CHD13 移动通信与无线网络安全

1、移动通信与无线网络安全 (Mobile Communications & Wireless Network Security) 信息与网络安全概论(第三版) 2 13.1 GSM移动通信系统及其安全机制 13.2 第三代移动通信系统(3G)及其安全机制 13.3 无线局域网络系统IEEE 802.11及其安全 机制 13.4 蓝牙无线通信系统及其安全机制 13.5 RFID安全机制 13.6 无线感测网络及其安全机制 本章內容 信息与网络安全概论(第三版) 3 BSS HLR/ AUC (IMSI) (IMEI) MSC/ VLR SIMME MS 13.1 GSM移动通信系统及其安全机制 M

2、E: Mobile Equipment IMEI: International Mobile Equipment Identity IMSI International Mobile Subscriber Identity MSC: Mobile Switching Centers BSS: Base Station Subsystems AUC: Authentication Center Global System for Mobile Communications 信息与网络安全概论(第三版) 4 GSM系统架构 HLR AUC BSC BSC BSC VLR VLR MSC MSC B

3、TS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS MS BSS NSS cell 位置区域(LA) 位置区域(LA) 服务区域(SA) 信息与网络安全概论(第三版) 5 基站子系统 信息与网络安全概论(第三版) 6 网络与交换子系统 移动交换中心(Mobile Switching Center, MSC) - 是GSM系统的中枢，主要负责线路交换(Circuit- Switching)。每个MSC所管辖的区域称为位置区域 (Location Area，LA)，一个LA可有一个或多个BSC， MSC的主要功能就是提供服务给所管辖的BSC 。 本地位置记录器(Home Loca

4、tion Register, HLR) - 本地位置是指手机用户原先申请注册的所在地。存储所有 在此注册的移动用户的相关数据，以便了解用户所在位 置或越区辨认及记账之用 。 信息与网络安全概论(第三版) 7 网络与交换子系统(续) 信息与网络安全概论(第三版) 8 GSM系统的移动用户注册流程 Home Location Register (HLR) Visitor Location Register (VLR) IMSI : International Mobile Subscriber Identity TMSI :Temporary Mobile Subscriber Identity

5、3 5 4 2 1 旧的 VLR 回复 IMSI TMSI 新的 TMSI 新的 VLR MS info. 询问 IMSI 取消位置 IMSI 信息与网络安全概论(第三版) 9 GSM系统的呼叫传送过程 信息与网络安全概论(第三版) 10 GSM系统的呼叫传送过程 (续) 信息与网络安全概论(第三版) 11 GSM移动通信系统的安全机制 信息与网络安全概论(第三版) 12 GSM系统中与这些安全服务相关的算法为A3、A5及 A8，不对外公开。 GSM系统中所使用的算法 Ki Kc 密 文 A5 A8 A3 RAND SRES 验证 机密性(隐私) 数据 信息与网络安全概论(第三版) 13 GS

6、M系统移动用户身份验证机制的过程 请求确认身份 RAND SRES2 IMSI RAND，SRES1，KC 比较 SRES 是否相同？ VLR HLR MS 信息与网络安全概论(第三版) 14 移动用户身份验证机制中的挑战及响应架构 Ki A3 A3 Ki SRES2 SRES1 =? SRES Yes/No RAND MS HLR 信息与网络安全概论(第三版) 15 GSM系统通信密钥的产生过程 Ki Kc Kc A8 A8 Ki VLR MS HLR RAND 信息与网络安全概论(第三版) 16 GSM系统传输数据的加解密机制 Message KC KC A5 A5 Message 密文

7、MS HLR 信息与网络安全概论(第三版) 17 GSM系统的安全架构 MS VLR HLR/AUC = TMSI SRES RAND Ki RAND IMSI 密文 KC Ki 验证 机密性(隐私) Yes/No RAND(1n) SRES(1n) KC(1n) 数据 A3 A8 A5 A3 A8 信息与网络安全概论(第三版) 18 13.2 第三代移动通信系统(3G)及其安全机制 第三代移动通信系统的基本架构 HLR AUC RNC RNC RNC VLR VLR MSC MSC Node B MS cell 位置区域(LA) 位置区域 (LA) Node B Node B Node B

