基于安全机制的SQN同步的研究和实现

张甲胜

（重庆邮电大学通信与信息工程学院NGN实验室 重庆 400065）

0 引言

随着移动通信系统的发展，业务应用越来越丰富，对移动通信安全性的要求也越来越高，在UMTS系统中定义了五个方面的安全特性，即采用发送鉴权五元组代替2G的鉴权三元组。它覆盖了所有可能的信息变换的接口，并通过切实有用的机制弥补了GSM 系统中的安全隐患，增强了网络的安全性[1]。而SQN是鉴权五元组中的重要成分，确切的说，鉴权五元组对SQN的依赖性很强。因此，如果SQN（AUC）与SQN（UMTS）不同，就不能实现成功鉴权。而在之前的鉴权中并没有考虑到这种问题。因此，为了解决这一潜在问题并挺高无线通信网络完全的稳定性，本文设计了一种手动同步SQN的方法。

1 UMTS网络接入安全机制

无线通信本身的特点是，既容易让合法用户接入，也容易被潜在的非法用户窃听，因此，安全问题总是同移动通信网络密切相关。针对GSM存在的安全问题，3G系统主要进行了如下改进：

a) 实现了双向认证。不但提供基站对MS的认证，也提供了MS对基站的认证，可有效防止伪基站攻击。

b) 提供了接入链路信令数据的完整性保护。

c) 密钥长度增加为128 bit，改进了算法。

d) 3GPP接入链路数据加密延伸至无线网络控制器。

e) 3G的安全机制还具有可拓展性， 为将来引入新业务提供安全保护措施。

f) 3G用户提供安全可视性操作，用户可随时查看自己所用的安全模式及安全级别。

g) 在密钥长度、算法选定、鉴别机制和数据完整性检验等方面，3G的安全性能远远优于2G[2]。

1.1 UMTS的鉴权流程

在3G系统中，SGSN/VLR接收到来自MS的RES后，将RES与认证向量AV中的期望认证应答XRES进行比较，相同则认证成功，否则认证失败。

UMTS系统中的鉴权包括下面步骤，如图1所示。(1)生成鉴权五元组：MS向SGSN/VLR发出接入请求。从VLR/SGSN收到鉴权数据请求组后，HLR/AuC生成n鉴权向量，每个向量由下列5个元素组成：随机数字RAND，期望口向应XRES，密钥CK，完整性密钥lK和鉴权令牌AUTN。

图1 UMTS系统的鉴权流程

(2)将鉴权五元组发送到请求的VLR/SGSN。(3)从得到的多个五元组中选择一个，发送RAND(i)和AUTN(i)到用户。

(4)USIM卡检查AUTN (i)可否接受，例如AUTN(i)是由有效的鉴权令牌组成。

(5)MS接收到认证请求后，首先计算消息认证码XMAC，并与认证令牌AUTN中的消息认证码MAC比较，如果不同，则向SGSN/VLR发出拒绝认证消息，并放弃认证过程。同时MS验证接收到的序列号SQN是否在有效的范围内，若不在有效的范围内，MS则向SGSN/VLR发送同步失败消息，放弃认证过程。

(6)当以上验证通过以后，才产生响应RES(i)，然后送回VLR/SGSN；由VLR/SGSN比较RES(i)和XRES(i)。USIM卡同时计算CK和IK，用于在空中接口加密和完整性保护。

1.2 鉴权和密钥管理

UMTS鉴权和密钥协定协议 (authentication and key agreement，AKA)用来保证与GSM 系统的最大兼容， 并且最易于从GSM向UMTS演进。GSM 与3G系统的认证过程由MS、SGSN、NLR和HLR/AUC三方共同完成。认证方为AUC (认证中心)和用户的SIM 卡。GSM 和3G系统的认证与密钥协商过程分别是基于MS和HLR/AUC之间的共享密钥Ki和K，认证过程均由SGSNNLR发起，相对于GSM 协议，增强了以下几方面：

HLR对用户的鉴权；

用户和VLR/SGSN之间Integrity Key(IK)协定；

用户和VLR/SGSN之间保证最新的CipherKey(CK)和IK；

使用UMTS系统进行用户鉴权时，主要进行以下两方面的处理：在HLR/Auc上计算鉴权五元组和在USIM 卡上进行鉴权处理。

1.3 HLR/Auc上的鉴权处理

HLR/AuC在收到鉴权申请信息后，将产生1个新的序列号SQN和随机数RAND。对于每个用户，HLR/AuC上存储着计数器SQNHE、用户相关的密钥K和运营商相关的AMF(altercation management field)，AMF包含在每个鉴权向量的鉴权标志中。这就是计算五元组的输入数据。如图2所示。

