基于3G网络的企业数据通信安全方案讨论

摘要：随着运营商对3G的投入不断增加，其业务成熟度及信号服务质量也将会不断增强。应运而生的3G路由器凭借其强大的灵活部署能力、低廉的线路成本、不断加强的带宽在多个行业得到了广泛应用，但是随之而来的安全担忧也从未间断。本文从3G安全机制、3G网络在数据通信中的应用、3G路由器安全部署原则和3G路由器安全部署方案，详细阐述了基于3G网络开展企业数据通信应用的安全解决思路。

前言

3G即第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。国内三大运营商支持情况如下：

电信：CDMA2000，可达3.1Mbps；

移动：TD-SCDMA，2.8Mbps；

联通：WCDMA，可达7.2Mbps。

如银行这样的企业用户在传统的有线模式下，无法满足离行ATM、移动网点灵活部署的需求，主要是无长期固定地点，受地域和有线网络限制无法灵活部署，且业务量也小租赁专线的成本过高，存在着高速无线的需求，而3G无线部署是目前最好的解决方案。

随着3G网络业务的不断普及，运营商针对企业用户对"3G移动专用网"的需求推出了3G的VPDN(Virtual Private Dial-Network)业务，即：基于3G无线接入方式的虚拟专用拨号网业务，它是利用L2TP隧道传输协议，就可以在现有的拨号网络上构建一条虚拟的、不受外界干扰的专用通道，从而实现类似采用有线专用网络的方式访问企业内部网资源。

数据通信设备厂商也及时推出了3G路由器来适应行业用户的这个应用趋势，企业网已经进入3G联网时代。

当金融、政府这类网点众多，又拥有大量离行ATM接入、边远乡镇接入和移动网点接入的需求的行业用户，也把目光放到3G接入时，基于3G网络开展企业数据通信的安全性，成为这些对数据安全性要求较高的行业大规模应用3G网络的最大障碍。

3G网络数据通信应用概述

基于3G的数据通信应用有以下几种组网模式：

1、访问internet

图1   访问internet

3G路由器配置3G模块，使用公用的APN名称、用户名密码，通过运营商无线基站接入Internet网络，配置NAT地址转换功能，3G路由器内网PC通过3G网络访问公网资源，如网页浏览、公网邮箱、及时通信、网络下载等资源。

2、Internet +VPN隧道

图2   Internte +VPN隧道

3G路由器配置3G模块，使用公用的APN名称、用户名密码，通过运用商无线基站接入Internet网络，对于需要访问公网资源的数据流，经过配置NAT地址转换后直接与Internet进行通讯。对于需要访问总部机构私网资源的数据流（如：公司VOIP语音电话、视频会议系统、内部办公OA系统等），通过3G路由器与总部路由器建立的Ipsec VPN加密隧道进行直接通信。

3、3G VPDN专网

图3  3G VPDN专网

如上图，为了保证企业大客户3G接入网的业务安全需求，运营商可向用户提供专线APN（Access Point Name）传输方式，为用户提供专用的接入点名称，并可提供用户名、密码、IMSI的多重安全认证功能。LNS为用户总部端设备（路由器、VPN设备）通过专线与运营商网络互连，分支网点的3G路由器配置3G模块，使用企业申请的专用APN名称、用户名密码接入3G网络，运营商通过APN名称或用户名密码判断该用户为企业专网用户后，交由LAC设备触发与用户端LNS设备的L2TP 认证协商，并最终由LNS设备为分支网点3G路由器分配私网IP地址，实现与分支网点与总部私网的专线互通。

基于3G VPDN专网是运营商为行业用户主推的模式，本文将着重分析基于3G VPDN专网应用的安全部署问题，首先看看3G无线有哪些安全机制。

3G无线安全简介

无线通信本身的特点是，既容易让合法用户接入，也容易被潜在的非法用户窃取，因此，安全问题总是同移动通信网络密切相关。

针对无线通信存在的安全问题，3G系统进行了如下优化：

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128 bit，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。

7. 在密钥长度、加密算法选定、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。

但是3G的这些安全机制仅仅局限于无线部分，针对基于3G接入的无线企业网而言，无线部分的安全是远远不够的，需要保证数据在整个传输过程中的安全性，即端到端的安全性。

3G路由器接入安全部署探讨

随着3G数据通信应用的发展，业界专业的数据通信厂家推出了3G安全路由器，能够很好的解决3G网络数据安全传输问题。下面以3G安全路由器在金融离行ATM应用为例做一个分析。

图4  3G接入

如上图所示，金融离行ATM网点使用3G 路由器无线接入3G无线网络，通过运营商3G无线基站及IP核心网连接金融一级或二级网汇聚路由器，实现了离行ATM与金融一级网或二级网的业务互访。

根据应用模式，3G接入安全部署基于以下几点考虑：

接入认证安全

要求在进行3G网络登录时，提供基于用户名、密码、IMSI（international mobile subscriber identity, 国际移动用户识别码）的多重身份认证绑定功能，保证接入用户的唯一性，防止非法用户利用3G网络接入用户专用网络。

端到端的私有性

为了保证用户业务的私密性，必须要求解决方案从网点3G路由器到金融、政府行业一级或二级网汇聚路由器提供端到端的私有专用通道，以保证网点业务在运营商网络传输过程中的私有性。

端到端的安全加密

为了进一步保证网点业务数据在运营商3G无线网络以及IP核心网传输过程中的安全，防止黑客利用其他非法手段截取金融、政府等行业敏感数据，要求安全解决方案必须提供网点3G路由器到金融、政府行业一级或二级网汇聚路由器端到端的加密安全。特别是金融和政府此类信息敏感行业，这种加密安全更需要国密办加密算法的支持，以保障国家信息安全的高度机密性。

