3G技術(shù)之CDMA2000概要

3G 技術(shù)之 CDMA2000 CDMA2000 即為 CDMA2000 1 EV，是一種 3G 移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。分兩個(gè)階段： CDMA2000 1 EV-DO（ Data Only），采用話音分離的信道傳輸數(shù)據(jù)，和 CDMA2000 1 EV-DV（ Date and Voice），即數(shù)據(jù)信道于話音信道合一。 CDMA2000-CDMA2000 簡(jiǎn)介 CDMA2000 也稱為 CDMA Multi-Carrier，由美國(guó)高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、 Lucent 和後來加入的韓國(guó)三星都有參與，韓國(guó)現(xiàn)在成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。這套系統(tǒng)是 從窄頻 CDMA One 數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)衍生出來的，可以從原有的 CDMA One 結(jié)構(gòu)直接升級(jí)到 3G，建設(shè)成本低廉。但目前使用 CDMA 的地區(qū)只有日、韓和北美，所以 CDMA2000 的支持者不如 W-CDMA 多。不過 CDMA2000 的研發(fā)技術(shù)卻是目前各標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)度最快的，許多 3G 手機(jī)已經(jīng)率先面世。 CDMA2000 是一個(gè) 3G 移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn) ,國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU 的 IMT-2000 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的無線電接口，也是2G CDMA 標(biāo)準(zhǔn) (IS-95, 標(biāo)志 CDMA1X)的延伸。 根本的信令標(biāo)準(zhǔn)是 IS-2000。 CDMA2000 與另一個(gè)主要的 3G 標(biāo)準(zhǔn) W-CDMA 不兼容。 CDMA2000 是美國(guó)通訊行業(yè)協(xié)會(huì) (TIA-USA) 的注冊(cè)商標(biāo) , 并不是一個(gè)象 CDMA 一樣的通用術(shù)語(yǔ)。TIA 也注冊(cè)了他們的 2G CDMA 標(biāo)準(zhǔn) (AKA IS-95)對(duì)應(yīng) CDMA1X。 CDMA2000 有多個(gè)不同的類型。下面按照復(fù)雜度排列： CDMA2000 1x CDMA2000 1x 就是眾所周知的 3G 1X 或者 1xRTT, 它是 3G CDMA2000 技術(shù)的核心。標(biāo)志 1x 習(xí)慣上指使用一對(duì) 1.25MHz 無線電信道的 CDMA2000 無線技術(shù)。 日本運(yùn)行商 KDDI 的 CDMA2000 1xEV-DO 網(wǎng)絡(luò)使用商標(biāo) CDMA 1X WIN，不過這只是用于市場(chǎng)促銷罷了。 CDMA2000 1xRTT CDMA2000 1xRTT (RTT無線電傳輸技術(shù) ) 是 CDMA2000一個(gè)基礎(chǔ)層 ,支持最高 144kbps數(shù)據(jù)速率 .盡管獲得 3G 技術(shù)的官方資格，但是通常被認(rèn)為是 2.5G 或者 2.75G 技術(shù)，因?yàn)樗乃俾手皇瞧渌?3G 技術(shù)幾分之一。另外它擁有雙倍的語(yǔ)音容量較之之前的 CDMA 網(wǎng)絡(luò)。 CDMA2000 1xEV CDMA2000 1xEV (Evolution發(fā)展 )是 CDMA2000 1x 附加了高數(shù)據(jù)速率 (HDR) 能力。 1xEV 一般分成 2 個(gè)階段： CDMA2000 1xEV 第一階段， CDMA2000 1xEV-DO (Evolution-Data Only發(fā)展只是數(shù)據(jù) )在一個(gè)無線信道傳送高速數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的情況下，支持下行 (向前鏈路 )數(shù)據(jù)速率最高 3.1Mbps，上行 (反向鏈路 ) 速率最高到 1.8 Mbps。 