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3GPP系统的无线接入安全
GSM/GPRS/EDGE系统的无线接入安全
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在GSM/GPRS/EDGE系统中，用户的SIM卡和归宿网络的HLR/AuC共享一个安全密钥Ki（128bit），基于该密钥，网络可以对用户进行认证，但用户无法认证网络，另外基站和手机间可以对无线链路进行加密。
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GSM/GPRS系统的认证和加密是基于（RAND,SRES,Kc）三元组实现的，基本过程如下。4 p2 \# m* Z' ^& ?
1.当需要对用户进行认证时，服务网络的MSC/VLR（对电路域业务）或者SGSN（对分组域业务）会向用户归属的HLR/AuC请求认证向量。
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2.HLR/AuC首先产生一个随机数RAND，然后基于这个RAND和用户的根密钥Ki根据A3算法计算出移动台应返回的认证响应SRES，并基于RAND和用户的根密钥Ki用A8算法计算出后续用于加密的密钥Kc，HLR/AuC也可能产生多组这样的认证向量。* Q% T$ {1 ~0 Z
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3.HLR/AuC将一个或多个（RAND,SRES,Kc）三元组返回给服务网络的MSC/VLR或者SGSN。
4.服务网络的MSC/VLR或者SGSN通过NAS（非接入子层）信令向用户的手机发起认证请求，参数中包含步骤3中所收到的某个RAND。; _7 E7 P& n$ k' [3 |
5.手机将认证请求通过RunGSMAlgorithm指令转给SIM卡，SIM卡基于RAND和自己安全保存的根密钥Ki用A3算法计算认证响应SRES’，同时基于RAND和Ki用A8算法计算加密密钥Kc。- z3 m1 g9 J% o) y+ A" V0 I/ {
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6.SIM卡将SRES’和Kc返回给手机，同时也将Kc保存在卡上的一个可读文件EF(Kc)中。1 K# T x+ d3 \0 A4 b4 N$ v
7.终端将SRES’返回给服务网络，服务网络的MSC/VLR或者SGSN将它与在步骤3收到的SRES进行比较，相同则用户认证成功，否则失败。服务网络的MSC/VLR或者SGSN将Kc转发给基站。1 Z4 D1 a. G& I6 N0 I
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8.当需要对空口通信进行加密时，终端和服务地的接入网协商加密算法，这通常称为A5算法协商。标准要求2G终端必须支持A5/1算法和推荐实现A5/3算法。$ X! G- p" X1 a9 t3 F5 D
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9.接入网从服务地的核心网获得加密密钥Kc，终端从卡上读取Kc，各自用它作为密钥，用所协商的A5算法计算随机数，然后用于空口消息/数据的加、解密。0 v/ n ] g% z; k! R. k% Y3 D. y2 L* O
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3GUMTS系统的无线接入安全) r9 m, Y5 ]' m" v& s
2G接入安全具有如下不足。+ e# J6 o; k" I
1.只能实现网络对用户的认证，无法实现用户对网络的认证，可能存在恶意网络诱骗用户登陆/使用、然后盗取用户信息和传播垃圾/病毒信息的威胁。0 R# y6 X0 x+ L) _$ a
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2.通过PIN码校验（而这是非常容易实现的）后，对所有的RunGSMAlgorithm指令，SIM卡都会根据指令中输入的随机数计算相应的SRES认证响应，攻击者很容易利用它进行穷举攻击（特别是结构性列举攻击），以反推用户密钥Ki。
3.没有完整性保护，存在消息/数据在中途被拦截和篡改的威胁。
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4.一些老算法可以被安全级别更高的新算法替换。
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3G系统对以上不足进行了有针对性的改进，在3GUMTS（包括WCDMA和TD-SCMDMA）系统中，用户的USIM卡和归宿网络的HLR/AuC共享一个安全密钥K（128bit），基于该密钥，网络可以对用户进行认证，用户也可以认证网络，另外基站和手机间可以对无线链路进行加密和完整性保护。
