基于WPKI的移動辦公系統(tǒng)安全模型研究

郭竑暉，楊長虹，張祖平

（1.益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)應(yīng)用工程系，湖南 益陽413049；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

第三代移動通信技術(shù)3G （3rd generation）的發(fā)展，為構(gòu)建開放的、多網(wǎng)融合的分布式移動辦公系統(tǒng)成為可能[1-4].利用移動終端，人們可以擺脫時間和空間的束縛，方便及時地獲取和處理與業(yè)務(wù)相關(guān)的任何信息，從而提高管理與辦公效率，成為辦公模式新的發(fā)展方向.然而，移動通信系統(tǒng)中無線信道的公開，成為系統(tǒng)通信的安全隱患，移動接入的安全性和可靠性是目前大多數(shù)基于3G技術(shù)的移動通信系統(tǒng)的核心問題[5-6].本文依據(jù)3G安全體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，探討并研究了基于WPKI技術(shù)構(gòu)建3G移動辦公系統(tǒng)的安全模型方案.

1 3G安全體系結(jié)構(gòu)及安全問題

3G技術(shù)是將無線通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng).除了提供話音服務(wù)外，在移動辦公系統(tǒng)中還能提供安全接入與訪問控制、實(shí)時移動OA公文審批與閱讀、E-mail郵件安全交換與存儲、業(yè)務(wù)流審批與閱讀、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場圖片與音視頻信息采集與傳輸?shù)雀嗟男滦蜆I(yè)務(wù).由于無線信道的開放性，3G移動通信系統(tǒng)的主要安全威脅來自網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)的弱點(diǎn)，攻擊者可以采取竊聽、偽裝、流量分析、破壞數(shù)據(jù)完整性、拒絕服務(wù)、否認(rèn)、非授權(quán)訪問服務(wù)、資源耗盡等方式對無線鏈路和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施攻擊，采用非授權(quán)訪問方式處理敏感數(shù)據(jù)，干擾或?yàn)E用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，給移動辦公帶來安全隱患.

為實(shí)現(xiàn)3G安全特征的一般目標(biāo)，規(guī)范3GPP中給出了3G安全體系結(jié)構(gòu)[5-12]如圖1所示.該結(jié)構(gòu)分三層，并定義了五種安全特征集，包括網(wǎng)絡(luò)接入安全、網(wǎng)絡(luò)域安全、用戶域安全、應(yīng)用域安全、安全可視性及可配置性，每組特征集針對特定的攻擊完成相應(yīng)的安全目標(biāo).

圖1 3G系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Security architecture of 3G

3G系統(tǒng)安全技術(shù)相對于2G系統(tǒng)有了較大改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了雙向身份認(rèn)證；增強(qiáng)了接入鏈路信令數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)；密鑰長度增加為128位，增加了密鑰協(xié)商和加密算法協(xié)商機(jī)制；增加了安全操作對用戶的可視性等.由于3G系統(tǒng)中終端設(shè)備和服務(wù)網(wǎng)間的接口容易被攻擊，仍存在一些安全缺陷：

1）沒有建立公鑰密碼體制，不能給用戶提供數(shù)字簽名服務(wù).

2）鑒權(quán)認(rèn)證環(huán)節(jié)薄弱，主要表現(xiàn)如下：

①由于移動辦公用戶常在不同的PLMN（Public Land Mobile Network，公眾陸地移動通信網(wǎng)）之間漫游，而這些PLMN可以分布在不同的國家，在對移動用戶進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證時，本地網(wǎng)絡(luò)（HE/HLR， Home Location Register， 歸屬位置登記處）會把移動用戶的鑒權(quán)五元組發(fā)送到漫游網(wǎng)絡(luò) VLR/SGSN （Serving GPRS Support Node， 服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）中，因此移動用戶鑒權(quán)向量組要穿過不同的網(wǎng)絡(luò)很容易受到攻擊.

②移動用戶開機(jī)注冊到網(wǎng)絡(luò)時，或網(wǎng)絡(luò)無法從TMSI恢復(fù)出IMSI時 （比如VLR/SGSN數(shù)據(jù)庫錯誤），移動用戶將向網(wǎng)絡(luò)以明文方式發(fā)送IMSI，很容易受到中間人攻擊.

