4G移動通信系統(tǒng)中協(xié)作通信的安全缺陷分析*

李 娜，王 盛，李 鷗

(1.信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院，鄭州450001;2.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州450001)

1 引言

隨著信息技術的高速發(fā)展，移動通信已成為全球用戶數(shù)量最大、普及率最高、使用最為廣泛的通信手段。當前，第三代移動通信(3G)系統(tǒng)的大規(guī)模應用已全面普及，3G－LTE正在迅速推進，預計2014年投入商用。作為準4G系統(tǒng)，3G－LTE被業(yè)界稱為3.9G移動通信系統(tǒng)，其核心技術已能初步體現(xiàn)4G特征，除能提供3G所有的業(yè)務之外，更有跨越式提高，數(shù)據(jù)帶寬可達100 Mb/s，而未來的4G移動通信，其終端的數(shù)據(jù)帶寬則能達1000 Mb/s[1]。

為了達到更高的數(shù)據(jù)速率，移動通信系統(tǒng)所使用的頻段也越來越高，因而無線信道所特有的衰落特性、信號傳播路徑上的遮擋等因素對通信系統(tǒng)可靠性和有效性的影響更加明顯。

為了對抗無線信道的衰落，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性，在無線通信系統(tǒng)中廣泛使用分集技術。多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)系統(tǒng)通過發(fā)送端和/或接收端配置的多根天線，可以實現(xiàn)空間分集，并且可以有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率[2]，已經(jīng)被認為是新一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。然而令人遺憾的是，在實際無線通信系統(tǒng)中，通常只在基站端配置多根天線，而對于移動終端，由于受到體積、重量、功耗及成本等方面的限制，在其上配置多根天線難以實現(xiàn)。為了解決這個問題，實現(xiàn)移動終端的發(fā)送分集，產(chǎn)生了一種新的空間分集形式——協(xié)作分集。分集增益通過網(wǎng)內(nèi)移動終端的相互協(xié)作獲得:網(wǎng)內(nèi)多個移動終端組成協(xié)作伙伴，協(xié)作伙伴之間對數(shù)據(jù)進行中繼轉發(fā)，即每個移動終端都不僅發(fā)送自己的信息，還要發(fā)送協(xié)作“伙伴”的信息。通過使用“伙伴”的天線來發(fā)送經(jīng)歷獨立衰落的副本，從而使單天線的移動終端也可以實現(xiàn)空間分集。目前，協(xié)作分集主要以協(xié)作中繼的方式應用于現(xiàn)有系統(tǒng)中。其中，WiMAX系統(tǒng)于2009年在IEEE 802.16j協(xié)議版本中引入了協(xié)作中繼技術，4G LTE Advanced于2008年在3GPP R1－82975中引入了協(xié)作中繼技術，這意味著協(xié)作中繼技術開始正式啟動其商用化進程。

盡管先進移動通信系統(tǒng)中紛紛引入了協(xié)作通信技術，卻仍然沒有形成有效的安全機制來約束通信節(jié)點在協(xié)作通信中的行為。本文將結合LTE、LTE Advanced系統(tǒng)，對引入?yún)f(xié)作通信后的通信過程中所存在的安全缺陷展開分析。為敘述方便，后文將引入了協(xié)作通信技術的移動通信網(wǎng)絡簡稱為移動協(xié)作通信網(wǎng)。同時，本文僅討論空中接口所存在的安全缺陷。

2 4G系統(tǒng)空中接口上的主要安全機制

4G移動通信系統(tǒng)為保持與LTE系統(tǒng)的完全兼容，在設計上沿用了LTE系統(tǒng)的安全機制，主要包括身份保密機制、雙向鑒權和密鑰協(xié)商機制、信令完整性保護機制和信令/數(shù)據(jù)加密機制[3]。這些安全機制保證了常規(guī)移動通信系統(tǒng)的安全運行，保護用戶身份不被惡意用戶冒用，用戶通信不會遭到非法用戶的竊取。

