（通信与信息系统专业论文）基于windows+ce系统的wcdma协议安全性研究与实现.pdf

中文摘要 随着移动通信的不断发展，人们的社会生活方式发生了翻天覆地的变化。人 们频繁的使用移动通信进行信息交流，使得通信系统中信息的安全性以及网络资 源使用的安全性变得越来越重要。w c d m a 是3 g 系统中一种正在迅速发展的主流 标准，如何实现w c d m a 中的安全协议是本文研究的主要内容。 本论文基于w i n c e5 0 平台对w c d m as e c u r i t y 协议进行了研究与实现，这 属于w c d m a 终端核心软件的研究。由于目前几乎所有的3 g 终端软件的实现方法 都是完全保密的，可借鉴的资料非常少，因此，本课题根据3 g p p 发布的标准， 独自提出s e c u r i t y 软件协议栈的实现方案，框架结构和测试流程，这也是本文 的创新点所在。 本论文首先深入地描述了w c d m a 协议的研究背景、国内外发展状况和本文研 究的意义。然后对所采用的w i n c e 操作系统和开发环境进行了详细的介绍，重点 在系统管理方面。接着本文对w c d b t a 协议r 4 版本s e c u r i t y 部分进行了研究，包 括w c d m a 安全目标、安全体系结构、安全特征，重点探讨了鉴权、认证、加密、 完整性保护的安全链接建立过程。通过对这些过程的描述，可以更好地理解安全 协议的实现方法和内涵。 作为论文的成果和结论，本论文详细说明了所提出的协议栈的实现过程和测 试思路。在协议实现方面重点探讨了鉴权认证和加密的核心算法的选择、设计与 实现；在协议测试方面，基于p l a t f o r mb u il d e r 开发环境对本文所实现的协议 代码进行了测试，从测试文档中总结给出了测试方案( 单元测试、综合测试) 的 典型测试结果和结论。 经过对所开发的协议代码的详细测试，验证了本文所提出的协议设计和实现 方法能够实现规范要求的主要功能，达到了预期的目标。 关键词：w c d m a 标准鉴权加密完整性保护 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y a l o n g w i t hi t sp o p u l a r i t y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o np l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n p e o p l e ss o c i a ll i f e a sp e o p l ef r e q u e n t l yu s em o b i l ec o m m u n i c a t i o nf o ri n f o r m a t i o n e x c h a n g e ，h o wt og u a r a n t e et h es e c u r i t yo ft h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e di nt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h es e c u r i t yo ft h en e t w o r kr e s o u r c e sh a sb e c o m ea l l u r g e n tp r o b l e m w c d m aa st h eo u t s t a n d i n go n eo f3 gh a st h er a p i d l yd e v e l o p i n gs p e e d t h i s d i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e dt h ew c d 【as e c u r i t yp r o t o c o lo nt h eo c c a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to f3 g t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e v e l o ps o f t w a r eo fs e c u r i t yo fw c d m a p r o t o c o l s t a c ko nu e ，b a s e do ne m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw i n d o w sc e5 0 ，w h i c hb e l o n g s t oc o r es o f t w a r eo fw c d m at e r m i n a l s t h ew o r ki sc h a l l e n g i n gs i n c ei td e a l sw i t h c o r et e c h n i q u e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sa