关于3G移动通信系统的网络安全分析

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1、引言
　　移动通信的发展大致经历了三代。第一代模拟蜂窝移动通信系统几乎没有采取安全措施，移动台把其电子序列号（ESN）和网络分配的移动台识别号（MIN）以明文方式传送至网络，若二者相符，即可实现用户的接入，结果造成大量的克隆手机，使用户和运营商深受其害；第二代数字蜂窝移动通信系统（2G）主要有基于时分多址（TDMA）的GSM系统、DAMPS系统及基于码分多址（CDMA）的CDMAone系统，这两类系统的安全机制的实现虽然有很大区别，但是，它们都是基于私钥密码体制，采用共享秘密数据（私钥）的安全协议，来实现对接入用户的认证和数据信息的保密，因而在身份认证及加密算法等方面存在着许多安全隐患；第三代移动通信系统（3G）在2G的基础上进行了改进，继承了2G系统安全的优点，同时针对3G系统的新特性，定义了更加完善的安全特征与鉴权服务。未来的移动通信系统除了能够提供传统的语音、数据、多媒体业务外，还应当能支持电子商务、电子支付、股票交易、互联网业务等，个人智能终端将获得广泛使用，移动通信网络最终会演变成开放式的网络，能向用户提供开放式的应用程序接口，以满足用户的个性化需求。因此，网络的开放性以及无线传输的特性，使安全问题将成为整个移动通信系统的核心问题之一。
2、移动通信系统的安全威胁
　　安全威胁产生的原因来自于网络协议和系统的弱点，攻击者可以利用网络协议和系统的弱点非授权访问和处理敏感数据，或是干扰、滥用网络服务，对用户和网络资源造成损失。按照攻击的物理位置，对移动通信系统的安全威胁可以分为无线链路的威胁、对服务网络的威胁和对移动终端的威胁。主要威胁方式有以下几种：
　　（1）窃听，即在无线链路或服务网内窃听用户数据、信令数据及控制数据；
　　（2）伪装，即伪装成网络单元截取用户数据、信令数据及控制数据，伪终端欺骗网络获取服务；
　　（3）流量分析，即主动或被动流量分析以获取信息的时间、速率、长度、来源及目的地；
　　（4）破坏数据的完整性，即修改、插入、重放、删除用户数据或信令数据以破坏数据的完整性；
　　（5）拒绝服务，即在物理上或协议上干扰用户数据、信令数据及控制数据在无线链路上的正确传输，以实现拒绝服务攻击；
　　（6）否认，即用户否认业务费用、业务数据来源及发送或接收到的其他用户的数据，网络单元否认提供的网络服务；
　　（7）非授权访问服务，即用户滥用权限获取对非授权服务的访问，服务网滥用权限获取对非授权服务的访问；
　　（8）资源耗尽，即通过使网络服务过载耗尽网络资源，使合法用户无法访问。
　　随着网络规模的不断发展和网络新业务的应用，还会有新的攻击类型出现。
3、3G移动通信系统的鉴权算法
　　WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA将是3G移动通信的主流技术。WCDMA、TD-SCDMA的安全规范由欧洲委主体的3GPP（3G Partnership Project）制定，CDMA2000的安全规范由以北美为首的3GPP2制定。
　　3.1　3GPP的鉴权算法
　　3GPP的接入安全规范已经成熟，加密算法和完整性算法已经实现标准化，基于IP的网络域的安全也已制定出相应的规范。3GPP的终端安全、网络的安全管理规范还有待进一步完善。
　　3GPP制定的3G安全算法逻辑结构分为三个层面（如图1所示）。针对不同的攻击类型，分为五类，即网络接入安全（I）、核心网安全（Ⅱ）、用户网安全（Ⅲ）、应用安全（Ⅳ）和安全特性可见性及可配置能力（V）。  

图1　3G安全算法逻辑结构