2.1 身份保密機制

用戶身份信息屬用戶的個人隱私信息，同時作為用戶接入網(wǎng)絡、使用網(wǎng)絡資源的憑據(jù)，受到系統(tǒng)的嚴格保護。為達到保護用戶身份信息的目的，從2G移動通信系統(tǒng)開始，3GPP協(xié)議就規(guī)定了有關使用臨時身份標識(TMSI)替代永久身份信息(IMSI)的相關內(nèi)容。在4G系統(tǒng)中，采用全球唯一臨時標識(Global Unique Temporary Identity，GUTI)作為用戶臨時身份[4]。GUTI 由 MME(Mobility Management Entity)分配給用戶，僅在所屬MME范圍內(nèi)有效。與TMSI類似，GUTI也是與用戶IMSI綁定的。

在4G系統(tǒng)中，MME向用戶分配GUTI的過程被稱為“再分配”，如圖1所示。

圖1 GUTI再分配過程Fig.1 GUTI reallocating process

GUTI的再分配過程是由MME發(fā)起的[5]，在該過程中，MME向UE(User Equipment)發(fā)布一對新的臨時用戶身份GUTIn/TAIn用以在無線鏈路上標識用戶身份，其中，TAI(Tracking Area Identity)是跟蹤區(qū)域標識，用于標識用戶當前所處區(qū)域。GUTIn的生成是隨機的、不可預測的，是與用戶IMSI相關聯(lián)的。用戶收到新的GUTI后，需要撤銷原GUTI與IMSI的關聯(lián)關系，并建立新GUTI與IMSI的關聯(lián)關系，然后向MME發(fā)送GUTI再分配完成消息。

當UE進行開機等操作時，網(wǎng)絡中不存在用戶永久身份與臨時身份的匹配關聯(lián)關系。此時，網(wǎng)絡將請求使用用戶永久身份IMSI來標識用戶身份。該過程如圖2所示。

圖2 永久身份標識IMSI的識別機制Fig.2 Indentifying mechanism of IMSI

值得注意的是，在該過程中，用戶永久身份標識IMSI是采用明文方式在空中接口上傳輸?shù)?，因此IMSI可能在該過程中被泄露。

2.2 雙向鑒權和密鑰協(xié)商機制

身份認證和密鑰協(xié)商一直是移動通信系統(tǒng)中十分重要的安全機制。從3G系統(tǒng)起，移動通信系統(tǒng)開始采用雙向鑒權的方式為用戶和網(wǎng)絡提供雙向的身份認證，確保通信實體的真實性和可靠性，防止第三方惡意用戶的攻擊。而密鑰協(xié)商機制則為通信雙方提供了加密方式的選擇途徑，以確保通信雙方均可實現(xiàn)對通信內(nèi)容的加密，保護業(yè)務數(shù)據(jù)[6]。為實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑升級，4G系統(tǒng)的雙向鑒權和密鑰協(xié)商機制沿用了3G的AKA(Authentication Key Agreement)機制改進而來[7]。不同之處在于，HSS將128位的密鑰與網(wǎng)絡身份一同生成了256位的KASME，并在AUTN中增加了認證管理域(Authentication Management Field，AMF)。當 AMF為1時，表明接入的是4G網(wǎng)絡，執(zhí)行LTE AKA機制;否則，執(zhí)行3G AKA機制。

2.3 信令完整性保護機制

信令完整性保護機制是從3G起引入的安全機制，用于防止空中接口上傳輸?shù)男帕钤獾綈阂獯鄹?。完整性保護機制是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸中信令數(shù)據(jù)的內(nèi)容使用特定的數(shù)據(jù)完整性保護算法，向信令中添加完整性保護域，以便接收端通過對完整性保護域的檢查來確認該信令是否合法[3]。通過該機制，可以有效避免來自攻擊者對空中接口上傳遞的信令的篡改。完整性保護機制的實現(xiàn)方法如圖3所示，其中，KEY為加密密鑰，長度為128 b;COUNT為加密計數(shù)器，長度為32 b;BEARER為無線信道標識，長度為8 b;DIRECTION為方向標識，長度為1 b，用于指示上行(0)或下行(1);MESSAGE為傳遞的消息。