r ev e r ys c a r c e ，w h i c hi s ，a l s ot h ec r e a t i v e p o i n to ft h ep a p e r t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do fw c d m a , t h e d e v e l o p m e n ta n dt h e f r a m e w o r ko ft h ew c d m a p r o t o c o l s s e c o n d l yi td e s c r i b e st h ee m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ma n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h i r d l yi td e s c r i b e st h es e c u r i t yp r o t o c o l s ， m a i n l yt h ep r o c e d u r e sa n ds t a t e so ft h ea u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o ni n3 ga c c e s s n e t w o r k s ，a n dt h em e c h a n i s m sa d o p t e df o rp r o v i d i n gd a t ae n c r y p t i o ns e r v i c ea n dd a t a i n t e g r i t ys e r v i c e i th e l p st oc o m p r e h e n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o t o c o l s a st h ea c h i e v e m e n to ft h i sp a p e r , i tr e s e a r c h e st h ei m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n go f t h es e c u r i t yp r o t o c o l s ，m a i n l yt h ea u t h e n t i c a t i o na n de n c r y p t i o ns e r v i c e i td e s c r i b e s t h e d e s i g n b l u ep r i n t ，p r o t o c o la r c h i t e c t u r e ，a n dt h e t e s t i n gm e t h o db y t h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t p l a t f o r mb u i l d e r a f t e rd e t a i l e dt e s t i n gw o r k ，i ti sp r o v e dt h a tt h es c h e m eo fr e a l i z a t i o no fp r o t o c o l i nt h i sp a p e rc a nf i n i s hm a i nf u n c t i o n sr e q u i r e di nt h es p e c i f i c a t i o n s ot h ee x p e c t e d a i mi nt h i sp a p e rh a sb e e nr e a c h e d k e yw e l m s ：w c d m a s t a n d a r d ，a u t h e n t i c a i t o n ，e n c r y p t i o n ，i n t e r g r i t ys e r v i c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：现、受芝签字日期：a 叼7 年月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翟、壶芝 签字日期：力7 年月争日 导师签名： 彳勰萍 签字日期：力习年占月严日 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 1 1 1 移动通信的发展现状 第一章绪论 移动通信在人们的社会生活中占有重要地位。人们越来越频繁的使用移动通 信进行信息交流，使得通信系统的安全性变得越来越重要h 1 。 移动通信经历了三个发展阶段： 第一代移动通信系统出现于2 0 世纪7 0 年代后期，是一种模拟移动通信系统， 是以模拟电路单元为基本模块实现话音通信。