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摘要：由于使用无线传输和网络的开放性，移动通信面临着很多安全威胁。该文重点研究CDMA系统空中接口的安全机制，详细分析了针对主动攻击的鉴权机制的原理和过程，以及被动攻击的加密机制，其中重点介绍了一种数据加密技术——混合密码体制。
关键词：CDMA系统；安全机制；实体鉴权；空中接口；蜂窝鉴权和话音加密算法；混合密码体制
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2080-02
Analysis of Security in CDMA System Air-interface
CHEN Dan
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Information Science & Technology,Nanjing 210016,China)
Abstract: Due to the use of wireless transmission and networks open, mobile communications is faced with a lot of security threats. This article focuses on security mechanism in CDMA air-interface system. For a detailed analysis, it studies principles and the process of the authentication mechanisms as the initiative to attack, as well as passive attacks on the encryption mechanism, which focuses on a data encryption technologies - hybrid cryptosystem.
Key words:CDMA system;security;entity authentication;air-interface;CAVE;hybrid cryptosystem
1 前言
移动通信系统作为信息传输和交换的重要手段，已成为现代通信网的重要组成部分。随着移动通信技术的快速发展，通信中的安全问题正受到越来越广泛的关注。各个运营商都在努力提高自身网络的服务质量的同时，安全问题成为当今至关重要的问题之一。
移动通信网一般由接入网部分和核心网部分组成。接入网面临的安全威胁主要来自于空中接口。由于空中接口的信息是在无线信道上进行传输的，所以入侵者很容易采用某中接收设备调到相应的频率捕获手机或基站的无线信号，非法取得用户和网络的信息。
该文重点研究CDMA系统空中接口的安全机制。
这些移动通信系统普遍采用的安全机制一般可分为针对主动攻击的鉴权机制和被动攻击的加密机制。
2 CDMA网络的安全机制
CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，由于CDMA采用扩频通信，要截取别人的通信内容几乎是不可能的，而且它采用了一套完善的接入安全机制[1]， 如图1。
CDMA的网络无线接入安全机制采用四种安全算法：1) 蜂窝鉴权和话音加密算法CAVE(Cellular Authentication and Voice Encryption)，用于查询／响应(Challenge／Response)鉴权协议和密钥生成；2) 专用长码掩码PLCM (Private Long Code Mask)算法，用于控制扩频序列，然后将扩频序列与语音数据异或实现语音保密；3) 基于LSFR的流密码的ORYX算法，用于无线用户数据加密服务；4) 增强的分组加密算法E_CMEA (Enhanced Cellular Message Encryption Algo—rithm)，对称密码，用于加密信令消息包括短消息。
3 接入鉴权
鉴权机制一般分为实体鉴权和消息鉴权，前者是移动台和基站之间为了验证移动台或基站的真实身份而进行的信息交换过程；后者用于接收方验证通信内容的完整性和真实性。通常情况下，鉴权过程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。
CDMA系统实体鉴权，利用根密钥A_Key来验证移动终端与访问网络的真实身份。验证过程中，不是直接对两者是否拥有相同的A_Key进行比较，而是对A_Key生成的子密钥SSD进行比较，用户和网络使用相同的算法和随机参数。由两者算法结果相同，可知它们拥有相同的SSD，即相同A_Key，从而完成实体鉴权。
