CDMA实体认证机制分析

1、引言

随着移动通信技术的发展，通信中的安全问题正受到人们越来越多的关注。它关系到用户、制造商和运营商的切身利益。人们在使用移动通信得到便利的同时，也对通信中的信息安全提出了更高的要求。

由于空中接口的开放性，为确保用户访问网络资源的合法性、安全性以及服务网络的真实性，各种移动通信系统普遍采用了相应的安全机制，这些安全机制主要分为认证和加密，其中认证机制又包括实体认证和消息认证。前者是移动台（Mobile Station，MS）和基站（Base Station，BS）之间为了验证MS或BS的身份真实性而进行的信息交换过程，而后者适用于接收方验证通信内容的真实性和完整性。本文重点研究基于IS-95的cdma2000 1x系统的实体认证机制。

2、CDMA的安全机制

（1）移动通信系统的安全体系结构

移动通信系统的安全体系结构可以分为四个层次和五个安全域，如图1所示。

图1　移动通信系统安全体系结构

四个层次分别为传输层、归属层/服务层、应用层和系统安全管理配置层。五个安全域分别为：（Ⅰ）网络接入安全；（Ⅱ）网络域安全；（Ⅲ）用户域安全；（IV）应用域安全；（V）安全特性的可视性及可配置能力。

（2）CDMA网络安全

CDMA无线链路采用伪随机码（Pseudo_random Noise code，PN）对信号进行扩频，使得信号很难被拦截和窃听，此外，还规定了一系列接入安全机制，如图2所示。由于终端处理能力和空中带宽受限，CDMA安全基于私钥技术，安全协议依赖于一个64 bit认证密钥（A_Key）和终端的电子序列号（ESN），提供以下安全特征；

图2　CDMA网络无线接入安全机制

●匿名性，为终端分配TMSI；

●基于查询/应答的单向认证

●语音/用户数据/用户信令保密。

其中，采用了四种安全算法：蜂窝认证和语音加密算法（Cellular Authentication and Voice Encryption，CAVE），用于查询/应答（Challenge/Response）认证协议和密钥生成；专用长码掩码（Private Long Code Mask，PLCM），控制扩频序列，然后扩频序列与语音数据异或实现语音保密；ORYX，是基于LSFR的流密码，用于无线用户数据加密服务；增强的分组加密算法（Enhanced Cellular Message Encryption Algorithm，E_CMEA），是一个分组密码，用于加密控制信道。

（3）认证

一般在以下场合均需要认证：MS发起呼叫（不含紧急呼叫）、MS接收呼叫、MS位置登记、MS进行补充业务操作、切换（包括在MSC-A内从一个BS切换到另一个BS，从MSC-A切换到MSC-B以及在MSC-B中又发生了内部BS之间的切换等情形）。除此以外，由于受认证技术本身特点的影响，CDMA在更新共享秘密数据（Shared Secret Data，SSD）时还需要特殊的认证，它主要是保证SSD的安全性。认证过程几乎涉及网络中的所有实体，包括MSC、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）以及基站子系统BSS和MS。

在目前的2G和2.5G CDMA系统接入网中的认证过程只对接入CDMA系统的终端进行认证，而终端并不对网络进行认证。这种认证过程能够防止非法终端接入网络、使用网络资源，但无法防止伪基站的攻击。

cdma2000实体认证涉及到的内容有根密钥A_Key和SSD、SSD的更新以及网络对终端认证过程等。

3、cdma 2000 1x的接入安全机制

（1）密钥和相关参数管理

无线接入涉及的安全参数主要有ESN、A_Key、SSD、RAND和呼叫历史参数COUNT，cdma2000 1x主要管理A_Key和SSD的分配和更新。其中，ESN长32bit，是MS的惟一标识，由厂家设定；A_Key是主密钥，用于产生SSD，SSD则用于认证和产生子密钥；RAND是一个32bit的值，与SSD_A和其他参数结合起来对MS在发起/终止呼叫和注册时进行认证；COUNT定义了一个保存在基站中的模64的事件计数。当MS接收到一个参数更新指令后，它将更新COUNT。

在任何时候，每个MS总是拥有一个当前的SSD值，并且整个网络共享一个32 bit的随机值RAND。RAND由服务网络进行周期性地更新。

A_Key长64 bit，存储在MS永久性安全标识存储器中，仅对MS和HLR/AC可知，且不在空中传输。A_Key不直接参与认证和保密，只是用于产生子密钥，而子密钥是用来进行语音、信令及用户数据保密工作的。因此，保证A_Key的安全至关重要。A_Key可以重新设置，终端和网络认证中心AC的A_Key必须同步更新。其设置方法有以下几种：

●由制造商设置，并分发给服务提供商。制造商必须产生和存储密钥，制造商和服务提供商需要建立安全的分发通道，因此对制造商和服务提供商而言，这种方法不太可行，但对用户来说非常方便。

●由服务提供商产生，在销售点由机器分配或由用户手动设置。这种方法的前提是信任经销商，如果是机器分配则要求所有终端具有标准接口，手动设置对用户来说不方便，密钥分配和管理机制也很复杂。

