??? 摘 要： 移動通信使用無線信道，由于網絡的開放性和無線傳輸的特性，存在多種安全隱患。認證機制" title="認證機制">認證機制是防止網絡欺騙的重要手段。列舉了CDMA技術體制的各種認證方法，并詳細分析了cdma2000 1x系統實體認證機制的原理和過程。
??? 關鍵詞： cdma2000 1x? 移動通信安全? 實體認證
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??? 隨著移動通信技術的發展，通信中的安全問題正受到越來越廣泛的關注。它關系到用戶、制造商和運營商的切身利益。人們在使用移動通信得到便利的同時，也對通信中的信息安全提出了更高的要求。
??? 由于空中接口的開放性，為確保用戶訪問網絡資源的合法性和安全性以及服務網絡的真實性，各種移動通信系統" title="移動通信系統">移動通信系統普遍采用了相應的安全機制" title="安全機制">安全機制，這些安全機制主要分為認證和加密。其中認證機制又包括實體認證和消息認證。前者是移動臺MS（Mobile Station）和基站BS（Base Station）之間為了驗證MS或BS的身份真實性而進行的信息交換過程，而后者則適用于接收方驗證通信內容的真實性和完整性。本文重點研究基于IS-95的cdma2000 lx系統的實體認證機制。
1 CDMA的安全機制
1.1 移動通信系統的安全體系結構
??? 移動通信系統的安全體系結構可以分為四個層次和五個安全域，如圖1所示。
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??? 四個層次分別為傳輸層、歸屬層/服務層、應用層和系統安全管理配置層。五個安全域分別為：（I）網絡接入安全；（II）網絡域安全；（III）用戶域安全；（IV）應用域安全；（V）安全特性的可視性及可配置能力。
1.2 CDMA的網絡安全機制
??? CDMA無線鏈路采用偽隨機碼PN（Pseudo_random Noise code）對信號進行擴頻，使得信號很難被攔截和竊聽，此外，還規定一系列接入安全機制，如圖2所示。由于終端處理能力和空中帶寬受限，兩地的CDMA安全基于私鑰技術，安全協議依賴于一個64bit的認證密鑰(A_Key)和終端的電子序列號(ESN)。CDMA的網絡安全機制提供以下安全特征：
??? (1)匿名性，為終端分配TMSI。
??? (2)基于查詢/應答的單向認證。
??? (3)語音/用戶數據/用戶信令保密。
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??? CDMA的網絡安全機制采用四種安全算法：(1)蜂窩認證和話音加密算法CAVE（Cellular Authentication and Voice Encryption），用于查詢/應答(Cha11enge/Response)認證協議和密鑰生成；(2)專用長碼掩碼PLCM（Private Long Code Mask）算法，用于控制擴頻序列，然后將擴頻序列與語音數據異或實現語音保密；(3)基于LSFR的流密碼的ORYX算法，用于無線用戶數據加密服務；(4)增強的分組加密算法E_CMEA（Enhanced Cellular Message Encryption Algorithm），它采用一個分組密碼，用于加密控制信道。
1.3 認證
??? 通常，在以下場合均需要認證：MS發起呼叫(不含緊急呼叫)、MS接收呼叫、MS位置登記、MS進行補充業務操作、切換(包括在MSC_A內從一個BS切換到另一個BS、從MSC-A切換到MSC_B以及在MSC_B內又發生了內部BS之間的切換等情形)。除此以外，由于認證技術本身特點的影響，CDMA在更新共享秘密數據SSD（Shared Secret Data）時還需要特殊的認證，以保證SSD的安全性。認證過程幾乎涉及網絡中所有實體，包括MSC、拜訪位置寄存器VLR、歸屬位置寄存器HLR、鑒權中心AUC以及基站子系統BSS和MS。
??? 在目前的2G和2.5G CDMA系統接入網" title="接入網">接入網中，認證過程只對接入CDMA系統的終端進行認證，而終端并不對網絡進行認證。這種認證過程能夠防止非法終端接入網絡及使用網絡資源,但無法防止偽基站的攻擊。