CDMA2000 1xEV 第二階段， CDMA2000 1xEV-DV (Evolution-Data and Voice 發(fā)展數(shù)據(jù)和語(yǔ)音 ), 支持下行 (向前鏈路 數(shù)據(jù)速 率最高 3.1 Mbps and 上行 (反相鏈路 )速率最高 1.8 Mbps。 1xEV-DV 還能支持 1x 語(yǔ)音用戶， 1xRTT 數(shù)據(jù)用戶和高速 1xEV-DV 數(shù)據(jù)用戶使用同一無線信道并行操作。 1xEV-DO 已經(jīng)開始商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。歐洲市場(chǎng)稍微早于美國(guó)市場(chǎng)。 2004 年夏捷克移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商 Eurotel 開始運(yùn)營(yíng) sinceCDMA2000 1xEV-DO 網(wǎng)絡(luò)，他們提供的上行速率大約 1Mbps。這項(xiàng)服務(wù)每月大約花費(fèi) 30 歐元無流量限制。如果使用這項(xiàng)服務(wù)，你需要購(gòu)買一個(gè)大約 300 歐元的 Gtran GPC-6420 調(diào)制解調(diào)器。 當(dāng)前 部署情況 2004 年 1 月 , 北美 Verizon Wireless 宣布計(jì)劃在全國(guó)范圍部署 1xEV-DO。 盡管有些運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)完成測(cè)試或者有線的試用 ,但是到 2004 年 7 月還沒有一個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的1xEV-DV。 美國(guó)運(yùn)營(yíng)商 Sprint PCS已經(jīng)宣布計(jì)劃在他們已有的 CDMA網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上部署 1xEV-DV網(wǎng)絡(luò) 。 由于可用的 1xEV-DV設(shè)備延遲交貨和來自美國(guó)其他正在部署 3G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商的壓力 , Sprint 宣布，2004 年 6 月計(jì)劃廣泛部署 1xEV-DO.但是他們的長(zhǎng)期 1xEV-DV 計(jì)劃好像還不確定 (though their current roadmap states a 2006 deployment of EV-DV). Qualcomm高通最近由于缺乏運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)可能已經(jīng)停止 EV-DV的開發(fā) , 更可能是因?yàn)?Sprint和 Verizon都在使用 EV-DO. CDMA2000 3x CDMA2000 3x 利用一對(duì) 3.75 MHz 無線信道 (i.e., 3 X 1.25 MHz)來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)速率。 3X 版本的CDMA2000 有時(shí)被叫做多載波（ Multi-Carrier 或者 MC），這一版本還沒有部署正處在研究開發(fā)階段。 CDMA2000-CDMA2000 與 CDMA 的關(guān)系 CDMA 是碼分多址 (Code-Division Multiple Access)技術(shù)的縮寫，是近年來在數(shù)字移動(dòng)通信進(jìn)程中出現(xiàn)的一種先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)，它能夠滿足市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)通信容 量和品質(zhì)的高要求，具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強(qiáng)、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆覆蓋廣等特點(diǎn)，可以大量減少投資和降低運(yùn)營(yíng)成本。 CDMA 最早由美國(guó)高通公司推出，與 GSM 相同， CDMA 也有 2 代、 2.5 代和 3 代技術(shù)。中國(guó)聯(lián)通推出的 CDMA 屬于 2.5 代技術(shù)。 CDMA 被認(rèn)為是 第 3 代移動(dòng)通信技術(shù)的首選，目前的標(biāo)準(zhǔn)有 WCDMA、 CDMA2000、 TD-SCDMA。 