8.2.2 网络安全技术
数字GSM系统提供了完备的网络安全功能，它包括3个方面：用户识别号的保密、用户身份的认证以及用户信息和信令信息在无线信道上的保密。
1）临时移动用户标识号（TMSI）
移动用户的IMSI是唯一标识用户的一个永久性号码，如果被人截获，就会让人知道行踪，甚至被人冒用账户，造成经济损失。为此，GSM系统可为每一个使用网络的用户提供一个临时的标识号TMSI。该号码在用户进入访问区时由VLR分配，它和IMSI一起存在VLR的数据库中，在访问期间有效。移动台起呼或向网络发送报告时都将使用该号码，网络向其寻呼时也使用此号码。如果移动用户进入一个新的VLR管区并进行位置更新登记时，新的VLR（VLR2）首先根据更新消息中的TMSI及LAI（位置区域标识）IMSI向HLR发出位置更新消息，请求有关的用户数据。与此同时，VLR1将收回原先分配的TMSI，VLR2重新给此用户分配一个TMSI。上述过程如图8.6所示。
图8.6 TMSI更新过程
2）用户鉴权（Authentication）
也称为用户认证。其目的是以一种可靠的方法确认用户的合法身份，它不依赖于IMSI、MSDN或IMEI。这是GSM系统的一大特色。
（1）用户标识模块（SIM）
在GSM标准中，移动台包括两个部分：SIM和移动设备（ME）。SIM专门用来存储和移动用户有关的信息，ME则为收发信设备，可供任何用户使用。SIM有两种物理形式：一种是标准IC卡，可插入任何具有IC卡适配器的ME。这样移动用户只要携带SIM卡，就可以使用任何地方的任何移动台进行呼叫，由原来的“终端移动性”发展为“个人移动性”；另一种是半固定的电路插板，插在移动台内，主要用于GSM手机。
SIM中存储的基本数据包括IMSI、Ki、鉴权算法（A3）和数据加密密钥生成算法（A8），其中Ki称为鉴权密钥，每个用户都不一样，鉴权算法则是统一的。此外，为了网络操作，还需要存储用户临时数据的当前值，即TMSI、LAI和Kc，其中Kc是由A8计算得到的数据加密密钥。
为了SIM卡本身的使用安全，用户可设置4～8位数字的密码，即个人用户识别码（PIN，Personal Identification Number），如果使用者连续3次输入密码出错，SIM就自动锁定，其后必须用个人解锁密钥才能使SIM解锁。
除此以外，SIM还可以存储和用户业务有关的一些数据，例如：缩位号码表、终端配置参数、呼出限制、固定电话号码表、要发送的短消息等。
（2）用户鉴权过程
用户鉴权由AC、VLR和用户配合完成，其原理如图8.7所示。当用户起呼或进行位置更新登记时，VLR向该用户发送一个随季节数RAND，用户的SIM卡以（RAND，Ki）为输入参数执行鉴权算法A3，得到计算结果即数字签名响应（signed RESponse，简称为SRES）回送VLR，VLR将此结果和暂存器中存储的预先算好的结果比较，如果两者相符，就表示鉴权成功。
图8.7 用户鉴权原理
VRL中存储的（RAND，SRES）数据对是由AC预先算好后传送过来的。AC中存有各个用户的Ki和同样的算法A3。VLR可为每个访问用户暂存最多7对（RAND，SRES）数据，每执行依次鉴权使用一对数据，鉴权结束这对数据就丢弃不再使用。当VLR只剩两对数据时就向AC发出请求，AC将向它发送5对数据。用户的Ki只有SIM卡和AC中才有，其他网络部件，包括HLR、VLR都无此参数，以保证用户安全。
如果VLR发现鉴权计算结果与预期结果不相符合，且用户是以TMSI和网络联系的，则可能是错误的TMSI，这时VLR将通知用户发送其IMSI。如果IMSI－TMSI对应关系出错，则以IMSI为准再次进行鉴权。若鉴权再次失败，VLR就要核查用户的移动台设备（IMEI）是否合法。鉴权失败记录将由VLR保存。
（3）鉴权密钥的网络管理
由以上分析可知，用户密钥Ki的保密至关重要。Ki是由网络登记中心分配，并连同IMSI写入用户的SIM卡的，然后由登记中心通知AC。通知是由磁带或数据传输方式发送的，该传送过程必须加密，加密算法记作A4，AC收到此消息后，首先解密，然后重新用另一种算法A2加密后存入存储器。A2、A4及鉴权算法A3都是在AC的专用保密盒中运行的，该保密盒有自己的处理器和操作系统，而且有机械保安装置，以防止非法拆卸。鉴权中心本身应有安全保护，只有特许人员才能进入，操作人员必须有口令并赋予相应的读写权。
3）数据加密
数据加密用于信令和重要的用户通信信息的保密传送，用户信息是否需要加密可在呼叫建立时由信令指明。数字系统加密有许多成熟的算法。GSM采用可逆算法A5加密。即发送端用A5算法加密，接收端也用A5算法解密。
仅靠算法完成加密，无论算法本身加密性能多好，还是难以对付职业窃听者。因此，GSM系统加密还需要一个用户特定的密钥Kc。该密钥是在鉴权过程中根据同一随机数和Ki用算法A8计算得到的，如图8.8所示。
考虑到数据加密，VLR中存储的用户保密数据共有3个，即RAND、SRES、Kc。鉴权时，RAND送经用户，鉴权成功后将Kc送往基站。
图8.8 数据加密密钥的生成
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