??? cdma2000實體認證涉及到的內容有根密鑰A_Key、SSD、SSD的更新以及網絡對終端認證過程等。
2 cdma2000 1x的接入安全機制
2.1 密鑰和相關參數管理
??? 無線接入涉及的安全參數主要有ESN、A_Key、SSD以及RAND和呼叫歷史參數COUNT。cdma2000 lx主要管理A_Key和SSD的分配和更新。其中，ESN長32bit，是MS的唯一標識，由廠家設定；A_Key是主密鑰，用于產生SSD；SSD則用于認證和產生子密鑰；RAND是一個32bit的值，與SSD_A和其他參數結合起來用于對MS發起/終止呼叫和注冊時進行認證；COUNT定義一個保存在基站中的模64的事件計數，當MS接收到一個參數更新指令時將更新COUNT。
??? 在任何時候，每個MS總是擁有一個當前的SSD值，并且整個網絡共享一個32bit的隨機值RAND。RAND由服務網絡周期性地進行更新。
??? A_Key長64bit，存儲在MS的永久性安全標識存儲器中，僅對MS和HLR/AC可知，且不在空中傳輸。A_Key不直接參與認證和保密，只是用于產生子密鑰，而子密鑰則用來進行語音、信令及用戶數據的保密工作。因此，保證A_Key的安全至關重要。A_Key可以重新設置，終端和網絡認證中心AC的A_Key必須同步更新。其設置方法有以下幾種：
??? (1) 由制造商設置并分發給服務提供商" title="服務提供商">服務提供商。制造商必須產生和存儲密鑰，制造商和服務提供商需要建立安全的分發通道，因此對制造商和服務提供商而言，這種方法不太可行，但對用戶來說卻非常方便。
??? (2) 由服務提供商產生，在銷售點由機器分配或由用戶手動設置。這種方法的前提是信任經銷商，如果是機器分配，則要求所有終端具有標準接口；如果是手動設置，則對用戶來說并不方便，而且密鑰分配和管理機制也很復雜。
??? (3) 通過空中服務提供功能OTASP(Over The Air Service Provisioning)在用戶和服務提供商之間實現密鑰的產生和分配。終端的A_Key通過OTASP更新，可以切斷克隆終端的服務或為合法用戶提供新服務，實現簡單，是一種受歡迎的A_Key分發機制，也是目前3GPP2建議采用的方法。同時，3GPP2還建議用基于Diffie_Hellman的密鑰交換協議協商A_Key。
??? SSD長128bit，存儲在MS中，分為兩個64bit的子集：SSD_A和SSD_B。SSD_A用于支持認證過程；SSD_B用于支持話音、信令和數據加密。
??? 新的SSD由CAVE生成，SSD更新成功后，通常BS會發起一個獨特查詢/響應子過程(為了完成雙向認證)。CAVE算法用于SSD更新過程，如圖3所示。該過程包含了MS對BS的認證，圖中的MIN是IMSI的后10位數字。
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??? 在第一次CAVE算法中，以A_Key、ESN及從網絡收到的隨機數作為CAVE算法的輸入參數，計算出新的SSD。在第二次CAVE算法中使用新生成的SSD、UIM卡選擇的隨機數RANDBS及IMSI作為CAVE算法的輸人參數，計算并輸出一個用于驗證的結果值。
2.2 認證過程
??? 認證的目的主要是為了確定MS和網絡的真實性，在MS和BS之間進行鑒權驗證。認證實質是驗證MS和BS之間是否共享了相同的SSD，如果確認其共享了相同的SSD，則認為對MS進行了成功的驗證；否則，認證失敗。認證方式包括MS主動通過BS向接入網注冊及BS主動對MS認證。兩種方式的思想完全相同，不同的是發起認證的流程。
??? 圖4是接入網對MS發起的認證概要流程圖，其過程如下：
??? (1)MSC首先向BS發起認證請求(Authentication Request)，然后啟動定時器T3260。
??? (2)BS將攜帶一個要發給MS的隨機數RANDU(Random Variable Unique Challenge)的認證請求消息(Authentication Challenge Message)通過空中接口發給MS。
??? (3)MS根據SSD和特定的RANDU通過認證算法CAVE計算出認證摘要碼(AUTHU)，并返回攜帶認證摘要碼的認證查詢響應消息(Authentication Challenge Response Message)給BS。