1) 接入实体鉴权的密钥和相关参数CDMA系统实体鉴权过程中涉及的主要参数[2]：ESN,A_Key,SSD,COUNT。其中，ESN长32 bit，是移动终端的唯一标识，由手机制造商分配；A_Key长64 bit，是根密钥，保存在移动台和HLR/AC中；SSD长128 bit，用于鉴权和产生子密钥，SSD可分为SSD_A和SSD_B两部分；COUNT是16 bit（低6位有效），用来纪录移动台接入网络的总数，当MS接收到一个参数更新指令时将更新COUNT。
实体鉴权过程主要包括查询响应过程和SSD更新过程。其中查询响应过程又分为普通查询-响应子过程和独特查询-响应子过程。涉及到的相关参数还有：RANDC,AUTHR,RANDU,AUTHU,RANDSSD,RANDBS,AUTHBS。如表1。
3.2 CDMA系统实体鉴权主要过程[2]
3.2.1 查询响应过程
查询响应过程可以分为普通查询-响应子过程和独特查询-响应子过程。
普通查询-响应子过程，主要包括MS发起呼叫，MS寻呼响应，MS位置登记。在MS发起呼叫，被寻呼而接入或位置登记时用RANDC值进行普通查询-响应子过程。如图2[1]。
具体过程如下：移动台MS首先向基站BS发起接入请求，接着MS根据BS的RANDC计算得到AUTHR。同时，基站使用的相同的RANDC进行相同计算得到一个AUTHR。如果MS和BS拥有相同的RANDC、AUTHR、COUNT，则鉴权过程成功，认为此MS是合法的。
独特查询-响应子过程，是在普通查询-响应子过程失败后使用随机数RANDU由BS对特定的MS进行鉴权。此过程可以在前向和反向业务信道上实现，也可以在控制信道上实现。如图3[1]。
具体过程如下：首先BS生成RANDU发送给MS，接着MS将其作为CAVE算法的输入参数并执行算法。然后MS将计算结果AUTHU发送给基站。BS使用它内部的SSD_A值和与MS相同的算法计算出AUTHU，两者AUTHU相比较，若相同，鉴权成功；若不相同，BS拒绝访问或发起SSD更新。
3.3.2 SSD更新
SSD长128bit，存储在MS中，分为两个部分，SSD_A 和SSD_B。各64bit，SSD_A支持鉴权过程，SSD_B支持语音、信令和数据加密。
CAVE算法用于SSD更新过程。一般，新的SSD由CAVE生成。SSD更新成功后，BS会发起独特查询-响应子过程。执行两次CAVE算法，计算输出用于验证的结果值AUTHBS。第一次CAVE算法中以A_Key，ESN及RANDSSD为参数作为CAVE算法的输入，计算得到SSD_new,输出SSD_A_new,SSD_B_new。然后MS选择随机数RANDBS并在反向信道上发送给BS。BS和MS各以RANDBS为输入参数并执行第二次CAVE算法，分别得到用于验证的结果值AUTHBS。
3.3.3 参数更新过程
参数更新是指对COUNT的更新，COUNT定义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时将更新COUNT，即将COUNT的值加1后模64。此过程不需要使用CAVE算法。
4 加密
CDMA移动通信系统采用了一套完善的鉴权机制对用户进行身份识别、权限控制，进一步提高了系统的安全性和保密性。尽管如此，移动网络的安全问题仍然存在，需要采用一定的加密技术。
空中接口加密对象主要是语音、信令和数据。
4.1 语音、信令加密
语音加密是靠CDMA系统中用PN扩频的专用长码掩码来实现的，只能在业务信道上进行。信令加密能够对在MS到BSC之间的部分信令的加密。一种只能在专用信令控制信道上的部分消息的某些特定域的加密，使用的加密算法有CMEA或ECMEA。另一种能够在专用信令控制信道和公共信令控制信道上的部分信令消息的加密，可以采用CMEA、ECMEA、Rijndael算法。
4.2 数据加密
数据加密，可以进一步提高网络安全，是空中接口加密技术中最主要的组成部分。目前所采用的算法为ORYX、Rijndael算法。众所周知，Rijndael算法能够在分组加密算法的筛选中取胜，成为AES加密标准，因为它不仅具有良好的安全防攻击性能，而且在实现上具有较快的运行速度，相对较少的运算消耗。
在CDMA实际应用的系统中数据加密技术尤其得到重视。在笔者研究的人防警报CDMA远程智能控制系统中，就数据安全性方面，我们提出了一种基于AES和RSA算法的混合密码体制，极好的解决了CDMA公网信道在Internet接入方式下的数据传输安全性问题，而且对数据传输的实时性影响较小。
