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漫游到不同网路之间的3G认证
漫遊到不同網路之間的3G認證
廖鴻圖1郭明煌2周碧欣3
世新大學資訊管理學系
1htliaw@cc.shu.edu.tw
2mhguo@cc.shu.edu.tw
3lillianc@iii.org.tw
摘要
現在的第三代行動通訊,帶給人類無限的便利,其不受地點時間的限制,可隨時隨地的進行通訊,並也提供各式各樣的服務如語音影像網際網路服務、電子郵件及行動商務等等。
此外,重要的資訊在無線傳輸過程中的安全是很重要,由於VLR(VisitLocationRegister)與HLR(HomelocationRegister)之間訊息傳送的成本比較昂貴,特別是當VLR與HLR分別存在不同國家的時候;因此,本研究方法是植基於橢圓曲線簽密法,MS及VLR向HLR申請認證憑證,合法的成員HLR將分發給憑證。
方便漫遊到他網路(VisitNetwork)時行動基地台MS(MobileStation)不需重複回到家網路認證,只有首次需要回到家網路(HomeNetwork)的HLR認證,接下來的認證只要向同一網路中前所拜訪過的VLR請求使用者的認證憑證即可。
本文中,我們主要針對全球行動電信系統UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)提出新的認證協定,漫遊到不同網路之間的3G認證,此認證協定不但符合目前UMTS需求規格,而且改善了UMTS在認證過程中安全上之不足及提高效率。
此外,本文的研究,對行動服務提供者如公車、計程車、移動咖啡館、小攤販等或行動消費者者的行動認證的研究領域上亦有相當的助益。
關鍵字:
橢圓曲線、認證、通行碼、第三代行動通訊
壹、研究背景與動機
近年來行動通訊發展迅速,從以前第一代類比式行動通訊至第二代數位式行動通訊,最後發展到現在的第三代行動通訊,其發展帶給人類無限的便利,人們使用電話通訊不再受地點時間的限制,只要能在網路系統涵蓋範圍,即可隨時隨地的進行通訊。
就第三代行動通訊所提供的服務逐漸增多包含:
語音影像網際網路的服務電子郵件電子商務等等。
行動使用者越來越多,行動通訊的安全問題越來越受到人們的注目。
在行動通訊網路中,行動基地台與固定式網路之間的所有通訊都是透過無線界面來傳輸。
在無線通訊的網絡中,隨時都可能在各地漫遊移動,因此如何掌握使用者現在所在的位置與辨認使用者的身分,便成為了在無線通訊領域中一個極為重要的關鍵點。
本文中,我們主要的研究方向是針對第三代行動通訊系統的安全需求來建立新的認證協定,以解決通訊過程中資訊傳輸不安全的問題。
貳、第三代行動通訊系統
UMTS安全[7]除了強化原本GSM的安全機制外,再新增了某些用來強化GSM安全弱點的機制。
USIM內有相關的註冊訊息及認證演算法,目前安全機制以私密金鑰系統為主,其運算速度快並易存放於設備內,不會延誤資料遞送的時間。
一、現行GSM簡介
第一代行動通訊系統在手機發話時會將個人資料,如電話號碼、序號等…經由無線電波傳送至基地台後,再進行手機用戶身分鑑別,此種身分鑑別程序很容易讓惡意人士從空中攔截用戶資料並進行盜拷,造成合法使用者遭受一號多機的盜打損失。
針對第一代行動通訊系統的上述鑑別缺失,第二代行動通訊GSM系統[1][12][14]則改變了上述鑑別程序,在資料經由無線電波的傳輸途中,並不會直接將電話號碼等個人資料發射到空中,而是先核對用戶與呼叫用戶身份後,再將資料加密成亂碼後才加以傳送,並經過MS與HLR雙向的鑑別程序,有效降低了遭受盜拷與盜打的可能性。
GSM為了防止1G的弊端,而提出了鑑別性、機密性與匿名性等使用者相關安全。
GSM利用SIM卡來達到以上的安全機制,同時俱有著高可攜性與高個人化的特性,同時只要GSM主籍系統所支援的漫遊區域,使用者即可不洩漏SIM資料情況下享用通訊服務。
二、UMTS簡介
UMTS系統[1][2][12][13][15]是由GSM核心網路架構發展而來,以下說明UMTS的安全設計:
(1)學術界對於GSM未公開的加密演算法批評甚多,A5/1與A5/2演算法後來更被MarcBriceno、IanGoldberg和DavidWagner用逆向工程法破解[8];因此UMTS在安全設計上藉由公開加密演算法來接受考驗與測試,以提昇安全性。
(2)GSM的身分驗證並未納進標準中,所以業者自行設計。
有許多業者使用COMP-128已被證實該演算法會遭受攻擊[7][8],雖然GSMAssociation隨即提出取代的演算法[1]。
為了避免類似的問題再度發生,UMTS將一些公開、安全的演算法納入標準中,如MILENAGE[1][4]與KASUMI[3]等。
(3)GSM的金鑰長度64bits,初始設計前10bits並未使用,真實金鑰僅54bits,雖然後來己改成使用64bits長度,而且要再增加金鑰長度時困難及複雜,因為演算法與協定需要修改、甚至重新設計,硬體也因此可能需要升級。
為了避免重倒覆轍,UMTS的金鑰長度採用128bits來因應現在的安全。
(4)GSM沒有明確的設計用來抵禦由網路端發起的主動式攻擊,GSM原本的考量是因為主動式攻擊需要一個FalseBaseStation,成本太高,故認為不太可能有如此的攻擊行為。
隨著網路設備與服務越來越普及、成本越來越低、及可獲得性越來越高,目前是有可能透過FalseBaseStation攻擊取得使用者資訊,雖然之後GSM有提出因應對策[7]。
在未雨綢繆下,UMTS在設計上利用AUTN來對網路端進行認證。
(5)GSM的電路交換服務僅在MS與BS之間進行加密保護,而UMTS在設計上則除了在MS與BS之間進行加密保護,更加此拓展到整個網路,包括網路設備與網路設備之間。
UMTS認證身份可採用以對稱式加密系統為基礎之方式,其使用者認證步驟如圖1、及圖2所示,詳細步驟如下:
圖1UMTS認證機制-分發認證向量
圖2UMTS認證機制-認證與金鑰協定
(1)MS首次登錄系統時,VLR/SGSN要求MS註冊,MS將IMSI及所要求的服務形式,電路交換域CS或封包交換域PS連線服務,傳給VLR。
(2)VLR將IMSI傳給HLR請求認證向量(AuthenticationVector,AV)。
(3)HLR產生n組有順序的認證向量,回傳給VLR/SGSN。
每組AV包含了隨機亂數(Random,RAND)、預期的結果(ExpectOutput,XRES)用戶鑑識密碼(CipherKey,CK)、完整金鑰(IntegrityKey,IK)及AUTN。
(4)HLR將剛產生的n組AV傳給VLR。
(5)VLR儲存n組AV。
(6)從n組AV中挑選一組AV。
(7)將RAND(i)及AUTN(i)傳給MS。
(8)MS先檢驗AUTN(i)是否正確,若正確,則根據RAND(i)算出RES(i)。
(9)將RES(i)回傳給VLR/SGSN。
(10)VLR比對收到的RES(i)與既有的XRES(i),相同則accept否則reject。
認證成功後,MS利用本身的K及RAND(i)透過f3、f4演算法,計算出CK、IK,完成金鑰協議(Keyagreement)程序。
UMTS國際漫遊階段:
漫遊時都必需回到HomeNetwork的HLR認證,漫遊時的步驟如圖3所示。
(1)VLR會送給基地台(LocalAreaIdentifier,LAI)位置區域識別碼。
(2)手機端檢查位置是在家網路或是漫遊到別的網路。
(3)手機端再將暫時性號碼TMSI送給VLR。
(4)若漫遊時新的VLR必須回到家網路的HLR作認證請求,從TMSI中可知國碼及手機端的IMSI。
(5)當VLR欲對漫遊於其管轄範圍之內行動台執行認證時,透過MSC/SGSN向所屬的HLR的AuC請求憑證。
AuC資料庫存有行動使用者之識別碼及與對應之認證向量,HLR將AV傳送給VLR。
(6)從n組AV中挑選一組AV。
將RAND(i)及AUTN(i)傳給行動使用者。
(7)MS先檢驗AUTN(i)是否正確,若正確,則根據RAND(i)算出RES(i)。
將RES(i)回傳給VLR/SGSN。
(8)比對收到的RES(i)與既有的XRES(i),相同則accept否則reject。
圖3.UMTS國際漫遊
三、UMTS的安全
UMTS的認證向量從HLR傳送給需要認證一個移動的用戶VLR時,還是用明文傳送沒有受到保護。