8、Node B Node B Node B Node B Node B GMSC GGSN 数据交换 线路交换 其他网络 信息与网络安全概论(第三版) 19 13.2.1 第三代移动通信系统的基本架构 信息与网络安全概论(第三版) 20 13.2.1 第三代移动通信系统的基本架构(续) 信息与网络安全概论(第三版) 21 13.2.1 第三代移动通信系统的基本架构(续) 信息与网络安全概论(第三版) 22 用户身份保密性安全机制 MS VLR 加密 解密 合法用户通过身份 验证，则 VLR 指派 新的 TMSI 将新的 TMSI 存 于 SIM 卡中 相互身份验证程序 旧的 TMSI 新的 TM

9、SI 加密过的 TMSI 回复已收到新的 TMSI 信息与网络安全概论(第三版) 23 AuC产生验证参数的过程 产生 RAND 秘密密钥 K 产生 AMF 产生 SQN f1 f2 f3 f4 f5 MAC XRES CK IK AK 信息与网络安全概论(第三版) 24 客户端产生验证参数的过程 AUTN SQN AK MAC 秘密密钥 K RAND f1 f2 f3 f4 f5 XMAC RES CK IK AK AMF AKSQN 验证 MAC=XMAC 验证 SQN 是否在正确的范围内 信息与网络安全概论(第三版) 25 数据完整性的验证机制 f9 f9 IK IK 传送端 接收端 M

10、AC-1 MAC-1 验证所产生的 MAC-1 是否相等 信息 方向识别码 时变序号值 网络端变数 信息 方向识别码 时变序号值 网络端变数 信息与网络安全概论(第三版) 26 数据的加解密机制 f8 f8 CK CK 传送端 接收端 密钥流块 密钥流块 密文块 明文块 明文块 载送识别码 方向识别码 时变序号值 数据长度 载送识别码 方向识别码 时变序号值 数据长度 信息与网络安全概论(第三版) 27 13.3 无线局域网络系统IEEE 802.11及其安全机制 有线网络与无线网络的差异 特 性有 线 网 络无 线 网 络 传输介质实体缆线无线电波与光传输 数据的传输地址 直接传送至一特定

11、目标地址 传送至某一特定服 务区域内 安全性较高较低 机动性较低较高 建设成本较高较低 维修成本较高较低 信息与网络安全概论(第三版) 28 13.3.1 IEEE 802.11简介 架构只包含OSI(Open System Interconnection)7层通 信协议模型的物理层(Physical Layer，PHY)与数 据链路层(Data Link Layer，DDL)的介质访问控制 部分(Media Access Control，MAC)。 MAC的主要功能是让数据能够顺利且正确地经由 下一层的物理层来传输数据。 信息与网络安全概论(第三版) 29 IEEE 802.11的连接模式

12、随意型(Ad Hoc)模式 固定型(Infrastructure)模式 信息与网络安全概论(第三版) 30 随意型(Ad Hoc)模式 是一种点对点的无线网络连接方式，是让无线装置通 过其自身的无线网卡来相互连接，这些相互连接的网 卡就构成了一个独立的Ad Hoc网络，不需要任何其他 的硬件设施，所以这种模式很适合在一些临时性的区 域场合中供多部无线装置联机使用。 无线装置 A 无线装置 C 无线装置 D 无线装置 B 信息与网络安全概论(第三版) 31 固定型(Infrastructure)模式 每个具有无线网卡的无线装置通过一个访问点(Access Point，AP)来连接，AP也可以与一

13、般的有线网络连接， 因此这种架构也可以与有线网络装置进行连接。 有线装置 A 有线装置 B 有线装置 C 有线装置 D AP 无线装置 F 无线装置 E 信息与网络安全概论(第三版) 32 The McGraw-Hill Companies, Inc., 2005 13.3.2 IEEE 802.11的安全机制 身份验证机制 - 开放式身份验证机制 - 分享密钥式身份验证机制 WEP加密机制 信息与网络安全概论(第三版) 33 开放式身份验证机制 信息与网络安全概论(第三版) 34 分享密钥式身份验证机制 信息与网络安全概论(第三版) 35 IEEE 802.11的加密机制 初始向量 数据 加