圖3 完整性保護算法實現(xiàn)方法Fig.3 Realization method of integrity protection algorithm

需要注意的是，信令完整性保護只保持對控制面的保護，而對用戶面的數(shù)據(jù)并不提供保護。

2.4 信令/數(shù)據(jù)加密機制

信令在受到完整性保護的同時，大部分信令還受到加密算法的保護。同時，用戶數(shù)據(jù)由于涉及到用戶的隱私信息，不適宜采用明文傳遞，因此，用戶數(shù)據(jù)也受到加密算法的保護。但需要指出的是，協(xié)議中所規(guī)定的加密算法是可選項，信令和用戶數(shù)據(jù)是允許以明文方式在空中接口上傳輸?shù)?。加密機制的實現(xiàn)方法與完整性保護的實現(xiàn)方式基本一致，在此不再贅述。

3 移動協(xié)作通信網(wǎng)安全缺陷和攻擊方式分析

移動協(xié)作通信網(wǎng)與傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡最大的不同之處在于，它引入了移動終端與終端之間、終端與中繼轉發(fā)節(jié)點之間的協(xié)作，改變了移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構。全新的網(wǎng)絡形式帶來了新的安全缺陷，也必將導致針對新型網(wǎng)絡攻擊方式的產(chǎn)生。

3.1 安全缺陷分析

傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)中，UE單純和NodeB相連，UE間沒有任何直接的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡采用層次化的體系結構，并具有穩(wěn)定的拓撲結構。同時，傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡提供了多種服務以充分利用網(wǎng)絡的現(xiàn)有資源來實現(xiàn)安全策略，如加密、認證、訪問控制、防火墻和權限管理等，因此，某個惡意的用戶很難對其他UE進行有效的攻擊。而在移動協(xié)作通信網(wǎng)中，由于UE與其他UE或中繼節(jié)點間存在協(xié)作關系，使得網(wǎng)絡拓撲結構不斷變化，產(chǎn)生了信息傳輸路徑的不確定性，加上信息在進入eNodeB之前無法采用路由器、防火墻等設備對信息進行保護，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中能夠較好工作的安全機制也不一定適用于移動協(xié)作通信網(wǎng)，故與傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)相比，新型網(wǎng)絡更易遭受攻擊。針對新型網(wǎng)絡可能的攻擊方式主要出現(xiàn)在網(wǎng)絡功能、動態(tài)拓撲、路由協(xié)議等3個方面。

(1)網(wǎng)絡功能

由于移動協(xié)作通信網(wǎng)的主要功能是完成用戶間的協(xié)作通信，因此通信發(fā)起用戶的信息和數(shù)據(jù)必然通過其他用戶進行中繼和轉發(fā)。在此過程中，惡意用戶可以通過偽裝成中繼節(jié)點的方式對發(fā)送方的數(shù)據(jù)進行截獲、偵聽、篡改等攻擊而不被發(fā)現(xiàn)。

(2)動態(tài)拓撲

移動協(xié)作通信網(wǎng)中節(jié)點的位置是不固定的，可隨時移動，造成網(wǎng)絡拓撲結構不斷變化。一條正確的路由可能由于目的節(jié)點移動到通信范圍之外而不可達，也可能由于路由途經(jīng)的中間節(jié)點移走而中斷。因此，難以區(qū)別一條錯誤的路由是因為節(jié)點移動還是虛假路由信息造成的。由于節(jié)點的移動性，在某處被識別的惡意節(jié)點移動到新的地點或改變標識后，它可重新加入網(wǎng)絡而不被識別。另外，由于動態(tài)的拓撲結構，網(wǎng)絡沒有邊界，防火墻也難以應用。

(3)路由協(xié)議

路由協(xié)議的實現(xiàn)是另一個安全弱點。路由算法一般都假設網(wǎng)絡中的所有節(jié)點是相互合作的，共同去完成網(wǎng)絡信息的傳遞。如果某些節(jié)點故意去惡意地廣播虛假路由信息，或散布大量無用數(shù)據(jù)，可能會導致整個網(wǎng)絡的崩潰。另一方面，如果某些節(jié)點為節(jié)省自身資源而拒絕為其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，也將影響整個網(wǎng)絡的性能。

3.2 攻擊方式分析

針對網(wǎng)絡特點，新型網(wǎng)絡可能遭到的攻擊方式有8 種[8]，下面分別介紹。

(1)偵聽

任何無線通信系統(tǒng)都可能遭到偵聽攻擊。移動協(xié)作通信網(wǎng)采用無線信號作為傳輸媒介，其信息在空中傳播，攻擊者只需要從空中接口接收信號并將之還原，即可獲取發(fā)送方的信息。