图5  3G接入安全部署

3G路由器安全接入解决方案

图6  3G安全接入解决方案

如上图所示，网点的3G安全接入部署方案，分别通过专有APN＋绑定接入认证、L2TP私有隧道、IPSEC安全加密技术来实现3G部署时对接入认证、端到端的私有性、端到端安全加密的安全原则，具体部署方案如下：

专有APN+绑定接入认证

在进行网点的3G无线接入部署时，需要先向运营商申请分配的专网APN（Access Point Name，类似行业专用的3G无线局域网，保证网点接入3G网络后，只能访问行业专用网络，保证无法与其他网络进行通信）。网点采用3G路由器接入，运营商会将网点用户的IMSI信息（IMSI是在运营商网络中唯一识别一个移动用户的号码，由15位数字组成，存于SIM卡中）、终端用户的账号和密码事先配置在运营商认证服务器上。当网点的3G路由器发起无线连接时，只允许绑定信息合法的用户通过用户名、密码的AAA认证后接入3G专用网络，防止非法SIM卡用户拨入用户3G专网。

此外，可进一步通过3G路由器设置SIM卡的PIN码保护功能，只有知道SIM卡的PIN密码才能触发3G拨号，防止非法用户获取到用户SIM卡后进行的非法操作，保证了SIM卡的使用安全。

L2TP＋IPSEC VPN私有隧道

为了保证3G接入网点的数据业务在运营商IP核心网中传输的的私有性，用户向运营商申请企业集团用户3G的VPDN业务，基于3G无线接入方式的虚拟专用拨号网业务，它是利用安全的L2TP隧道传输协议，就可以在现有的拨号网络上构建一条虚拟的、不受外界干扰的专用通道，从而安全访问企业内部网资源。

运营商会为行业用户的3G VPDN业务提供L2TP的LAC端路由器及配套的AAA服务器。金融、政府行业一级网或二级网汇聚层采用一台路由器作为L2TP的LNS端，并部署一台AAA服务器。LAC路由器主要负责对3G用户的接入认证，与该用户所属企业的专有LNS建立L2TP隧道。金融、政府行业一级网或二级网汇聚的AAA服务器主要存放网点路由器建立连接时所需要的用户名和密码。用户名的格式为XX@XX.COM，其中@前面的字符串可以由用户端自行定义，＠后面的字符串即域名。运营商AAA服务器通过域名确认该用户的接入权限。运营商AAA服务器与企业AAA服务器的用户名和密码必须一致。

L2TP私有隧道建立过程如下：

网点路由器通过3G网络在完成对接入用户的APN认证后，路由器启动PPP拨号向LAC发出认证请求。

LAC把认证请求转至运营商LAC AAA服务器。

AAA服务器将会回复认证结果并返回该用户所属的LNS地址、VPDN隧道属性等信息。

LAC向返回的LNS地址发出L2TP隧道建立请求，隧道建立成功（请求建立隧道的认证可选）。

LNS对网点路由器的用户名和密码进行重新认证（LNS对网点路由器的重认证可选）。

L2TP隧道建立完成。网点路由器对应的拨号接口UP，建立正常私有隧道通信。

如果网点发起了能够触发IPSEC VPN的流量，则IPSEC VPN隧道建立过程启动。网点路由器与LNS发起IPSEC VPN连接请求。

图7  加密隧道建立过程

IPSEC安全加密

图8  IPSEC安全加密

针对端到端的安全加密原则， 如前文所述，3G技术有自身的加密验证技术，但是3G的加密验证技术只针对无线部分，而在IP核心网部分，从LAC到LNS之间的L2TP隧道是不加密的，数据还是明文传送。而从LAC到网络中间还有可能经过运营商的IP网络，为了达到端到端的加密传输，需要在网点和总部路由器之间，采用IPSEC 实现端到端的加密，如图8所示：

IPSEC通过AH、ESP协议保证了数据的安全传输：

私有性：用户的敏感数据以密文形式传送

完整性：对接收的数据进行验证，判断数据是否被篡改

真实性：验证数据源，判断数据来自真实的发送者

防重放：防止恶意用户通过重复发送捕获到的数据包所进行的攻击，即接收方会拒绝旧的或重复的数据包。

按照IPSEC VPN技术要求支持的加密算法主要有： DES、DES、AES128、AES192、AES256等 ，要求支持的HASH算法为MD5和SHA等。此外，拥有国家商用密码管理办公室颁发的商用密码产品资质的设备商，除了常见的加密算法外，还能够为金融、政府行业用户的3G接入提供符合国密办加密算法支持，并遵照国密办IPSEC VPN技术规范要求对路由器进行设计，能进一步确保国家信息安全。

结束语

3G技术宣告企业网进入无线联网时代，更加完善的网络安全有利于基于3G接入的无线企业网真正得到规模应用。在信息安全已经上升到国家战略的今天，如何在通信技术不断发展的情况下，始终维持一个相称的、可控的安全机制，也将是一个持续讨论下去的话题。相信在政府和国内民族企业的推动下，坚持中国人建设自己的安全网络，牢牢把握住信息安全竞争中的主动权，3G网络在企业数据通信应用中将得到蓬勃发展。

参考文献 

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国家商用密码管理办公室. 《安全路由器产品密码检测准则》,2009.06

Vijav Bollapragada、Mohamed Khalid . 《IPSec VPN Design》 , 2006.05