主要制式有美国的a m p s 、北欧的 n m t 、英国的t a c s 和日本的h c m t s 等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代后期，是以g s m 、d a m p s 和p d c 为代表的第二代数字移动通信系统。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出，当时称 为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，19 9 6 年更名为i m 卜2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b l i e t e l e e o m m u n i c a t i o n w 2 0 0 0 ，国际移动通信一2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 0 0 0 k b p s ，在2 0 0 0 年左右得到商用。它是一种能提供 多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与 固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通 信系统。 3 g 的目标可以概括为： 1 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在 不同的速率、不同的运动状态下获得服务质量的保证； 2 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非话业务，特 别是多媒体业务的高速传输，如3 gr t t 对于各种环境下的通信速率， 要求室内环境至少2 m b p s ，室内外步行环境至少3 8 4 k b p s ，室外车辆运 动至少1 4 4 k b p s ； 3 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务 数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统等，提供无缝隙 的覆盖； 第一章绪论 4 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。 为达到上述目标，3 g 在核心技术上确定采用c d m a 技术。i t u 为3 g 所选 定的三大候选方案为w c d m a 、e d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 w c d m a 由欧洲和日本提出，它的标准化工作是由国际标准化组织3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，第三代伙伴关系计划) 来推动和实施的。它 广泛采用了无线通信领域的最新研究成果，具有丰富的功率控制手段( 包括开环、 外环和快速闭环功控) ，支持软切换与更软切换，支持同步异步基站运营模式， 采用a m r 语音编码，接入网部分u 删基于a t m 技术，统一处理电路域和 分组域两部分的业务，并向i p 方向发展。 g s m 向w c d m a 的演进策略是渐进式的：从目前的g s m h s c s d ( 高速 电路交换数据，速率1 4 4 6 4 k b p s ) g p r s ( 通用分组无线业务，速率1 4 4 k b p s ) ， 最终以网络业务覆盖再度平滑无缝隙地演进至l m t m 2 0 0 0w c d m a ( d s ) 。因为 w c d m a 体制的核心网是基于g s m g p r s 网络的，并保持了与g s m g p r s 网络 的兼容性，因此在g s m 向w c d m a 的演进过程中，核心网部分将是平滑过渡的。 但由于在空中接口上，它采用了革命式的全新无线接口标准u t r a ( u n i v e r s a l t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s ) ，因此无线接入网部分的演进将是革命性的。 e d m a 2 0 0 0 体制是在i s 9 5 的窄带c d m a 标准基础上由美国和韩国提出的3 g 标准，目前其标准化工作由3 g p p 2 来完成。它的最大优势在于空中接口兼容i s 9 5 ， 这样对于占网络投资绝大部分的b t s 来说，天线、射频滤波器和功率放大器等 射频部分是可以再利用的。但是c d m a 2 0 0 0 这一技术在很大程度上采用了高通公 司( q u a l c o m m ) 的专利，知识产权问题是一个严重障碍，同时它的同步方式是 依赖于美国政府严格受限的g p s 全球定位系统的，这些因素都导致了c d m a 2 0 0 0 体制在全球范围的推广。 t d s c d m a 标准是由中国无线通信标准组织c w t s 提出的一套全新的3 g 标准，它具备一系列的技术特色，如智能天线+ 联合检测、多时隙 c d m a + d s c d m a 、同步c d m a 、软件无线电、接力切换等，目前t d s c d m a 已经融合到了3 g p p 关于w c d m a 。