　　3GPP网络接入鉴权算法有三种：临时身份识别码（TMSI），永久用户识别码（IMSI）、认证和密钥协商（AKA）。AKA机制完成MS和网络的相互认证，并建立新的加密密钥和完整性密钥。AKA安全算法的执行分为两个阶段，第一阶段是认证向量（AV）从归属环境（HE）到服务网络（SN）的传送，第二阶段是SGSN／VLR和MS执行询问应答程序取得相互认证。HE包括归属位置寄存器（HRL）和核心网鉴权中心（AUC）。认证向量（AV）含有与认证和密钥分配有关的敏感信息，在网络域的传送上使用基于SS7的MAPSEC协议，该协议提供了数据来源认证、数据完整性、抗重放和机密性保护等功能。
　　3GPP为3G通信系统定义了12种鉴权算法：f0～f9、f1*和f5*，应用于不同的安全服务。身份认证与密钥分配方案中，移动用户登记和认证参数的调用过程与GSM网络基本相同，不同之处在于3GPP认证向量AV是5元组，并实现了用户对网络的认证。AKA利用f0至f5*算法，这些算法仅在鉴权中心AUC和用户身份识别模块（USIM）中执行。其中，f0算法仅在AUC中执行，用于产生随机数RAND；f1算法为消息鉴权函数，用于计算网络鉴权时的XMAC-A；f1*算法为消息鉴权函数，支持重同步功能，保证从f1*的函数值无法反推出f1，f2～f5*；f2算法为消息鉴权函数，用于用户鉴权计算XRES期望的响应值；f3算法为密钥生成函数，用于计算加密密钥CK；f4算法为密钥生成函数，用于计算消息完整性密钥IK；f5算法为密钥生成函数，用于计算匿名密钥AK，对鉴权序列号SQN加解密，以防止被位置跟踪；f5*为密钥生成函数，用于计算重同步时的匿名密钥。由于这些算法的产生依赖于USIM卡中的运营商密钥OPC，常数c1～c5和r1～r5，因此，对每个用户的鉴权算法都是不一样的，从而增加了鉴权的安全性。
　　3G系统的鉴权是双向的，在网络端和终端都进行鉴权，鉴权过程如下：在AUC中产生认证向量（AV）=（RAND，XRES，CK，IK，AUTN）和认证令牌AUTN=SQN[AK]‖AMF‖MAC-A。VLR发送RAND和AUTN至USIM。USIM计算XMAC-A=f1K（SQN‖RAND‖AMF），若等于AUTN中的MAC-A，并且SON在有效范围内，则认为对网络鉴权成功，计算RES、CK、IK，发送RES至VLR。VLR验证RES，若与XRES相符，则认为对MS鉴权成功；否则，拒绝MS接入。当SQN不在有效范围内时，USIM和AUC利用f1*算法进入重新同步程序，SGSN/VLR向HLR/AUC请求新的认证向量AV。
　　从上述鉴权过程看，3G的鉴权过程较为复杂，鉴权算法慎密，相应的安全性也得到了大大的增强。其关键技术在于引入了运营商密钥、双向鉴权和鉴权序列号。通过运营商密钥及相关常数，可以对每个用户生成个性化的鉴权函数，增加了鉴权的可靠性。
　　f6是MAP加密算法，f7是MAP完整性算法。
　　3GPP的数据加密机制将加密保护延长至无线接入控制器RNC。数据加密使用f8算法，生成密钥流块KEYSEREAM。对于MS和网络间发送的控制信令信息，使用算法f9来验证信令消息的完整性。F8和f9算法都是以分组密码算法KASUMI构造的，KASUMI算法的输入和输出都是64bit，密钥是128bit。KASUMI算法在设计上具有对抗差分和线性密码分析的安全性。
　　3.2　3GPP2的鉴权算法
　　3GPP2规范中涉及的安全因素包括接入控制（鉴权）、密钥管理、数据和身份的保密、其他相关规定以及分组数据网的认证授权计费机制。
　　3GPP2的认证和密钥协商机制采用3GPP的AKA，以便3G中两种体制之间的漫游，但对AKA算法进行了扩展，除了f0～f5*算法外，增加了UIM认证密钥产生算法（f11）和UIM存在认证算法（UMAC）。增强型用户鉴权（ESA）不但实现网络对终端的认证，同时也实现了终端对网络的认证。3GPP2所有密钥长度增加为128bit，涉及的鉴权参数仍然是A-KEY、ESN、SSD，数据和身份保密的基本原理同CDMAone，但采用了增强算法。加密算法采用ESPAES，完整性算法采用EHMAC，所有算法均实现了标准化。