(2)干擾

干擾是一種簡單而有效的物理層攻擊方式。攻擊者不需要加入網(wǎng)絡，只要檢測出網(wǎng)絡節(jié)點所使用的發(fā)送和接收信息的頻率，連續(xù)發(fā)送干擾信號，就能夠有效地阻塞節(jié)點之間的正常通信。

(3)中間人

通常，總是假定網(wǎng)絡中的節(jié)點都是相互合作的，轉發(fā)報文的節(jié)點不會修改與其無關的任何信息，所以不檢查信息的完整性和有效性。這使得攻擊者能夠十分容易實現(xiàn)中間人攻擊，更改報文中的任意字段和數(shù)據(jù)，或向其中注入任意內(nèi)容，從而產(chǎn)生錯誤的信息，導致網(wǎng)絡性能下降或接收方接收到錯誤信息。導致篡改攻擊的根本原因在于節(jié)點沒有對轉發(fā)的報文進行完整性檢測。應對這種攻擊的方法一般是對報文進行完整性驗證。

(4)假冒

如果移動協(xié)作通信網(wǎng)所采用的路由協(xié)議不認證報文發(fā)送方的身份，攻擊者將有機會聲明其為某個合法節(jié)點，并以其身份加入網(wǎng)絡發(fā)起通信，甚至屏蔽該合法節(jié)點并利用其身份接收報文。應對這種攻擊的方法一般是在網(wǎng)絡節(jié)點之間實現(xiàn)身份認證機制。

(5)偽造

攻擊者可以偽造并發(fā)送任何信息，如路由信息、虛假通信內(nèi)容等。應對虛假通信內(nèi)容的方法同假冒攻擊一樣，一般是在網(wǎng)絡節(jié)點之間實現(xiàn)身份認證機制。但要檢測出虛假路由信息則比較困難，因為要隨時掌握移動協(xié)作通信網(wǎng)絡全局的連通狀態(tài)，才能夠辨識某節(jié)點發(fā)出信息的真?zhèn)巍?/p>

(6)資源消耗

攻擊者發(fā)送大量無用的報文，如路由查詢報文或數(shù)據(jù)報文，消耗網(wǎng)絡和節(jié)點資源，如帶寬、內(nèi)存、處理器、電池等，導致被攻擊網(wǎng)絡或用戶迅速消耗可用資源，實現(xiàn)拒絕服務攻擊的目的。

(7)重放

重放攻擊又稱重播攻擊、回放攻擊或新鮮性攻擊(Freshness Attacks)，是指攻擊者發(fā)送一個目的節(jié)點已接收過的包，來達到欺騙系統(tǒng)的目的，主要用于身份認證過程，破壞認證的正確性。這種攻擊會不斷惡意或欺詐性地重復一個有效的數(shù)據(jù)傳輸，可以由傳輸發(fā)起者進行，也可以由攔截并重發(fā)該數(shù)據(jù)的敵方進行。攻擊者利用網(wǎng)絡監(jiān)聽或者其他方式盜取認證憑據(jù)，之后再把它重新發(fā)給認證服務器。加密可以有效防止會話劫持，卻防止不了重放攻擊。重放攻擊在任何網(wǎng)絡通信過程中都可能發(fā)生。應對這種攻擊的方法一般采用時間戳、消息序號和提問－問答等。

(8)位置信息泄露

由于移動協(xié)作通信網(wǎng)中節(jié)點的協(xié)作關系，節(jié)點能夠為其他節(jié)點轉發(fā)信息。攻擊者可以構造帶有特殊標記的信息，通過向被攻擊者不斷發(fā)送協(xié)作請求，使被攻擊者不斷發(fā)送這些特殊信息內(nèi)容，從而利用無線信號定位技術解算出被攻擊者的地理信息，造成位置信息泄露。

4 移動協(xié)作通信網(wǎng)攻擊的規(guī)避方法

通過分析移動協(xié)作通信網(wǎng)可能遭到的攻擊方法可以發(fā)現(xiàn)，除偵聽、干擾和定位外，空中接口上實施的攻擊全部是基于欺騙的攻擊，而這些攻擊方式利用的都是新型網(wǎng)絡難以對攻擊者實施身份認證這一特點。因此，可以考慮設計一種適用于移動協(xié)作通信網(wǎng)節(jié)點間的身份認證機制，來避免上述攻擊。