t d d 的相关规范中瞳3 。 w c d m a 体制由于其在市场基础、后向兼容以及总体特征上的优势，受到 越来越多的关注。 w c d m a 协议目前已经完成了r 9 9 、r 4 、r 5 等多个版本，且还不断有新的 版本加入】。 r 9 9 协议作为w c d m a 的第一个版本，核心网系统继承g s m 和g p r s 核心 网的所有特征。核心网分为电路域和分组域，电路域采用g s m 的网络，分组域 采用g p r s 的网络。 第一章绪论 r 4 协议为了能使电路交换域和分组交换域承载在一个公共的分组骨干网 上，在核心网电路域中引入了基于软交换架构的分层架构，基本思想是将呼叫控 制与承载层分离，通过m s cs e v e r , m o w 将语音和控制信令分组化。r 4 中最主 要的特点是加入低码片速率t d d 模式( l c r t d d ) ，即由中国提出的t d s c d m a ， 提高了无线接口性能并修改了相关规范中的无线射频和测试参数，并在终端侧加 入相应的l c r t d d 的一致性测试规范。 r 5 协议在接入网部分通过引入h s d p a 等技术实现端到端的全面i p 化，于 2 0 0 2 年6 月功能冻结。 综合考虑到协议成熟度，以及向i p 化的演进，基于r 4 架构的软交换网络越 来越为世界瞩目。本课题选用r e l e a s e4 协议。 1 1 23 g 系统的安全性问题与协议栈 安全性： 第一代模拟移动通信系统，几乎没有什么安全性，话音很容易被窃听，手机 被克隆；第二代移动通信系统由于采用数字系统，安全性得到了提高，能对用户 进行认证，对通话内容进行加密( 无线链路段) 。但是2 g 的安全性是有限的， 存在安全缺陷。比如采用单向认证，伪基站，加密算法( a 5 ) 不够强，这已经 证明能被破解。 目前在2 g 和3 g 之间存在一种两代半( 2 5 g ) 的移动通信系统：通用无线 分组业务( g p r s ) 。它利用原有的2 ( 3 电路交换技术来提供分组数据通信的业务。 它的安全性与2 ( 3 类似，只是在涉及分组数据通信方面有其特殊性，具有i p 网络 的特点。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是一个在全球范围内覆盖与使用的网络系统。 信息的传输既经过全开放的无线链路，亦经过开放的全球有线网络，同时，在第 三代移动通信系统中，除了传统的语音业务外，它还将提供多媒体业务。 如何在第三代移动通信系统中保证业务信息的安全性以及网络资源使用的 安全性已成为3 g 系统中重要而迫切的问题。所以3 g 标准特别是w c d m a 标准 的安全性研究具有非常重要的现实意义嘲。 协议栈： 现在的国产2 g 移动终端有9 0 是贴牌生产，研究开发局限于外形设计和局 部功能的提升上，专用芯片和底层软件的研发能力相对薄弱。贴牌生产一度为国 产移动终端抢占市场份额立了头功，然而随着移动终端的买方市场的形成，贴牌 的弊端日益显露。贴牌生产的移动终端质量难以控制：由于没有掌握核心技术， 第一章绪论 新技术新产品跟进缓慢，并且每一步都需要支付高昂的技术转让费和许可费。 研发具有自主知识产权的3 g 协议栈，具有以下意义： 从根本上降低成本，这主要体现在大大的降低了技术合作费和软件许可费 上： 加快技术更新，可以更快、更好的适应市场的需求； 为软件、基带、射频的技术深化提供了很好的条件，同时也加快了芯片的研 制过程。 1 2 论文的主要研究内容与结构安排 本文的主要研究工作包括，详细解读w c d m a r 4 协议的s e c u r i t y 部分( 协 议号从3 3 1 0 2 到3 3 9 0 8 ) ，并参考测试文档，对安全体系结构进行深入的了解和 研究；掌握w i n c e5 0 操作系统的有关知识以及集成开发环境p l a t f o r mb u i l d e r 的 使用方法，了解系统的内存管理和线程、进程及调度与同步的内容。 在此基础之上，提出对鉴权、加密、完整性部分的设计并在p l a t f o r mb u i l d e r 上实现，包括各部分框架的设计，各个功能子模块内部的算法分析、选择与安排。 最后按测试文档中测试用例对代码进行了完整而全面的测试，达到了预期的 目标。由于协议栈的设计可参考的资料有限，本设计是一种全新的尝试，也是本 文的创新点所在。 论文的结构安排如下： 第1 章：绪论。本章介绍了论文的背景，研究内容，研究意义和结构安排。 第2 章：w i n c e5 0 简介。本章简要介绍w i n c e5 0 的系统特点，系统管理和 内存管理等内容。 第3 章：w c d m ar 4 协议的s e c u r i t y 部分。结合协议内容研究w c d m a 的 安全体系结构，具体分析鉴权过程，加密过程和完整性保护过程。 第4 章：s e c u r i t y 协议栈的实现。包括各部分的方案设计与实现，结合实例 论述算法的选择与设计。 第5 章：s e c u r i t y 协议栈的测试。结合测试过程中的测试方法论述协议栈的 单元测试与整体测试，给出测试结果及测试分析。 第6 章：结束语。对本文的主要论点、思路进行总结，并提出一些尚待解决 的问题。