CDMA2000系统中的鉴权分析

一、 引言

　　安全问题一直是困扰着无线通信系统的一个大问题。网络安全主要分为接入鉴权和加密两部分：接入鉴权是为了保证用户身份的合法性，加密是为了解决通信内容的安全性问题。接入鉴权分为用户鉴权和会话鉴权。用户鉴权是在最初建立会话时，检验终端用户的合法性；会话鉴权是在会话期间，终端从静态到激活态或发生切换引起的重新鉴权。机卡分离的cdma2000 1x网络在空中沿用了2G的安全机制，采用了基于CAVE(Cellular Authentication and Voice Encryption )算法的接入鉴权。cdma2000 1x向3G演进时存在着两条不同的技术路线，一条是1x EV-DO，另一条是1x EV-DV。1x EV-DO在空中采用了完全不同于cdma2000 1x的鉴权方式，其接入鉴权主要采用的是基于MD5(Message Digest 5)算法的CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)鉴权。原有的cdma2000 1x用户如果希望能享受到1x EV-DO的高速业务，除了更换终端，还必须更换UIM卡。在1xEV-DO网络建设初期，这种运营模式必会影响到用户的正常使用。

二、 CDMA2000 1x网络中的接入鉴权

　　cdma2000 1x的鉴权方案沿用了2G的鉴权思想，即网络只对接入的终端进行鉴权，而终端并不对网络进行鉴权。cdma2000 1x鉴权涉及到的内容有共享密钥A-Key、共享秘密数据SSD、SSD的更新以及网络对终端的鉴权过程。在终端用户入网时，一些重要数据是需要预先存在终端（UIM卡）和网络鉴权中心（AC）的，这些数据包括密钥A-Key、终端的IMSI、ESN(UIM ID)、鉴权算法等。

1. 鉴权密钥A-Key

　　密钥A-Key是仅为终端（UIM卡）和网络侧AC共享的密钥，其他实体无权知道A-Key的值。A-Key的长度为64bits，A-Key的值是由运营商来决定的，A-Key的值被写入后通常就不再做改变。因为A-Key是产生其他秘密数据的基础，所以A-Key的安全是非常重要的。

2. 共享秘密数据SSD

　　共享秘密数据SSD是128bits的值，它由终端（UIM卡）和AC共享。SSD是网络对终端进行鉴权以及信息加密过程中的重要数据。

　　SSD不能在空中接口传送，SSD生成或更新过程是由AC发起的，在终端和AC使用相同的算法计算完成，更新过程可以在控制信道进行也可以在业务信道进行。SSD分为SSD-A 和SSD-B 两部分，各为64bits。SSD-A用于鉴权，SSD-B用于加密。图1描述的是生成新的SSD以及对新的SSD进行验证的过程。

　　SSD更新由HLR/AC发起，AC首先要将SSD更新请求的消息发送到终端；终端收到SSD更新消息后，将其中的RANDSSD作为终端侧的输入参数，与其他参数一起计算出新的SSD值后，终端侧选择一个随机数RANDBS传给AC；终端和AC使用同样的算法和输入参数进行计算，计算出AUTHBS；AC发送消息将自己计算出的AUTHBS值传给终端；终端比较自己计算的AUTHBS值和AC计算的AUTHBS值，如果两个值相同，则新的SSD通过验证，终端将SSD值状态变为可用状态；终端发送消息向网络侧确认SSD更新成功，AC收到此消息后，也将新SSD值变为可用状态，则SSD更新过程完成。

图1  SSD产生和验证过程

3. 鉴权基本算法CAVE

　　CAVE算法为2G安全中基本的算法，在共享秘密数据的更新、验证过程中，鉴权过程中都会使用到CAVE算法。根据输入参数的不同CAVE算法参数初始化和输出结果不同，从而能够被应用到cdma2000安全的各个环节中去。其主要的应用环节包括SSD更新过程和对终端的鉴权过程。前面已经说明了CAVE算法用于SSD更新的过程，下面介绍对终端鉴权过程的鉴权算法。

图2  对终端的认证过程

　　图2描述的是使用CAVE算法对用户鉴权的过程。终端和AC分别用SSD与其他参数进行CAVE算法，终端将CAVE算法产生的值传送给AC，AC将此值与自身执行CAVE算法计算出的值比较，若相等则鉴权成功。

