何紅永唐曉梅國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心(鄭州450002)
　　 [摘要]:本文分析和比較了目前第二代數(shù)字移動通信中的兩大有代表性的用戶鑒權(quán)體系，并對未來移動通信中的用戶鑒權(quán)提出了意見和建議。

　　[關(guān)鍵詞]:數(shù)字移動通信；移動用戶鑒權(quán)

1.前言

　　為檢測和防止移動通信中的盜打、盜用等各種非法使用移動通信資源和業(yè)務(wù)的現(xiàn)象，保證網(wǎng)絡(luò)安全和保障電信運營者及用戶的正當權(quán)益，移動用戶鑒權(quán)是一種行之有效的方法，它的引入和使用是數(shù)字移動通信優(yōu)越于模擬移動通信的一個重要方面。目前第二代移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均采取了相應(yīng)的用戶鑒權(quán)(或用戶身份認證)技術(shù)，其中包括基于GSM09.02MAP協(xié)議的泛歐數(shù)字移動通信系統(tǒng)(即GSM系統(tǒng))和基于IS－41MAP協(xié)議的北美數(shù)字移動通信系統(tǒng)(如DAMPS和北美CDMA系統(tǒng)等，以下簡稱北美系統(tǒng))，它們各成一派，形成了兩大有代表性的用戶鑒權(quán)技術(shù)體系。本文主要從鑒權(quán)場合、鑒權(quán)算法和鑒權(quán)規(guī)程等方面對GSM系統(tǒng)和北美系統(tǒng)的鑒權(quán)技術(shù)進行分析和比較，并提出對未來移動通信鑒權(quán)技術(shù)的看法和建議。

2.鑒權(quán)場合

在哪些場合需要進行鑒權(quán)，不僅關(guān)系到技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜性和技術(shù)應(yīng)用的覆蓋范圍，并進而影響到鑒權(quán)的作用效果，同時也關(guān)系到整個移動通信網(wǎng)絡(luò)的信令負荷和業(yè)務(wù)處理能力等諸多方面。鑒權(quán)是一個需要全網(wǎng)配合、共同支持的處理過程，幾乎涉及移動通信網(wǎng)絡(luò)中所有實體，包括移動交換中心(MSC)、訪問者位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)以至基站子系統(tǒng)(BSS)和手機(或稱移動終端)。需要鑒權(quán)的場合越多，網(wǎng)絡(luò)能夠防范和保護的面也就越寬，但這也加重了網(wǎng)絡(luò)實體的處理負擔(dān)，并且由于在整個網(wǎng)絡(luò)信令消息中，與鑒權(quán)有關(guān)的消息占據(jù)相當?shù)谋壤?，因而它對公網(wǎng)信令流量的影響也是不容忽視的。所以，在實際應(yīng)用中，通常由運營部門根據(jù)實際情況拆衷考慮，通過OAM功能來選擇與鑒權(quán)有關(guān)的各種配置，鑒權(quán)場合的選擇就是其中一項重要的內(nèi)容。

　　第二代系統(tǒng)一般均支持以下場合的鑒權(quán)：

　　●移動用戶發(fā)起呼叫(不含緊急呼叫)

　　●移動用戶接受呼叫

　　●移動臺位置登記

　　●移動用戶進行補充業(yè)務(wù)操作

　　●切換(包括在MSC－A內(nèi)從一個BS切換到另一個BS、從MSC－A切換到MSC－B以及在MSC－B中又發(fā)生了內(nèi)部BS之間的切換等情形)

　　除此之外，由于受其鑒權(quán)技術(shù)本身特點的影響，北美系統(tǒng)在更新共享秘密數(shù)據(jù)(SSD)時還需要特殊的鑒權(quán)，它主要是保證SSD的安全性。GSM系統(tǒng)則是在加密密鑰序號(CKSN)校驗未通過時而追加鑒權(quán)，以保證加密的安全實施。CKSN校驗本身也可看作為鑒權(quán)的一種替代，即把正規(guī)的“鑒權(quán)—加密”過程簡化為“SKSN校驗—加密”的過程，從而避免每次加密都要重新鑒權(quán)。

3.鑒權(quán)算法和參數(shù)

　　鑒權(quán)算法是用于產(chǎn)生用戶鑒權(quán)所需簽名響應(yīng)值的數(shù)學(xué)方法，它區(qū)別于用戶信令信息加密算法及為獲得加密密鑰所用的算法。算法內(nèi)核不是本文討論的內(nèi)容。這里僅簡單地描述算法涉及的外部輸入輸出的數(shù)據(jù)界面。