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3GUMTS系统的双向认证、加密和完整性保护是基于（RAND,XRES,CK, IK, AUTN）五元组实现的，基本过程如下。, M" i- K7 ~; a7 x& E
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图1 五元组生成方法
1.当需要对用户进行认证时，服务网络的MSC/VLR（对电路域业务）或者SGSN（对分组域业务）会向用户归属的HLR/AuC请求认证向量。6 m+ K4 v2 N: s3 A# j ?( T3 p
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2.HLR/AuC首先产生一个随机数RAND和一个SQN，然后基于这个RAND、SQN和用户的根密钥K按图1所示进行如下计算：用f2算法生成移动台应返回的认证响应XRES，用f3算法生成加密密钥CK，用f4算法生成完整性保护密钥IK，用f1和f5算法生成网络对应的认证响应AUTN，HLR/AuC也可能产生多组这样的认证向量。+ Y0 s* W8 _6 f# e# n0 e
3.HLR/AuC将一个或多个（RAND,XRES,CK,IK, AUTN）五元组返回给服务网络的MSC/VLR或者SGSN。
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4.服务网络的MSC/VLR或者SGSN通过NAS（非接入子层）信令和用户的手机/UISM卡执行AKA（认证和密钥协定）过程。
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5.当需要对空口通信进行加密或者完整性保护时，终端和服务地的接入网（RNC）协商并激活安全模式。2 X, x( h0 G& j- a, J( r5 ^
6.接入网从服务地的核心网获得CK和IK，终端从步骤4获得或者从卡上读取CK和IK，各自用它们作为密钥，然后用f8、f9算法进行加/解密和完整性保护。终端和接入网间也可以借完整性保护（IK和f9算法）实现简单的本地认证功能。
以上过程也可以用图2表示。: h6 L$ u5 A( ~8 J9 g% S$ K. `
图2 3G UMTS系统的接入安全
2G/3G互通时的无线接入安全9 K0 n" t8 a0 N* k7 B. u
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当2GSIM卡接入3G网络时，为了避免要求2G用户必须换卡才能接入3G网络和使用3G业务，运营商通常选择允许用户用2GSIM卡接入3G网络，为此需要终端和网络支持如下附加功能。
1.3G终端能支持2GSIM卡接口。8 l! W* _* V" Q1 F4 [
2.3G服务网络的MSC/VLR与SGSN能和2GHLR/AuC互通，能接受三元组认证向量。
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3.3G终端和3G接入网支持Kc到CK和IK的密钥转换。, B- V) W0 @! J
此时的认证过程和2G系统基本相同，有区别的地方是：3G服务网络的MSC/VLR或者SGSN需要通过标准的转换函数将Kc转换为CK和IK，然后将CK和IK传给3G服务基站；终端从SIM卡得到Kc后，也需要通过同样的转换函数将Kc转换为CK和IK；后续终端和3G服务基站间可以用3G的f8、f9算法，以及CK、IK进行加密和完整性保护。- b$ w/ h s9 J; X5 P" {% A
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当3GUSIM卡接入2G网络时，为了利用2G对3G的覆盖补充和支持更广泛的漫游，运营商也会选择允许用户用3GUSIM卡接入2G网络，为此需要USIM卡和网络支持如下附加功能。+ s h# Q: a& l) t* \5 x$ e
1.3GUSIM卡支持转换函数，能将XRES’转为SRES’，将CK和IK转为Kc。
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2.3GUSIM卡支持2GSIM接口，从而能被只支持SIM卡的2G终端使用，这样的卡通常被称为USIM/SIM混合卡。混合卡上的SIM接口安全算法是基于USIM安全算法+转换函数实现的。
3.3GHLR/AuC能支持五元组到三元组的转换，从而可以向服务地的2GMSC/VLR或者SGSN返回三元组认证向量。& a8 @1 |( {$ y* L