??? (4)向MSC發送認證響應消息(Authentication Response Message)，MSC在接收到認證響應消息后，停止定時器T3260。
cdma2000中的認證功能包括構成新的算法進行用戶認證、認證密鑰管理、數據加密密鑰產生等。CAVE算法有三個基本部分：一個32位的線性移位寄存器、16個8位混合寄存器以及一個置換表。上述A_Key、SSD 的產生過程中都調用了CAVE算法，并且針對具體的應用有相應的輸入參數和輸出參數。
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??? cdma2000 lx提供網絡對MS的單向認證。根據AC／HLR和VLR之間是否共享SSD，可分為SSD共享和非SSD共享兩種情況認證。在共享SSD時，CAVE算法在VLR中完成；而在非SSD共享時，CAVE算法則在AC／HLR中完成。規范中定義了兩種主要的認證過程：全局查詢/應答認證和唯一查詢/應答認證。這兩種認證都是基于共享SSD的認證。
2.2.1 全局查詢/應答認證
??? 全局認證包括注冊認證、發起呼叫認證、尋呼響應認證，如圖5所示。全局查詢在尋呼和接入信道上啟動，MS可在接入信道上完成注冊認證、發起呼叫認證、尋呼響應認證等內容。
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??? 這一過程只有網絡對MS的認證，不能防止網絡欺騙，缺點根源為用于認證的RAND是全局的。如果AUTHR被某些MS泄露了，它就有可能被偽裝者使用直至其失效。
2.2.2 唯一查詢/應答認證
??? 唯一查詢/應答認證在接入認證失敗時啟動，用于驗證快速請求的有效性。由BS發起，可以在尋呼信道和接入信道上實現，也可以在前向和反向業務信道上實現，如圖6所示。
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??? 如果比較失敗，BS拒絕MS的接入，終止進行中的呼叫，或者啟動SSD更新過程，這一過程中網絡只對某一MS認證，安全性較高。
??? A_Key的保密性是認證機制起作用的基本前提，所以從根本上來說，認證的安全性是由A_Key的安全性決定的。雖然在SSD更新中包含MS對VLR的認證，但總的來說，基于IS-95的cdma2000 lx系統的認證主要是網絡對MS 的認證，這是因為在移動網絡建立初期主要考慮保護運營商的利益，減少“克隆”手機的危害。另外，上述認證過程并沒有考慮VLR和HLR之間的通信安全，它們之間的信息交互可能是未經加密的，這樣，如果攻擊者對兩者之間的通信進行竊聽，則可獲取認證向量等重要信息，進而發起重放攻擊。
??? cdma2000新的認證過程正在發展過程中。針對存在的問題，為了提高系統認證的可靠性和互操作性，并有利于第三代移動通信系統之間的互聯互通，cdma2O00 lx升級系統已經決定采用3GPP的AKA機制；保密機制采用AES算法；所有密鑰長度增加到128bit。新的認證方式稱為增強型用戶認證(ESA)，此方式增強了認證的功能，實現了網絡和終端的相互認證，可以防止偽基站的入侵。
參考文獻
[1] CDMA 1X RTT SECURITY OVERVIEW[s] by Qualcomm.August 2002.
[2] 3GPP TS33.102 V4.2.0 security architecture[s]. 2001-09.
[3] 3GPP TS33.902 V4.2.0 formal analysis of 3G authentication protocol [s], 2001-09.
[4] Implementation of Authentication and Encryption in DMSS?by QCT Software Team of Qualcomm [s]. February 2001.
[5] 辛偉. cdma2000系統的安全機制.電信網技術,2003,(8):
[6] 杜詩武. cdma2000 lx系統中的實體認證及其實現.電訊技術,2005,(4).
[7] 常永宇. CDMA2000 1X網絡技術[M].北京：電子工業出版社,2005.
[8] 楊義先，鈕心忻.無線通信安全技術[M].北京：北京郵電大學出版社, 2005.