　　GSM系統(tǒng)中的鑒權(quán)算法稱為A3算法，它連同用于用戶通信保密的A5和A8算法一起，都由泛歐移動通信諒解備忘錄組織(即GSM的MOU組織)進行統(tǒng)一管理，GSM運營部門需與MOU簽署相應(yīng)的保密協(xié)定后方可獲得具體算法，用戶識別卡(SIM)的制作廠商也需簽定協(xié)議后才能將算法做到SIM卡中。

　　每個用戶在電信局進行初始注冊時，都會分配一個128比特長的用戶密鑰(Ki)，它與用戶的IMSI號碼關(guān)聯(lián)，形成唯一的IMSI－Ki對，燒制到SIM卡中，同時還將IMSI－Ki(經(jīng)A2算法加密處理)對保存在鑒權(quán)中心。

　　A3算法的輸入?yún)?shù)有兩個，一個是用戶IMSI對應(yīng)的固定密鑰Ki，另一個則是AUC本地產(chǎn)生的128比特長的隨機數(shù)(RAND)，運算結(jié)果是一個32比特長的用戶鑒權(quán)響應(yīng)值(SRES)。移動臺和鑒權(quán)中心采用同樣的參數(shù)和算法應(yīng)得到相同的鑒權(quán)響應(yīng)值，網(wǎng)絡(luò)就是據(jù)此來驗證用戶的身份。網(wǎng)絡(luò)側(cè)A3算法的運行實體既可以是移動臺訪問地的MSC/VLR，也可以是移動臺歸屬地的HLR/AUC。

　　北美系統(tǒng)的鑒權(quán)算法、話音保密和信令加密算法統(tǒng)稱為蜂窩鑒權(quán)與話音保密算法(簡稱CAVE)，CAVE由美國政府有關(guān)法規(guī)(即美國國際事務(wù)和軍事條例ITAR以及出口管理條例)控制，只向使用者提供標準的算法接口(輸入輸出參數(shù))。CAVE中與鑒權(quán)有關(guān)的算法程序共有兩種，即鑒權(quán)簽名算法程序和共享秘密數(shù)據(jù)生成算法程序。與GSMA3算法接口的一個重要區(qū)別是：在不同鑒權(quán)場合和不同的鑒權(quán)方式下，CAVE算法輸入?yún)?shù)的組成是不同的，而且不同場合輸出的結(jié)果值在鑒權(quán)信令規(guī)程中的作用也是不同的，移動臺及網(wǎng)絡(luò)實體必須按照要求提供或使用這些參數(shù)及結(jié)果。

4.鑒權(quán)方式和規(guī)程

　　鑒權(quán)規(guī)程定義了移動臺和各網(wǎng)絡(luò)實體相互之間為了實施和完成鑒權(quán)而進行的一系列交互過程及信令消息處理。雖然GSM系統(tǒng)和北美系統(tǒng)所支持的鑒權(quán)場合基本相同，但是就每種鑒權(quán)場合下鑒權(quán)的具體實施而言，兩者又有重大差別。這里主要介紹兩大系統(tǒng)在鑒權(quán)規(guī)程上的主要特點和處理機制。

　　(1)GMS系統(tǒng)

　　GSM系統(tǒng)中的鑒權(quán)規(guī)程在GSM09.02MAP協(xié)議中定義，相對于北美系統(tǒng)而言要簡單得多。所有場合下的鑒權(quán)都一視同仁，處理機制完全相同。在需要鑒權(quán)時，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的MSC/VLR向移動臺發(fā)出鑒權(quán)命令消息，其中包含鑒權(quán)算法所需的隨機數(shù)，移動臺用此隨機數(shù)和自身的Ki算得SRES，通過鑒權(quán)響應(yīng)消息將SRES值傳回網(wǎng)絡(luò)側(cè)，只要其值與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的一致(一般由MSC/VLR進行核對)，就認為是合法用戶，鑒權(quán)成功。如果鑒權(quán)不成功，網(wǎng)絡(luò)可以拒絕用戶的業(yè)務(wù)要求。

　　值得說明的是，AUC可預(yù)先為本網(wǎng)內(nèi)的每個用戶提供若干個鑒權(quán)參數(shù)組(其中包括RAND、SRES和用于加密的Kc)，并在移動臺位置登記時由HLR在響應(yīng)消息中順便傳給VLR，比如一次可先送5組，保存在VLR中待用，以后可視使用情況隨時再向AUC申請。這樣做的一大好處是鑒權(quán)算法程序的執(zhí)行時間不占用移動用戶實時業(yè)務(wù)的處理時間，有利于提高呼叫接續(xù)速度。