14、密密钥 初始向量 联结 联结 CRC-32 RC4 完整性检查码(ICV) 数据 加密密钥 ID 加密 密文 完整性检 查码(ICV) 信息与网络安全概论(第三版) 36 13.4 蓝牙无线通信系统及其安全机制 蓝牙(Bluetooth)是一种低成本、低功率、短距离 的主从(Master/Slave)架构式无线传输机制，目 的是为了取代连接现有电子设备的电缆线。 信息与网络安全概论(第三版) 37 蓝牙无线通信系统简介 信息与网络安全概论(第三版) 38 蓝牙的主从式连接网络 主设备 从设备 点对点 散网 微网 信息与网络安全概论(第三版) 39 蓝牙封包的格式 l 访问码(Access Co

15、de)，72位：为封包的开头，作用为同 步、识别及偏移补偿等。 l 报头(Header)，54位：用于存放一些连接控制信息(Link Control Information)，如流量、错误控制等。 l 数据内容(Payload)，02745位：用来存放主要数据的地 方，也是加解密机制主要作用的地方。 访问码 报头 数据内容(Payload) 72 位 54 位 LSB MSB 02745 位 信息与网络安全概论(第三版) 40 蓝牙系统的身份验证过程 BD_ADDRB：48 位元蓝牙设备地址 ? AU_RANDA BD_ADDRB 连接密钥 E1 AU_RANDA BD_ADDRB 连接密钥

16、E1 SERS SERS = SERS A 端 B 端 AU_RANDA SERS 信息与网络安全概论(第三版) 41 蓝牙系统的加密机制 地址 时戳 随机数 RAND 加密密钥 KC 内容密钥 产生器 串流密钥 产生器 内容 密钥 密钥流 明文/密文 密文/明文 信息与网络安全概论(第三版) 42 13.5 RFID安全机制 RFID (Radio Frequency Identification) 无线射频身份验证系统是利用无线电波来传 送识别数据，以达到识别的目的。 一套完整的RFID基本架构由读取器(Reader)、 电子标签(Tag)及读取数据平台3个部分组成。 信息与网络安全概论(

17、第三版) 43 RFID的系统架构图 电子标签 读取数据平台 读取器 RJ45 网络线 广播 信息与网络安全概论(第三版) 44 電子標籤的分類 信息与网络安全概论(第三版) 45 RFID的使用频率 信息与网络安全概论(第三版) 46 RFID的使用频率(续) 信息与网络安全概论(第三版) 47 RFID的使用频率(续) 信息与网络安全概论(第三版) 48 RFID的使用频率(续) 信息与网络安全概论(第三版) 49 RFID与条形码特性比较 特 性RFID条 形 码 无线是是 表面是否污损不需考虑需考虑 携带的数据量可变动的固定的 数据的读取快速较慢 安全性有无 一次读取的个数多个一个 成

18、本较高较低 信息与网络安全概论(第三版) 50 RFID的数据传输加密机制 RB 、R A1 、R A2 : random number 主密钥 Km 秘密密钥 Kx 身份验证码 秘密密钥 Kx 身份验证码 GET_Challege RA1 Token1 Token2 GET_ID 读取器 电子标签 )|(1 11 MRREToken ABKX )|(2 22 MRREToken BAKX 信息与网络安全概论(第三版) 51 RFID的加解密流程 随机数产生器(Pseudo Random Number Generator, PRNG) 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 密文 接收到的数据 传送的数据 PSNR 私密密钥Kx 信息与网络安全概论(第三版) 52 无线感测网络 信息与网络安全概论(第三版) 53 无线感测网络示意图 信息与网络安全概论(第三版) 54 无线感测网络的特性 信息与网络安全概论(第三版) 55 无线感测网络的特性(续) 信息与网络安全概论(第三版) 56 无线感测网络的路由方式 点对点直接传输通信 Sink 感测器 Cluster Cluster-Head Sink 从集式传输通信 Sink 多层跳跃传输通信 信息