4.服务网络如果采用2G接入网+3G核心网（即BS是2G的，但MSC/VLR与SGSN为3G的）的组网方式，MSC/VLR与SGSN应支持CK+IK到Kc的转换。0 C4 K6 E) Y/ P9 D; S4 F
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当用户用的是3G/2G混合终端或者是支持USIM的高版本2G终端时，此时使用的是混合卡上的USIM功能，认证实现分以下两种情况。
1．当服务地的核心网是3G时，认证过程和3GUMTS系统的描述基本相同，有区别的地方是：服务网络的3GMSC/VLR或者SGSN需要通过标准的转换函数将CK和IK转换为Kc，然后将Kc传给2G服务基站；除了CK和IK，混合卡还会将用转换函数依据CK和IK生成的Kc也返回给终端。终端会忽略CK和IK，而只用Kc；后续如果需要，终端和服务地2G基站间能用所协商的A5算法和Kc进行加密传输，但不能进行完整性保护。
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2．当服务地的核心网是2G时，认证过程和2G系统的描述基本相似，有区别的地方是：收到服务地网络的认证向量请求后，用户归属的3GHLR/AuC首先生成五元组，然后将它们通过标准转换函数转为三元组，再将三元组返回给服务网络；终端向卡发送的是带GSM安全上下文的AuthenTIcate指令；混合UISM卡首先生成XRES、CK和IK，然后将XRES转换为SRES’，将CK+IK转换为Kc，最后只将SRES’和Kc返回给终端。. g( s- i& t; |% J1 V3 G
当用户用的是不支持USIM的低版本2G终端时，此时使用的是混合卡上的SIM功能，认证实现也分为两种情况。
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1.当服务地的核心网是3G时，认证过程和2G系统相似，有区别的地方是：收到服务地网络的认证向量请求后，用户归属的3GHLR/AuC生成的是五元组，返回的也是五元组；服务网络的3GMSC/VLR或者SGSN需要通过标准的转换函数将XRES转换为SRES、将CK和IK转换为Kc，然后将Kc传给2G服务基站；服务网络用户认证请求消息中的AUTN参数会被2G终端忽略，2G终端仅将RAND参数通过RunGSM Algorithm指令发给混合卡；混合卡用RAND和K首先生成XRES’、CK和IK，然后将XRES’转换为SRES’，将CK+IK转换为Kc，最后只将SRES’和Kc返回给终端。" V" Q# e, o* g9 _9 t" c3 v. A
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2.当服务地的核心网是2G时，认证过程和2G系统基本相同，有区别的地方是：收到服务地网络的认证向量请求后，用户归属的3GHLR/AuC首先生成五元组，然后将它们通过标准转换函数转为三元组，再将三元组返回给服务网络；混合卡首先生成XRES’、CK和IK，然后将XRES’转换为SRES’，将CK+IK转换为Kc，最后只将SRES’和Kc返回给终端。
3 GPP2系统的接入安全
cdma20001x系统的接入安全) n4 K) j6 d5 c$ X6 [/ Y) \
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在cdma20001x系统中，用户的RUIM卡和归宿网络的HLR/AC会共享一个安全密钥A-key（64bit），基于该密钥，网络可以对用户进行认证，基站和手机间也可以对信令消息、语音和数据应用不同的加密方式。8 O; v' z2 @, ], z. ?- x' k6 y
cdma20001x系统支持两种认证触发方式。
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1.通过层2功能实现的全局挑战（GlobalChallenge）：服务网络可以将在寻呼信道上广播的接入参数消息中的AUTH字段置为‘01’，从而要求所有终端在使用反向接入信道发送消息时（Order消息、AuthenTIcaTIonChallengeResponse消息、Status Response消息和Extended Status Response消息除外），必须在消息的层2参数域携带基于SSD（共享安全数据）的前64bit、随机数和消息中特定信息域计算的认证签名AUTHR。9 ~+ L" e* g5 z: a
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2.通过层3功能实现的独特挑战（UniqueChallenge）：当需要时，服务网络可以向特定终端发送AuthenTIcationChallenge消息，终端中的卡基于消息中的随机数RANDU，用SSD的前64bit计算AUTHU，再用AuthenticationChallenge Response消息返回，网络然后检查终端返回的AUTHR或AUTHU是否正确。如果HLR/AC向服务网络共享了SSD，这个检查由服务网络完成，否则需请求HLR/AC进行。5 T, E0 q) R- u