图2 USIM中的鉴权处理原理

鉴权处理后的输出：f1～f5，是3G安全结构定义的认证与密钥协商算法。消息鉴权码MAC=fl K ，f1是消息鉴权功能。期望响应XRES=f2 (RAND)，f2是可能截断的消息鉴权功能。加密密钥CK=f3 (RAND)，f3是密钥生成功能。完整性密钥lK=f4 (RAND)，f4是密钥生成功能。匿名密钥AK=f5 (RAND)，f5是密钥生成功能。鉴权令牌由公式 生成。最后的五元组就是由RAND、XRES、CK、IK、AUTN共同构成的。

1.4 USlM卡的鉴权处理

当VLR/SGSN初始化鉴权和密钥后，从有序矢量数组中选取鉴权向量，收到RAND和AUTN后，USIM卡将按照如下的过程进行鉴权、新加密和完整性密钥的建立的处理，如图3所示。

USIM卡首先计算匿名密钥AK=f5 (RAND)然后检索出序列号 ；然后USIM计算 ，比较XMAC和包含在AUTN中的MAC。如果不同，用户发送user authentication reject到VLR/SGSN，然后中止此过程，与此同时VLR/SGSN会生成一个鉴权失败报告给HLR。

如果MAC确认成功， 比较USIM接受到的SQN是否在正确的范围。

如果序列号在正确的范围，USIM计算RES=f2(RAND)， 然后在发送到SN中的user authentication response中包含这个参数。最后，USIM计算加密密钥CK=f3 (RAND)和完整性保护密钥IK=f4K(RAND)。收至 user authentication response后，SN将比较RES和从选择的鉴权五元组中期望的响应XRES。如果XRES等于RES，则用户鉴权通过。SN同时从所用的鉴权向量中选择合适的加密密钥CK和完整性保护密钥IK。USIM和VLR将保存原始的CK和IK直到下一个AKA成功完成。而若XRES不等于RES，VLR/SGSN会向HLR发送一个鉴权失败报告，此时VLR/SGSN则需要向用户初始化一个新的鉴权。

如果不在正确的范围，USIM卡发送synchronized on failure到VLR/SGSN， 包 含 可接受的序列号(经完整性保护)。然后SN发送synchronized on failure到HLR/AUC请求更新鉴权组。

通过对应的加密密钥CK，完整性保护密钥IK，实现了USIM和VLR/SGSN之间的鉴权。另外，通过核实AUTN中MAC，用户保证了VLR/SGSN发送的随机数RAND是由用户所在的HLR/AUC产生的，并相信HLR/AUC处理后产生的鉴权组。

2 SQN

由UMTS鉴权流程及其原理可见，在整个鉴权过程中，鉴权五元组中的SQN起到了很强的依赖性作用。

SQN是由AUC（Authentication Center）产生的，UMTS网络所特有的序列号；每个IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number）对应一个SQN。从UMTS鉴权流程中可知，SQN是AUTN的一部分，而AUTN是鉴权五元组中重要的元素。由此可见，UMTS的鉴权处理对SQN的依赖性非常强。而一旦DB crash、restore或者迁移一部分用户到另一个DB，如果用户在这种情况下发起鉴权请求，就会出现如下情况：用户发起鉴权后，SQN（UMTS）中的SEQ中的Count值会自动加一，表示鉴权一次。而此时的DB处于异常状态，没有接收到用户的鉴权请求，因此，原本也应该加一的SQN（AUC）没有实现加一操作。下一次用户再发来鉴权请求的时候，由于SQN(UMTS)与SQN（AUC）不等，鉴权就会失败，合法用户无法接入网络，也就无法完成客户的需求[3]。因此，本文针对这一原理，设计了一种手动操作SQN的方法。

若想实现对SQN的操作，必须对SQN的结构先做了解。

2.1 SQN的结构

SQN 包括 SEQ（Sequence Number）和 IND（Index number）两个部分，共 48个 bits，SEQ 占 43bits，IND占5bits。

其中的IND又可分为两个部分：浅色部分（1bit）和深色部分（4bits）。

为了兼容先前2G的版本，浅色部分的参数是可选的（SQN默认为CS）。具体标识如下：

- CS- 电路交换域

- PS -包交换域

- IMS -IMSI应用软件部分

- BSF - 用于多媒体应用的鉴权

- AAA-认证、鉴权、计算服务

最后深色部分的4bits表示该SQN的索引。如图3所示。

图3 SQN结构图

2.2 SQN的具体工作方式

SQN是鉴权五元组中AUTN的一部分。每个用户都有6bytes的SQN HE。整个SQN有两个部分组成：SQN = SEQ + IND。SEQ是一个计数器，而IND是一个索引。在3G鉴权的过程中，SQN在AUC中产生的，并且要在UMTS中进行检验。

