4G通信系統(tǒng)中協(xié)作通信中的安全缺陷及對策

近年來，無線通信手段在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，不斷推動著其進(jìn)一步發(fā)展，繼3G通信系統(tǒng)的普及，4G通信系統(tǒng)也已深入人們?nèi)粘Ｉ钪?。?dāng)前，4G通信系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性還面臨著信號傳播遮擋等問題影響，對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行改善的過程中，必須對無線通道遮擋問題重點(diǎn)解決。協(xié)作通信機(jī)制的應(yīng)用，正是基于解決這一問題下的選擇，通過協(xié)作通信，不僅可將自己的信息發(fā)出去，同時可實(shí)現(xiàn)對協(xié)作伙伴數(shù)據(jù)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，促使單天線移動終端也能夠?qū)崿F(xiàn)空間分級。不過，雖然協(xié)作通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，但其應(yīng)用過程中空中接口還存在一定安全缺陷，通信節(jié)點(diǎn)的一些行為仍然缺乏有效安全機(jī)制進(jìn)行約束。對4G通信系統(tǒng)中協(xié)作通信中存在的安全缺陷及處理對策進(jìn)行研究，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng) 協(xié)作通信 4G

1 4G通信系統(tǒng)中協(xié)作通信當(dāng)前存在的安全缺陷

以往網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采取層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)UE之間并不存在數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)，且系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。4G通信系統(tǒng)引入?yún)f(xié)作通信技術(shù)后，UE之間或者與節(jié)點(diǎn)之間生成了協(xié)作關(guān)系，使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨之變化，信息傳輸路徑也由此出現(xiàn)不確定辯護(hù)，以往采用的防火墻等安全措施已經(jīng)難以適應(yīng)4G通信系統(tǒng)信息傳輸路徑的變化，給很多新型攻擊方式的產(chǎn)生提供了條件，為系統(tǒng)安全帶來了諸多隱患。當(dāng)前針對新型網(wǎng)絡(luò)可能的攻擊范圍為三方面，即網(wǎng)絡(luò)功能、動態(tài)拓?fù)?、路由協(xié)議，采取的攻擊方式主要表現(xiàn)為偵聽、干擾以及中間人和假冒、偽造、位置信息泄露等。

對4G通信系統(tǒng)動態(tài)拓?fù)涞墓?，主要指惡意?jié)點(diǎn)利用協(xié)作通信網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)位置不固定性，從某處被識別的惡意節(jié)點(diǎn)向新的地點(diǎn)移動，在改變標(biāo)識后其即可重新加入網(wǎng)絡(luò)而不被識別。因4G通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，其網(wǎng)絡(luò)沒有邊界，也難以對防火墻進(jìn)行應(yīng)用。對4G通信系統(tǒng)路由協(xié)議進(jìn)行攻擊，主要利用路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)弱點(diǎn)進(jìn)行展開。路由算法通常需要對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)相互合作，共同完成網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)對虛假路由信息故意進(jìn)行惡意廣播，或?qū)Υ罅繜o用數(shù)據(jù)進(jìn)行散布，可能會引發(fā)整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰。

從攻擊方式上來說，偵聽、干擾和中間人都是比較常見的攻擊方式。偵聽這種攻擊可存在于所有無線通信系統(tǒng)中，攻擊者通過空中接口對信號進(jìn)行接收并還原，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)送方信息的竊取。干擾是一種物理層攻擊方式，利用對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收與發(fā)送信息頻率的掌握，對干擾信息進(jìn)行連續(xù)發(fā)送，從而使節(jié)點(diǎn)正常通信被有效阻塞。中間人攻擊主要利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)合作特點(diǎn)，在中間節(jié)點(diǎn)更改信息中字段與數(shù)據(jù)等，使對方接收到錯誤信息，對于該種攻擊，可通過對信息實(shí)施完整性驗(yàn)證來解決。此外，路由協(xié)議在4G通信系統(tǒng)協(xié)作通信網(wǎng)上如不對報文發(fā)送方身份進(jìn)行認(rèn)證，也會給攻擊者提供機(jī)會假冒某個合法節(jié)點(diǎn)接收報文，必須在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)施身份認(rèn)證機(jī)制才可應(yīng)對這種攻擊；與此同時，還存在攻擊者對大量無用報文進(jìn)行發(fā)送導(dǎo)致的資源消耗，以及位置信息被泄露等安全缺陷。