最常见的数据加密方法有常规密码体制、公开密钥密码体制和混合密码体制。常规密码体制是发方和收方使用相同的密钥分别进行加密和脱密，常用的是算法AES。公开密钥密码体制是发方和收方使用不同的密钥分别进行加密和脱密，常用的是算法RSA。混合密码体制是先采用公开密钥密码体制传送常规密码体制的密钥，然后使用此密钥通过常规密码体制传送数据。
可以用RSA双钥密码体制加密并传送用于数据通信的AES密钥，用AES单钥密码体制来加密传送数据，这就是混合密码体制方案，它兼有AES对称密码体制和RSA非对称密码体制的优点，而且密钥管理简单。
混合密码体制的实现过程如下[5]；发送方A向接收方B传送数据，首先由发送方A向接收方B传送用于AES解密的密钥K。A、B各有一对加密、解密密钥(Kea,Kda)和(Keb,Kdb)，其中Kea, Keb是公开的，而解密密钥是各自保密的。
用RSA方式传送数据加密密钥K如图4所示。最后，发送方A收到E Kea (K)后用自己的解密密钥解密得到K'，并将它与发送前的数据加密密钥K比较，验证K'=K。正确就可以开始用AES方式发送数据加密传送了。
5 小结
3G的CDMA系统安全机制正在发展过程中。新的鉴权过程称为3G鉴权过程，它能够提供终端和网络的互鉴权过程。3G的加密过程，除了增强对语音、信令、数据的加密外，还提供了对信息完整性的保护。3GPP2 S.R0032规定了CDMA2000空中接口支持增强用户鉴权(ESA)和增强用户保密(ESP)。ESA不仅实现网络对中断的鉴权，也实现了终端对网络的鉴权，它可以防止伪基站的入侵。ESP使用了更安全的128bit密钥，更好的保护了语音、信令、数据。
参考文献：
[1] 杨义先,钮心忻.无线通信安全技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2005.
[2] 3GPP2 C.S0005-A, Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems - Addendum 2[S].
[3] 林四川,季新生.CDMA实体认证机制分析[J].电子技术应用,2007(10):189-192.
[4] 辛伟.cdma2000系统的安全机制[J].电信网技术,2003(8):1-5.
[5] 马迪芳,何洪潮,须德.用于数据通信的一种数据加密和数据签名方法[J].铁路计算机应用,1995(2):32-33.
[6] 杜诗武.cdma2000 lx系统中的实体认证及其实现[J].电讯技术,2005,45(4):57-60.
关键词：CDMA系统；安全机制；实体鉴权；空中接口；蜂窝鉴权和话音加密算法；混合密码体制
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2080-02
Analysis of Security in CDMA System Air-interface
CHEN Dan
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Information Science & Technology,Nanjing 210016,China)
Abstract: Due to the use of wireless transmission and networks open, mobile communications is faced with a lot of security threats. This article focuses on security mechanism in CDMA air-interface system. For a detailed analysis, it studies principles and the process of the authentication mechanisms as the initiative to attack, as well as passive attacks on the encryption mechanism, which focuses on a data encryption technologies - hybrid cryptosystem.
Key words:CDMA system;security;entity authentication;air-interface;CAVE;hybrid cryptosystem
1 前言
移动通信系统作为信息传输和交换的重要手段，已成为现代通信网的重要组成部分。随着移动通信技术的快速发展，通信中的安全问题正受到越来越广泛的关注。各个运营商都在努力提高自身网络的服务质量的同时，安全问题成为当今至关重要的问题之一。