③加密密鑰和加密算法在3G中，不再是固定的 （比如GSM網(wǎng)絡(luò)中的A5加密算法是固定的）.但是必須要一種安全的方法讓移動用戶和網(wǎng)絡(luò)之間對加密密鑰和加密算法進(jìn)行協(xié)商.

2 WPKI技術(shù)

WPKI是將互聯(lián)網(wǎng)中PKI安全機(jī)制引入到無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一套遵循標(biāo)準(zhǔn)的密鑰及證書管理平臺體系，它可以有效地管理在移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的公開密鑰和數(shù)字證書，建立安全和值得信賴的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.WPKI采用優(yōu)化的ECC橢圓曲線加密和壓縮的X.509數(shù)字證書，以適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)帶寬窄、無線設(shè)備計算能力低和受限的功率消耗等弱點(diǎn)[13-15].它采用非對稱密碼算法和WTLS協(xié)議 （無線傳輸協(xié)議）來提供移動通信網(wǎng)中的安全服務(wù)，包括身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)加密等服務(wù)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 WPKI體系結(jié)構(gòu)Fig.2 WPKI architecture

該系統(tǒng)各組成部分功能如下：

1）用戶終端：具有WEB或WAP瀏覽功能的設(shè)備.每個用戶應(yīng)擁有兩個密鑰對，一個用于認(rèn)證和密鑰協(xié)商，一個用于數(shù)字簽名.對于移動終端，有自己的智能卡，可以在卡上的芯片中實(shí)現(xiàn)加解密算法和哈希功能.智能卡同時存儲密鑰和相關(guān)的數(shù)字證書，以實(shí)現(xiàn)移動應(yīng)用中的身份識別和信息保密.

2）WAP網(wǎng)關(guān)：用于連接無線和有線網(wǎng)絡(luò)，以及WTLS/WAP和SST/HTTP協(xié)議間的轉(zhuǎn)化，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問與傳輸提供身份認(rèn)證和安全傳輸.

3）證書管理中心：CA負(fù)責(zé)用戶對證書申請、撤銷申請等請求，對CA實(shí)現(xiàn)管理；RA負(fù)責(zé)證書的頒發(fā)和管理；注冊中心可以驗(yàn)證用戶身份，審批證書申請請求和證書撤銷請求.

4）源服務(wù)器：為網(wǎng)絡(luò)用戶提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù).

在WPKI體系中提供了三種不同的安全認(rèn)證模式，即使用服務(wù)器證書的WTLS Class2模式、使用客戶端證書的WTLS Class3模式和使用客戶端證書合并WMLScript的signText模式來保證不同程度的通信的保密性和數(shù)據(jù)完整性.

3 WPKI在移動辦公系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)3G安全體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合WPKI技術(shù)，本文設(shè)計了一種把WPKI應(yīng)用到3G移動辦公系統(tǒng)中提高系統(tǒng)安全性的方案.

3.1 方案設(shè)計

為解決3G中的安全問題，本方案在3G網(wǎng)絡(luò)中部署WPKI組件，建立基于安全套接字層SSL（Secure Sockets Layer）協(xié)議的認(rèn)證和密鑰協(xié)商機(jī)制 AKA （AuthenticationandKeyAgreement）， 該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 引入WPKI的3G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig3 3G architecture introduled Int WPKI

1）系統(tǒng)中增加WPKI必需的組件CA/RA和CR/CRL模塊，用于驗(yàn)證用戶身份，發(fā)放和恢復(fù)證書.

2）每個用戶都擁有一對在入網(wǎng)時由PLMN產(chǎn)生的密鑰對（即公鑰和私鑰），一個用于AKA，一個用于數(shù)字簽名，其中私鑰存儲在用戶終端的USIM卡（Universal Subscriber Identity Module，用戶業(yè)務(wù)識別模塊）中.