●通过空中服务提供功能（Over The Air Service Provisioning，OTASP）在用户和服务提供商之间实现密钥的产生和分配。终端的A_Key通过OTASP更新，可以切断克隆终端的服务或为合法用户提供新服务，实现简单，是一种受欢迎的A_Key分发机制，也是目前3GPP2建议采用的方法。同时，3GPP2建议用基于Diffie_Hellman密钥交换协议协商A_Key。

SSD长128 bit，存储在MS中，分为两个64 bit的子集：SSD_A和SSD_B。SSD_A用于支持认证过程；SSD_B用于支持语音、信令和数据加密。

新的SSD由CAVE生成，SSD更新成功后，通常BS会发起一个独特查询/响应子过程（为了完成双向认证）。CAVE算法用于SSD更新过程如图3所示。该过程包含了MS对BS的认证，图中的MIN是IMSI的后10位数字。

图3　SSD更新流程

在第一次CAVE算法中以A_Key、ESN及从网络收到的随机数作为CAVE算法的输入，计算出新的SSD。在第二次CAVE算法中使用新生成的SSD，UIM选择的随机数RANDBS及IMSI作为CAVE算法的输入参数，输出一个用于验证的结果值。

（2）认证过程

认证的目的主要是为了确定MS和网络的真实性，在MS和BS之间进行鉴权验证。认证实质上是为验证MS和BS之间是否共享了相同的SSD，如果验证共享了相同的SSD，则对MS进行了成功的验证；否则，认证失败。认证方式包括MS主动通过BS向接入网注册；BS主动对MS认证。两种方式的思想完全相同，不同的是发起认证的流程。

图4是接入网发起对MS的认证概要流程，其过程为：

图4　鉴权流程

a.MSC首先向BS发起认证请求（Authentication Request），然后启动定时器T3260；

b.BS将携带一个要发给MS的随机数（Random Variable Unique Challenge，RANDU）的认证请求消息（Authentication Challenge Message）通过空中接口发给MS；

c.MS基于SSD、特定的RANDU通过认证算法CAVE计算出认证摘要码（AUTHU），并返回携带认证摘要码的认证查询响应消息（Authentication Challenge Response Message）给BS；

d.通过发送认证响应消息（Authentication Response Message）给MSC，MSC在接收到认证响应消息后，停止定时器T3260。

cdma2000中的认证功能包括构成新的算法进行用户认证、认证密钥管理、数据加密密钥产生等。CAVE算法有三个基本部分为：一个32位的线性移位寄存器、16个8位混合寄存器以及一个置换表。上述A_Key、SSD产生过程中都调用了CAVE算法，针对具体的应用有相应的输入和输出参数。

cdma2000 1x提供网络对MS的单向认证。根据AC/HLR和VLR之间是否共享SSD，认证可分为SSD共享和非SSD共享两种情况。在共享SSD时，CAVE算法在VLR中完成，而在非SSD共享时CAVE算法是在AC/HLR中完成。规范中定义了两种主要的认证过程：全局查询/应答认证和惟一查询/应答认证。这两种认证都基于共享SSD的认证。

●全局查询/应答认证

全局认证包括注册认证、发起呼叫认证、寻呼响应认证，如图5所示。全局查询在寻呼和接入信道上启动，MS可在接入信道上完成注册认证、发起呼叫认证、寻呼响应认证等内容。

图5　全局查询/应答认证流程

这一过程只有网络对MS的认证，不能防止网络欺骗，缺点根源为用于认证的RAND是全局的。如果AUTHR被某些MS泄露了。那么它就可能被伪装者使用直至其失效。

●惟一查询/应答认证

惟一查询/应答认证在接入认证失败时启动，或用于验证快速请求的有效性。由BS发起，可以在寻呼信道和接入信道上实现，也可以在前向和反向业务信道上实现，如图6所示。

图6　惟一查询/应答认证流程

如果比较失败，BS拒绝MS的接入，终止进行中的呼叫，或者启动SSD更新过程，这一过程中网络只对某一MS认证，安全性较高。

4、结束语

A_Key的保密性是认证机制起作用的基本前提，从根本上来说，认证的安全性是由A_Key的安全性决定的。虽然在SSD更新中包含MS对VLR的认证，但总的来说，基于IS-95的cdma2000 1x系统的认证主要是网络对MS的认证，这是因为在移动网络建立初期主要考虑保护运营商的利益，减少"克隆"手机的危害。另外，上述认证过程并没有考虑VLR和HLR之间的通信安全，它们之间的信息交互可能是未经加密的，这样，如果攻击者对两者之间的通信进行窃听，则可获取认证向量等重要信息，进而发起重放攻击。

cdma2000新的认证过程正在发展过程中。针对存在的问题，为了提高系统认证的可靠性和互操作性，并有利于第三代移动通信系统之间的互联互通，cdma2000 1x升级系统已经决定采用3GPP的AKA机制；保密机制采用AES算法；所有密钥长度增加到128 bit。新的认证方式称为增强型用户认证（ESA），此方式增强了认证的功能，实现网络和终端的相互认证，可以防止伪基站的入侵。