移动通信网一般由接入网部分和核心网部分组成。接入网面临的安全威胁主要来自于空中接口。由于空中接口的信息是在无线信道上进行传输的，所以入侵者很容易采用某中接收设备调到相应的频率捕获手机或基站的无线信号，非法取得用户和网络的信息。
该文重点研究CDMA系统空中接口的安全机制。
这些移动通信系统普遍采用的安全机制一般可分为针对主动攻击的鉴权机制和被动攻击的加密机制。
2 CDMA网络的安全机制
CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，由于CDMA采用扩频通信，要截取别人的通信内容几乎是不可能的，而且它采用了一套完善的接入安全机制[1]， 如图1。
CDMA的网络无线接入安全机制采用四种安全算法：1) 蜂窝鉴权和话音加密算法CAVE(Cellular Authentication and Voice Encryption)，用于查询／响应(Challenge／Response)鉴权协议和密钥生成；2) 专用长码掩码PLCM (Private Long Code Mask)算法，用于控制扩频序列，然后将扩频序列与语音数据异或实现语音保密；3) 基于LSFR的流密码的ORYX算法，用于无线用户数据加密服务；4) 增强的分组加密算法E_CMEA (Enhanced Cellular Message Encryption Algo—rithm)，对称密码，用于加密信令消息包括短消息。
3 接入鉴权
鉴权机制一般分为实体鉴权和消息鉴权，前者是移动台和基站之间为了验证移动台或基站的真实身份而进行的信息交换过程；后者用于接收方验证通信内容的完整性和真实性。通常情况下，鉴权过程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。
CDMA系统实体鉴权，利用根密钥A_Key来验证移动终端与访问网络的真实身份。验证过程中，不是直接对两者是否拥有相同的A_Key进行比较，而是对A_Key生成的子密钥SSD进行比较，用户和网络使用相同的算法和随机参数。由两者算法结果相同，可知它们拥有相同的SSD，即相同A_Key，从而完成实体鉴权。
1) 接入实体鉴权的密钥和相关参数CDMA系统实体鉴权过程中涉及的主要参数[2]：ESN,A_Key,SSD,COUNT。其中，ESN长32 bit，是移动终端的唯一标识，由手机制造商分配；A_Key长64 bit，是根密钥，保存在移动台和HLR/AC中；SSD长128 bit，用于鉴权和产生子密钥，SSD可分为SSD_A和SSD_B两部分；COUNT是16 bit（低6位有效），用来纪录移动台接入网络的总数，当MS接收到一个参数更新指令时将更新COUNT。
实体鉴权过程主要包括查询响应过程和SSD更新过程。其中查询响应过程又分为普通查询-响应子过程和独特查询-响应子过程。涉及到的相关参数还有：RANDC,AUTHR,RANDU,AUTHU,RANDSSD,RANDBS,AUTHBS。如表1。
3.2 CDMA系统实体鉴权主要过程[2]
3.2.1 查询响应过程
查询响应过程可以分为普通查询-响应子过程和独特查询-响应子过程。
普通查询-响应子过程，主要包括MS发起呼叫，MS寻呼响应，MS位置登记。在MS发起呼叫，被寻呼而接入或位置登记时用RANDC值进行普通查询-响应子过程。如图2[1]。
具体过程如下：移动台MS首先向基站BS发起接入请求，接着MS根据BS的RANDC计算得到AUTHR。同时，基站使用的相同的RANDC进行相同计算得到一个AUTHR。如果MS和BS拥有相同的RANDC、AUTHR、COUNT，则鉴权过程成功，认为此MS是合法的。
独特查询-响应子过程，是在普通查询-响应子过程失败后使用随机数RANDU由BS对特定的MS进行鉴权。此过程可以在前向和反向业务信道上实现，也可以在控制信道上实现。如图3[1]。
具体过程如下：首先BS生成RANDU发送给MS，接着MS将其作为CAVE算法的输入参数并执行算法。然后MS将计算结果AUTHU发送给基站。BS使用它内部的SSD_A值和与MS相同的算法计算出AUTHU，两者AUTHU相比较，若相同，鉴权成功；若不相同，BS拒绝访问或发起SSD更新。
3.3.2 SSD更新
SSD长128bit，存储在MS中，分为两个部分，SSD_A 和SSD_B。各64bit，SSD_A支持鉴权过程，SSD_B支持语音、信令和数据加密。
