GSM的安全性管理

第十二讲GSM的安全性管理2主要内容三参数组和鉴权、加密算法加密设备识别TMSI码PIN码3用户三参数组的产生过程如下:每个用户在购买MS(或只是SIM卡)并进行初始注册时,都会获得一个用户电话号码和国际移动用户识别码(IMSI)。这两个号码往往具有可选性,但一旦选定,便不能修改,因为IMSI会被SIM卡写卡机一次写入到用户的SIM卡中。在IMSI写入的同时,写卡机中还会产生一个对应此IMSI的惟一的用户鉴权键(128比特Ki)。IMSI和相应的Ki在用户SIM卡和鉴权中心(AUC)中都会分别存储,而且它们还分别存储着鉴权算法(A3)和加密算法(A5和A8)。AUC中还有一个伪随机码发生器,用于产生一个不可预测的伪随机数(RAND)。RAND和Ki经AUC中的A8算法产生一个密钥(Kc),经A3算法产生一个响应数(SRES)。密钥(Kc)、响应数(SRES)和相应的伪随机数(RAND)一起构成了用户的一个三参数组。4三参数组的提供RAND产生随机数KiIMSI2KiIMSI1……数据库IMSI和鉴权鉴权算法A3结果SRES加密算法A8结果KcRANDRANDSRESKc将三参数组传送给HLR三参数组5一般情况下,AUC一次能产生这样的5个三参数组。AUC会把这些三参数组传送给用户的HLR,HLR自动存储,以备后用。对一个用户,HLR最多可存储10组三参数。当MSC／VLR向HLR请求传送三参数组时,HLR会一次性地向MSC／VLR传送5组三参数组。MSC／VLR一组一组地用,当用到只剩2组时,就向HLR请求再次传送。这样做的一大好处是鉴权算法程序的执行时间不占用移动用户实时业务的处理时间,有利于提高呼叫接续速度。6鉴权1)为检测和防止移动通信中的盗用等非法使用移动通信资源和业务的现象,保证网络安全和保障电信运营者及用户的正当权益,移动用户鉴权是一种行之有效的方法,它的引入和使用也是GSM系统优越于模拟移动通信的一个重要方面。72)鉴权是一个需要全网配合、共同支持的处理过程,几乎涉及移动通信网络中所有实体,包括移动交换中心(MSC)、访问者位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)以至基站子系统(BSS)和移动台。在哪些场合需要进行鉴权,不仅关系到技术实现的复杂性和技术应用的覆盖范围,并进而影响到鉴权的作用效果,同时也关系到整个移动通信网络的信令负荷和业务处理能力等诸多方面。8GSM系统常用的鉴权场合包括:(1)移动用户发起呼叫(不含紧急呼叫);(2)移动用户接受呼叫;(3)移动台位置登记;(4)移动用户进行补充业务操作;(5)切换(包括在MSCA内从一个BS切换到另一个BS、从MSCA切换到MSCB以及在MSCB中又发生了内部BS之间的切换等情形)。93)如前所述,GSM的鉴权算法是A3算法。A3算法有两个输入参数:用户IMSI对应的固定密钥Ki和AUC本地产生的随机数(RAND),其运算结果是一个32bit长的用户鉴权响应值(SRES)。10鉴权的过程简述如下：首先是网络方的MSC/VLR向移动台发出鉴权命令信息,其中包含鉴权算法所需的随机数(RAND)。移动台的SIM卡在收到命令之后,先将RAND与自身存储的Ki,经A3算法得出一个响应数(SRES),再通过鉴权响应信息,将SRES值传回网络方。网络方在给移动台发出鉴权命令的同时,也采用同样的算法得到自己的一个响应数(SRES)。若这两个SRES完全相同,则认为该用户是合法用户,鉴权成功;否则,认为是非法用户,拒绝用户的业务要求。网络方A3算法的运行实体可以是移动台访问地的MSC/VLR,也可以是移动台归属地的HLR/AUC。11鉴权过程示意图存储所有访问用户的三参数组(每用户1～7个三参数组)AUC存储HLR中所有用户的鉴权键Ki对所有用户产生三参数组RAND/Kc/SRESHLR临时存储所有用户的三参数组(每用户1～10个三参数组)依请求发给VLRMSC/VLRRAND/Kc/SRESMS存储有关的用户信息接入请求RAND算法A3RANDKiSRESSRESMSSRESAUC＝？是否不能接入接入12加密GSM系统中的加密是指为了在BTS和MS之间交换用户信息和用户参数时不被非法用户截获或监听而采取的措施。