考慮到移動協(xié)作通信網(wǎng)構建于移動通信網(wǎng)絡之上，因此，移動協(xié)作通信網(wǎng)節(jié)點間的身份認證協(xié)議也應當采用其承載網(wǎng)所采用的安全機制，避免給網(wǎng)絡和節(jié)點帶來新的負載。為此，以下描述一種基于LTE系統(tǒng)雙向鑒權、完整性保護和加密機制的協(xié)作身份認證機制。

由于移動協(xié)作通信網(wǎng)的各節(jié)點能夠與基站通信，可利用基礎網(wǎng)絡設施作為安全中心，故其身份認證機制可基于已有的雙向鑒權機制展開。設計移動協(xié)作通信網(wǎng)的身份認證機制如圖4所示(以一次協(xié)作通信為例)。

圖4 移動協(xié)作通信網(wǎng)鑒權流程圖Fig.4 Authentication flow chart of mobile cooperative communication network

假設UE1選擇UE2作為其協(xié)作通信的伙伴。

(1)首先，UE1向UE2提出協(xié)作建立請求，并發(fā)出協(xié)作建立請求消息。在協(xié)作建立請求中，包含UE1所支持的加密算法、完整性保護算法等安全能力等級信息，并包含其臨時身份標識TMSI和利用其在接入移動通信網(wǎng)時選定的加密算法加密的永久身份信息。

(2)UE2收到協(xié)作建立請求后，先在本地保存一個UE1的安全能力等級信息、臨時身份信息和加密后的永久身份信息的副本，然后向核心網(wǎng)提出身份認證請求。在該請求中除提交UE1的相關安全信息外，同時提交自己的身份信息和相關安全信息。

(3)eNodeB收到UE2的身份認證請求后，同樣先保存UE1和UE2安全信息的副本，然后向核心網(wǎng)提交身份認證數(shù)據(jù)請求。

(4)核心網(wǎng)驗證收到的身份信息，并根據(jù)UE1和UE2正在使用的加密方式分別加密身份認證結果，即用UE1正在使用的加密算法加密UE2的認證結果，用UE2正在使用的加密算法加密UE1的認證結果。

(5)eNodeB收到身份認證響應后，用UE1支持的加密算法加密UE1的安全能力等級信息副本，用UE2支持的加密算法加密UE2的安全能力等級信息副本，并將其附在認證響應信息末尾發(fā)送給UE2。同時發(fā)送給UE2的還有選定的加密算法和完整性保護算法，并在此步驟啟動對信令的完整性保護。

(6)UE2接收到身份認證響應消息后，首先根據(jù)選定的完整性保護算法驗證消息的合法性，然后解密認證消息中有關自己安全能力等級信息副本的數(shù)據(jù)，驗證是否與自己發(fā)送的內(nèi)容相符。若相符，表明鑒權信息沒有遭到篡改，網(wǎng)絡合法，則繼續(xù)解密UE1的認證結果。若UE1的認證結果為通過，則表明UE1身份合法，UE2記錄選定的加密算法和完整性保護算法，并繼續(xù)向UE1發(fā)送認證響應消息;否則，發(fā)送認證失敗消息。

(7)UE1收到認證響應消息后，與UE2的操作相同，首先驗證消息的合法性，然后解密認證消息中有關自己安全能力等級信息副本的數(shù)據(jù)，再解密UE2的認證結果。認證通過后，身份認證完成，可以建立協(xié)作關系。

5 結束語

通過分析發(fā)現(xiàn)，協(xié)作通信技術的引入給新一代移動通信系統(tǒng)帶來了安全隱患。攻擊者利用這些安全隱患除可實現(xiàn)對用戶信息的竊取外，還可能實現(xiàn)對用戶終端和網(wǎng)絡的攻擊，導致用戶終端資源急劇消耗、網(wǎng)絡性能嚴重下降甚至癱瘓等嚴重后果。

通過增加協(xié)作通信的身份認證機制，能夠有效改善協(xié)作環(huán)境下的安全性，規(guī)避基于欺騙的攻擊方法帶來的危害。對該方法的進一步完善，使其適用于實際網(wǎng)絡和設備中是下一步研究的重點。

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