GSM的安全性管理

1、第十二講第十二講 GSM的安全性管理的安全性管理2021-12-262主要內(nèi)容主要內(nèi)容n三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法n加密加密n設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別nTMSI碼碼nPIN碼碼3三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法 用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生過程如下: 每個(gè)用戶在購買MS(或只是SIM卡)并進(jìn)行初始注冊時(shí), 都會(huì)獲得一個(gè)用戶電話號(hào)碼和國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼(IMSI)。 這兩個(gè)號(hào)碼往往具有可選性, 但一旦選定, 便不能修改, 因?yàn)镮MSI會(huì)被SIM卡寫卡機(jī)一次寫入到用戶的SIM卡中。在IMSI寫入的同時(shí), 寫卡機(jī)中還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)此IMSI的惟一的用戶鑒權(quán)鍵(128比特Ki)。

2、IMSI和相應(yīng)的Ki在用戶SIM卡和鑒權(quán)中心(AUC)中都會(huì)分別存儲(chǔ), 而且它們還分別存儲(chǔ)著鑒權(quán)算法(A3)和加密算法(A5和A8)。AUC中還有一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器, 用于產(chǎn)生一個(gè)不可預(yù)測的偽隨機(jī)數(shù)(RAND)。RAND和Ki經(jīng)AUC中的A8算法產(chǎn)生一個(gè)密鑰(Kc), 經(jīng)A3算法產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)數(shù)(SRES)。 密鑰(Kc)、響應(yīng)數(shù)(SRES)和相應(yīng)的偽隨機(jī)數(shù)(RAND)一起構(gòu)成了用戶的一個(gè)三參數(shù)組。 4三參數(shù)組的提供 RAND產(chǎn) 生 隨 機(jī) 數(shù)KiIMSI2KiIMSI1數(shù) 據(jù) 庫IMSI和 鑒 權(quán)鑒 權(quán) 算 法A3結(jié) 果SRES加 密 算 法A8結(jié) 果KcRANDRANDSRESKc將 三 參

3、 數(shù) 組傳 送 給HLR三 參 數(shù) 組5 一般情況下一般情況下, AUC一次能產(chǎn)生這樣的一次能產(chǎn)生這樣的5個(gè)三參數(shù)組。個(gè)三參數(shù)組。 AUC會(huì)會(huì)把這些三參數(shù)組傳送給用戶的把這些三參數(shù)組傳送給用戶的HLR, HLR自動(dòng)存儲(chǔ)自動(dòng)存儲(chǔ), 以備后用。以備后用。 對一個(gè)用戶對一個(gè)用戶, HLR最多可存儲(chǔ)最多可存儲(chǔ)10組三參數(shù)。當(dāng)組三參數(shù)。當(dāng)MSCVLR向向HLR請求傳送三參數(shù)組時(shí)請求傳送三參數(shù)組時(shí), HLR會(huì)一次性地向會(huì)一次性地向MSCVLR傳送傳送5組三參數(shù)組。組三參數(shù)組。MSCVLR一組一組地用一組一組地用, 當(dāng)用到只剩當(dāng)用到只剩2組時(shí)組時(shí), 就就向向HLR請求再次傳送。這樣做的一大好處是鑒權(quán)算法程序

4、的執(zhí)請求再次傳送。這樣做的一大好處是鑒權(quán)算法程序的執(zhí)行時(shí)間不占用移動(dòng)用戶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理時(shí)間行時(shí)間不占用移動(dòng)用戶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理時(shí)間, 有利于提高呼叫接有利于提高呼叫接續(xù)速度。續(xù)速度。 6 鑒權(quán)鑒權(quán) 1) 鑒權(quán)的作用鑒權(quán)的作用為檢測和防止移動(dòng)通信中的盜用等非法使用移動(dòng)通信資源和業(yè)為檢測和防止移動(dòng)通信中的盜用等非法使用移動(dòng)通信資源和業(yè)務(wù)的現(xiàn)象務(wù)的現(xiàn)象, 保證網(wǎng)絡(luò)安全和保障電信運(yùn)營者及用戶的正當(dāng)權(quán)益保證網(wǎng)絡(luò)安全和保障電信運(yùn)營者及用戶的正當(dāng)權(quán)益, 移動(dòng)用戶鑒權(quán)是一種行之有效的方法移動(dòng)用戶鑒權(quán)是一種行之有效的方法, 它的引入和使用也是它的引入和使用也是GSM系統(tǒng)優(yōu)越于模擬移動(dòng)通信的一個(gè)重要方面。系統(tǒng)優(yōu)越于