在附录中附有对文中缩略语的总结。 第二章w i n c e5 0 简介 第二章w i n c e5 0 简介 w i n d o w sc e 是微软公司推出的一款功能强大的实时嵌入式操作系统，它具 有很多优秀的性能。w i n d o w sc e 操作系统模块化设计，使开发人员可以根据需 求定制设备，这种定制有助于快速地开发功能各异的产品与服务。w i n d o w sc e 提供的一系列集成定制和开发工具，使得开发嵌入式软件的门槛大大降低了。 w i n d o w sc e 已经越来越多地被开发厂商支持及使用，迅速成为嵌入式操作系统 主流平台之一【6 3 。 2 1w i n c e5 0 的系统与特点 w i n d o w sc e5 0 版本具有以下特点： 1 精简的模块化操作系统 一个最小的可运行w i n d o w sc e5 0 内核只占2 0 0 k b 左右；增加网络支持需 要8 0 0 k b ；增加图形界面支持需要大概4 m b ；增加i n t e r a c te x p l o r e r 支持，需要 额外的3 m b 。这样就可以充分适应一些硬件资源不足的嵌入式设备的要求。 2 多硬件平台支持 为了适应嵌入式系统的要求，w i n d o w sc e5 0 支持在多种不同的c p u 硬件 平台上运行，包括x 8 6 ，a r m ，m i p s 及s u p e r h 等嵌入式领域主流的c p u 结构。 3 支持有线和无线的网络连接 w i n d o w sc e5 0 不但支持传统的有线网络连接，还支持各种无线网络标准， 包括蓝牙、红外及8 0 2 1 1 等。 4 稳健的实时性支持 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件做出 反应的能力。w i n d o w sc e5 0 实时性能有：支持嵌套中断；允许更高优先级别的 中断首先得到响应，而不是等待低级别的中断服务线程( i s r ) 完成；更好的线 程影响能力；对高级别i s t 的响应时间上限的要求更加严格，在线程响应能力方 面的改进，可帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强的监控能力和 对硬件的控制能力帮助开发人员创建更好的嵌入式应用程序；更多的优先级别， 2 5 6 个优先级别可使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活 性；更强的控制能力，对系统内的线程数量的控制能力可使开发人员更好地掌握 第二章w i n c e5 0 简介 调度程序的工作情况。 5 强大的开发工具 对于w i n d o w sc e5 0 的应用程序开发人员，可选择的开发工具有e m b e d d e d v i s u a lc - h 和v i s u a ls t u d i o n e t ；对于操作系统定制设计人员，可使用p l a t f o r m b u i l d e r 。p l a t f o r mb u i l d e r 是一个集成操作系统的“构建调试发布三 者为一体的集成开发环境h 1 。 2 2 系统管理 2 2 1 进程与线程 w i n d o w sc e 是一个基于优先级的抢占式多任务( p r i o r i t yb a s e dp r e e m p t i v e m u l t i t a s k s ) 操作。在w i n d o w sc e 中，每一个运行着的应用程序都是一个进程。 在一个进程中可包含一个或多个线程。w i n d o w sc e 调度系统负责对系统中的多 个线程进行调度。w i n d o w sc e 的调度是基于与优先级的。 进程( p r o c e s s ) 是程序的一次动态执行实例( i n s t a n c e ) 。进程与程序不同， 当程序被w i n d o w sc e 加载到内存并开始执行后就变成了一个实例或者说进程。 进程与程序的不同有： 进程是动态的概念，而程序是静态的概念； 进程有创建、执行及结束完整的生命周期，而程序只是一个文件。 一个程序可以对应多个进程，而一个进程只能对应一个程序。举个例子说， 同时打开多个i n t e m e te x p l o r e r 浏览器浏览不同的网页，这时在内存中会有多个 浏览器的进程，但是它们对应的程序只有i e x p l o r e e x e 。 应用程序可使用c r e a t e p r o c e s s ( ) 函数创建一个新进程。