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1、精品学习资源GSM 的安全机制卢丹 070900305 自动化 0701摘要： 本文第一介绍了GSM 系统的结构组成，然后详细描述了GSM 系统的三种安全机制：用户的鉴权和认证，加密机制，匿名机制；其只接受了3 种算法来实现：鉴权算法 A3 ，加密密钥产生算法A8 ，加密算法 A5 ；以独立于终端的硬件设备SIM 卡作为安全模块，治理用户的全部信息，A3 和 A8 在 SIM 卡上实现，增强了系统的安 全性， A5 在终端实现；关键字： GSM，鉴权和认证，加密，匿名，A3 ， A5 ， A8 算法一、 GSM 简介GSM 全名为： Global System for MobileCommun
2、ications ，中文为全球移动通讯系统， 俗称 全球通 ，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是其次代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球；目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM 网，为世界最大的移动通信网络；GSM系统是基于GSM规范制定的；它包括GSM900 ： 900MHz 、 GSM1800 ：1800MHz及 GSM1900 ： 1900MHz等几个频；除了供应基本的语音和数据通信业务外，它 仍供应各种增值业务和承载业务；它接受FDMA/TDMA接入方式以及扩频通信技术，从而提高了频率的复用率，同时，也增强了系统的
3、干扰性；GSM 主要接受电路交换；它主要供应鉴权和加密功能，在确定程度上确保用户和网络的安全；二、 GSM 的系统结构GSM 系统由移动站（MS）、基站子系统（BSS）、网络子系统（NSS）、介于操作人员与系统设备之间的操作与爱惜子系统OSS 和各子系统之间的接口共同组成；如下图所示：移动终端：分为车载型，便携型和手持型种；移动终端通过无线接口接入到GSM网网络；移动终端的一个重要组成部分是SIM 卡；该卡包含用户信息，也包含鉴权和欢迎下载精品学习资源加密信息，每个移动终端都有自己的全球唯独的识别IMEI （国际移动设备标识），网络通过对 IMEI 的检查，可以保证移动终端的合法性；基站子系统
4、：主要由基站收，发信机（BTS ）和基站把握器（ BSC）组成； BTS 主要负责无线传输，包括收发信机和天线等，在网络的固定部分和无线部分之间供应中继服务；而 BSC 就主要负责把握和治理，包括无线信道的支配，释放以及越区切换等；网络子系统：主要由移动交换中心（MSC ），拜望位置寄存器（VLR ），归属位置寄存器（ HLR ），移动设备标识寄存器（EIR ）和鉴权中心（ AuC）组成；（） 移动交换中心：是网络的核心，供应基本交换功能，从而实现移动用户和固定用户的通信连接，并供应位置登记与更新，越区切换和漫游服务等功能；（） 拜望位置寄存器：是一个动态数据库，储备进入其把握区域内的来访的移
5、动用户的有关数据，当用户离开时，其相关的信息将被删除；（） 归属位置寄存器：是系统的中心数据库，储备管辖范畴内的全部移动用户的信息，包括移动用户的号码，用户类别和补充业务等静态数据，仍包括移动用户漫游时的有关动态数据；（） 移动设备标志寄存器：储备移动设备的国际移动设备识别名，通过核查移动终端的 IMEI 来确定起合法性，以防止未经许可的移动终端设备入网；（） 鉴权中心：储备用户的鉴权和加密信息，用来爱惜合法用户的安全性和防止非法用户接入网络；操作与爱惜子系统：负责对全网进行监控与操作；它主要完成移动用户治理，移动设备治理等治理功能以及系统的自检、报警、故障的诊断和处理等操作爱惜功能；OMC
6、是操作爱惜中心，它特地负责对BSC,MSC 和 VLR 等设备的各个功能单元的爱惜和操作；接口：为保证不同设备厂商生产的设备之间能够互连互通，GSM 定义了一套完整的接口规范；三、 GSM 系统的用户鉴权和认证 GSM 系统的安全实体主要有 SIM 卡用户识别模块 ，GSM 手机和基站， GSM 网络子系统；（ 1） SIM 卡SIM卡是一种带有微处理器的智能卡，包 括 ROM 、EEPROM 、RAM三种储备器；卡内设有特地的操作系统，以便把握外部移动设备和其他接口设备对卡上储备数据的拜望；GSM接受 SIM卡作为移动终端上的安全 模块，在卡内储备了用户密钥Ki 、国际移动用户身份号IMSI
7、 、移动用户临时身份号等隐秘信息；其中用户密钥Ki 和国际移动用户身份号IMSI 是在用户入网时，获得的全球唯独的一组数据，这组数据在用户使用期内保持不变，所以，SIM卡是 GSM 系统内唯独标识用户的设备；另外，在 SIM 卡上仍存在有鉴权算法（A3 ）、加密密钥生成算法（A8 ）和 PIN （个人标识号）；其中，PIN 码是为了防止非法用户盗用SIM 卡的一种本地安全机制，即无需 GSM 网络的参与； PIN 码的长度可以是4 8 位十进制数，并可随时更换；用户通过手机终端输入PIN 码，输入的码数将与储备在EEPROM 中的参数PIN 码进行比欢迎下载精品学习资源较，如连续 3 次不一样
