第三代移动通信的网络安全探讨

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  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 [Å 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。


----《通信世界》

作者:北京邮电大学通信网络综合技术研究所 丁 义 袁超伟   
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