移动通信中的鉴权

GSM系统的鉴权为了保障GSM系统的安全保密性能，在系统设计中采用了很多安全、保密措施，其中最主要的有以下四类：防止未授权的非法用户接入的鉴权(认证)技术，防止空中接口非法用户窃听的加、解密技术，防止非法用户窃取用户身份码和位置信息的临时移动用户身份码TMSI更新技术，防止未经登记的非法用户接入和防止合法用户过期终端(手机)在网中继续使用的设备认证技术。鉴权(认证)目的是防止未授权的非法用户接入GSM系统。其基本原理是利用认证技术在移动网端访问寄存器VLR时，对入网用户的身份进行鉴别。GSM系统中鉴权的原理图如下所示。本方案的核心思想是在移动台与网络两侧各产生一个供鉴权(认证)用鉴别响应符号SRES1和SRES2，然后送至网络侧VLR中进行鉴权(认证)比较，通过鉴权的用户是合理用户可以入网，通不过鉴权的用户则是非法(未授权)用户，不能入网。在移动台的用户识别卡SIM中，分别给出一对IMSI和个人用户密码Ki。在SIM卡中利用个人密码Ki与从网络侧鉴权中心AUC和安全工作站SWS并经VLR传送至移动台SIM卡中的一组随机数RAND通过A3算法产生输出的鉴权响应符号SRES2。在网络侧，也分为鉴权响应符号SRES1的产生与鉴权比较两部分。A3算法随机数产生器A3算法＝？KiKiRANDSIM卡SRES2SRES1MSVLR能接入不能接入是否AUC(或SWS)空中接口移动台侧基站与网络侧为了保证移动用户身份的隐私权，防止非法窃取用户身份码和相应的位置信息，可以采用不断更新临时移动用户身份码TMSI取代每个用户唯一的国际移动用户身份码IMSI。TMSI的具体更新过程原理如下图所示，由移动台侧与网络侧双方配合进行。这项技术的目的是防止非法用户接入移动网，同时也防止已老化的过期手机接入移动网。在网络端采用一个专门用于用户设备识别的寄存器EIR，它实质上是一个专用数据库。负责存储每个手机唯一的国际移动设备号码IMEI。根据运营者的要求，MSC/VLR能够触发检查IMEI的操作。IS-95系统的鉴权IS-95中的信息安全主要包含鉴权(认证)与加密两个方面的问题，而且主要是针对数据用户，以确保用户的数据完整性和保密性。鉴权(认证)技术的目的：确认移动台的合理身份、保证数据用户的完整性、防止错误数据的插入和防止正确数据被纂改。加密技术的目的是防止非法用户从信道中窃取合法用户正在传送的机密信息，它包括：信令加密、话音加密、数据加密。在IS-95标准中，定义了下列两个鉴权过程：全局查询鉴权和唯一查询鉴权。鉴权基本原理是要在通信双方都产生一组鉴权认证参数，这组数据必须满足下列特性：通信双方、移动台与网络端均能独立产生这组鉴权认证数据；必须具有被认证的移动台用户的特征信息；具有很强的保密性能，不易被窃取，不易被复制；具有更新的功能；产生方法应具有通用性和可操作性，以保证认证双方和不同认证场合，产生规律的一致性。满足上述五点特性的具体产生过程如下图所示：从中提取原来（的TMSISIM卡）中解密存贮新的TMSI分配新的TMSI给用户加密消去原来的TMSI移动台侧原来的TMSI加密后新的TMSI网络侧IS-95系统的鉴权认证过程涉及到以下几项关键技术：共享保密数据SSD的产生，鉴权认证算法，共享保密数据SSD的更新。SSD的产生SSD是存贮在移动台用户识别UIM卡中半永久性128bit的共享加密数据，其产生框图如下所示。SSD的输入参数组有三部分：共享保密的随机数据RANDSSD、移动台电子序号ESN、：共享保密数据输入参数鉴权、、A密钥移动台电子序号ESN随机数据RANDSSD共享保密数据SSD的生成鉴权算法）(单向函数鉴权数据抽取（）AUTHBS18bit＝？