3）網(wǎng)絡(luò)中每一個參與AKA過程的網(wǎng)絡(luò)組件（如VLR/SGSN），必須有一對密鑰以及相應(yīng)的數(shù)字證書，并持有現(xiàn)有的PLMN中存在的所有認(rèn)證中心（CA）的公鑰.

4）網(wǎng)絡(luò)中至少有一個隸屬于PLMN中的CA的存儲數(shù)據(jù)庫和證書恢復(fù)數(shù)據(jù)庫.

3.2 證書管理方案

由于無線終端設(shè)備受限于CPU功率低、內(nèi)存小、蓄電量弱、輸入設(shè)備簡單等因素，因此在無線終端需要對數(shù)字證書的存儲以及驗(yàn)證過程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，從而適應(yīng)無線設(shè)備的特點(diǎn).本方案對系統(tǒng)中無線終端證書的管理進(jìn)行如下一些處理：

1)數(shù)字證書格式

為適應(yīng)無線設(shè)備的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用更緊湊的證書格式.具體實(shí)現(xiàn)方案：一是確定WTLS證書格式，該證書格式在標(biāo)準(zhǔn)X.509證書基礎(chǔ)上進(jìn)行刪減，如刪減了證書序列號 （Certificate Serial Number）、簽發(fā)證書者 ID（IssuerID）和屬主 ID（SubjectID）字段等，這種證書格式減小了證書存儲空間，WTLS證書與X.509證書的格式對比如表1所示；二是使用先進(jìn)密碼算法 （如ECC，橢圓曲線密碼算法），縮短密鑰長度，從而達(dá)到縮減證書尺寸的目的，因?yàn)槭褂妹荑€長度為160bit的ECC算法可以達(dá)到和密鑰長度為1024bit的RSA算法相同的加密強(qiáng)度和安全性.

2)數(shù)字證書的申請和下載方案設(shè)計

為了適應(yīng)無線終端較弱的處理能力，本系統(tǒng)采用硬件方式將用戶證書及私鑰存放在用戶終端的USIM卡中.申請下載用戶證書的方式有三種：一是采用離線申請離線下載.該方式采用用戶到RA受理點(diǎn)錄入用戶信息，申請證書，發(fā)行USIM卡時把用戶證書寫入USIM卡一并發(fā)布，然后放入用戶的無線終端上使用.簽發(fā)后的證書發(fā)布到系統(tǒng)的主目錄服務(wù)器上供用戶查詢和下載.同時，還將用戶的證書存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，以便對其進(jìn)行歸檔和備份.一般用戶在第一次申請服務(wù)時采用這種離線申請方式.二是離線申請在線下載.該方式中用戶到RA受理點(diǎn)錄入用戶信息，申請證書.但是證書下載是調(diào)用USIM卡的相關(guān)接口，簽發(fā)PKCS#10的證書申請書，然后連同用戶申請證書獲得的識別碼和授權(quán)碼一并提交.三是在線申請在線下載.在線申請是用戶直接在無線終端錄入用戶信息，進(jìn)行證書的申請.證書的下載是調(diào)用USIM卡的相關(guān)接口，簽發(fā)PKCS#10的證書申請書，然后連同用戶申請證書獲得的識別碼和授權(quán)碼一并提交.

3)移動終端證書驗(yàn)證

為了減小無線終端驗(yàn)證證書的計算量，WPKI提出了兩種驗(yàn)證無線終端證書有效期的方法：一是使用短時效證書SLC（Short Lived Certificate）.SLC把證書的有效期做成與基本CRL更新周期類似，這樣無線終端不需要進(jìn)行證書的CRL驗(yàn)證.雖然一般的證書有效期為1年，但針對有效期低于或等于24小時的證書，可以假設(shè)不需要對CRL進(jìn)行額外的驗(yàn)證，這樣極大減少了無線終端的運(yùn)算量，但是CA需要更高頻率地向用戶發(fā)布新的證書，增加了許多負(fù)擔(dān).二是使用實(shí)時驗(yàn)證證書狀態(tài)的 OCSP（Online Certificate Status Protocol）.因?yàn)闊o線終端進(jìn)行證書驗(yàn)證比較困難，所以可以向第三方OCSP服務(wù)器申請證書驗(yàn)證，這樣客戶端只需接收其結(jié)果.無線終端把接收到的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的證書發(fā)送給OCSP服務(wù)器，并查詢它的有效性.OCSP服務(wù)器完成相應(yīng)的證書驗(yàn)證過程以后，向無線終端發(fā)送證書的有效信息.