5、模擬移動(dòng)通信的一個(gè)重要方面。 7 2) 鑒權(quán)場合鑒權(quán)場合 鑒權(quán)是一個(gè)需要全網(wǎng)配合、共同支持的處理過程鑒權(quán)是一個(gè)需要全網(wǎng)配合、共同支持的處理過程, 幾乎涉及移幾乎涉及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中所有實(shí)體動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中所有實(shí)體, 包括移動(dòng)交換中心包括移動(dòng)交換中心(MSC)、 訪問者位訪問者位置寄存器置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器、歸屬位置寄存器(HLR)、 鑒權(quán)中心鑒權(quán)中心(AUC)以以至基站子系統(tǒng)至基站子系統(tǒng)(BSS)和移動(dòng)臺(tái)。在哪些場合需要進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)臺(tái)。在哪些場合需要進(jìn)行鑒權(quán), 不僅不僅關(guān)系到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和技術(shù)應(yīng)用的覆蓋范圍關(guān)系到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和技術(shù)應(yīng)用的覆蓋范圍, 并進(jìn)而影響并進(jìn)而影響到鑒權(quán)的

6、作用效果到鑒權(quán)的作用效果, 同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷和業(yè)務(wù)處理能力等諸多方面。荷和業(yè)務(wù)處理能力等諸多方面。 8 GSM系統(tǒng)常用的鑒權(quán)場合包括系統(tǒng)常用的鑒權(quán)場合包括: (1) 移動(dòng)用戶發(fā)起呼叫移動(dòng)用戶發(fā)起呼叫(不含緊急呼叫不含緊急呼叫); (2) 移動(dòng)用戶接受呼叫移動(dòng)用戶接受呼叫; (3) 移動(dòng)臺(tái)位置登記移動(dòng)臺(tái)位置登記; (4) 移動(dòng)用戶進(jìn)行補(bǔ)充業(yè)務(wù)操作移動(dòng)用戶進(jìn)行補(bǔ)充業(yè)務(wù)操作; (5) 切換切換(包括在包括在MSCA內(nèi)從一個(gè)內(nèi)從一個(gè)BS切換到另一個(gè)切換到另一個(gè)BS、從、從MSCA切換到切換到MSCB以及在以及在MSCB中又發(fā)生了內(nèi)部中又發(fā)生了內(nèi)

7、部BS之間的切換等情形之間的切換等情形)。 9 3) 鑒權(quán)方式和規(guī)程鑒權(quán)方式和規(guī)程 如前所述如前所述, GSM的鑒權(quán)算法是的鑒權(quán)算法是A3算法。算法。A3算法有兩個(gè)輸入算法有兩個(gè)輸入?yún)?shù)參數(shù):用戶用戶IMSI對應(yīng)的固定密鑰對應(yīng)的固定密鑰Ki和和AUC本地產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)本地產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)(RAND), 其運(yùn)算結(jié)果是一個(gè)其運(yùn)算結(jié)果是一個(gè)32 bit長的用戶鑒權(quán)響應(yīng)值長的用戶鑒權(quán)響應(yīng)值(SRES)。 10鑒權(quán)的過程簡述如下：首先是網(wǎng)絡(luò)方的鑒權(quán)的過程簡述如下：首先是網(wǎng)絡(luò)方的MSC/VLR向移向移動(dòng)臺(tái)發(fā)出鑒權(quán)命令信息動(dòng)臺(tái)發(fā)出鑒權(quán)命令信息, 其中包含鑒權(quán)算法所需的隨機(jī)其中包含鑒權(quán)算法所需的隨機(jī)數(shù)數(shù)(RAND)