函数的原形如下： b o o lc r e a t e p r o c e s s ( l p c w s t r l p s z l m a g e n a m e ， l p c w s t r l p s z c m d l i n e ， l p s e c u r i t ya t t r i b u t e s1 d s a p r o c e s s ， l p s e c u r i t ya t t r i b u t e sl p s a t h r e a d , b o o lf l n h e r i t h a n d l e s d w o r df d w c r e a t e l p v 0 ) l p v e n v i o n m e n t , l p w s t rl p s z c u r d i r , 厨执行文件的路径和名字 命令行参数 不支持，设置为n u l l 不支持，设置为n u l l 不支持，设置为n u l l 控制进程创建的附加参数 不支持，设置为n u l l 不支持，设置为n u l l 第二章w i n c e5 0 简介 l p s t a r nm n 师o w i p s i s t a r f l n f o ， 不支持，设置为n u l l l p p r o c e s si n f o r m a t i o nl p p i p r o h f o ，返回的进程相关的信息 ) ； 如果进程创建成功，则函数返回非0 值；如果进程创建失败，则函数返回 f a l s e 。 在w i n d w sc e 中，进程本身不参加系统的调度，也没有优先级和上下文。 真正参加系统调度的是进程，每个进程在创建的时候都会创建一个主线程作为该 进程默认的执行体。从某种意义上说，进程只是线程的容器。 线程是w i n d o w sc e 中最小的可执行单元。w i n d o w sc e 的调度系统只识别 和调度线程。当系统创建进程时，会为每个进程创建一个默认的线程作为进程的 执行体，称做主线程。一个进程可拥有的线程数理论上是没有限制的，只与当前 可用的内存有关，也就是说只要进程还有可用内存，就可以创建线程。进程中所 有的线程共享进程所占有的资源，包括地址空间和打开的文件等内核对象。 应用程序可使用c r e a t et h r e a d ( ) 函数创建一个新线程。函数的原形如下： h a n d l ec r e a t t h r e a d ( l p s e c u r i t ya t t r i b u t e sl p s a 。 不支持，设为n u l l d w o r dc b s t a c k , 线程栈的大小，通常被忽 略而使用默认值 l p t h r e a ds t a r tr o u t i n ei p s t a r a d d r , 指向线程的执行 函数的指针 l p v o i dl p v t h r e a d p a r a m , 用来为线程传递一个应用 程序自定义的值 d w o r df d w c r e a t e ， 控制线程创建的附加参数 l p d w o r d l p l d t h r e a d 返回新创建线程的i d ) ； 如果线程创建成功，那么函数返回新创建线程的旬柄；否则函数返回n u l l 。 可把f d w c r e a t e 参数设置为c r e a t es u s p e n d e d 来创建一个起始状态为挂起 的线程；否则线程创建结束后就会立即执行。 2 2 2 调度与同步 w i n d o w sc e 是一个抢占式多任务( p r e e m p t i v em u l t i t a s k s ) 操作系统。调度程 序使用基于优先级的时间片算法对线程进行调度。 w i n d o w sc e 中每个线程都有一个优先级，w i n d o w sc e 调度系统根据线程 的优先级进行调度，线程可拥有多达2 5 6 个优先级，比较高级别的优先级供驱动 第二章w i n c e5 0 简介 程序和内核使用。驱动程序和应用程序可使用 c e s e t t h r e a d p r i o r i t y 函数来获取和设置线程的优先级。 图2 1 为w m d o w sc e 的优先级及其描述信息。 o 9 6 9 7 1 5 2 1 5 3 2 4 7 2 4 8 2 5 5 f i 优先级 ) 供优先级高于驱动程序的实时程序使用 ) 基于w t n d c e 的驱动程序 ) 供优先级低于驱动程序的实时程序使用 非实时的普通应用程序 图2 1w i n d o w sc e 的优先级描述 w i n d o w sc e 中与调度相关的函数有以下几种： s l e e p ( o ) 使当前线程放弃剩余的时间片 s l e e p ( n ) ：，使当前线程睡眠1 1 m s s l e e p ( i n f i n i t e ) 使当前线程一直睡眠，直到线程被终止 或唤醒 s l e e p t i l l t i c k使线程睡眠直到下一个时钟嘀嗒( t i c k ) s u s p e n d t h r e a d 增加线程的挂起计数 r e s u m e t h r e a d减少线程的挂起计数 、 多线程、分时共享技术已经使多个线程合作成为可能，一组并发的线程之问 的并发操作，可大大提高整个系统的资源的使用率。然而，在软件实现中，因为 多个线程要共享一些资源，对这个共享资源的访问就要加以保护，如果没有保护 或者保护不当，那么很容易造成数据损坏或者死锁。因此，多个线程之间经常要 同步它们之间的一些操作叫。 第二章w i n c e5 0 简介 w i n d o w sc e 中提供了m u t e x ，e v e n t 和s e m a p h o r e 三种内核机制来实现线程 之间的同步。