CDMA2000 是在 CDMA 框架下的一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 CDMA2000-CDMA2000 實(shí)體認(rèn)證機(jī)制 1、引言 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，通信中的安全問題正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。它關(guān)系到用戶、制造商和運(yùn)營(yíng)商的切身利益。人們?cè)谑褂靡苿?dòng)通信得到便利的同時(shí)，也對(duì)通信中的信息安全提出了更高的要求。 由于空中接口的開放性，為確保用戶訪問網(wǎng)絡(luò)資源的合法性、安全性以及服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性，各種移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍采用了相應(yīng)的安全機(jī)制，這些安全機(jī) 制主要分為認(rèn)證和加密，其中認(rèn)證機(jī)制又包括實(shí)體認(rèn)證和消息認(rèn)證。前者是移動(dòng)臺(tái)（ Mobile Station， MS）和基站（ Base Station， BS）之間為了驗(yàn)證 MS或 BS 的身份真實(shí)性而進(jìn)行的信息交換過程，而后者適用于接收方驗(yàn)證通信內(nèi)容的真實(shí)性和完整性。本文重點(diǎn)研究基于 IS-95 的 cdma2000 1x 系統(tǒng)的實(shí)體認(rèn)證機(jī)制。 2、 CDMA 的安全機(jī)制 （ 1）移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu) 移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全體系結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)層次和五個(gè)安全域，如圖 1 所示。 四個(gè)層次分別為傳輸層、歸屬層 /服務(wù)層、應(yīng)用層和 系統(tǒng)安全管理配置層。五個(gè)安全域分別為：（）網(wǎng)絡(luò)接入安全；（）網(wǎng)絡(luò)域安全；（）用戶域安全；（ IV）應(yīng)用域安全；（ V）安全特性的可視性及可配置能力。 （ 2） CDMA 網(wǎng)絡(luò)安全 CDMA 無線鏈路采用偽隨機(jī)碼（ Pseudo_random Noise code， PN）對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，使得信號(hào)很難被攔截和竊聽，此外，還規(guī)定了一系列接入安全機(jī)制，如圖 2 所示。由于終端處理能力和空中帶寬受限，CDMA 安全基于私鑰技術(shù)，安全協(xié)議依賴于一個(gè) 64 bit 認(rèn)證密鑰（ A_Key）和終端的電子序列號(hào)（ ESN），提供以下安全特征； 圖 2 CDMA 網(wǎng)絡(luò)無線接入安全機(jī)制 匿名性，為終端分配 TMSI； 基于查詢 /應(yīng)答的單向認(rèn)證 語(yǔ)音 /用戶數(shù)據(jù) /用戶信令保密。 其中，采用了四種安全算法：蜂窩認(rèn)證和語(yǔ)音加密算法（ Cellular Authentication and Voice Encryption，CAVE），用于查詢 /應(yīng)答（ Challenge/Response）認(rèn)證協(xié)議和密鑰生成；專用長(zhǎng)碼掩碼（ Private Long Code Mask， PLCM），控制擴(kuò)頻序列，然后擴(kuò)頻序列與語(yǔ)音數(shù)據(jù)異或?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音保密； ORYX，是基于 LSFR 的流密碼，用于無線用戶數(shù)據(jù)加密服務(wù)；增強(qiáng)的分組加密算法（ Enhanced Cellular Message Encryption Algorithm， E_CMEA），是一個(gè)分組密碼，用于加密控制信道。 （ 3）認(rèn)證 一般在以下場(chǎng)合均需要認(rèn)證： MS 發(fā)起呼叫（不含緊急呼叫）、 MS 接收呼叫、 MS 位置登記、 MS 進(jìn)行補(bǔ)充業(yè)務(wù)操作、切換（包括在 MSC-A 內(nèi)從一個(gè) BS 切換到另一個(gè) BS，從 MSC-A 切換到 MSC-B 以及在 MSC-B 中又發(fā)生了內(nèi)部 BS 之間的切換等情形）。除此以外，由于受認(rèn)證技術(shù)本身特點(diǎn)的影響， CDMA在更新 共享秘密數(shù)據(jù)（ Shared Secret Data， SSD）時(shí)還需要特殊的認(rèn)證，它主要是保證 SSD 的安全性。