認(rèn)證技術(shù)及其在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

     從大的方面說，通信領(lǐng)域需要解決的核心問題有兩個，即所謂可靠性問題和有效性問題。任何一種技術(shù)的產(chǎn)生或者協(xié)議的制定都是緊緊圍繞這兩點(diǎn)的。以計算機(jī)通信為例，根據(jù)ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)所定義的OSI(開放系統(tǒng)互連)模型，將其功能劃分為相對獨(dú)立的七個層次。而在每一層次，無論是鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層還是傳輸層，都根據(jù)具體需要采取了相應(yīng)的技術(shù)和協(xié)議來解決可靠性和有效性的問題。安全性是可靠性問題的一個重要方面。在很多情況下不僅僅要求信息在信道上被準(zhǔn)確無誤地傳輸，而且還要求能夠確認(rèn)對方的身份，并且設(shè)法將通信內(nèi)容的可知性限制在一定的范圍內(nèi)。認(rèn)證技術(shù)和加密技術(shù)可以滿足上述需要。

　　1 認(rèn)證的理論和技術(shù)

     認(rèn)證主要包括用戶身份認(rèn)證和信息認(rèn)證兩個方面。前者用于證明或否認(rèn)通信實體所宣稱的身份，后者用于對通信信息進(jìn)行完整性檢查并提供發(fā)送方的不可抵賴性。在某些情況下，信息認(rèn)證甚至比信息保密更為重要[1]，因為有時主動攻擊的威脅遠(yuǎn)大于被動攻擊。下面分別對兩種認(rèn)證的理論和技術(shù)進(jìn)行討論，其默認(rèn)前提條件是通信雙方已經(jīng)就加密算法和所用密鑰達(dá)成了一致。

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　　1.1 身份認(rèn)證

   身份認(rèn)證的方法有口令匹配法、基于智能卡的身份認(rèn)證和生物特征認(rèn)證法。下面重點(diǎn)研究基于共享密鑰的身份認(rèn)證技術(shù)。這種認(rèn)證技術(shù)的原理是驗證通信雙方是否擁有相同的密鑰，常用的協(xié)議形式是詢問/響應(yīng)模式。認(rèn)證過程如圖1所示，過程描述如下：

　　(a)首先甲方選擇一個隨機(jī)數(shù)R1，并將它發(fā)送給乙方；

　　(b)乙方收到R1后使用既定的算法對它進(jìn)行加密，同時也選擇一個隨機(jī)數(shù)R2，然后將加密結(jié)果E{K,R1}和R2發(fā)送給甲方；

        (c)甲方使用密鑰K對E{K,R1}進(jìn)行解密得到R1’，將R1’與R1進(jìn)行比較。如果相等，使用K對R2進(jìn)行加密，并將加密結(jié)果E{K,R2}發(fā)送給乙方；否則，甲方對乙方的認(rèn)證以失敗結(jié)束；

　　(d)乙方使用K對E{K,R2}進(jìn)行解密得到R2’，將R2與R2’進(jìn)行比較，如果相等，則甲方就通過了乙方的認(rèn)證；否則，乙方對甲方的認(rèn)證失敗。

　　顯然，上述過程完成了雙向認(rèn)證，既包括甲方對乙方的認(rèn)證，也包括乙方對甲方的認(rèn)證。只有兩次認(rèn)證都成功時，整個認(rèn)證結(jié)果才是成功的。

     根據(jù)使用的加密算法的不同，基于密鑰的身份認(rèn)證又可分為秘密密鑰加密認(rèn)證和公開密鑰加密認(rèn)證[2]。也可以采用消息摘要進(jìn)行身份認(rèn)證，過程如圖2所示，說明如下：

　　(a)甲方生成一個時間戳1，然后將它附在密鑰之后，計算聯(lián)合消息摘要MD{密鑰 || 時間戳1}，將時間戳1和MD{密鑰 || 時間戳1}發(fā)送給乙方；