8、，就 SIM 卡将被自锁，自锁的卡不能发送TMSI （临时移动用户识别码）和 IMSI ，即无法正常使用，从而起到防止非法用户盗用的目的；（ 2） GSM 手机和基站GSM手机和基站内包含加密算法（A5 ），这两个实体分别从SIM 卡和网络子系统中获得本次通信的会话密钥Kc，然后利用 A5 算法产生加解密密钥流，并与明密文进行 异或，从而实现移动终端和基站之间的通信的爱惜；（ 3） GSM 网络子系统GSM网络中的 AuC （鉴权中心）包含加密算法（A3 、A8 ）、用户标识与鉴别信息数据库；在 GSM 移动通信系统中，当用户入网时，所获得的用户密钥Ki 和国际移动用户身份号 IMSI 不仅要
9、储备在SIM 卡内，仍要储备在鉴权中心的数据库中；依据归属位寄存器 HLR的请求，鉴权中心将利用A3 和 A8 算法产生 3 个参数，即随机数（ RAND ）、预期响应 XRES 和会话密钥（ Kc ），并作为一个三元组送给HLR ，以供鉴权和加密使用；在 GSM 网络中的 HLR和 VLR中只储备上述三元组（RAND 、 XRES 、Kc），其中VLR将作为鉴权响应的实体，即在VLR上完成对用户相应信息的判定，给出用户是否是合法用户的结论；GSM 网络需要通过用户鉴权机制来防止非法用户登陆系统；在鉴权开头时，GSM 网络第一向用户发一个128bit 的随机数，然后用户持有的终端使用鉴权算法（
10、A3 ）和用户鉴权密钥（ Ki ）运算32bit 签名响应，将其发至GSM 网络；网络从数据库中检索 Ki 值，用 A3 算法对原先的 128bit 随机数进行相同的运算，并将这个结果与从接收机接收到的结果相比较；假如两者相符，就用户鉴权成功；由于运算签名响应发生在 SIM 中，因此 ISMI 和 Ki 不必离开 SIM ，使得鉴权相对安全； GSM 鉴权和认证过程GSM 系统中的认证规程在 GSM09.02MAP 协议中定义，全部场合下的认证处理机制完全相同；认证发生在网络知道用户身份（ TMSI/IMSI ）之后、信道加密之前；认证过程也用于产生加密密钥； GSM 网络使用挑战 /响应机制
11、对用户进行鉴权，详细鉴权过程如下图所示：（） GSM 网络侧 VLR 收到业务请求，从中提取TMSI 或 IMSI ，并查看是否储存有认证三元组（ RAND ， XRES ， Kc ），有就可以直接给MS 发送 RAND作为挑战信息，欢迎下载精品学习资源否就连续；（） VLR 向鉴权中心 AuC 发送认证数据请求，其中包含用户的IMSI ；（） 认证中心依据用户的IMSI找到用户的密钥Ki ，然后利用自己产生的随机数RAND ，利用 A3 算法，产生预期响应XRES ，利用 A8 算法产生用于加密的密钥Kc ，即产生认证向量三元组：（RAND ， XRES ， Kc），发送到 MSC/VLR中
12、；（） MSC/VLR将其中的 RAND发送给 MS ， MS 中的 SIM 卡依据收到的 RAND 和储备卡中的 Ki ，利用 A3 和 A8 算法分别运算出用于认证的响应RES 和用于加密的密钥（Kc ），并将 RES 回送到 MSC/VLR 中；（） 在 MSC/VLR里，比较来自 MS 的 RES 和来自认证中心的XRES ，如不同，就认证失败，拒绝用户接入网络；如相同，就认证成功，用户可以拜望网络服务，并在后续的通信过程中，用户和基站之间无线链路的通信利用加密密钥Kc 和 A5 算法进行加密；四、 GSM 系统的加密机制移动台和基站之间接受A5 算法加解密，即只对无线部分进行加密；被
13、加密数据包括信令消息、业务信道上的用户数据和信令信道上无连接的用户数据，接受OSI 第 1 层的加密功能实现，这一机制涉及4 种网络功能：加密方法协商、密钥设置、加/ 解密过程的发起、加 /解密的同步；加密算法接受流密码A5 算法，带加密数据和A5 的输出逐个比特异或； A5 算法对全部移动台和GSM 网络是相同的（用以支持漫游）；A5 算法在运算开头时，先将3 个线性反馈移位寄存器A 、B、C 清零，并把 64bit 的会话密钥 Kc 注入 LFSR 作为其初始值，再将22bit 帧数 Fn 与 LFSR 的反馈值做模 2 加注入LFSR ，之后开启 LFSR 的“听从多数”停走钟控功能，对
14、寄存器进行移位，使密钥和帧号进行充分混合，这样便可产生密钥流；五、 GSM 系统的匿名机制为保证用户身份的隐秘性，对用户的鉴权成功后，网络为用户支配临时移动用户标识TMSI 来代替国际移动用户标识IMSI ，使第三方无法在无线信道上跟踪GSM 用户； TMSI 在 GSM03.03 中定义，只有在某个VLR 范畴内有意义，必需和LAI （位置区域标识符）一起使用； VLR 负责治理合适的数据库来储存TMSI 和 IMSI 之间的对应关系；当 TMSI 认证失败或旧的VLR 不行达时，网络请求MS 发送 IMSI ，利用 IMSI 重复认证步骤；这时 IMSI 以明文形式在空中传输，这是系统的一个漏洞；六、小结总的来说， GSM 接受 3 种安全机制：匿名、鉴权和加密；接受三种算法：鉴权算法A3 ，加密密钥产生算法A8 ，加密算法 A5 ；以独立于终端的硬件设备SIM 卡作为安全模块，治理用户的全部信息，A3 和 A8 在 SIM 卡上实现，增强了系统的安全性，A5 在终端实现；七、参考书目（ 1）对称密码学及其应用，北京邮电高校出版社，李辉等主编，2021 年版；（ 2） GSM 的百度百科；欢迎下载