認(rèn)證過程幾乎涉及網(wǎng)絡(luò)中的所有實(shí)體，包括 MSC、拜訪位置寄存器（ VLR）、歸屬位置寄存器（ HLR）、鑒權(quán)中心（ AUC）以及基站子系統(tǒng) BSS 和 MS。 在目前的 2G 和 2.5G CDMA 系統(tǒng)接入網(wǎng)中的認(rèn)證過程只對(duì)接入 CDMA 系統(tǒng)的終端進(jìn)行認(rèn)證，而終端并不對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證。這種認(rèn)證過程能夠防止非法終端接入網(wǎng)絡(luò)、使用網(wǎng)絡(luò)資源，但無法防止偽基站的攻擊。 cdma2000 實(shí)體認(rèn)證涉及到的內(nèi)容有根密鑰 A_Key 和 SSD、 SSD 的更新以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端認(rèn)證過程等。 3、 cdma 2000 1x 的接入安全機(jī)制 （ 1）密鑰和相關(guān)參數(shù)管理 無線接入涉及的安全參數(shù)主要有 ESN、 A_Key、 SSD、 RAND 和呼叫歷史參數(shù) COUNT， cdma2000 1x主要管理 A_Key 和 SSD 的分配和更新。其中， ESN 長(zhǎng) 32bit，是 MS 的惟一標(biāo)識(shí)，由廠家設(shè)定； A_Key是主密鑰，用于產(chǎn)生 SSD， SSD 則用于認(rèn)證和產(chǎn)生子密鑰； RAND 是一個(gè) 32bit 的值，與 SSD_A 和其他參數(shù)結(jié)合起來對(duì) MS 在發(fā)起 /終止呼叫和注冊(cè)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證； COUNT 定義了一個(gè)保存在基 站中的模 64 的事件計(jì)數(shù)。當(dāng) MS 接收到一個(gè)參數(shù)更新指令后，它將更新 COUNT。 在任何時(shí)候，每個(gè) MS 總是擁有一個(gè)當(dāng)前的 SSD 值，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享一個(gè) 32 bit 的隨機(jī)值 RAND。RAND 由服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行周期性地更新。 A_Key 長(zhǎng) 64 bit，存儲(chǔ)在 MS 永久性安全標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器中，僅對(duì) MS 和 HLR/AC 可知，且不在空中傳輸。 A_Key 不直接參與認(rèn)證和保密，只是用于產(chǎn)生子密鑰，而子密鑰是用來進(jìn)行語(yǔ)音、信令及用戶數(shù)據(jù)保密工作的。因此，保證 A_Key 的安全至關(guān)重要。 A_Key 可以重新設(shè)置，終端和網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證中心 AC 的A_Key 必須同步更新。其設(shè)置方法有以下幾種： 由制造商設(shè)置，并分發(fā)給服務(wù)提供商。制造商必須產(chǎn)生和存儲(chǔ)密鑰，制造商和服務(wù)提供商需要建立安全的分發(fā)通道，因此對(duì)制造商和服務(wù)提供商而言，這種方法不太可行，但對(duì)用戶來說非常方便。 由服務(wù)提供商產(chǎn)生，在銷售點(diǎn)由機(jī)器分配或由用戶手動(dòng)設(shè)置。這種方法的前提是信任經(jīng)銷商，如果是機(jī)器分配則要求所有終端具有標(biāo)準(zhǔn)接口，手動(dòng)設(shè)置對(duì)用戶來說不方便，密鑰分配和管理機(jī)制也很復(fù)雜。 通過空中服務(wù)提供功能（ Over The Air Service Provisioning， OTASP）在用戶和服 務(wù)提供商之間實(shí)現(xiàn)密鑰的產(chǎn)生和分配。終端的 A_Key 通過 OTASP 更新，可以切斷克隆終端的服務(wù)或?yàn)楹戏ㄓ脩籼峁┬路?wù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是一種受歡迎的 A_Key 分發(fā)機(jī)制，也是目前 3GPP2 建議采用的方法。同時(shí)， 3GPP2建議用基于 Diffie_Hellman 密鑰交換協(xié)議協(xié)商 A_Key。 SSD 長(zhǎng) 128 bit，存儲(chǔ)在 MS 中，分為兩個(gè) 64 bit 的子集： SSD_A 和 SSD_B。 