（）SSD-A更新后ESNMINT：共享保密数据输入参数鉴权、、A密钥移动台电子序号ESN随机数据RANDSSD共享保密数据SSD的生成鉴权算法）(单向函数鉴权数据抽取（）AUTHBS18bitESNMINT随机查询数据空中接口RANDBS，相等通过鉴权AUTHBS′SSD-A（更新）后移动台识别号I移动台识别号I共享保密随机数据RANDSSD）(56bit移动台电子序号ESN）(32bit鉴权密钥A钥（）64bit填充（）40bit共享保密数据SSD生成（）DES算法SSD-A-New（）64bitSSD-B-New（）64bit192bit152bit鉴权密钥(A钥)、填充。SSD输出两组数据：SSD-A-New是供鉴权用的共享加密数据；SSD-B-New是供加密用的共享加密数据。鉴权认证算法这一部分是鉴权认证的核心，鉴权认证输入参数组含有5组参数：随机查询数据RANDBS；移动台电子序号ESN；移动台识别号第一部分；更新后的共享保密数据SSD-A-New；填充。鉴权核心算法包含以下两步：利用单向Hash函数，产生鉴权所需的候选数据组；从鉴权认证的后选数据组中摘要抽取正式鉴权认证数据AUTHR，供鉴权认证比较用。SSD的更新为了使鉴权认证数据AUTHBS具有不断随用户变化的特性，要求共享保密数据应具有不断更新的功能，SSD更新框图如下图所示。RANDBS）(32bitESN）(32bitMINI（）24bitSSD-A-New（）64bit填充（）24或40bit鉴权认证算法（单向函数DES)（）鉴权认证数据摘要：抽取AUTHBS152bit176bit或192bitWCDMA系统的鉴权3G安全体系目标为：确保用户信息不被窃听或盗用；确保网络提供的资源信息不被滥用或盗用；确保安全特征应充份标准化，且至少有一种加密算法是全球标准化；安全特征的标准化，以确保全球范围内不同服务网之间的相互操作和漫游；安全等级高于目前的移动网或固定网的安全等级(包括GSM)；安全特征具有可扩展性。为了克服GSM系统的安全缺陷，WCDMA系统采用了双向认证技术，建立了完整的认证与密钥协商机制(AKA)。1.UMTS安全体系结构与AKA过程UMTS安全体系主要涉及到USIM、ME、RNC、MSC/SGSN/VLR、HLR/AuC等网络单元。所采用的AKA过程分为两个阶段。阶段1是HE与SN之间的安全通信，认证向量AV通过SS7信令的MAP协议传输。由于MAP协议本身没有安全功能，因此3GPP定义了扩展MAP安全协议，称为MAPsec，用于传输认证矢量AV=(RAND(随机数)，XRES(期望应答)，CK(加密密钥)，IK(完整性密钥)，输入参数）RANDSSD(56bit）ESN(32bit（）A钥64bitSSD生成程序RANDBS32bit鉴权认证算法AUTHBS）(18bit＝？SSD-A-New（）64bitESN）(32bitMINT）(24bit输入参数）RANDSSD(56bit）ESN(32bit（）A钥64bitSSD生成程序鉴权认证算法AUTHBS）(18bitSSD-A-New（）64bitESN）(32bitMINT）(24bit鉴权比较成功SSD-A改为SSD-A-NewSSD-B改为SSD-B-New鉴权比较失败，丢弃新的SSD并发送更新拒绝指令至移动台基站查询指令32bit基站查询指令确认SSD更新指令确认YesNoSSD更新拒绝指令移动台侧、基站网络侧发送SSD更新指令给移动台接收到SSD更新指令后移动台设置输入参数空中接口SSD-B-New（）64bitSSD-B-New（）64bitAUTH(认证令牌))。阶段2是SN和用户之间的安全通信，采用一次处理方式，在USIM与SGSN/VLR之间进行质询-应答处理。实现用户和网络的双向认证。