在移動辦公系統(tǒng)中，采用第二種方法，由OSCP服務(wù)器進(jìn)行在線驗(yàn)證，然后將結(jié)果由PKI Portal返回給無線終端.

4)證書恢復(fù)和更新管理

證書的恢復(fù)是由CA中心根據(jù)系統(tǒng)策略由RA管理員將 “暫時不使用”的已廢止的用戶證書進(jìn)行恢復(fù)操作.用戶可通過網(wǎng)絡(luò)在線或離線申請恢復(fù)已注銷的證書.RA審核通過后，將該用戶已注銷的證書恢復(fù)，即將該證書對應(yīng)的CRL對應(yīng)項目刪除，重新簽發(fā)該證書的CRL.

由于加密公鑰或簽名私鑰使用期限已過，或加密公鑰或簽名私鑰泄密，或用戶名稱變更等原因，需對證書進(jìn)行更新時，用戶需到RA處申請更新證書.不同的證書類型有不同的更新方式.在更新用戶證書的同時應(yīng)更新密鑰以確保安全.對于移動終端證書的恢復(fù)和更新，由移動終端向PKIPortal提出請求，然后重新設(shè)置證書的URL即可.對服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組件，恢復(fù)和更新操作需要經(jīng)由PKI Portal訪問WPKI實(shí)體來完成.

表1 WTLS證書與X.509證書格式比較

3G技術(shù)推動移動辦公發(fā)展的同時，用戶對無線移動辦公的可靠性和安全性提出了更高的要求.本文探討了在3G網(wǎng)絡(luò)中部署WPKI組件，建立基于安全套接字層SSL（Secure Sockets Layer）協(xié)議的認(rèn)證和密鑰協(xié)商機(jī)制AKA的體系結(jié)構(gòu)和方案分析，在未來的工作中，我們將逐步運(yùn)用這些技術(shù)到我校數(shù)字移動辦公系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)學(xué)校辦公信息安全高效地傳輸和處理.

[1]趙永耀.面向3G的運(yùn)營支撐系統(tǒng)研究[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2010(3):144-147.

[2]李偉章.移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]趙永耀.面向3G移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理研究[D].電子科技大學(xué)，2009.

[4]唐寧.基于3G運(yùn)營商的移動辦公系統(tǒng)應(yīng)用和分析[J].電信科學(xué)，2009(s2):35:38.

[5]張靜.2G到3G演進(jìn)過程中應(yīng)注意的主要問題[J]電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2005（9）：66-68.

[6]林海波.關(guān)于3G移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全分析[J]..移動通信，2006（5）：46-49.

[7]3GPP.TS 33.102 V6.3.0 Security architecture.

[8]3GPP.TS 33.105 3G Security,2004,10,Cryptographic Algorithm Requirements[S].

[9]3GPP.TS 33.120:3rd Generation Partnership Project(3GPP),2004,12,Technical Specification Group(TSG)SA,3G Security,Security Principles and Objectives.

[10]3GPP TS 33.210:3rd Generation Partnership Project,2005,3,Technical Specification Group Service and System Aspects,3G Security,Network Domain Security;IP network layer security.

[11]成都三零瑞通公司.3G移動通信系統(tǒng)的安全體系與防范策略[J].信息安全與通信保密，2009（8）：22-23.

[12]趙忠華.3G移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全分析[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（1）：59-62.

[13]尹志宇.移動辦公系統(tǒng)中的無線安全問題解決方案[J].通信技術(shù)，2009，42（7）：101-103.

[14]張躍進(jìn).基于WPKI的3G認(rèn)證方案的研究與實(shí)現(xiàn)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2008，25（3）：81-84.