在UMTS卡中烧制的SQN与数据库中的SQN都初始化为0，用户每发起一次鉴权，UMTS卡中发起的鉴权五元组中的SQN都会自动加一，在AUC接到用户鉴权后，会对数据库中的SQN也加一，这样使得SQN（UMTS）=SQN（AUC），保证用户下次能够成功鉴权。

2.3 SQN同步方式

目前HLR中没有单独针对SQN同步的方法，而数据库同步只能同步数据库的内容，而不知道SQN是否变化，因此，为了稳定性考虑，必须设计一种对SQN进行同步的方法。

为此，本文设计单独对SQN进行手动同步的方法。为了方便对SQN手动的同步，设计了3种同步的方式：

以上低压设备的选型依据《工业与民用配电设计手册》，且均为目前市场上比较流通的型号。综上所述，低压电气设备选型如表5所示。

●同步单个SQN，change_one；

在执行change_one时，我们需要手动输入一个确定的IMSI号码。

●同步某个范围内的SQN，change_range；

该range为IMSI的范围，而不是SQN的范围。在执行change_range的时候，我们需要手动确定firstIMSI和lastIMSI两个数据，以确定具体范围。

●同步整个NRG中的SQN，Change_all。

在执行change_all操作时，我们要手动确定需要同步的NRG编号，即手动输入NRGId。

由于每个IMSI对应一个SQN，在次，为运营商提供输入的IMSI号码，由系统根据运营商提供的IMSI号码自动查找对应的SQN，操作完毕再存储到数据库中。

完成后，可以在界面手动控制，对SQN进行操作。具体HMI显示如图4所示。

由于change_range和change_all都需要一段时间才能完成，因此，在实现change_range和change_all的时候需要另起一个线程，在程序完成退出时将执行结果输入到系统log文件以便检查。

图4 SQN手动操作效果图

3 测试结果

该测试必须要在公司的软件框架平台进行测试。测试用例采用Cobra脚本，在Linux平台进行测试。为了方便运营商使用，可以采用用户界面（HMI）进行操作。采用HMI手动操作图如图4所示。

采用Cobar脚本测试，必须在NGHLR框架的Linux平台进行测试。

脚本如下设计：

（1）首先创建一定数量的IMSI，为了方便，本为采用的IMSI数量为20．

（2）然后对SQN进行操作，由于篇幅原因，本文只采用了修改RangeSQN的用例。

（3）对SQN进行操作，所需要的参数包括：typeOpe = INC，valSQN = 1，sqnIdUpd = CS，Last_IMSI = 208-01-1100000070。

（4）最后删除创建的IMSI，恢复数据库。测试结果如图5所示。

图5 对SQN实行INC操作结果输出

测试结果显示，该方法完全达到了预期的目的，可以对SQN进行操作，实现SQN的同步，保证合法用户鉴权成功。

该方法已经通过机架网络验证，并已经在最新版本的NGHLR中进行了应用。完全可以解决之前南京联通的用户投诉问题，使得无线通信的稳定性大大增强。

[1] SIM/USIM Internal and External Interworking Aspects- 3GPP TR 31．900 V7．1．0 (2006- 03)．

[2] Authentication Overhead in Wireless Networks, Yan Zhang; 2008(5):1505-1509．

[3] Security principles and objectives - 3GPP TS 33．120 V4．0．0 (2001-03)． A Generic Authentication System based on SIM, Wangensteen, A．; Lunde, L．; Jorstad, I．;van Thanh, D．; 2006(8):24．

[4] 李朔,李方伟,张蓉．利用密钥更新改进的3G认证协议[J]．现代电信科技, 2006(6):35-36．

[5] 朱爱华,杨娜．2G与3G移动网络接入的安全性分析[J]．邮电设计术 ,2007(1):45．

[6] 宋文欣,刘长明．UMTS鉴权原理及其与GSM鉴权兼容性 [J]． 现代显示 ,2008(9): 27-28．

[7] 严粤锋． CDMA移动通信中的用户鉴权算法分析及研究[J]． 湖南科技学院学报,2005(5):26．

[8] 张方舟,王东安,叶润国,徐浩,宋成．一种基于公钥技术的3G 安全体系结构及其实现[J]． 计算机技术与应用,2005(11): 37-37．