CAVE算法用于SSD更新过程。一般，新的SSD由CAVE生成。SSD更新成功后，BS会发起独特查询-响应子过程。执行两次CAVE算法，计算输出用于验证的结果值AUTHBS。第一次CAVE算法中以A_Key，ESN及RANDSSD为参数作为CAVE算法的输入，计算得到SSD_new,输出SSD_A_new,SSD_B_new。然后MS选择随机数RANDBS并在反向信道上发送给BS。BS和MS各以RANDBS为输入参数并执行第二次CAVE算法，分别得到用于验证的结果值AUTHBS。
3.3.3 参数更新过程
参数更新是指对COUNT的更新，COUNT定义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时将更新COUNT，即将COUNT的值加1后模64。此过程不需要使用CAVE算法。
4 加密
CDMA移动通信系统采用了一套完善的鉴权机制对用户进行身份识别、权限控制，进一步提高了系统的安全性和保密性。尽管如此，移动网络的安全问题仍然存在，需要采用一定的加密技术。
空中接口加密对象主要是语音、信令和数据。
4.1 语音、信令加密
语音加密是靠CDMA系统中用PN扩频的专用长码掩码来实现的，只能在业务信道上进行。信令加密能够对在MS到BSC之间的部分信令的加密。一种只能在专用信令控制信道上的部分消息的某些特定域的加密，使用的加密算法有CMEA或ECMEA。另一种能够在专用信令控制信道和公共信令控制信道上的部分信令消息的加密，可以采用CMEA、ECMEA、Rijndael算法。
4.2 数据加密
数据加密，可以进一步提高网络安全，是空中接口加密技术中最主要的组成部分。目前所采用的算法为ORYX、Rijndael算法。众所周知，Rijndael算法能够在分组加密算法的筛选中取胜，成为AES加密标准，因为它不仅具有良好的安全防攻击性能，而且在实现上具有较快的运行速度，相对较少的运算消耗。
在CDMA实际应用的系统中数据加密技术尤其得到重视。在笔者研究的人防警报CDMA远程智能控制系统中，就数据安全性方面，我们提出了一种基于AES和RSA算法的混合密码体制，极好的解决了CDMA公网信道在Internet接入方式下的数据传输安全性问题，而且对数据传输的实时性影响较小。
最常见的数据加密方法有常规密码体制、公开密钥密码体制和混合密码体制。常规密码体制是发方和收方使用相同的密钥分别进行加密和脱密，常用的是算法AES。公开密钥密码体制是发方和收方使用不同的密钥分别进行加密和脱密，常用的是算法RSA。混合密码体制是先采用公开密钥密码体制传送常规密码体制的密钥，然后使用此密钥通过常规密码体制传送数据。
可以用RSA双钥密码体制加密并传送用于数据通信的AES密钥，用AES单钥密码体制来加密传送数据，这就是混合密码体制方案，它兼有AES对称密码体制和RSA非对称密码体制的优点，而且密钥管理简单。
混合密码体制的实现过程如下[5]；发送方A向接收方B传送数据，首先由发送方A向接收方B传送用于AES解密的密钥K。A、B各有一对加密、解密密钥(Kea,Kda)和(Keb,Kdb)，其中Kea, Keb是公开的，而解密密钥是各自保密的。
用RSA方式传送数据加密密钥K如图4所示。最后，发送方A收到E Kea (K)后用自己的解密密钥解密得到K'，并将它与发送前的数据加密密钥K比较，验证K'=K。正确就可以开始用AES方式发送数据加密传送了。
5 小结
3G的CDMA系统安全机制正在发展过程中。新的鉴权过程称为3G鉴权过程，它能够提供终端和网络的互鉴权过程。3G的加密过程，除了增强对语音、信令、数据的加密外，还提供了对信息完整性的保护。3GPP2 S.R0032规定了CDMA2000空中接口支持增强用户鉴权(ESA)和增强用户保密(ESP)。ESA不仅实现网络对中断的鉴权，也实现了终端对网络的鉴权，它可以防止伪基站的入侵。ESP使用了更安全的128bit密钥，更好的保护了语音、信令、数据。
参考文献：
[1] 杨义先,钮心忻.无线通信安全技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2005.
[2] 3GPP2 C.S0005-A, Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems - Addendum 2[S].
[3] 林四川,季新生.CDMA实体认证机制分析[J].电子技术应用,2007(10):189-192.
[4] 辛伟.cdma2000系统的安全机制[J].电信网技术,2003(8):1-5.
[5] 马迪芳,何洪潮,须德.用于数据通信的一种数据加密和数据签名方法[J].铁路计算机应用,1995(2):32-33.
[6] 杜诗武.cdma2000 lx系统中的实体认证及其实现[J].电讯技术,2005,45(4):57-60.