SSD（128bit）是cdma20001x认证中的一个特有设计，引入SSD是为了避免过度使用用户的根密钥A-key和避免需要将A-key共享给服务网络。SSD的生成和后续更新只能在HLR/AC和RUIM卡之间进行，HLR/AC可以选择将某个SSD共享给服务网络并可以设定该SSD的生命周期，但RUIM卡不会把SSD透露给终端。SSD更新过程通过网络向终端/卡发送SSDUpdate消息触发，消息中包含一个随机数RNADSSD。为了防止虚假服务网络恶意更新SSD，卡会产生一个随机数RANDBS然后由终端通过BSChallenge Order消息发送给网络，仅当网络返回的AUTHBS响应是正确的，卡才会用CAVE算法根据A-Key、RANDSSD、UIMID等计算出的值更新SSD。SSD的前64bit用于各种认证运算，包括AUTHR/AUTHU/AUTHBS的计算和检验，它们都使用CAVE算法根据相应的随机数输入计算得到。* r3 h; q% K1 P7 O
基于SSD的后64bit可以用CAVE生成私有长码掩码（PrivateLCM）、消息加密密钥SMEKey和数据加密密钥。cdma20001x用私有长码掩码加扰的方式实现语音加密；用SMEKey密钥和CMEA（或者ECMEA）算法实现信令消息加密；用数据密钥和ORYX算法实现用户数据加密。终端和服务网络间可以通过层3消息协商是否使用加密。6 I1 b; C5 J* a' A
cdma20001xEV-DO系统的接入安全5 M u" K# V6 O$ H' G1 I* p
为了支持标准的cdma20001xEV-DO接入认证，用户需要用更高版本的RUIM卡（至少是C.S0023Rev.B以后版本的卡），用户的RUIM卡和归属AN-AAA间会共享一个HRPD SS（HRPD共享密钥，为可变长度，常取128bit），卡还要能支持MD5算法和存储用户在EV-DO中的ID（称之为HRPD NAI）。基于该HRPD SS，网络可以对用户进行认证，基站和手机间也可以对消息和数据进行加密。
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当用户需要建立EV-DO会话时，在终端和AN（即EV-DO基站）进行PPP和LCP协商期间，AN会向终端发送CHAPChallenge，消息中包含CHAPID和一个随机数，终端把这个挑战转给RUIM卡，卡用MD5算法根据HRPDSS和随机数计算响应，响应被卡/终端通过CHAP Response返回给AN，AN再通过A12接口把它传给AN-AAA，AN-AAA基于自己存储的该用户HRPD SS验证这个响应是否正确。, H4 s/ B3 E0 T; ?4 q c6 M
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终端通过了A12认证并建立了EV-DO会话后，后续当终端需要请求EV-DO无线连接时，可以仅执行较简单、快捷的EV-DO空口认证签名过程：终端和网络先通过Diffie-Hellman算法建立一个共享的会话密钥；终端利用SHA-1算法，用该会话密钥和时间戳对接入信道上的分组进行签名。9 j# B: l2 n- }; N$ Y" A& W, v
EV-DO系统采用AES算法标准对用户数据和信令信息进行加密保护；用SHA-1算法实行完整性保护。EV-DO用基于时间、计数器的安全协议产生密码系统，以产生变化的加密掩码。8 ]$ g( O9 \8 S
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1x/EV-DO互通时的接入安全用3 p( \( c1 m) A% i
当EV-DORUIM卡接入1x网络时，支持DO接入认证的RUIM卡也会同时支持1xCAVE认证，并且隐秘保存有A-key。EV-DORUIM卡在1x网络中将使用CAVE认证，这如同1x RUIM卡在1x网络中一样。9 T3 Q( S1 @1 M
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当用1xRUIM卡接入EV-DO网络时，为了让1x用户不需要换卡就能接入EV-DO网络和使用EV-DO服务，需要EV-DO终端和网络支持如下附加功能。
为了计算CHAPResponse，终端需要能向1xRUIM卡发送RunCave指令，即CHAP中实际使用的是CAVE认证算法。终端还要能根据卡中的1x ID信息生成HRPD NAI。
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网络侧的AN-AAA能识别卡使用的是CAVE算法；提供附加的、连向卡所对应的HLR/AC的接口，并能将自己模拟为VLR向HLR请求认证结果和/或SSD。