　　(2)北美系統(tǒng)

　　北美數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的MAP規(guī)程原先是采用IS－41－B(1991年底頒布)，該標準中當時尚未包含鑒權(quán)和加密規(guī)程，所以涉及鑒權(quán)和加密規(guī)程的這部分內(nèi)容一般參照TSB51臨時標準。直到95年底，最新版本的IS－41－C才正式將鑒權(quán)和加密規(guī)程列入其標準文本之中，從而取代了TSB51。

　　北美系統(tǒng)的鑒權(quán)根據(jù)場合不同采取的方式不盡相同，參與鑒權(quán)運算的參數(shù)(參數(shù)來源或組成)和鑒權(quán)涉及的信令過程也會有所區(qū)別。

　　●標準鑒權(quán)方式：這是可由移動臺根據(jù)基站廣播的要求系統(tǒng)接入鑒權(quán)指示以及鑒權(quán)所用的隨機數(shù)(RAND)而主動進行的一種鑒權(quán)方式，在標準鑒權(quán)過程中還可包含接入事件計數(shù)器(COUNT)的更新。在進行以下系統(tǒng)接入時將采用標準鑒權(quán)：

　　移動用戶主呼

　　移動用戶被呼

　　移動臺位置登記

　　標準鑒權(quán)方式還稱作共用RAND方式，意即某個蜂窩小區(qū)的所有MS都是共用本小區(qū)前向信道/尋呼信道上廣播的隨機數(shù)RANDs，以此作為鑒權(quán)算法輸入?yún)?shù)之一，然后在進行系統(tǒng)接入時通過其初始接入消息提供算出的響應(yīng)值A(chǔ)UTHR和所對應(yīng)的RANDC，并且移動臺還可根據(jù)情況對內(nèi)部保存的COUNT計數(shù)值增1，結(jié)果值同樣放在初始接入消息中送給網(wǎng)絡(luò)方。初始接入消息可以是位置登記，呼叫始發(fā)，或?qū)ず繇憫?yīng)，因而這種形式的鑒權(quán)在A接口上無顯式的規(guī)程，其消息過程隱含在相應(yīng)的位置登記或呼叫建立規(guī)程所用的初始接入消息中。

　　在標準鑒權(quán)中網(wǎng)絡(luò)方需要執(zhí)行三項校驗：一是校驗RANDC，二是校驗AUTHR，三是校驗COUNT，只有三項校驗均通過，才允許移動臺接入。RANDC的檢驗為了驗證移動臺鑒權(quán)所用的隨機數(shù)是否為本交換機(即移動臺準備接入的系統(tǒng))所產(chǎn)生的，AUTHR校驗則類似于GSM中SRES校驗。這里要特別介紹COUNT校驗，它是識別網(wǎng)絡(luò)中是否有仿制或偽冒移動臺(即采用非法手段制作的“克隆”移動臺)的一種有效手段，所以COUNT校驗也稱“克隆”檢測。假如一部手機被“克隆”，那么只要真手機和“克隆”機都在網(wǎng)上使用，兩機所提供的COUNT值總歸會有不同，而且由于網(wǎng)絡(luò)記錄的COUNT呼叫事件發(fā)生次數(shù)實際上是兩機呼叫事件發(fā)生次數(shù)和，所以兩機中任意一部在某次進行系統(tǒng)接入嘗試時必定會出現(xiàn)手機的COUNT值與網(wǎng)絡(luò)方保存的COUNT值不同的情形，網(wǎng)絡(luò)即可據(jù)此認定有“克隆”存在，此時網(wǎng)絡(luò)方除了拒絕接入外還可另外再采取有關(guān)措施，比如對移動臺進行跟蹤等等。

　　●獨特征詢的鑒權(quán)方式：這是由MSC向移動臺發(fā)起的一種顯式鑒權(quán)規(guī)程，其消息過程與始呼、尋呼響應(yīng)或登記等消息過程是互相獨立的，MSC可指示基站在控制信道或話音信道上向某MS發(fā)出一個特定的(獨特的)RAND值(即RANDU)，這個隨機數(shù)是非廣播性的。在以下場合將使用獨特征詢的鑒權(quán)方式：

　　發(fā)生切換時的鑒權(quán)

　　在話音信道上鑒權(quán)

　　移動臺始呼、被呼及位置登記時標準鑒權(quán)失敗后可能進行的再次鑒權(quán)

　　移動臺閃動請求(即與補充業(yè)務(wù)有關(guān)的操作要求)