用戶的永久識別碼IMSI仍然暴露給所拜訪的網路,如果一個主動攻擊者偽造成合法的基地台,要求用戶向其傳送IMSI從而輕而易舉地得到用戶的IMSI,並沒有驗證網路端的身份。
雖然VLR和HLR之間的傳遞訊息時基於SS7網路,但對未來AllIPnetwork時,安全性還是不足。
參、漫遊到不同網路之間的3G認證
為了改善在行動通訊網路中,移動用戶與網路端之間的金鑰管理,橢圓曲線密碼系統(ECC)近年來已被廣泛地制訂於國際標準如ISO11770-3[10]、ANSIX9.62[5]、IEEEP1363[9]及FIPS186-2等[11],傳統RSA及DSA的相關技術在相同安全程度下,所需系統參數與金鑰長度較少,且計算速度也較快。
目前以模數為1024位元RSA與DSA之安全程度為基準,橢圓曲線密碼技術在質數埸只需160位元便可達到相同安全性。
這使得ECC非常適合在行動裝置的有限資源環境下使用。
本研究提出一個以橢圓曲線為基礎第三代行動通訊認證機制,MS及VLR向HLR申請認證憑證,合法的成員HLR將分發給憑證。
方便漫遊到他網路(VisitNetwork)時MS不需重複回到家網路認證,只有首次需要回到家網路(HomeNetwork)的HLR認證,接下來的認證只要向同一網路中前所拜訪過的VLR請求使用者的認證憑證即可。
各階段說明描述於后。
1、系統初始化階段
系統初始化階段如圖4所示,詳細步驟如下:
圖4系統初始化階段
(1)HLR產生系統的橢圓曲線公開參數,先選擇一個大質數l(l>2160),與兩個整數元素a、b∈Zq(Zq表示小於l的正整數所成之集合),a和b必需滿足4a3+27b2(modl)≠0;
(2)訂定一個橢圓曲線方程式ε:
y2=x3+ax+b(modl)挑選橢圓曲線上一點為基準點P=(XP,YP),令此點的秩order)為質數n(滿足n>2160且n>4√l),同時n.P=O。
(3)HLR選擇一個亂數SHLRÎ{1,2,…,l-1}做為其私鑰,並且計算出公鑰PHLR=SHLR.P
二、註冊階段
註冊階段如圖5及圖6所示,詳細步驟如下:
圖5VLR註冊階段
(11)並由參與成員(VLR)自行產生私鑰與公鑰對,向HLR申請憑證。
VLR選擇一個亂數SVLR{1,2,…,l-1}做為其私鑰,計算出公鑰PVLR=SVLR.P。
(12)針對每次通訊HLR選取一亂數KVLR為簽章所用,計算橢圓曲線上之點RVLR=KVLR.P=(rVLRX,rVLRY)。
(13)HLR產生簽章及憑證將明文mVLR轉換成橢圓曲線上另一點RVLR(rVLRX,rVLRY),採用其私鑰SHLR對憑證作簽章及出憑證。
(14)VLR的憑證CertVLR包括了VLR的ID、HLR的公開金鑰、簽章、及有效期限。
(15)HLR將憑證CertVLR傳送給VLR。
(16)驗證PHLR是否成立就可以確定簽章是否有效,其中rVLRX為點RVLR的橫座標。
任何人想偽造HLR的簽章,就牽涉到求解橢圓曲線上的離散對數的問題。
圖6MS註冊階段
(1)行動使用者(MS)自行產生私鑰與公鑰對,向HLR申請公鑰憑證。
MS選擇一個亂數SMS{1,2,…,l-1}做為其私鑰,計算出公鑰PMS=SMS.P。
(2)HLR針對每次通訊選取一亂數KMS,計算橢圓曲線上之點RMS=KMS.P=(rMSX,rMSY)
(3)HLR將明文mVLR轉換成橢圓曲線上一點RMS(rMSX,rMSY),產生簽章及憑證:
HLR採用其私鑰SHLR對訊息作簽章
(4)MS的憑證CertMS包括了MS的ID、HLR的公開金鑰、簽章、及有效期限。
(5)HLR將憑證CertMS傳給VLR,再由VLR傳送給MS。
(6)驗證PHLR是否成立就可以確定簽章是否有效,其中rMSX為點RMS的橫座標。
任何人想偽造HLR的簽章,就牽涉到求解橢圓曲線上的離散對數的問題。
三、MS及VLR之間的認證及金鑰交換階
MS及VLR之間的認證及金鑰交換階段如圖7所示,詳細步驟如下:
圖7MS及VLR之間的認證及金鑰交換階段
(1)當行動使用者漫遊到新的VLR時,會送出使用者認證請求。
(2)行動基地台回應一個要產生會議金鑰的亂數RANDMS及時戳TM1。
也選了一個要用來做簽章使用的亂數KMS,並且計算了QMS。
