第三代移动通信的网络安全探讨

第三代移动通信的网络安全探讨北京邮电大学通信网络综合技术研究所丁义袁超伟到目前为止，移动通信的发展历程大致经历了三代。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，这两类系统安全机制的实现有很大区别，但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，实现对接入用户的认证和数据信息的保密，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安全服务。未来的移动通信系统除了提供传统的语音、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，网络和传输信息的安全将成为制约其发展的首要问题。随着向下一代网络(NGN)的演进，基于IP的网络架构必将使移动网络面临IP网络固有的一些安全问题。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。网络的开放性以及无线传播的特性，安全问题将成为整个移动通信系统的核心问题之一。一、移动通信系统面临的安全威胁安全威胁来自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敏感数据、非授权处理敏感数据、干扰或滥用网络服务，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分为对无线链路的威胁、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，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，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，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.破坏数据完整性，修改、插入、重放、删除用户数据或信令数据以破坏数据完整性；5.拒绝服务，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实现拒绝服务攻击；6.否认，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，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，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。二、第三代移动通信系统的安全机制WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA将是第三代移动通信的主流技术。WCDMA、TD-SCDMA的安全规范由以欧洲为主体的3GPP（3GPartnershipProject）制订，CDMA2000的安全规范由以北美为首的3GPP2制订。与2G以语音业务为主、仅提供少量的数据业务不同，3G可提供高达2Mbit/s的无线数据接入方式。其安全模式也以数据、交互式、分布式业务为主。1.3GPP的安全机制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）、用户安全（III）、应用安全（IV）、安全特性可见性及可配置能力（Ⅴ）。3GPP网络接入安全机制有三种：根据临时身份(TMSI)识别，使用永久身份(IMSI)识别，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机制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HLR和AuC(鉴权中心)。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系统定义了12种安全算法：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和用户的USIM中执行。其中，f0算法仅在AuC中执行，用于产生随机数RAND；f1算法用于产生消息认证码（AuC中为MAC-A，用户身份识别模块USIM中为XMAC-A）；f1*是重同步消息认证算法，用于产生MAC-S；f2算法用于产生期望的认证应答（AuC中为XRES，USIM中为RES）；f3算法用于产生加密密钥CK；f4算法用于产生消息完整性密钥IK；f5算法用于产生匿名密钥AK，用于对序列号SQN加解密，以防止被位置跟踪；f5*是重同步时的匿名密钥生成算法。AKA由SGSN/VLR发起，在AuC中产生认证向量AV=(RAND,XRES,CK,IK,AUTN)和认证令牌AUTN=SQN[ÅAK]||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SQN在有效范围，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。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KEYSTREAM。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。对于用户数据和话音不给予完整性保护。MS和网络相互认证成功后，USIM和VLR分别将CK和IK传给移动设备和无线网络控制器，在移动设备和无线网络控制器之间建立起保密链路。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可证明的安全性。2.3GPP2的安全机制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，以便于3G中两种体制之间的漫游，但对AKA算法进行了扩展，除f0－f5*算法外，增加了f11（UIM认证密钥产生算法）和UMAC（UIM存在认证算法）。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ESP-AES，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AAA机制(认证、授权和计费)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。3.3G系统安全特性的优缺点相对于2G系统，3G系统主要进行了如下改进。(1)实现了双向认证。不但提供基站对MS的认证，也提供了MS对基站的认证，可有效防止伪基站攻击。(2)提供了接入链路信令数据的完整性保护。(3)密钥长度增加为128bit，改进了算法。(4)3GPP接入链路数据加密延伸至无线接入控制器RNC。(5)3G的安全机制还具有可拓展性，为将来引入新业务提供安全保护措施。(6)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。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。(1)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）。(2)密码学的最新成果(比如ECC椭圆曲线密码算法)并未在3G中得到应用。(3)算法过多。(4)密钥产生机制和认证协议有一定的安全隐患。三、对移动通信系统安全的未来展望1.针对移动通信系统的特点，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、adhoc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，在网络安全体系结构模型中，应能体现网络的安全需求分析、实现的安全目标等。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服务，采用私钥密码体制和公钥密码体制混合的体制，充分利用这两种体制的优点。随着未来移动电子商务的迅速发展，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CA（认证中心）为核心的安全认证体系。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AC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。未来的安全中心应能独立于系统设备,具有开放的接口,能独立地完成双向鉴权、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.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更强健，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.移动通信网络的安全措施更加体现面向用户的理念用户能自己选择所要的保密级别，安全参数既可由网络默认，也可由用户个性化设定。四、结束语今后相当长一段时期内，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。随着信息时代的到来，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adhoc。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。