　　SSD(共享保密數(shù)據(jù))更新時

　　MSC可在任何時候發(fā)起獨特征詢規(guī)程，最典型的情況是在呼叫建立或登記的開始階段實施這個規(guī)程，當然在發(fā)生切換或標準鑒權(quán)失敗后也可追加這種專門的獨特征詢鑒權(quán)過程。MS用RANDU計算得到AUTHU值，并通過專門的鑒權(quán)響應(yīng)消息發(fā)給基站/MSC。

　　●SSD更新的鑒權(quán)方式。這是一種最高級別的安全性措施，主要有以下應(yīng)用情形：

　　定時的SSD更新

　　標準鑒權(quán)失敗后可能要進行的SSD更新

　　其它管理方面的需要

　　由于SSD是前兩者鑒權(quán)方式下參與算法執(zhí)行的重要參數(shù)，因此SSD數(shù)據(jù)需要經(jīng)常更新，比如按時間更新或是網(wǎng)絡(luò)檢測到某種不安全或可疑情況時進行的更新。出于安全考慮SSD更新的發(fā)起和更新結(jié)果的確認只能由AC完成，不能在MSC/VLR中進行，在更新過程中SSD參數(shù)連同表明移動臺身份的MIN號碼、ESN號碼都不能在空中傳遞，所以在SSD更新過程中一定同時伴隨基站征詢和獨特鑒權(quán)，通過基站征詢過程中的中間響應(yīng)值A(chǔ)UTHBS來確認移動臺和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的SSD已取得一致更新。

　　由此可知，北美系統(tǒng)的鑒權(quán)機制和規(guī)程相對于GSM要復(fù)雜得多，這主要是由北美的安全保密體制及其算法本身決定的。

5.有關(guān)建議

　　下面從幾個不同的角度對移動通信系統(tǒng)的鑒權(quán)技術(shù)提出建議。

　　首先是在未來的移動通信和個人通信中，應(yīng)充分重視鑒權(quán)算法的自主性。鑒權(quán)算法自主性是各國各地區(qū)網(wǎng)絡(luò)主管者和所有者的經(jīng)濟、政治自主性的一個重要方面。如第二代移動通信系統(tǒng)原先都只是區(qū)域性的，盡管現(xiàn)在已普遍被原區(qū)域之外的許多國家引進和使用(如我國的900/1800MHzTDMA以及800MHzCDMA系統(tǒng))，形成了國際性通信網(wǎng)絡(luò)，但鑒權(quán)算法的管理和許可權(quán)卻仍然歸屬那些區(qū)域性組織機構(gòu)，這不利于一個國家的通信自主和安全，也使相當一部分潛在收益流失。比如我國已具備自主開發(fā)和研制移動通信設(shè)備的能力，但載有鑒權(quán)和加密算法的手機SIM卡卻不得不從國外供貨或取得許可證才能生產(chǎn)。我們認為，無論從技術(shù)角度還是從政治、經(jīng)濟角度而言，鑒權(quán)算法完全可以也應(yīng)該由用戶歸屬的網(wǎng)絡(luò)管理者決定和使用，鑒權(quán)算法的執(zhí)行也一律交由歸屬的鑒權(quán)中心完成，將鑒權(quán)算法與網(wǎng)絡(luò)從屬的通信體系相獨立，以充分體現(xiàn)鑒權(quán)算法的自主性。

　　其次是關(guān)于鑒權(quán)算法執(zhí)行體的問題。在第二代移動通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)鑒權(quán)算法的運算實體既可以是MSC/VLR，也可是移動臺的歸屬地鑒權(quán)中心。而從長遠來看，我們認為鑒權(quán)算法應(yīng)在鑒權(quán)中心執(zhí)行，主要理由有：(1)用戶密鑰不會暴露給MSC/VLR等其它網(wǎng)絡(luò)實體，僅由鑒權(quán)中心單方統(tǒng)一管理，算法受人為攻擊的機會大為減少，因而安全性更高；(2)設(shè)備制造商和網(wǎng)絡(luò)運營者在開發(fā)或選用配置MSC/VLR時不必關(guān)心具體的鑒權(quán)算法，運營者之間也可避免算法一致性的磋商，因此網(wǎng)間漫游更容易支持；(3)鑒權(quán)算法自主性的需要。當然在鑒權(quán)中心進行鑒權(quán)運算會增加從MSC/VLR到HLR之間傳遞鑒權(quán)信息的信令開銷和處理時延，但卻節(jié)省了VLR/MSC為了執(zhí)行鑒權(quán)算法所需要額外占用的處理能力，而這部分能力并不象AUC的處理能力那樣容易預(yù)測。由于AUC處理能力主要取決于歸屬它的用戶總數(shù)和用戶平均鑒權(quán)次數(shù)，隨時間分布的運算的負荷能夠做到比較平坦，也易于使設(shè)計能力與實際能力較為匹配。