2 對協(xié)作通信安全缺陷進(jìn)行處理的對策

通過對4G通信系統(tǒng)中協(xié)作通信容易遭受的攻擊方法來看，在空中接口上進(jìn)行的攻擊基本均為欺騙式攻擊，這些攻擊都是利用新型網(wǎng)絡(luò)難以對攻擊者進(jìn)行身份認(rèn)證這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。針對這種缺陷，可考慮對一種能夠適用4G通信系統(tǒng)協(xié)作通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的更具針對性的身份認(rèn)證機(jī)制進(jìn)行設(shè)計，避免以上安全缺陷導(dǎo)致的攻擊。

協(xié)作通信是4G通信系統(tǒng)中的一部分，考慮這一設(shè)計的兼容性，可將這一設(shè)計建立在4G通信系統(tǒng)本身已有安全機(jī)制上，即在4G通信系統(tǒng)的雙向鑒權(quán)、加密及完整性保護(hù)機(jī)制基礎(chǔ)上構(gòu)建協(xié)作身份認(rèn)證機(jī)制。假設(shè)選擇作為其協(xié)作通信伙伴，可先向提出協(xié)作建立類請求，并對請求消息發(fā)出。發(fā)出的請求中，不僅需要包含支持的安全能力等級信息，如加密算法等；同時需要將其時身份標(biāo)識TMSI包含其中，將其接入4G通信網(wǎng)時選擇的加密算法包含其中。

收到請求后，先在本地對安全信息副本加以保存，之后將身份認(rèn)證請求提交給。收到請求后，也需要在本地對、安全信息副本加以保存，將身份認(rèn)證數(shù)據(jù)請求提交給核心網(wǎng)。核心網(wǎng)對收到的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，同時根據(jù)、當(dāng)下使用的加密方式對身份認(rèn)證結(jié)果進(jìn)行分別加密。在收到身份認(rèn)證響應(yīng)后，通過支持的加密算法對安全能力等級信息副本進(jìn)行加密，并通過支持的加密算法對安全能力等級信息副本進(jìn)行加密，在將認(rèn)證響應(yīng)信息發(fā)送給時，將加密副本附在信息末尾。同時發(fā)送給的，還包括選定的加密及完整性保護(hù)算法，并在此步驟啟動對信令的完整性保護(hù)。

對身份認(rèn)證響應(yīng)消息進(jìn)行接收后，需對信息合法性進(jìn)行驗(yàn)證，之后對與自己相關(guān)的副本數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，對與自身發(fā)送內(nèi)容是否相符加以驗(yàn)證。確定相符后，即表示鑒權(quán)信息未被篡改，表明該網(wǎng)絡(luò)合法，可對認(rèn)證結(jié)果進(jìn)一步解密。當(dāng)對認(rèn)證結(jié)果同樣顯示通過，即代表身份合法，對選定的加密及完整性保護(hù)算法進(jìn)行記錄后，將認(rèn)證響應(yīng)消息發(fā)送給；否則，發(fā)送認(rèn)證失敗消息。對認(rèn)證響應(yīng)消息接收后，與操作相同，對消息合法性進(jìn)行驗(yàn)證，然后解密與自身相關(guān)副本數(shù)據(jù)，再對認(rèn)證結(jié)果進(jìn)行解密，確定認(rèn)證通過后，身份認(rèn)證完成，可對協(xié)作關(guān)系加以建立。

通過在協(xié)作通信環(huán)節(jié)增加身份認(rèn)證機(jī)制，可促進(jìn)4G通信系統(tǒng)寫作環(huán)境下安全性有效改善，規(guī)避基于協(xié)作通信漏洞而實(shí)施的惡意攻擊。

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作者簡介

駱傳亮（1980-），男，湖北省武漢市人?，F(xiàn)為武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司工程師，注冊建造師，本科學(xué)士，研究方向?yàn)橥ㄐ?，系統(tǒng)集成，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、維護(hù)。

作者單位

武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北省武漢市 430205