三、 1x EV-DO网络中的接入鉴权

　　1x EV-DO网络中采用了基于MD5算法的CHAP鉴权。1x EV-DO网络中增加了新的鉴权设备AN-AAA，支持新的鉴权算法。接入鉴权包括两个部分：AN-AAA与AN之间(A12接口)的鉴权以及IP层到PDSN之间的鉴权，鉴权采用的协议都是CHAP协议。1x EV-DO网络采用了与1x网络完全不同的接入鉴权方案，新增的设备、协议与算法会给网络带来巨大的变化。由于CDMA2000系统未来的演进还存在许多不确定因素，保证用户的稳定性始终是第一位的因素。所以，考虑到用户的使用习惯，1x EV-DO网络在初期需要支持CDMA2000 1x用户的正常使用，尤其要支持用户在更换终端而不换卡的情况下能使用新的网络。

1. 新的鉴权策略

　　根据网络设备的现状，如果在原有的cdma 2000 1x网络中实现1x EV-DO的鉴权，将彻底更新网络的结构，会给现网带来很大的影响。而且，这种方案同时需要终端和UIM卡的升级，达不到原有的目的。所以，一种可行的方案是在新的网络中对网络设备作较小的改动，使之具备1x鉴权的功能，实现新旧用户的共同接入。

　　对于EV-DO UIM卡(新卡)和1X UIM卡(旧卡)同时在网络中使用的情况，网络需要采取不同的鉴权策略。新旧UIM卡与不同终端组合在1 x EV-DO网络中的鉴权情况如表1所示。

　　从表1可以看出，在未来的1x EV-DO混合网络中，终端和卡的任意组合都能顺利接入到相应的网络中。1x only终端支持两种卡，但只能接入到1x网络中，采用CAVE鉴权；EV-DO only终端面向未来的移动数据业务，同时支持两种卡在EV-DO网络中使用，但采取了不同的鉴权方案；1x EV-DO双模终端兼有电路域话音功能，使用情况比较复杂，分为以下几种情况：如果插入1x UIM卡，终端可以在两种网络间自由切换，只采用CAVE鉴权；如果插入EV-DO UIM卡，终端也能在两网间切换，但接入1x网络采用CAVE鉴权，接入EV-DO网络采用MD5鉴权。

2. 对网络的影响

　　上述的鉴权方案确定后，还需要考虑这种方案对原有的EV-DO网络的影响。从上述的鉴权方案可以看出，如果对1x网络进行改造使其同时支持两种鉴权方案，需要增加新的设备和信令，对网络的改动太大；但是从原有的EV-DO网络出发，在EV-DO网络中同时支持两种方案带来的变化将最小化。1x EV-DO混合网络中，EV-DO系统中进行MD5算法鉴权的网络设备AN-AA与1x系统中进行CAVE算法的网络设备HLR/AC之间必须有一定的联系，AN-AAA应同时具备支持两种鉴权算法的功能。AN-AAA在实现CAVE算法时，需要的重要参数A-Key、SSD等都需要从网络中保存这些参数的设备HLR/AC中获取，这样，AN-AAA在CAVE鉴权时具有部分VLR的功能，1x UIM卡用户能够顺利地通过CAVE鉴权方式接入到EV-DO网络中，而新的EV-DO UIM卡用户仍采用EV-DO的MD5鉴权方式接入。

3. 设备要求

　　从前文的分析可以看出，这种在EV-DO网络中支持两种鉴权方式的方案，对主要设备的要求是在实现鉴权的网络设备AN-AAA、HLR/AC和终端设备上，引入这种方案对原有的网络影响很小，只需要做软件上的升级和改动。AN-AAA首先需要能够区分用户类型，判别是1x用户还是EV-DO用户，根据用户类型采用不同的鉴权策略。AN-AAA在采用CAVE算法实现鉴权时还需要与HLR/AC交互信息，能向HLR/AC发起SSD更新消息，获取重要的鉴权密钥SSD。同时，1x EV-DO终端要能支持1x UIM卡和EV-DO UIM卡，确保无论哪种卡插入1x EV-DO终端，终端和卡都能分别执行相应的操作。

四、 结束语

　　CDMA2000 1x网络在向1x EV-DO演进过程中，原有的1x用户在无需更换UIM卡的情况下就能顺利接入到新的网络中，的确给用户带来了极大的方便。但是由于2G安全机制存在的隐患，在EV-DO网络中长期采用2G的安全算法无疑会影响网络的安全性，运营商在部署3G网络的同时，最终也必须实现安全机制的完全升级。