SSD_A 用于支持認(rèn)證過程； SSD_B 用于支持語(yǔ)音、信令和數(shù)據(jù)加密。 新的 SSD 由 CAVE 生成， SSD 更新成功后，通常 BS 會(huì)發(fā)起一個(gè)獨(dú)特查詢 /響 應(yīng)子過程（為了完成雙向認(rèn)證）。 CAVE 算法用于 SSD 更新過程如圖 3 所示。該過程包含了 MS 對(duì) BS 的認(rèn)證，圖中的 MIN是 IMSI 的后 10 位數(shù)字。 圖 3 SSD 更新流程 在第一次 CAVE 算法中以 A_Key、 ESN 及從網(wǎng)絡(luò)收到的隨機(jī)數(shù)作為 CAVE 算法的輸入，計(jì)算出新的SSD。在第二次 CAVE 算法中使用新生成的 SSD， UIM 選擇的隨機(jī)數(shù) RANDBS 及 IMSI 作為 CAVE 算法的輸入?yún)?shù)，輸出一個(gè)用于驗(yàn)證的結(jié)果值。 （ 2）認(rèn)證過程 認(rèn)證的目的主要是為了確定 MS 和網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性，在 MS 和 BS 之間進(jìn)行鑒權(quán)驗(yàn)證。認(rèn)證實(shí) 質(zhì)上是為驗(yàn)證 MS 和 BS 之間是否共享了相同的 SSD，如果驗(yàn)證共享了相同的 SSD，則對(duì) MS 進(jìn)行了成功的驗(yàn)證；否則，認(rèn)證失敗。認(rèn)證方式包括 MS 主動(dòng)通過 BS 向接入網(wǎng)注冊(cè)； BS 主動(dòng)對(duì) MS 認(rèn)證。兩種方式的思想完全相同，不同的是發(fā)起認(rèn)證的流程。 圖 4 是接入網(wǎng)發(fā)起對(duì) MS 的認(rèn)證概要流程，其過程為： 圖 4 鑒權(quán)流程 a.MSC 首先向 BS 發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求（ Authentication Request），然后啟動(dòng)定時(shí)器 T3260； b.BS 將攜帶一個(gè)要發(fā)給 MS 的隨機(jī)數(shù)（ Random Variable Unique Challenge， RANDU）的認(rèn)證請(qǐng)求消息（ Authentication Challenge Message）通過空中接口發(fā)給 MS； c.MS 基于 SSD、特定的 RANDU 通過認(rèn)證算法 CAVE 計(jì)算出認(rèn)證摘要碼（ AUTHU），并返回?cái)y帶認(rèn)證摘要碼的認(rèn)證查詢響應(yīng)消息（ Authentication Challenge Response Message）給 BS； d.通過發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息（ Authentication Response Message）給 MSC， MSC 在接收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，停止定時(shí)器 T3260。 cdma2000 中的認(rèn)證功能包括構(gòu)成新的算法進(jìn)行用戶認(rèn)證、認(rèn)證密鑰管理、數(shù)據(jù)加密密鑰產(chǎn)生等。CAVE 算法有三個(gè)基本部分為：一個(gè) 32 位的線性移位寄存器、 16 個(gè) 8 位混合寄存器以及一個(gè)置換表。上述 A_Key、 SSD 產(chǎn)生過程中都調(diào)用了 CAVE 算法，針對(duì)具體的應(yīng)用有相應(yīng)的輸入和輸出參數(shù)。 cdma2000 1x 提供網(wǎng)絡(luò)對(duì) MS 的單向認(rèn)證。根據(jù) AC/HLR 和 VLR 之間是否共享 SSD，認(rèn)證可分為SSD 共享和非 SSD 共享兩種情況。在共享 SSD 時(shí)， CAVE 算法在 VLR 中完成，而在非 SSD 共享時(shí) CAVE算法是在 AC/HLR 中完成。規(guī)范中定義 了兩種主要的認(rèn)證過程：全局查詢 /應(yīng)答認(rèn)證和惟一查詢 /應(yīng)答認(rèn)證。這兩種認(rèn)證都基于共享 SSD 的認(rèn)證。 全局查詢 /應(yīng)答認(rèn)證 全局認(rèn)證包括注冊(cè)認(rèn)證、發(fā)起呼叫認(rèn)證、尋呼響應(yīng)認(rèn)證，如圖 5 所示。全局查詢?cè)趯ず艉徒尤胄诺郎蠁?dòng)， MS 可在接入信道上完成注冊(cè)認(rèn)證、發(fā)起呼叫認(rèn)證、尋呼響應(yīng)認(rèn)證等內(nèi)容。 這一過程只有