所有的这些同步对象都有两种状态：通知( s i g n a l e d ) 和未通知 ( n o n s i g n a l e d ) 。未通知状态表示该同步对象被某一个或多个线程占有，不能被其 他等待的线程占有。当某个同步对象的状态变为通知状态时，等待在它上面的阻 塞线程会得到通知，并且转为就绪态，等待调度执行。这种方法可使线程锁步 ( l o e k s t e p ) 执行，这也是同步的基本原理。 w i n d o w sc e 提供了一系列函数，使线程可以等待，然后得到这些同步对象， 这些函数被称为等待函数。最常用的等待函数有两个，它们的函数原型如下： d w o r d w a i t f o r s i n g l e o b j e e t ( h a n d l eh i - i a n d l e 同步对象的句柄 d w o r dd w m i l l i s e e o n d s等待的m s 数 ) ； d w o r d w a i t f o r m u l t i p l e o b j e c t s ( d w o r dn c o u n t , c o n s t h a n d l e 木l p h a n d l e s ， b o o ld w a i t a l l ， d w o r dd w m i l l i s e c o n d s l p h a n d l e s 中的同步对象个数 同步对象句柄的数组 是否等待l p h a n d l e s 中所有的内核对 象 等待的m s 数 ) ； 其中w a i t f o r s i n g l e o b j e c t ( ) 用来等待单个同步对象；w a i t f o r m u l t i p l e o b j e c t s ( ) 用来等待多个同步对象。这两个函数都会阻塞当前的调用线程，直到等待的同步 对象变为通知状态。两个函数都有一个d w m i l l s e c o n d s 参数，用来指定等待的时 间。如果把该参数设置成i n f i n i t e ，则函数会一直等待同步对象变为通知状态； 如果设置为其他值，即使同步对象依然处于未通知状态，函数也会在指定的时间 耗尽后返回。 2 2 3 内存的管理 内存管理是操作系统最为重要的模块之一。w i n d o w sc e 采用层次化的结构 进行内存管理，从下到上依次可分为物理内存、虚拟内存、逻辑内存。内存管理 的每一层都会向外提供一些编程接口函数，这些编程接口可被上一层使用，也可 直接被应用程序使用。 物理内存，在w i n d o w sc e 中，r a m ，r o m ，f l a s hm e m o r y 都被看成物 理内存，最大支持5 1 2 m b 的物理内存，这对于绝大多数嵌入式设备来说都已经 第二章w i n c e5 0 简介 足够了。 虚拟内存，w i n d o w sc e 是3 2 位的操作系统，与w i n d o w sx p 的每个进程独 享4 g b 虚拟地址空间不同，w i n d o w sc e 中所有的进程共享一个4 g b 的虚拟地 址空间。4 g b 的虚拟地址空间又被分为若干个页，w i n d o w sc e 操作系统支持两 种页大小：1 k b 和4 k b 。管理虚拟内存的硬件是内存管理单元( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t m m u ) m m u 。m m u 负责把虚拟地址影射到物理地址，并且 提供一定的内存保护。 逻辑内存分为堆和栈两种。 堆是进程中一块连续的虚拟内存空间。应用程序可以在堆上动态地进行内存 申请和释放。申请堆上的内存每次可以申请4 字节或者8 字节，因为在堆上申请 内存是以字节为单位的，而与页的大小无关嗍。 栈是进程中另外一个重要的数据结构，函数调用时进行参数传递，函数中的 局部变量都占用栈上的内存，而且在函数调用结束后自动释放。栈是从高地址到 低地址增长的。w i n d o w sc e 为每个线程分配6 0 k b 的栈，并且把栈顶的2 k b 拿 来作为检测栈是否已满，因此每个线程可用栈为5 8 k b 。应用程序可创建自己的 堆，但是不能创建自己的栈。栈溢出会导致应用程序退出，因此不要在栈上放置 过多的数据。在编译应用程序时，可使用编译器选项s t a c k 覆盖默认栈的大小。 应用程序可使用拳a l l o c a ( 1 函数来在栈上保留一块内存。 h tm a i n ( i n ta r g o ，c h a r 宰a r g v 】) i n t i ； c h a r 幸p ； i = 5 ； p = “h e l l o w o r l d ! r e t u r n0 ； 函数调用栈如图2 2 所示。 第二章w i n c e5 0 简介 2 3 本章小结 p 1 保存的e b p m a i n 的返回地址 a r g c a r g v 低地址 高地址 图2 2a l l o c a 函数调用栈 本章介绍了w i n c e5 0 操作系统的特点和系统管理，重点分析了在设计中使 用到的进程与线程，调度与同步以及内存管理的内容。 