　　(b)乙方將甲方的時間戳1附在自己的密鑰之后計算聯(lián)合消息摘要，并將結(jié)果同MD{密鑰 || 時間戳1}進(jìn)行比較。若結(jié)果不一致，則認(rèn)證失??；若結(jié)果一致，則甲方就通過了乙方的認(rèn)證。乙方同樣選擇一個時間戳2，把它放在密鑰之后計算聯(lián)合消息摘要 MD{密鑰 || 時間戳2}，并將時間戳2和聯(lián)合消息摘要MD{密鑰 || 時間戳2}一起發(fā)給甲方；

　　(c)甲方同樣計算一個聯(lián)合消息摘要，然后將它與MD{密鑰 || 時間戳2}進(jìn)行比較，完成對乙方的認(rèn)證。

 這種方法比對隨機(jī)數(shù)加密的方法具有更高的安全性，可以有效抵御重放攻擊。

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　　1.2 信息認(rèn)證

    信息認(rèn)證檢測的內(nèi)容包括[3]：證實信息的發(fā)方和收方；判斷信息的內(nèi)容是否完整，是否被篡改；通過序列號或時間戳來判斷信息的新鮮度。信息認(rèn)證的基本方法有兩種，一種是采用消息認(rèn)證碼MAC(Message Authentication Code)；另一種是采用消息檢測碼MDC(Message Detection Code)。
　1.2.1 采用消息認(rèn)證碼的信息認(rèn)證

　　MAC認(rèn)證過程如圖3所示。

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 (1) 甲方利用帶有秘密密鑰的單向散列函數(shù)將要發(fā)送的消息變換成一個固定比特長度的消息認(rèn)證碼，然后將消息認(rèn)證碼附在待發(fā)送的消息后發(fā)送給乙方；

　　(2) 乙方使用單向散列函數(shù)對消息進(jìn)行運(yùn)算，同樣得到一個認(rèn)證碼，將該碼與收到的認(rèn)證碼作比較，若相等則消息通過認(rèn)證，否則就認(rèn)為消息在傳輸過程中出現(xiàn)問題。

 乙方向甲方發(fā)送消息時操作同上。為了防止重放攻擊，實際的協(xié)議中常采用序列號或者時間戳機(jī)制來指示當(dāng)前消息的新鮮度。

 1.2.2 采用消息檢測碼的信息認(rèn)證

　　與采用消息認(rèn)證碼的信息認(rèn)證不同，MDC利用不帶密鑰的散列函數(shù)將要傳送的消息變換成固定長度的消息檢測碼，附在消息后面一起傳送。過程與1.2.1類似，此處不再贅述。

　　1.2.3 數(shù)字簽名和不可抵賴性

　　公鑰加密算法可以提供數(shù)字簽名(Digital Signatures)的功能。但對于較長的消息，計算數(shù)字簽名很麻煩，而計算該消息摘要的數(shù)字簽名則相對簡單得多。因此，可以將數(shù)字簽名與消息摘要相結(jié)合進(jìn)行認(rèn)證，此時數(shù)字簽名可以提供不可抵賴的安全功能[4]。

　　2 移動通信系統(tǒng)中的認(rèn)證機(jī)制

     在設(shè)計移動通信系統(tǒng)的認(rèn)證協(xié)議時，針對無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，主要考慮三個因素[5]：移動設(shè)備運(yùn)算能力的局限性；空中接口帶寬的受限性；用戶身份和位置信息的保密性。實際上，這些要求也就是3GPP和3GPP2等國際組織制定相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，目前的認(rèn)證算法均采用速度較快的對稱算法，在空中接口傳輸?shù)恼J(rèn)證參數(shù)長度都較小，采用TMSI提供用戶身份的保密性。下面介紹幾種實用的移動通信系統(tǒng)所采用的認(rèn)證機(jī)制。

　2.1 GSM和UMTS采用的認(rèn)證機(jī)制

　　2.1.1 GSM的認(rèn)證機(jī)制

     GSM系統(tǒng)的身份認(rèn)證思路是：網(wǎng)絡(luò)側(cè)驗證用戶是否與AUC(認(rèn)證中心)持有相同的認(rèn)證密鑰Ki。其身份認(rèn)證過程[6]如圖4所示。