(3)採用ECC橢圓曲線的方式加密之後送給VLR。
(4)VLR也會選出一個亂數RANDVLR,來產生會議金鑰AK是由兩個隨機數RANDMS和RANDVLR計算出來。
(5)VLR將會議金鑰AK用MS所選擇的隨機數RANDMS加密後傳送給MS,只有VLR和知道RANDMS,在傳送過程中很難被竊聽。
(6)在對VLR的身分進行驗證的時候,只要驗證AK’是否等於AK就可以確認VLR的身分是否合法,因為只有VLR才擁有其私鑰而解密出MS的訊息,合法得到正確的RANDMS,計算出正確的會議密鑰AK。
(7)利用AK將行動使用者MS的憑證送給VLR做驗證。
四、頒發行動使用者在同一個ServingNetwork的憑證階
頒發行動使用者在同一個ServingNetwork的憑證階段如圖8所示,詳細步驟如下:
圖8頒發行動使用者的憑證階段
(1)VLR會送給基地台LAI(LocalAreaIdentifier)位置區域識別碼給行動使用者。
(2)手機端檢查位置是在家網路或是漫遊到別的網路。
(3)若沒有漫遊時,要求新的VLR向前所拜訪過的VLR提出使用者認證憑證的請求。
(4)新的VLR會將使用者的TMSI及舊的LAI向己拜訪過的VLR請求使用者的認證憑證。
(5)新舊VLR之間的認證及金鑰交換的方法,會依照MS及VLR之間的方法產生會議金鑰,再將行動使用者的憑證傳送給新的VLR。
四、頒發行動使用者在漫遊時的憑證階段
頒發行動使用者在漫遊時的憑證階段如圖9所示,詳細步驟如下:
圖9頒發行動使用者在漫遊時的憑證階段
(1)VLR會送給基地台LAI(LocalAreaIdentifier)位置區域識別碼給行動使用者。
(2)手機端檢查位置是在家網路或是漫遊到別的網路。
(3)若漫遊到他網時,要求新的VLR先向家網的HLR提出認證請求。
(4)首之漫遊時必須回到家網路的HLR請求使用者認證憑證,接下的認證只要向同一個網域之前所拜訪VLR請求使用者的憑證即可。
(5)HLR會將相對應的使用者憑證傳送給VLR
五、安全性分析
簽章算法安全性基於橢圓曲線上的離散對數的求解難題。
任何人想偽造HLR的簽章,就涉及到求解橢圓曲線上的離散對數的問題,我們的機制可以防止以下的攻擊。
(1)竊聽攻擊:
在身份認證過程步中,MS所採用了是橢圓曲線加密演算法來加密訊息,任何人想進行竊聽攻擊都面臨著求解橢圓曲線上的離散對數問題。
傳輸過程中的會議金鑰AK是使用兩個隨機數RANDMS和RANDVLR計算出來。
而隨機亂數RANDMS只有VLR和MS知道,故整個過程都有效地防止竊聽攻擊。
(2)中間人攻擊:
如果非法用戶盜竊了合法用戶的憑證,由於並不知道用戶的私密金鑰,無法正確簽章。
而且在傳輪使用者憑證時,先確認身分後MS才把憑證CertMS傳給VLR,CertMS是經過加密後傳送,要竊取CertMS也是非常困難。
(3)重送攻擊:
採用了亂數和時戳技術,有效地防止了重送攻擊。
(4)內部攻擊:
在認證過程中用戶始終沒有暴露自己的真實身分,保證了用戶的匿名性,攻擊者無法發起內部攻擊。
六、功能分析
以下係本研究機制與UMTS機制功能分析整理。
本研究的認證協定不但符合目前UMTS需求規格,也可改善了UMTS在認證過程中安全上之不足。
表一 UMTS和我們機制的比較
項目
UMTS-AKA[2]
我們的機制
MS及HLR之間的相互認證
√
√
使用者資料流的機密
√
√
資料的完整性
√
√
VLR及HLR之間的相互認證
X
√
降低VLR及HLR之間的頻寬消耗量
X
√
漫遊時只要在VLR認證即可不必到HLR作認證
X
√
不可否認性
X
√
肆、結論
本文提出以橢圓曲線為基礎的認證,其除了低計算量與傳輸量外,亦提供訊息傳遞時的資料安全與身份鑑別的雙重功能,並降低了VLR及HLR之間的頻寬消耗量。
此外,本文機制方便漫遊時MS不需重複到HLR認證,只要向同一個網域之前所拜訪過的VLR請求使用者的認證憑證即可,使用此憑證來驗證使用者,可有效減少VLR與HLR之間的訊息量。
並且,此認證協定不但符合目前UMTS需求規格,而且改善了UMTS在認證過程中安全上之不足及提高效率。
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