因此,所有的语音和数据均需加密,并且所有有关用户参数也需要加密。显然,这里的加密只是针对无线信道进行加密。13GSM系统加密过程简述如下:在鉴权过程中,移动台在计算SRES的同时,用另一算法(A8算法)计算出密钥Kc,并在BTS和MSC中暂存Kc。当MSC／VLR发送出加密命令(M)时,BTS先收到该命令,再传送给MS。MS将Kc、TDAM帧号和加密命令M一起经A5加密算法,对用户信息数据流进行加密(也叫扰码),然后发送到无线信道上。BTS收到用户加密后的信息数据流后,把该数据流、TDMA帧号和Kc再经过A5算法进行解密,恢复信息M,如果无误,则告知MSC/VLR。至此,加密模式完成。14加密过程示意图存储所有访问用户的三参数组(每用户1～7个三参数组)AUC存储HLR中所有用户的鉴权键Ki对所有用户产生三参数组RAND/Kc/SRESHLR临时存储所有用户的三参数组(每用户1～10个三参数组)依请求发给VLRMSC/VLRMS存储所有与网络有关的算法A5RANDA8(Kc)KcBTS鉴权程序启动加密加密模式命令临时存储Kc用于与MS通话中的加密MA5(加密)TDMA帧号加密信息“加密模式完成”KcTDMA帧号解密信息“加密模式完成”否？加密模式完成是15设备识别设备识别过程为:首先是MS向MSC／VLR请求呼叫服务,MSC／VLR反过来向MS请求IMEI。MSC／VLR在收到MS的IMEI后,将其发送给EIR。EIR将收到的IMEI与其内部的三种清单进行比较,并把比较结果发送给MSC／VLR。MSC／VLR根据此结果,决定是否接受该移动设备的服务请求。设备识别过程示意图如图所示。何时需要设备识别取决于网络运营者。目前我国大部分省市的GSM网络均未配置此设备(EIR),所以此保护措施也未起作用。16设备识别过程示意图EIR存储所有用户的移动设备识别码存储所有被列入灰/黑名单的设备MSC/VLRMS存储本设备识别码IMEI呼叫建立IMEI请求发送IMEI检查IMEI接入/禁止信息继续/停止呼叫建立过程17临时移动台识别码(TMSI)临时移动台识别码(TMSI)是为了防止非法用户通过监听无线路径上传输的信令而窃得合法用户的用户识别码(IMSI)或跟踪移动用户的位置而采取的措施。如前所述,为了提高安全性,IMSI应尽量不在无线路径上传输。为此,MSC／VLR根据IMSI变换出相应的TMSI,分配给用户使用,并且不断地进行更换,更换周期由网络运营者设置。更换的频率越高,起到的保护作用越大,但由于对用户的SIM卡寿命有影响,因而更换不能过于频繁。18利用TMSI进行鉴权措施的过程如下:每当MS用IMSI向系统请求位置更新、呼叫尝试或业务激活时,MSC／VLR对它进行鉴权。允许接入网络后,MSC／VLR由IMSI产生出一个新的TMSI,并将TMSI传送给移动台。移动台将该TMSI写入用户SIM卡。此后,MSC／VLR和MS之间的命令交换就使用TMIS,用户实际的识别码IMSI不再在无线路径上传输。图所示为移动台位置更新时产生新的TMSI的过程。19移动台位置更新时产生TMSI的过程HLR存储路径所有归属PLMN的用户数据MSC/VLR存储路径所有访问用户的数据更新BSC/BTS存储与无线路径有关的数据MS存储所有与网络有关的用户信息更新位置区请求位置更新请求鉴权产生新的TMSIVLR存储新的TMSI新的TMSI启动加密位置区更新位置区更新新的TMSI存储新TMSI位置区更新完成位置区更新证实VLR删除旧TMSIIMSI新TMSI新TMSIIMSI在无线路径上使用保密码20PIN码PIN码存储在用户SIM卡中,其目的是为了防止用户账单上产生讹误计费,保证入局呼叫被正确传送。PIN码由4～8位数字构成,其具体位数由用户自己决定。只有用户输入了正确的PIN码,才能正常使用相应的移动台。如果用户输入了错误的PIN码,移动台会给用户发出错误提示,要求重新输入。如果用户连续3次输入错误,SIM卡就会被闭锁,即使将SIM卡拔出后再装上或关掉手机电源后再开机也不能使其解锁。要想解锁,用户必须输入正确的“个人解锁码”,它是由8位数字组成的。若“个人解锁码”又被连续10次输入错误,SIM卡将进入进一步闭锁。这种闭锁就只能靠SIM卡管理中心的SIM卡业务激活器来解锁了。