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     顯而易見，GSM系統(tǒng)的身份認(rèn)證是不完整的，它只支持網(wǎng)絡(luò)對用戶的認(rèn)證，不支持用戶對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證。正如文獻(xiàn)[7]所指出的，單向認(rèn)證容易受到偽裝基站及中間人攻擊。此外，GSM系統(tǒng)沒有提供消息認(rèn)證的功能。

　　2.1.2 UMTS的認(rèn)證機(jī)制

　　針對GSM系統(tǒng)認(rèn)證機(jī)制存在的問題，UMTS系統(tǒng)采用了新的認(rèn)證機(jī)制，該機(jī)制是對GSM系統(tǒng)的認(rèn)證機(jī)制的繼承和增強(qiáng)。其增強(qiáng)措施[8]包括：增加了用戶對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證，從而實現(xiàn)了雙向認(rèn)證；增加了用于信息認(rèn)證的算法和密鑰IK；認(rèn)證向量增加為五元組；認(rèn)證參數(shù)AUTH中引入了序列號SQN，保證了認(rèn)證參數(shù)的新鮮度，可以有效防止重放攻擊；增加了匿名密鑰AK，用來隱藏序列號SQN，進(jìn)而提供身份和位置的保密性；提供了安全性更高的認(rèn)證算法。UMTS的認(rèn)證過程[9]如圖5所示。2.2 CDMA2000采用的認(rèn)證機(jī)制

　　CDMA2000系統(tǒng)支持的認(rèn)證機(jī)制有兩套，一套是基于IS-95的第二代認(rèn)證機(jī)制；另一套是采用3GPP的AKA協(xié)議的第三代認(rèn)證機(jī)制。

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　　2.2.1 基于IS-95的認(rèn)證機(jī)制

      基于IS-95的認(rèn)證機(jī)制的基本思路是：驗證移動終端與訪問網(wǎng)絡(luò)之間是否擁有相同的密鑰A-key。該機(jī)制包括普通-查詢響應(yīng)、獨(dú)特-查詢響應(yīng)、SSD更新、參數(shù)更新等過程。其認(rèn)證算法采用標(biāo)準(zhǔn)化的CAVE算法。詳細(xì)過程請參見3GPP2空中接口規(guī)范C.S0005。表1給出了認(rèn)證過程所涉及的主要參數(shù)。

　　認(rèn)證技術(shù)及其在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　與GSM系統(tǒng)類似，基于IS-95的認(rèn)證機(jī)制中也只有網(wǎng)絡(luò)對用戶的認(rèn)證，并且同樣不支持信息認(rèn)證。

　　2.2.2 3G系統(tǒng)的認(rèn)證機(jī)制

　　為了提高認(rèn)證的安全性和系統(tǒng)的互操作性，3GPP2決定在第三代CDMA2000系統(tǒng)中采用3GPP的AKA機(jī)制。該機(jī)制的內(nèi)容與2.1.2小節(jié)UMTS的認(rèn)證機(jī)制相同。

    身份認(rèn)證與信息認(rèn)證的主要區(qū)別在于：信息認(rèn)證對時效性沒有要求，而身份認(rèn)證遵守相關(guān)協(xié)議，有時間要求；另外，信息認(rèn)證中的消息本身具有意義，而身份認(rèn)證中的消息通常不具有特定的含義。雖然與廣泛應(yīng)用的Schnorr、Kerberos等認(rèn)證協(xié)議相比，限于終端的計算能力和空中接口的帶寬，移動通信系統(tǒng)中的認(rèn)證協(xié)議還略顯簡單，但對于空中接口而言這些機(jī)制有效地保證了空中鏈路的安全性。隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有因特網(wǎng)的逐步融合，身份認(rèn)證的重點(diǎn)將由空中接口鏈路的安全性轉(zhuǎn)移到訪問基于移動IP的因特網(wǎng)資源和服務(wù)的安全性。另外，移動通信系統(tǒng)與Wi-Fi、WLAN等無線系統(tǒng)之間互聯(lián)時的認(rèn)證機(jī)制也是今后研究的熱點(diǎn)。