8、。 移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)臺(tái)的SIM卡在收到命令之后卡在收到命令之后, 先將先將RAND與自身存儲(chǔ)的與自身存儲(chǔ)的Ki, 經(jīng)經(jīng)A3算法得出一個(gè)響應(yīng)數(shù)算法得出一個(gè)響應(yīng)數(shù)(SRES), 再通過鑒權(quán)響應(yīng)信息再通過鑒權(quán)響應(yīng)信息, 將將SRES值傳回網(wǎng)絡(luò)方。值傳回網(wǎng)絡(luò)方。網(wǎng)絡(luò)方在給移動(dòng)臺(tái)發(fā)出鑒權(quán)命令的同時(shí)網(wǎng)絡(luò)方在給移動(dòng)臺(tái)發(fā)出鑒權(quán)命令的同時(shí), 也采用同樣的也采用同樣的算法得到自己的一個(gè)響應(yīng)數(shù)算法得到自己的一個(gè)響應(yīng)數(shù)(SRES)。若這兩個(gè)。若這兩個(gè)SRES完全相同完全相同, 則認(rèn)為該用戶是合法用戶則認(rèn)為該用戶是合法用戶, 鑒權(quán)成功鑒權(quán)成功; 否則否則, 認(rèn)為是非法用戶認(rèn)為是非法用戶, 拒絕用戶的業(yè)務(wù)要求。網(wǎng)絡(luò)方拒絕用戶

9、的業(yè)務(wù)要求。網(wǎng)絡(luò)方A3算算法的運(yùn)行實(shí)體可以是移動(dòng)臺(tái)訪問地的法的運(yùn)行實(shí)體可以是移動(dòng)臺(tái)訪問地的MSC/VLR, 也可也可以是移動(dòng)臺(tái)歸屬地的以是移動(dòng)臺(tái)歸屬地的HLR/AUC。11鑒權(quán)過程示意圖 存 儲(chǔ) 所 有 訪 問 用戶 的 三 參 數(shù) 組 (每 用 戶 17個(gè) 三 參數(shù) 組 )AUC存 儲(chǔ) HLR中所 有 用 戶 的鑒 權(quán) 鍵 Ki對 所 有 用 戶 產(chǎn)生 三 參 數(shù) 組RAND/Kc/SRESHLR臨 時(shí) 存 儲(chǔ) 所有 用 戶 的 三參 數(shù) 組 (每 用戶 1 10個(gè) 三參 數(shù) 組 )依 請求 發(fā) 給 VLRMSC / VLRRAND/Kc/SRESMS存 儲(chǔ) 有 關(guān) 的用 戶 信 息接 入

10、請 求RAND算 法 A3RANDKiSRESSRESM SSRESAUC ？是否不 能 接 入接 入12 加密加密 GSM系統(tǒng)中的加密是指為了在系統(tǒng)中的加密是指為了在BTS和和MS之間交換之間交換用戶信息和用戶參數(shù)時(shí)不被非法用戶截獲或監(jiān)聽而采用戶信息和用戶參數(shù)時(shí)不被非法用戶截獲或監(jiān)聽而采取的措施。因此取的措施。因此, 所有的語音和數(shù)據(jù)均需加密所有的語音和數(shù)據(jù)均需加密, 并且所并且所有有關(guān)用戶參數(shù)也需要加密。有有關(guān)用戶參數(shù)也需要加密。 顯然顯然, 這里的加密只是這里的加密只是針對無線信道進(jìn)行加密。針對無線信道進(jìn)行加密。 13GSM系統(tǒng)加密過程簡述如下系統(tǒng)加密過程簡述如下: 在鑒權(quán)過程中在鑒權(quán)過

11、程中, 移動(dòng)臺(tái)在計(jì)算移動(dòng)臺(tái)在計(jì)算SRES的同時(shí)的同時(shí), 用另一算用另一算法法(A8算法算法)計(jì)算出密鑰計(jì)算出密鑰Kc, 并在并在BTS和和MSC中暫存中暫存Kc。 當(dāng)當(dāng)MSCVLR發(fā)送出加密命令發(fā)送出加密命令(M)時(shí)時(shí), BTS先收到該命令先收到該命令, 再傳送給再傳送給MS。MS將將Kc、TDAM幀號(hào)和加密命令幀號(hào)和加密命令M一起經(jīng)一起經(jīng)A5加密算法加密算法, 對用戶信息數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密對用戶信息數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密(也叫擾碼也叫擾碼), 然然后發(fā)送到無線信道上。后發(fā)送到無線信道上。 BTS收到用戶加密后的信息數(shù)據(jù)流收到用戶加密后的信息數(shù)據(jù)流后后,把該數(shù)據(jù)流、把該數(shù)據(jù)流、TDMA幀號(hào)和幀號(hào)和Kc再經(jīng)