第三章w c d 姒的s e c u r i t y 协议 第三章w c d m a 的s e c u r it y 协议 移动通信，尤其是数字蜂窝移动通信系统中的安全性能一直是用户关注的焦 点所在。加密技术是实现安全通信的核心，鉴权与密钥分配是实现安全通信的重 要保障。 w c d m a 系统的安全性能主要包括： 1 网络及用户身份的鉴权。u s i m 和h l r a u c 之间的相互身份保护； 2 空中接口数据加密保护。u e 和r n c 之间的业务数据和信令数据； 3 空中接口数据完整性保护。u e 和r n c 之间的信令数据检查n 们。 3 1w c d m a 安全体系结构 3 1 1 安全目标 1 安全威胁 3 g 系统面临的安全威胁大致可以分为如下几类： 1 ) 敏感数据的非法获取，对系统信息的保密性进行攻击。其中主要包括： 侦听：攻击者对通信链路进行非法窃听，获取消息。 伪装：攻击者伪装合法身份，诱使用户或网络相信其身份合法，从而窃取系 统信息。 流量分析：攻击者对链路中消息的时间、速率、源及目的地等信息进行分析， 从而判断用户位置或了解重要的商业交易是否正在进行。 浏览：攻击者对敏感信息的存储位置进行搜索。 泄露：攻击者利用合法接入进程获取敏感信息。 试探：攻击者通过向系统发送一信号来观察系统反应。 2 ) 对敏感数据的非法操作，对消息的完整性进行攻击。主要包括：对消息 的篡改、插入、重放或删除。 3 ) 对网络服务的干扰或滥用，从而导致系统拒绝服务或导致系统服务质量 的降低。主要包括： 干扰：攻击者通过阻塞用户业务、信令或控制数据使合法用户无法使用网络 资源。 第三章w c d m a 的s e c u r i t y 协议 资源耗尽：攻击者通过使网络过载，从而导致用户无法使用服务。 特权滥用：用户或服务网络利用其特权非法获取非授权信息。 服务滥用：攻击者通过滥用某些系统服务，从而获取好处，或者导致系统崩 溃。 4 ) 否认。主要指用户或网络否认曾经发生的动作。 5 ) 对服务的非法访问。主要包括： 攻击者伪造成网络和用户实体，对系统服务进行非法访问； 用户或网络通过滥用访问权利非法获取未授权服务n 1 1 。 2 安全目标 3 g 系统是在2 g 的基础上发展起来的，它应该继承2 g 中的安全优点，克服 2 g 的安全缺陷，同时针对3 g 系统的新特性，定义提供更加完善的安全特性和 安全服务。所以3 g 系统安全系统应遵循以下的原则：所有在2 g 中被证明是必 须的和足够强的安全特性都应该被3 g 采用；3 g 应该改进2 g 系统中存在和潜在 的安全缺陷；对3 g 新服务提供新的安全特性和安全服务。 基于上述原则，w c d m a 系统应达到下述目标： 1 ) 防止攻击者对通信链路进行非法窃听，获取消息，确保用户生成的信息 或与之相关的信息不被滥用或盗用； 2 ) 防范攻击者伪装合法身份，诱使用户或网络相信其身份合法，从而进行 基于伪用户基站的主动攻击、中间者攻击、伪用户攻击、用户身份截取、 搭线窃听、截取来话攻击、欺骗网络或拒绝服务攻击等； 3 ) 确保服务网( s e r v i n gn e t w o r k s ，s n ) 和归属环境( h o m ee n v i r o n m e n t s ， h e ) 提供的资源和服务不被滥用或盗用；防止攻击者对链路中消息的时 间、速率、源及目的地等信息进行分析，从而判断用户位置或了解重要 的商业交易是否正在进行。 4 ) 确保标准安全特性全球兼容能力； 5 ) 确保安全特征充分的标准化，以保证在世界范围内的协同运行和在不同 服务网之间漫游； 6 ) 确保w c d m a 系统给用户和业务提供者的保护等级高于在当前固定网 和移动网中提供的保护等级； 7 ) 确保w c d m a 系统安全特征的实现和机制能随着新的威胁和业务要求 可扩展和增强，具备必要的安全升级能力； 8 ) 除确保2 g 系统中使用的基本安全特征外，w c d m a 需要更强或更灵活 的安全机制，如用户认证、无线接口加密、用户身份保密、使用可移动 的用户安全模块、用户模块和本地网之间的安全应用层信道、安全特征 第三章w c d m a 的s e c u r i t y 协议 的透明性、减小在h e 和s n 之间的信任需求、防止在漫游情况下的欺 诈以及保证在正当授权下的合法监听等。 3 安全要求 3 g 系统的安全要求如下： 1 ) 保证业务接入的需要 除紧急呼叫外，接入任何第三代移动通信系统的业务都应由网络决定紧急呼 叫是否需要u s i m 。应防止入侵者通过伪装成合法用户来越权接入3 g 业务。用 户可以在业务开始、传送期间验证服务网络是合法的，以用户归属环境提供3 g 业务。 2 ) 保证业务提供的需要 对业务提供者可以在业务开始、传送期间验证用户的合法性，以防止入侵者 通过伪装或误用权限来接入3 g 业务。应能检测和阻止欺诈性的使用业务和安全 有关的事件发生时可以向业务提供者报警并产生相应的记录。应防止使用特殊的 u s i m 接入3 g 业务。对某些用户，服务网络提供的归属环境可以立即停止它所 提供的所有业务。对服务网络，在无线接口上可以验证用户业务、信令数据和控