GPRS与UMTS系统网络接入安全机制

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3. GPRS与3G接入链路数据机密性保护

　　MS与网络之间的安全通信模式建立以后，所发送的消息都将受到机密性保护。GPRS与3G分别使用GEA和f8算法对数据进行加解密。GEA算法是保密的，其有效密钥长度小于64 bit， f8是一个128 bit密钥对称加密算法。GEA算法的输入参数：加密密钥Kc，长为64 bit；INPUT，长为32 bit；方向位DIRECTION，长为1 bit。f8算法的输入参数：加密密钥CK，长为128 bit；加密序列号COUNT-C，长为32 bit；承载标识BEARER，长为5 bit；方向位DIRECTION，长为1 bit；密钥流长度LENGTH，长为16 bit。

　　用户数据和信令数据加解密的方法：发端通过GEA 或f8算法产生密钥流，密钥流与要发送的明文消息逐比特异或产生密文，完成加密过程；密文传到收端后，由收端先通过GEA算法或f8算法产生密钥流，然后与接收到的密文逐比特异或产生明文，完成解密过程。 4. 信令消息完整性保护

　　3G不仅提供数据机密性保护，还提供信令数据完整性保护，保证了信令数据在传输过程中的完整性。保护流程如图2所示。

　　其中f9为完整性保护算法；IK为完整性密钥，长为128bit；COUNT-I为完整性序列号，长为32 bit； FRESH为网络产生的随机数，长为32 bit，用于防止重放攻击；MESSAGE为发送的报文；DIRECTION为方向位，长为1 bit，0表示UE→RNC，1表示RNC→UE。

　　MAC-I为用于信令消息完整性保护的消息认证码。发送端用图2所示的方法计算MAC-I，并把它附加在报文后与报文一起发给接收端，接收端收到报文后用发送端同样的方法计算XMAC-I，并与接收到的MAC-I比较，以验证信令消息的完整性。

三、3G较GPRS系统在网络接入安全性方面的改善

　　从以上分析过程中，不难看出3G与GPRS相比，网络接入安全性在以下几个方面的得到改善和提高。

1身份认证方面

　　在GPRS系统中，通过比较SRES(SIM)和SRES(AUC)是否相同，实现了网络对用户的认证，可以防止非授权用户使用GPRS的网络资源，但认证是一个单向身份认证过程（网络→用户），只实现了网络对用户的认证，用户对SGSN不进行认证。无法防止假SGSN对用户的欺骗，让用户以为连接到了真正的GPRS 网络上，这样可能使用户的敏感信息被窃听或无法正常访问网络资源。而在3G中，实现了用户与网络的相互认证，通过验证XRES与RES是否相同，实现了VLR/SGSN对MS的认证；通过比较XMAC与MAC是否相同，实现了MS对HLR/AUC的认证。3G的相互认证机制有效地保护了用户与运营商双方的利益。

2. 用户数据与信令数据加密方面

　　加密技术是实现安全通信的核心，为了保证敏感数据不被窃听，必须对用户数据和信令数据进行有效加密。现在，对于一段用64 bit密钥加密的密文，采用强行攻击（Brute-force）的方法，尝试所有可能的密钥，直至取得可理解明文从计算复杂度上讲已不再困难。显然，随着计算机处理器速度的不断提高，GPRS的数据加密算法GEA加密密钥Kc（64 bit）长度太短，无法抵抗穷举攻击。而3G的加密算法f8其密钥K长度为128 bit，在相当长的时间内能有效抗击这种类型的攻击。

3. 信令消息完整性保护方面

　　信令是重要而又敏感的数据，必须得到有效保护。GPRS没有提供信令消息完整性保护机制，无法保证信令数据在传输过程中的完整性。3G增加了信令消息完整性保护机制，防止非授权方随意更改信令数据，这些更改包括篡改、插入、重演或删除，3G的信令消息完整性保护机制保证了信令数据在传输过程中的完整性。

四、3G安全缺陷

　　3G与以往的移动通信系统相比，在安全性方面有了很大的提高，但是3G仍能存在一些安全缺陷，表现在以下几个方面：

　　（1）未保护到的信令数据

　　用户真实身份、当前位置及其运动模式是重要而又敏感的信息，在通信中必须保证这些信息的机密性。在3G的认证方案中，使用临时身份标识（TMSI）来鉴别用户，提供了一定程度的匿名性。但当用户第一次注册到一个服务网络或无法从TMSI中得到IMSI时，服务器向用户发送IMSI请求，用户的应答是包含IMSI信息的纯文本，易造成用户IMSI信息的泄漏，违背了用户身份的保密性，因此直接通过IMSI鉴别用户身份的方式应尽量少用。

　　（2）拒绝服务攻击

　　在安全模式建立过程中，MS通过空中接口以明文方式把安全能力参数发送给RNC，假如攻击者截获到此报文，对其篡改后再发给RNC，那么RNC接收到的参数与储存在其数据库中UE的服务能力参数将会不同，RNC终止接入程序，这可能导致合法用户不能正常访问服务网络，但用户身份的匿名性能抗击针对某一特定用户的拒绝服务攻击。

　　（3）未提供用户数据完整性保护

　　3G的完整性保护机制只用在UE和RNC之间信令数据传输中，没有提供用户数据的完整性保护。当然，用户数据没有得到完整性保护并不表明完全不能抵抗攻击者的恶意篡改，差错控制机制能够检测和纠正数据中的一些更改。另外，经过篡改过的数据中所含信息量会较少，解密后很可能没有多少有实际意义的信息，此时用户或应用程序能够检测并采取恰当的方式接收这些更改过的报文，因此对于话音和一般的数据业务，影响不是很大，但对于开展网上银行、网上证券这些新业务，仅通过差错控制机制和加解密提供低等极的完整性保护是不充分的，因此，对于这些要求高安全性的业务，应提供端到端的完整性保护功能。

　　（4）Iu和Iur接口上传输的数据缺乏保护措施

　　VLR/SGSN和RNC之间的接口称为Iu接口，RNC之间的接口称为Iur接口。在3G中，在Iu接口上以明文方式传输保密参数（如完整性密钥IK），如果RNC控制多个Node B且和VLR/SGSN设置在同一地点时, 容易实现Iu接口上数据传输的安全性, 但当VLR/SGSN负责多个分布在不同地点的RNC时，保证Iu接口数据传输的安全性是一项富有挑战性的工作。另外，用户越区切换时，密钥在Iur接口上也是以明文方式传给新的RNC。一旦攻击者通过Iu接口和Iur接口获得密钥，用户随后的通信将没有安全性而言。因此应根据已经形成的接入网安全规范，充分认识接入网、服务网和核心网之间的交互关系，设计一个完整的安全架构，不仅形成一个网络域（接入网、服务网和核心网）实体之间的安全信息交互，而且实现整个网络范围内不同用户之间的安全业务通信，这个工作还有待于进一步研究。

五、总结

　　3G是在全球范围内覆盖与使用的通信网络系统，它是在GSM与GPRS的基础上发展起来的，继承了GPRS网络中有效的安全特征，如采用身份认证和用户数据和信令数据的加密等，并在身份认证、用户数据与信令数据加密和信令消息完整性保护方面克服和改进其不足之处，因此，3G较GPRS在网络接入安全性方面有很大的提高，但3G仍能存在一些安全漏洞，在未来实用3G系统研究与设计中，应考虑这些可能的攻击并加以克服，使用户享受更加安全的通信服务。

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