12、過再經(jīng)過A5算法進(jìn)行解密算法進(jìn)行解密, 恢復(fù)信息恢復(fù)信息M, 如果無誤如果無誤, 則告知?jiǎng)t告知MSC/VLR。 至此至此, 加密模加密模式完成。式完成。14加密過程示意圖 存 儲(chǔ) 所 有訪 問 用 戶的 三 參 數(shù)組 (每 用 戶1 7個(gè) 三參 數(shù) 組 )AUC存 儲(chǔ) HLR中所 有 用 戶 的鑒 權(quán) 鍵 Ki對 所 有 用 戶 產(chǎn)生 三 參 數(shù) 組RAND/Kc/SRESHLR臨 時(shí) 存 儲(chǔ)所 有 用 戶的 三 參 數(shù)組 (每 用 戶1 10個(gè)三 參 數(shù) 組 )依 請 求 發(fā)給 VLRMSC / VLRMS存 儲(chǔ) 所 有 與網(wǎng) 絡(luò) 有 關(guān) 的算 法 A5RANDA8(Kc)KcBTS鑒 權(quán)

13、程 序啟 動(dòng) 加 密加 密 模 式 命 令臨 時(shí) 存 儲(chǔ) Kc用 于 與 MS通話 中 的 加 密MA5(加 密 )TDMA幀 號(hào)加 密 信 息“加 密 模 式 完 成 ”KcTDMA幀 號(hào)解 密 信 息“加 密 模 式 完成 ”否 ？加 密 模 式 完 成是15 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別 設(shè)備識(shí)別過程為設(shè)備識(shí)別過程為: 首先是首先是MS向向MSCVLR請求呼叫服務(wù)請求呼叫服務(wù), MSCVLR反過來向反過來向MS請求請求IMEI。MSCVLR在收到在收到MS的的IMEI后后, 將其發(fā)送給將其發(fā)送給EIR。 EIR將收到的將收到的IMEI與其內(nèi)部的三種與其內(nèi)部的三種清單進(jìn)行比較清單進(jìn)行比較, 并把比較結(jié)

14、果發(fā)送給并把比較結(jié)果發(fā)送給MSCVLR。MSCVLR根據(jù)此結(jié)果根據(jù)此結(jié)果, 決定是否接受該移動(dòng)設(shè)備的服務(wù)請求。設(shè)備識(shí)別決定是否接受該移動(dòng)設(shè)備的服務(wù)請求。設(shè)備識(shí)別過程示意圖如圖所示。過程示意圖如圖所示。 何時(shí)需要設(shè)備識(shí)別取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者。目前我國大部分省何時(shí)需要設(shè)備識(shí)別取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者。目前我國大部分省市的市的GSM網(wǎng)絡(luò)均未配置此設(shè)備網(wǎng)絡(luò)均未配置此設(shè)備(EIR), 所以此保護(hù)措施也未起作所以此保護(hù)措施也未起作用。用。 16設(shè)備識(shí)別過程示意圖EIR存 儲(chǔ) 所 有 用 戶 的移 動(dòng) 設(shè) 備 識(shí) 別 碼存 儲(chǔ) 所 有 被 列 入 灰 /黑 名 單 的 設(shè) 備MSC / VLRMS存 儲(chǔ) 本 設(shè) 備識(shí)

15、別 碼 IMEI呼 叫 建 立IMEI請 求發(fā) 送 IMEI檢 查 IMEI接 入 / 禁 止 信 息繼 續(xù) / 停 止呼 叫 建 立 過 程17臨時(shí)移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼臨時(shí)移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼(TMSI) 臨時(shí)移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼臨時(shí)移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼(TMSI)是為了防止非法用戶通過監(jiān)聽無是為了防止非法用戶通過監(jiān)聽無線路徑上傳輸?shù)男帕疃`得合法用戶的用戶識(shí)別碼線路徑上傳輸?shù)男帕疃`得合法用戶的用戶識(shí)別碼(IMSI)或跟或跟蹤移動(dòng)用戶的位置而采取的措施。蹤移動(dòng)用戶的位置而采取的措施。 如前所述如前所述, 為了提高安全性為了提高安全性, IMSI應(yīng)盡量不在無線路徑上傳應(yīng)盡量不在無線路徑上傳輸。為此輸。為此, MSCVLR根