UMTS在ME与RNC之间实现加密和完整性保护，对于业务数据和信令，都进行加密，为了降低处理时延，只对信令进行完整性保护。CDMA2000系统的鉴权与WCDMA类似，CDMA2000系统也采用了双向认证技术与认证与密钥协商机制(AKA)。1.CDMA2000安全体系结构CDMA2000的安全体系结构与UMTS类似，也采用两阶段AKA过程，涉及到UIM/ME、MSC、PDSN/VLR和HLR/AC等网络单元。2.UIM认证流程USIMMENodeBRNCSGSN/VLRHLR/AuCMSC/VLRUu接口Iu接口归属环境(HE)服务网络(SN)用户UMTSAKA阶段1：基于MAP协议传输认证向量(AV)UMTSAKA阶段2：质询－应答加密与完整性保护UIMMEMSCPDSN/VLRHLR/AC归属环境(HE)服务网络(SN)用户AKA阶段1：基于IP/SS7协议传输认证向量(AV)UMTSAKA阶段2：质询－应答加密与完整性保护移动台识别码(MSID)CDMA2000中的UIM卡存储用户的身份信息与认证参数，其功能与GSM中的SIM卡、UMTS中的USIM卡功能类似。第三代移动通信系统(3G)安全体系目前，移动通信最有代表性的是第三代移动通信系统(3G)安全体系结构如下：图5.13GPP系统的安全体系结构接收AV向量通过与f5(RAND)异或，解密SQN验证AUTN=f1(RAND,SQN,AMF)检查SQN范围分别用(f2,f3,f11)生成CK,IK,UAK(可选)生成RES=f4(RAND)错误：不正确的网络认证重新同步反馈RES，用户认证成功返回RES,CK,IK不匹配?重放移动设备(ME)UIM网络USIM非3GPP接入网(AN)无线服务网络(SN)3GPP接入网归属环境(HE)服务商应用程序用户应用程序移动设备(ME)应用层归属层服务层传输层(1)(1*)(1)(4)(2)(1*)(1*)(1)(1)(3)(1)(2)(1)(1)网络接入安全(等级1)：主要定义用户接入3GPP网络的安全特性，特别强调防止无线接入链路所受到的安全攻击，这个等级的安全机制包括USIM卡、移动设备(ME)、3GPP无线接入网(UTRAN/E-UTRAN)以及3GPP核心网(CN/EPC)之间的安全通信。(1*)非3GPP网络接入安全：主要定义ME、非3GPP接入网(例如WiMax、cdma2000与WLAN)与3GPP核心网(EPC)之间的安全通信。(2)网络域安全(等级2)：定义3GPP接入网、无线服务网(SN)和归属环境(HE)之间传输信令和数据的安全特性，并对攻击有线网络进行保护。(3)用户域的安全(等级3)：定义USIM与ME之间的安全特性，包括两者之间的相互认证。(4)应用程序域安全(等级4)：定义用户应用程序与业务支撑平台之间交换数据的安全性，例如对于VoIP业务，IMS提供了该等级的安全框架。(5)安全的可见度与可配置性：它定义了用户能够得知操作中是否安全，以及是否根据安全特性使用业务。信息服务中还存在一类信息安全问题，即来自发送端非法用户的主动攻击，包含非法用户的伪造纂改、删除、重放，甚至是来自合法用户的抵赖与纂改等。这类来自发送端的非法攻击的防范措施通称为认证技术，在移动通信中称为鉴权技术。认证系统的基本原理如下图所示：消息认证：一个消息认证系统是由明文M、密钥K、密文C和认证函数kmf,以及认证码集合kmA,组成的。2G、3G和4G移动通信系统中对合法用户的鉴权都属于身份认证。GSM系统中用户识别码IMSI存储在SIM卡与AuC中；IS-95系统中用户序列号ESN存储在移动台或UIM卡与AC中；UMTS/CDMA2000系统中，用户识别码IMSI存储在USIM卡与AuC中。信源认证加密信道认证解密信宿密钥源2密钥源1非法用户