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摘 要 本文研究了TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)端到端保密通信，通過分析TETRA系統(tǒng)所面臨著的安全威脅，對(duì)密鑰管理中心及保密通信的終端進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，給出了一個(gè)完善的端到端保密通信的解決方案。
關(guān)鍵詞 數(shù)字集群系統(tǒng) 保密通信 密鑰管理 TETRA
一、引言
TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)是基于數(shù)字時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是ETSI（歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）為了滿足歐洲各國(guó)的專業(yè)部門對(duì)移動(dòng)通信的需要而設(shè)計(jì)、制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放性系統(tǒng)。TETRA 數(shù)字集群系統(tǒng)不僅提供多群組的調(diào)度功能，而且還可以提供短數(shù)據(jù)信息服務(wù)、分組數(shù)據(jù)服務(wù)以及數(shù)字化的全雙工移動(dòng)電話服務(wù)。TETRA 系統(tǒng)還支持功能強(qiáng)大的移動(dòng)臺(tái)脫網(wǎng)直通（DMO）方式。
TETRA通信系統(tǒng)的通信保密與信息安全，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)心、急需解決的重要問題。獲得廣泛應(yīng)用的模擬集群通信系統(tǒng)和GSM 蜂窩網(wǎng)，其安全保密問題一直沒有得到有效的解決。TETRA 數(shù)字集群系統(tǒng)所面臨的威脅有：
終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施之間的無線接口可能受到以下安全威脅：
�。�1）非法竊聽：攻擊者通過對(duì)無線信道的監(jiān)聽來獲取傳輸?shù)南�，甚至進(jìn)行被動(dòng)或主動(dòng)流量分析，這是對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)最常見的攻擊方法，這種威脅源于無線鏈路的開放性。
（2）非授權(quán)訪問數(shù)據(jù)：攻擊者偽裝成合法用戶訪問網(wǎng)絡(luò)資源，以期達(dá)到破壞目的；或者攻擊者違反安全策略，利用安全系統(tǒng)的缺陷非法占有系統(tǒng)資源和訪問本應(yīng)受保護(hù)的信息。必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增加認(rèn)證機(jī)制，以防止非授權(quán)用戶使用網(wǎng)絡(luò)資源。
�。�3）對(duì)完整性的威脅：攻擊者可能修改、插入、重放或刪除無線鏈路上合法用戶的數(shù)據(jù)或信令數(shù)據(jù)。
�。�4）拒絕服務(wù)攻擊：攻擊者通過在物理上或協(xié)議上干擾用戶數(shù)據(jù)、信令數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)在無線鏈路上的正確傳輸，來實(shí)現(xiàn)無線鏈路上的拒絕服務(wù)攻擊。
針對(duì)以上的一些安全威脅，TETRA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能和安全保密功能的一體化設(shè)計(jì)，現(xiàn)已經(jīng)具有鑒權(quán)及空中接口加密功能，并支持端到端加密，端到端加密一般由用戶自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。鑒權(quán)實(shí)現(xiàn)用戶和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施間的單向或雙向鑒權(quán)，用于防止非法用戶接入系統(tǒng)和合法用戶接入假冒系統(tǒng)，可解決上述的威脅（2）及威脅（4）；空中接口加密用于對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)間無線信道上的信息數(shù)據(jù)和信令加密保護(hù)，并保證信息不被重播�？梢圆糠纸鉀Q威脅（1）和（3），只能夠在無線鏈路上對(duì)用戶語音數(shù)據(jù)加密，并保護(hù)信令數(shù)據(jù)不被分析，但用戶的數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中是未加密的。而端到端加密則可以解決這個(gè)問題，本文給出端到端加密的詳細(xì)設(shè)計(jì)，不僅有效地解決威脅（1），還解決了威脅（3）所面臨的問題。
二、TETRA 端到端加密的系統(tǒng)框架
TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)由移動(dòng)臺(tái)MS、基站BS、調(diào)度臺(tái)DWSx、交換機(jī)DXT及TETRA 互聯(lián)服務(wù)器TCS等構(gòu)成，端到端加密的密鑰管理中心KMC作為TCS的應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)連接到TETRA 系統(tǒng)中。TETRA 端到端加密的密系統(tǒng)框架圖如圖1所示。
為在標(biāo)準(zhǔn)TETRA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)端到端加密功能，必須進(jìn)行以下兩方面工作：
�。�1）在TETRA系統(tǒng)中建立一個(gè)密鑰管理中心KMC（Key Management Center），KMC通過TCS的API與TETRA系統(tǒng)相連，通過空中接口以短數(shù)據(jù)的方式為移動(dòng)臺(tái)端分發(fā)通信密鑰TEK，此外密鑰管理中心負(fù)責(zé)密鑰的產(chǎn)生，存儲(chǔ)及增刪等功能。
（2）對(duì)TETRA終端設(shè)備進(jìn)行改造，使其能夠接受并響應(yīng)KMC的密鑰管理OTAK消息，并利用通信密鑰來進(jìn)行端對(duì)端加密，這里的端到端分別指得是移動(dòng)臺(tái)到移動(dòng)臺(tái)之間和移動(dòng)臺(tái)到調(diào)度臺(tái)之間。
三、端到端加密的算法
在端到端加密的設(shè)計(jì)中需使用四個(gè)密碼算法，即語音數(shù)據(jù)加密算法、傳輸密鑰TEK加密算法、同步幀完整性算法以及密鑰管理消息加密算法。
（1）語音數(shù)據(jù)加密算法E1 ：語音及短數(shù)據(jù)加密采用流密碼算法，該加密算法中的密鑰TEK和初始向量IV的長(zhǎng)度要求不小于64位，分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64位；
�。�2）傳輸密鑰TEK的加密算法E2 ：該加密算法的加密強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)不低于語音數(shù)據(jù)加密算法的加密強(qiáng)度，為此其密鑰的長(zhǎng)度不小于64位，分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64位；
�。�3）同步幀完整性算法E3：為了保證端到端加密中同步幀的完整性，在同步幀中包含一個(gè)加密的校驗(yàn)和，該校驗(yàn)和是抽取了幀中的幾個(gè)部分并用校驗(yàn)和的生成算法CRC和密鑰TEK共同計(jì)算得到的，同步幀完整性算法的密鑰長(zhǎng)度不小于64位，分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64位；
（4）密鑰管理消息加密算法E4：該算法是一個(gè)工作于CBC模式的分組加密算法，加密密鑰長(zhǎng)度不小于64位，分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不少于64位；
由于TETRA應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，端到端加密中使用的加密算法可以是用戶自行開發(fā)或是國(guó)家、軍隊(duì)或行業(yè)準(zhǔn)許的加密算法，密鑰長(zhǎng)度也可由用戶自行規(guī)定。
四、端到端加密的密鑰管理
端到端加密的密鑰管理由密鑰管理中心KMC來實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)通信密鑰的生成，分發(fā)及增刪等。
1. 通信密鑰的生成
KMC利用用戶自行設(shè)計(jì)的密鑰生成算法生成通信密鑰TEK，并用KEYID來標(biāo)識(shí)相應(yīng)的TEK。將這些KEYID每16個(gè)編成一個(gè)密碼組，并將密碼組與通話組相關(guān)聯(lián)，這樣在這個(gè)通話組的MS可以用這個(gè)密碼組的當(dāng)前版本的TEK對(duì)語音或短數(shù)據(jù)消息進(jìn)行加密通信。
2. 通信密鑰的分發(fā)
KMC做為TETRA互聯(lián)服務(wù)器的客戶端，通過空中接口以短消息的方式為移動(dòng)臺(tái)分發(fā)通信密鑰TEK ，這種方式稱為空中密鑰分發(fā)OTAK（Over-the-Air-Keying）。通信密鑰有幾個(gè)不同版本(即以前使用的TEK，正在使用的TEK，即將使用的TEK)，這些TEK由算法E2加密后進(jìn)行傳輸，加密密鑰為該移動(dòng)臺(tái)的主密鑰KEK或組密鑰（GEK ），這里的主密鑰是通過帶外的硬件接口載入的，它也被用來加密GEK 和信令加密密鑰SEK。
一個(gè)特定組的TEK可以使用這個(gè)組的組密鑰GEK 進(jìn)行加密，密鑰管理消息使用信令加密密鑰SEK 進(jìn)行加密。OTAK使用TETRA 短數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行密鑰的分發(fā)，在TETRA 標(biāo)準(zhǔn)中用一個(gè)PID （protocol identifer）來指定該消息的類型。OTAK 有兩類消息，第一類包括KMC裝載密鑰到移動(dòng)臺(tái)、裝載后激活該密鑰、刪除移動(dòng)臺(tái)上的密鑰及將通信密鑰與TETRA 用戶組相關(guān)聯(lián)。第二類OTAK 消息是移動(dòng)臺(tái)對(duì)第一類OTAK消息的應(yīng)答所發(fā)出消息，這類消息由單個(gè)移動(dòng)臺(tái)或一組用戶發(fā)出。由于移動(dòng)臺(tái)可能關(guān)閉或不在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，KMC必須要判斷接收到來自移動(dòng)臺(tái)的操作正確的應(yīng)答，并記錄哪些移動(dòng)臺(tái)已經(jīng)接收到密鑰更新的命令。