　　第三，從鑒權(quán)技術(shù)對MAP應(yīng)用業(yè)務(wù)單元(ASE)的處理復(fù)雜度、處理器工作負荷和處理時延的影響來考慮，鑒權(quán)算法的執(zhí)行時刻應(yīng)與鑒權(quán)決策過程相分離，也即不占用鑒權(quán)規(guī)程的當前處理時間。這一點GSM系統(tǒng)已經(jīng)做到，但北美系統(tǒng)無法做到，比如在標準鑒權(quán)方式中由于鑒權(quán)簽名算法程序所需的RAND是廣播共享的，因此鑒權(quán)簽名算法執(zhí)行時間不得不包含在鑒權(quán)的當前處理過程中，是造成規(guī)程處理時延的重要因素，對于用戶敏感的呼叫業(yè)務(wù)尤其不利。

　　第四，鑒權(quán)規(guī)程涉及的參數(shù)不應(yīng)過多，參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性應(yīng)盡可能小，否則就可能得不償失。以北美系統(tǒng)被叫鑒權(quán)為例，簽名算法程序需要4個輸入?yún)?shù)，其中的ESN(設(shè)備電子序列號)和MIN(用戶身份號)還是一種雙重引入，因為另一個參與運算的SSD數(shù)據(jù)實際上是通過用戶A鑰(體現(xiàn)MIN的唯一關(guān)聯(lián))、ESN及隨機運算得到的，但是ESN和MIN完全可以被別有用心者非法成對獲取，這兩個參數(shù)的效用實際上只相當于一個參數(shù)，從這個意義上說和GSM的鑒權(quán)保護效果不相上下，但是鑒權(quán)信令開銷和處理開銷卻顯然比GSM的大得多。

　　第五，為減少鑒權(quán)信令消息的傳輸和處理開銷，從而也減小對全網(wǎng)信令負荷、MSC/VLR系統(tǒng)處理能力的影響，鑒權(quán)技術(shù)的復(fù)雜度應(yīng)該主要體現(xiàn)在鑒權(quán)算法內(nèi)核程序的復(fù)雜度上，而盡量避免鑒權(quán)協(xié)議和規(guī)程的復(fù)雜性，如北美系統(tǒng)的COUNT校驗和GSM系統(tǒng)的CKSN校驗都是既簡便又實用的鑒權(quán)手段之一，此外還可配合采用用戶口令字校驗，這類方法對協(xié)議和規(guī)程的復(fù)雜度要求遠比密鑰算法所要求的低。

　　第六，在未來的移動通信系統(tǒng)中還應(yīng)進一步提高網(wǎng)絡(luò)實體尤其是MSC/VLR的鑒權(quán)智能化程度，以優(yōu)化全網(wǎng)整體效能。比如原先鑒權(quán)場合一般由操作人員通過人機命令事先設(shè)置，鑒權(quán)參數(shù)的獲取也只是根據(jù)庫存門限值決定，將來就可能結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實際運行情況和用戶業(yè)務(wù)使用情況，由網(wǎng)絡(luò)實體根據(jù)內(nèi)部動態(tài)策略自動選擇何時需要實施鑒權(quán)以及何時向鑒權(quán)中心請求鑒權(quán)參數(shù)組，決定因素包括實體當前的處理負荷、網(wǎng)絡(luò)的信令負荷、業(yè)務(wù)種類和使用頻度、鑒權(quán)優(yōu)先級以至用戶話費變化情況等。

　　第七，鑒權(quán)協(xié)議和規(guī)程可考慮形成國際性的統(tǒng)一標準，著力于規(guī)范與鑒權(quán)相關(guān)的數(shù)據(jù)界面和通信界面，這樣也有利于達成第三代移動通信所追求的真正開放、兼容與互通。

6.結(jié)束語

　　由于移動通信在未來的信息產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，人們對移動通信中的可靠性及保密性提出了越來越高的要求，加密、安全和用戶身份驗證技術(shù)就顯得更為重要。第二代數(shù)字移動通信中的不同的用戶鑒權(quán)體系各有所長，而如何取長補短、在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研究和確定更完善的第三代移動通信用戶鑒權(quán)體系應(yīng)是人們關(guān)注的焦點。