　　CDMA2000分组数据网提供两种接入方式：简单IP和移动IP。3GPP2在分组数据网中引入认证、授权和计费（AAA机制）是全新的内容，也是与3GPP在安全方面的一个重要差别。目前采用远程认证拨入用户服务（RADIUS）协议实现。
　　3.3　3G系统安全特性的优缺点
　　（1）相对于2G系统，3G系统主要进行了如下改进：
　　◆实现了双向鉴权认证。不但提供基站对MS的认证，也提供了MS对基站的认证，可有效防止伪基站的攻击和抹机盗打现象发生。
　　◆提供了接入链路信令数据的完整性保护。
　　◆密钥长度增加为128bit，改进了算法。
　　◆3GPP接入链路数据加密延伸至无线接入控制器RNC。
　　◆3G的安全机制还具有可拓展性，为将来引入新业务提供了安全保护措施。
　　◆3G能向用户提供安全可视性操作，用户可随时查看自己所用的安全模式及安全级别。
　　（2）在密钥长度、算法选定、鉴别机制和数据完整性检验等方面，3G的安全性能远远优于2G。但3G仍然存在下列安全缺陷：
　　◆没有建立公钥密码体制，难以实现用户数字签名。随着移动终端存储器容量的增大和CPU处理能力的提高以及无线传输带宽的增加，必须着手建设无线公钥基础设施（WPKI）。
　　◆密码学的最新成果（如ECC椭圆曲线密码算法）并未在3G中得到应用。
　　◆密钥产生机制和认证协议有一定的安全隐患。
4、移动通信系统安全体系展望
　　4.1　建立适合未来移动通信系统的安全体系结构模型
　　3G系统的安全逻辑结构仍然参考了OSI模型，而OSI模型是网络参考模型，用它来分析安全机制未必是合适的。随着移动技术与IP技术的融合、Ad hoc的广泛应用以及网络业务的快速发展，需要更系统的方法来研究移动通信系统的安全。比如，网络安全体系结构模型应能体现网络的安全需求分析、实现的安全目标等。
　　4.2　由私钥密码体制向混合密码体制的转变
　　未来移动通信系统中，将针对不同的安全特征与鉴权服务，采用私钥密码体制和公钥密码体制混合的体制，并充分利用这两种体制的优点。随着未来移动电子商务的迅猛发展，如果采用私钥密码体制，虽然密钥短、算法简单，但对于密钥的传送和分配的安全性要求很高；采用公钥密码体制，参与交换的是公开钥，因而增加了私钥的安全性，并能同时满足数字加密和数字签名的需要，满足电子商务所要求的身份鉴别和数据的机密性、完整性、不可否认性。因此，必须尽快建设无线公钥基础设施（WPKI），建设中国移动的以认证中心（CA）为核心的安全认证体系。
　　4.3　3G的整个安全体系向透明化发展
　　3G的整个安全体系仍是建立在假定网络内部绝对安全的基础之上，当用户漫游时，核心网络之间假定相互信任，鉴权中心AUC依附于交换子系统。事实上，随着移动通信标准化的发展，终端在不同运营商、甚至异种网络之间的漫游也会成为可能，因此，应增加核心网之间的安全认证机制。特别是随着移动电子商务的广泛应用，更应尽量减少或避免网络内部人员的干预性。未来的安全中心应独立于系统设备，具有开放的接口，能独立完成双向鉴权、端到端数据加密等安全功能，甚至对网络内部人员也是透明的。
　　4.4　新密码技术应获得广泛应用
　　随着密码学的发展以及移动终端处理能力的提高，新的密码技术如量子密码技术、椭圆曲线密码技术、生物识别技术等将在移动通信系统中获得广泛应用，加密算法和认证算法自身的抗攻击能力会更加强健，从而保证传输信息的机密性、完整性、可用性、可控性和不可否认性。
5、结束语
　　在今后相当长的时期内，移动通信系统将会出现2G和3G两种网络共存的局面，移动通信系统的安全也面临着后向兼容的问题。随着信息时代的发展，人们不再满足于单个移动终端接入网络，而是希望运动子网络，即移动自组网Ad hoc。如何解决这类网络的安全问题，怎样提高安全机制的效率以及对安全机制的有效管理，都将是移动通信系统面临的严峻挑战。