无线通信安全.docx

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1、无线通信平安目录无线通信平安调研1一. 网络的平安技术21.1 信息加密21.1.1 对称密钥算法21.1.2 非对称密钥算法31.2 数字签名4二. Cellular的平安性42.1 GSM系统的平安实现42.2 3G网络的平安现状62.2.1 3G网络的认证与密钥分配：3GAKA协议使用最广泛62.2.2 3G网络加密和完整性算法的分析82.3 ErE网络的平安性102.3.1 EPSAKA 协议10三. WLAN网络的平安性113.1 IEEE802. 11 平安标准113.2 IEEE802.11i高级的无线局域网平安标准113.2.1 TKIP113.2.2 AES113.2.3 I

2、EEE 802.Ix 认证协议123.3 其他的WLAN平安认证协议EAP认证机制）12四LTE-WLAN互联网络的平安性134.1 LTE-WLAN 融合背景134.2 LTE-WLAN 互连方案134.3 LTE-WLAN 互连场景144.4 LTE-WLAN互连平安协议144.4.1 EAP-SIM 认证协议14协议15五LTE-WLAN互联网络平安协议的改良175.1 基于EAP-AKA的方案175.2 基于公钥加密体系的方案175.3 E-WLAN互联网络平安协议的仿真18七.物理层平安方案197.1 性能度量 （performance metrics） 197.2 研究模型207.

3、2.1窃听信道模型20单天线信道模型20多天线信道20播送信道一对多）21干扰信道用户之间相互干扰）21中继和协作方案：非信任中继和信任中继217.3 物理层平安实现方案217.3.1 信道方法21功率方法21编码方法22八.无线加密22参考文献23注：主要包含三方面：1.移动通信系统平安认证协议1-6章；2.物理层平安(第7章；3.无线加密(第八章一 .网络的平安技术LI信息加密对称密钥算法对称算法有时又称为传统密码算法，加密密钥和解密密钥能够互相推算出来。由于通常使 用的对称算法中加密解密密钥是完全相同的，因此这些算法也称为单密钥算法。对称算法 的平安性完全建立密钥之上，如果攻击者截获了该

4、密钥，那么用户发送或接收的消息就没 有任何机密性可言，所以密钥的保密性对通信性至关重要。按照对明文的处理方式不同， 可将对称密码体制又分为分组密码和序列密码或流密码)。分组密码处理数据的单位为分 组块，每个输入块生成一个输出块，而序列密码流密码)是对单个输入数据进行连续处 理，生成连续的单个元素输出。.1分组对称密码分组密码将变编码后的明文消息序列先划分称为长度为m的假设干组x=(xl,x2,xm)9 各组分别在密钥k=(kl,k2km)作用下变换成等长的序列y=(yl,y2 ym).常用的基于分组的对称加密算法有DES123 IDEA和AES等。1Zibideh W Y Matalgah M

5、 M. Modified-DES encryption algorithm with improved BER performance in wireless communicationC/Radio and Wireless Symposium (RWS), 2011 IEEE. IEEE, 2011: 219-222.2Zibideh W Y Matalgah M M. An optimized encryption framework based on the modified-DES algorithm: a trade-off between security and through

6、put in wireless channelsCRadio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE. IEEE, 2012: 419-422.3 Haleem M A, Mathur C N, Chandramouli R, et al. Opportunistic encryption: A trade-off between security and throughput in wireless networks J. Dependable and Secure Computing, IEEE Transactions on, 2007, 4(4)

7、: 313-324.2序列密码序列密码是另一种形式的对称密钥，又称为流密码，具有一次一密的特点，在发送端将明 文消息序列m=ml,m2,.,与密钥流序列k=kl,k2,.逐位进行进行运算通常为异或)，在接 收端通过同步产生的相同密钥流与密文进行相同的运算就可以实现解密。图2-1序列密码原理对称密码技术优点：算法实现的效率高，速度快，系统开销小对称密码技术缺点： 每两个用户之间就需要一对密钥，数量庞大加解密使用同样的密钥，一旦密钥在信道传输的过程中泄露，将会对通信平安造成极 大威胁目前移动系统的平安协议一般都是基于对称密钥体系。非对称密钥算法公钥算法基于难解的数学问题，如离散对数问题、大素数分解

8、问题。与对称密码相不同， 非对称密钥算法的使用的加密密钥和解密密钥不同，这一对密钥中，其中一个叫做公钥， 可以公开，不用秘密保存；另外一个叫做私钥，只有所有者知道，不能公开。用公钥加密 的信息只能用相应的私钥来解密，反之亦然，同时在计算上即使知道公钥信息也不能直接 推出私钥，反之亦然。好的公共密钥算法是建立在单向函数计算容易求逆却很困难)根 底上的。目前比拟典型公钥密码体系主要有：1) RSA,它的平安性基于大整数分解问题的困难程度；2) DSA, DH, EIGamal,它的平安性基于有限域上求解离散对数困难问题；3) ECC,它的平安性基于椭圆曲线离散对数问题。其中椭圆加密算法ECC因为其