16、據(jù)根據(jù)IMSI變換出相應(yīng)的變換出相應(yīng)的TMSI, 分配給用分配給用戶使用戶使用, 并且不斷地進(jìn)行更換并且不斷地進(jìn)行更換, 更換周期由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者設(shè)置。更更換周期由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者設(shè)置。更換的頻率越高換的頻率越高, 起到的保護(hù)作用越大起到的保護(hù)作用越大, 但由于對用戶的但由于對用戶的SIM卡壽卡壽命有影響命有影響, 因而更換不能過于頻繁。因而更換不能過于頻繁。 18 利用利用TMSI進(jìn)行鑒權(quán)措施的過程如下進(jìn)行鑒權(quán)措施的過程如下:每當(dāng)每當(dāng)MS用用IMSI向系統(tǒng)請求位置更新、向系統(tǒng)請求位置更新、 呼叫嘗試或業(yè)務(wù)激呼叫嘗試或業(yè)務(wù)激活時(shí)活時(shí), MSCVLR對它進(jìn)行鑒權(quán)。允許接入網(wǎng)絡(luò)后對它進(jìn)行鑒權(quán)。允許接入網(wǎng)絡(luò)后

17、, MSCVLR由由IMSI產(chǎn)生出一個(gè)新的產(chǎn)生出一個(gè)新的TMSI, 并將并將TMSI傳送給移傳送給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)將該動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)將該TMSI寫入用戶寫入用戶SIM卡。此后卡。此后, MSCVLR和和MS之間的命令交換就使用之間的命令交換就使用TMIS, 用戶實(shí)際的識(shí)別用戶實(shí)際的識(shí)別碼碼IMSI不再在無線路徑上傳輸。圖所示為移動(dòng)臺(tái)位置更不再在無線路徑上傳輸。圖所示為移動(dòng)臺(tái)位置更新時(shí)產(chǎn)生新的新時(shí)產(chǎn)生新的TMSI的過程。的過程。 19 移動(dòng)臺(tái)位置更新時(shí)產(chǎn)生TMSI的過程 HLR存 儲(chǔ) 路 徑 所 有 歸 屬PLMN的 用 戶 數(shù) 據(jù)MSC / VLR 存 儲(chǔ) 路 徑 所 有 訪 問 用 戶 的 數(shù)

18、據(jù)更 新BSC / BTS存 儲(chǔ) 與 無 線 路徑 有 關(guān) 的 數(shù) 據(jù)MS存 儲(chǔ) 所 有 與 網(wǎng) 絡(luò)有 關(guān) 的 用 戶 信 息更 新 位 置 區(qū) 請 求位 置 更 新 請 求鑒 權(quán)產(chǎn) 生 新 的TMSIVLR存 儲(chǔ) 新 的 TMSI新 的 TMSI啟 動(dòng) 加 密位 置 區(qū) 更 新位 置 區(qū) 更 新新 的 TMSI存 儲(chǔ) 新 TMSI位 置 區(qū) 更 新 完 成位 置 區(qū) 更 新 證 實(shí)VLR刪 除 舊 TMSIIMSI新 TMSI新 TMSIIMSI在 無 線 路 徑 上 使 用 保 密 碼20 PIN碼碼 PIN碼存儲(chǔ)在用戶碼存儲(chǔ)在用戶SIM卡中卡中, 其目的是為了防止用戶賬單其目的是為了防止用戶賬單上產(chǎn)生訛誤計(jì)費(fèi)上產(chǎn)生訛誤計(jì)費(fèi), 保證入局呼叫被正確傳送。保證入局呼叫被正確傳送。 PIN碼由碼由48位位數(shù)字構(gòu)成數(shù)字構(gòu)成, 其具體位數(shù)由用戶自己決定。只有用戶輸入了正確其具體位數(shù)由用戶自己決定。只有用戶輸入了正確的的PIN碼碼, 才能正常使用相應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)。如果用戶輸入了錯(cuò)誤才能正常使用相應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)。如果用戶輸入了錯(cuò)誤的的PIN碼碼, 移動(dòng)臺(tái)會(huì)給用戶發(fā)出錯(cuò)誤提示移動(dòng)臺(tái)會(huì)給用戶發(fā)出錯(cuò)誤提示, 要求