前3GPP2建議采用的方法。同時(shí)，3GPP2還建議用基于Diffie_Hellman的密鑰交換協(xié)議協(xié)商A_Key。
??? SSD長(zhǎng)128bit，存儲(chǔ)在MS中，分為兩個(gè)64bit的子集：SSD_A和SSD_B。SSD_A用于支持認(rèn)證過(guò)程；SSD_B用于支持話音、信令和數(shù)據(jù)加密。
??? 新的SSD由CAVE生成，SSD更新成功后，通常BS會(huì)發(fā)起一個(gè)獨(dú)特查詢/響應(yīng)子過(guò)程(為了完成雙向認(rèn)證)。CAVE算法用于SSD更新過(guò)程，如圖3所示。該過(guò)程包含了MS對(duì)BS的認(rèn)證，圖中的MIN是IMSI的后10位數(shù)字。
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??? 在第一次CAVE算法中，以A_Key、ESN及從網(wǎng)絡(luò)收到的隨機(jī)數(shù)作為CAVE算法的輸入?yún)?shù)，計(jì)算出新的SSD。在第二次CAVE算法中使用新生成的SSD、UIM卡選擇的隨機(jī)數(shù)RANDBS及IMSI作為CAVE算法的輸人參數(shù)，計(jì)算并輸出一個(gè)用于驗(yàn)證的結(jié)果值。
2.2 認(rèn)證過(guò)程
??? 認(rèn)證的目的主要是為了確定MS和網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性，在MS和BS之間進(jìn)行鑒權(quán)驗(yàn)證。認(rèn)證實(shí)質(zhì)是驗(yàn)證MS和BS之間是否共享了相同的SSD，如果確認(rèn)其共享了相同的SSD，則認(rèn)為對(duì)MS進(jìn)行了成功的驗(yàn)證；否則，認(rèn)證失敗。認(rèn)證方式包括MS主動(dòng)通過(guò)BS向接入網(wǎng)注冊(cè)及BS主動(dòng)對(duì)MS認(rèn)證。兩種方式的思想完全相同，不同的是發(fā)起認(rèn)證的流程。
??? 圖4是接入網(wǎng)對(duì)MS發(fā)起的認(rèn)證概要流程圖，其過(guò)程如下：
??? (1)MSC首先向BS發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求(Authentication Request)，然后啟動(dòng)定時(shí)器T3260。
??? (2)BS將攜帶一個(gè)要發(fā)給MS的隨機(jī)數(shù)RANDU(Random Variable Unique Challenge)的認(rèn)證請(qǐng)求消息(Authentication Challenge Message)通過(guò)空中接口發(fā)給MS。
??? (3)MS根據(jù)SSD和特定的RANDU通過(guò)認(rèn)證算法CAVE計(jì)算出認(rèn)證摘要碼(AUTHU)，并返回?cái)y帶認(rèn)證摘要碼的認(rèn)證查詢響應(yīng)消息(Authentication Challenge Response Message)給BS。
??? (4)向MSC發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息(Authentication Response Message)，MSC在接收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，停止定時(shí)器T3260。
cdma2000中的認(rèn)證功能包括構(gòu)成新的算法進(jìn)行用戶認(rèn)證、認(rèn)證密鑰管理、數(shù)據(jù)加密密鑰產(chǎn)生等。CAVE算法有三個(gè)基本部分：一個(gè)32位的線性移位寄存器、16個(gè)8位混合寄存器以及一個(gè)置換表。上述A_Key、SSD 的產(chǎn)生過(guò)程中都調(diào)用了CAVE算法，并且針對(duì)具體的應(yīng)用有相應(yīng)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。
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??? cdma2000 lx提供網(wǎng)絡(luò)對(duì)MS的單向認(rèn)證。根據(jù)AC／HLR和VLR之間是否共享SSD，可分為SSD共享和非SSD共享兩種情況認(rèn)證。在共享SSD時(shí)，CAVE算法在VLR中完成；而在非SSD共享時(shí)，CAVE算法則在AC／HLR中完成。規(guī)范中定義了兩種主要的認(rèn)證過(guò)程：全局查詢/應(yīng)答認(rèn)證和唯一查詢/應(yīng)答認(rèn)證。這兩種認(rèn)證都是基于共享SSD的認(rèn)證。
2.2.1 全局查詢/應(yīng)答認(rèn)證
??? 全局認(rèn)證包括注冊(cè)認(rèn)證、發(fā)起呼叫認(rèn)證、尋呼響應(yīng)認(rèn)證，如圖5所示。全局查詢?cè)趯ず艉徒尤胄诺郎蠁?dòng)，MS可在接入信道上完成注冊(cè)認(rèn)證、發(fā)起呼叫認(rèn)證、尋呼響應(yīng)認(rèn)證等內(nèi)容。
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??? 這一過(guò)程只有網(wǎng)絡(luò)對(duì)MS的認(rèn)證，不能防止網(wǎng)絡(luò)欺騙，缺點(diǎn)根源為用于認(rèn)證的RAND是全局的。如果AUTHR被某些MS泄露了，它就有可能被偽裝者使用直至其失效。
2.2.2 唯一查詢/應(yīng)答認(rèn)證
??? 唯一查詢/應(yīng)答認(rèn)證在接入認(rèn)證失敗時(shí)啟動(dòng)，用于驗(yàn)證快速請(qǐng)求的有效性。由BS發(fā)起，可以在尋呼信道和接入信道上實(shí)現(xiàn)，也可以在前向和反向業(yè)務(wù)信道上實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。
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??? 如果比較失敗，BS拒絕MS的接入，終止進(jìn)行中的呼叫，或者啟動(dòng)SSD更新過(guò)程，這一過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)只對(duì)某一MS認(rèn)證，安全性較高。
??? A_Key的保密性是認(rèn)證機(jī)制起作用的基本前提，所以從根本上來(lái)說(shuō)，認(rèn)證的安全性是由A_Key的安全性決定的。雖然在SSD更新中包含MS對(duì)VLR的認(rèn)證，但總的來(lái)說(shuō)，基于IS-95的cdma2000 lx系統(tǒng)的認(rèn)證主要是網(wǎng)絡(luò)對(duì)MS 的認(rèn)證，這是因?yàn)樵谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)建立初期主要考慮保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的利益，減少“克隆”手機(jī)的危害。另外，上述認(rèn)證過(guò)程并沒有考慮VLR和HLR之間的通信安全，它們之間的信息交互可能是未經(jīng)加密的，這樣，如果攻擊者對(duì)兩者之間的通信進(jìn)行竊聽，則可獲取認(rèn)證向量等重要信息，進(jìn)而發(fā)起重放攻擊。
??? cdma2000新的認(rèn)證過(guò)程正在發(fā)展過(guò)程中。針對(duì)存在的問(wèn)題，為了提高系統(tǒng)認(rèn)證的可靠性和互操作性，并有利于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，cdma2O00 lx升級(jí)系統(tǒng)已經(jīng)決定采用3GPP的AKA機(jī)制；保密機(jī)制采用AES算法；所有密鑰長(zhǎng)度增加到128bit。新的認(rèn)證方式稱為增強(qiáng)型用戶認(rèn)證(ESA)，此方式增強(qiáng)了認(rèn)證的功能，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和終端的相互認(rèn)證，可以防止偽基站的入侵。
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