9、计算量比EIGamal系统、RSA系统等要小很多而平安级更 高脱颖而出。在平安性相当的前提下，椭圆密码算法可以使用较短的密钥长度实现较高的 平安级，ECC算法相比其他算法具有更高的优势。ECC算法平安指数高、计算速度高、 所需存储空间小、传输带宽要求小的特性决定了它特别适合用于计算能力有限、存储能力 有限、带宽有限、平安性要求高非常的领域，如智能卡、SIM卡)等无线通信设备, 在移动通信系统中具有广阔的应用前景。由于ECC算法适合于SIM卡），在一些改良的移动通信系统平安协议中，经常结合椭圆密钥体系来加强协议的平安性。1.2数字签名在通信系统中，通信的双方中的一方有可能在通信结束后，否认发送过

10、此消息、，这种抵赖 行为经常在金融和商务活动中发生，但是单纯的消息认证并不能帮助双方解决这个问题， 这就需要在通信系统中提供一种类似于现实手写签名一样的机制以确保对方不能对其行为 进行抵赖。数字签名具有以下特性：消息完整性。防止消息篡改。不台伪造性。在不知看全名者私钥的前提下，敌手很难伪造一个合法的数字签名。 不可抵赖性。对普通数字签名，任何人可用签名者公钥验证签名的有效性。由于签名不可伪造，签名者无法否认他的签名。目前，数字签名所使用的签名算法主要有RSA数字签名算法、ElGamal数字签名算法、美国数字签名标准/算法DSS/DSA）、椭圆曲线数字签名算法内等。二.Cellular的平安性2

11、1GSM系统的平安实现GSM系统的平安主要包括三个局部：对用户的鉴权，空中接口的加密以及对用户身份信息 的保护。GSM系统中的认证发生在网络知道用户身份TMSI/IMSI）之后、信道加密之前。 认证过程中同时产生加密密钥。GSM网络使用传统的挑战应答机制对用户进行鉴权，具体 过程如下图：白张方国,王常杰,王育民等.基于椭圆曲线的数字签名与盲签名J.通信学报MSMSCzVLRAUC/HLR用户接入请求认证数据请求认证向量生成与分发过程,声辐运完Sn由自、丁二出：存储鉴权三元组；选择一个三i 用葬肥时元组(VND(i),SRES(i汹2 I认证数据响应QRAND,SRES,Kc) .(RAND,

12、SRES, KQ认证与密钥建立过程.*v, . I比较S/的和SRESG* 一 选择KM*9*9*X *.* 23 ：计算SES(i) 1用户认证响应 SRES(图2.1 GSMAKA协议流程LGSM网络侧VLR收到业务请求，从中提取TMSl或IMSL并查看是否保存有认证向量三元 组RAND, XRES, KC),有那么可以直接给MS发送RAND作为挑战信息，否那么继续。 2. VLR向AUC发送认证请求，其中包含IMSI。3. 认证中心根据IMSl找到用户的密钥Ki,然后输入Ki和随机数RAND,使用A3算法产生预期响应XRES,使用A8算法产生加密密钥Kc,即产生认证三元组：triplet

13、RAND, XRES, KC),发送到MSC/VLR；4. MSC/VLR将其中的RAND发送给MS, MS中的SlM卡根据收到的RAND和存储在卡中的Ki,利用A3和A8算法分别计算出用于RES和Kc,并将RES回送至IJMSCVLR3o5. MSC/VLR比拟来自MS的RES和来自认证中心的XRES,假设不同，那么认证 失败；假设相同，那么认证成功，并且在后续的通信过程中，用户和基站之间使用 A5算法和密钥Kc进行加密。为保证用户身份的机密性，在鉴权成功之后，网络为用户分配临时移动用户标识TMSI) 来替代国际移动用户标识IMSI)与网络进行通信，这样，第三方就无法在无线信道上通 过IMS

14、l跟踪GSM 用户。GSM AKA认证缺点(VUInerabilitieS)：单向认证：只有网络对用户的认证，没有用户对网络的验证，因此，攻击者有可能 使用非法的设备伪装成合法的网元，从而欺骗用户，盗取用户信息； 明文传输IMSI：当用户第一次接入网络时或者在TMSl认证失败之后，网络会要求用户传输IMSI,这时候IMSl是明文传输的，容易被第三方截获GSM网络中没有实现端到端的加密，用户数据只是在无线局部是加密的，在有线信道采用明文传输，很容易被窃听。 密钥太短，使用64bit密钥Kc,比拟容易被破解。没有对数据和信令进行完整性保护 总结：GSM AKA协议仅仅实现了网络对用户的认证，但是在双向认证，用户身份保护， 有信信道加密以及数据完整性保护等方面平安性不够2.2 3G网络的平安现状2.2.1 3G网络的认证与密钥分配：3GAKA协议(使用最广泛)主要继承自GSM系统的平安协议，沿用了其优点，针对GSM平安协议的缺陷做了一 些改良用户接入请求VliusgsnHE/HLRIMS叮MSIJDHLR.认证数据请求IMSI认证数据响应认证向量生成与分发过程田日、ITW七：存储鉴权五元组；选: A吃甥，臂Y择一个五元姓 ZJiI1)91 C/1 /Vl 11 1.-.I-.-.”.I计算期i)I用户认证响应认证与密钥建立过程1