MS分配新密鑰和管理通信密鑰時(shí)，OTAK消息是由MS的SEK作為密鑰并用算法E4進(jìn)行加密的。OTAK 消息集中有一個(gè)MS_SIGNAL消息，當(dāng)MS開機(jī)或重新進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)向KMC發(fā)送這個(gè)消息。KMC可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)來更新MS中的密鑰，因?yàn)橛械腗S可能長(zhǎng)時(shí)間處于網(wǎng)外而錯(cuò)過了以前的密鑰更新消息。
MS會(huì)解密并且驗(yàn)證任何收到的OTAK SDS消息。每個(gè)消息都以KEYID標(biāo)識(shí)（明文）用來標(biāo)識(shí)著某個(gè)TEK。KEYID以明文方式放在消息的KEY字段中，使得接收端MS能夠選擇正確的密鑰去解密收到的消息。
3. 通信密鑰的增刪
當(dāng)一個(gè)通話組發(fā)生變化時(shí)，如一個(gè)新的移動(dòng)臺(tái)加入該通話組，則KMC將該通話組相關(guān)聯(lián)的密碼組通過OTAK消息分發(fā)給該移動(dòng)臺(tái)。若一個(gè)移動(dòng)臺(tái)退出通話組，則KMC將重新分發(fā)該通話組所對(duì)應(yīng)的密碼組。
4. 密鑰管理的安全性分析
在安全性要求很高的場(chǎng)合，推薦所有KMC中保存的TEK和GEK都預(yù)先經(jīng)過KEK加密。雖然這意味著密鑰在分發(fā)時(shí)是經(jīng)過KEK和SEK雙重加密的，但是它保證了KMC中沒有保存也不可能獲得明文形式的通信密鑰，提高了密鑰存儲(chǔ)的安全性。
加密后的OTAK SDS消息可以被發(fā)送到特定的MS也可以廣播給一組MS。所有的消息都有序列號(hào)，源與目的地址，和一個(gè)全部數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)。這些為防御重放和假冒攻擊提供了保證。
五、端到端加密的保密通信
一個(gè)移動(dòng)臺(tái)可以有多個(gè)通話組，同樣也有相應(yīng)的密碼組。該移動(dòng)臺(tái)可以與同一通話組的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行保密通信，即在與通話組相關(guān)聯(lián)密鑰組中找到當(dāng)前版本的TEK，對(duì)語音和短數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳送。接收端移動(dòng)臺(tái)則根據(jù)同步幀中的KEYID找到相應(yīng)的密鑰對(duì)接收的消息進(jìn)行解密。
1. 端到端語音加密通信
具體的端到端語音加密的過程如圖2所示。圖2中虛線左側(cè)是發(fā)送移動(dòng)臺(tái)的加密過程，右側(cè)是接收MS的解密過程。算法E1有通信密鑰（TEK）和初始向量（IV）兩個(gè)輸入，它生成一個(gè)連續(xù)的密鑰流，該密鑰流與CODEC輸出的語音數(shù)據(jù)流位異或后得到在TETRA系統(tǒng)中傳輸?shù)募用苷Z音。為了讓接收MS能夠正確解密加密后的語音，在圖中可以看到同步初始向量被加入到數(shù)據(jù)流中。與發(fā)送端正好相反，接收端檢測(cè)到同步幀，取出同步幀中的同步向量，將該向量傳給本地的密鑰流產(chǎn)生器，從而完成與發(fā)送端的同步。
同步幀中還包含有KEYID及加密算法標(biāo)識(shí)等附加單元，使得接收端能夠根據(jù)這些單元選擇端到端語音加密的密鑰及加密算法。另外兩個(gè)單元——時(shí)間戳及密碼校驗(yàn)和則保證防止重放攻擊和同步幀的完整性。
2. 端到端短數(shù)據(jù)加密通信
如同在GSM中一樣，TETRA系統(tǒng)也支持短數(shù)據(jù)服務(wù)SDS，短數(shù)據(jù)消息可以是用戶自定義的消息或是狀態(tài)報(bào)告（預(yù)定義的消息）。TETRA系統(tǒng)所定義的SDS類型4可發(fā)送最多2047的不定長(zhǎng)位的短數(shù)據(jù)。對(duì)短數(shù)據(jù)消息進(jìn)行加密和完整性校驗(yàn)如圖3所示。加密的過程與端到端語音加密類似，明文短數(shù)據(jù)消息與密鑰流生成算法E5所輸出的KSS相異或得到密文消息。安全校驗(yàn)和（CCSUM）和其加密控制數(shù)據(jù)（Enc. Ctrl. Data）組成同步向量，該向量是不保密的，故不必加密。通過校驗(yàn)和CCSUM可以驗(yàn)證短數(shù)據(jù)的完整性，而且該校驗(yàn)和的生成需要TEK作為密鑰，而攻擊者無法獲得該密鑰，故他將無法偽造短數(shù)據(jù)消息并重新計(jì)算校驗(yàn)和。算法E6是一個(gè)工作在CBC模式的分組密碼算法。
因?yàn)檩斎攵虜?shù)據(jù)是變長(zhǎng)的，在加密計(jì)算之前應(yīng)該使短數(shù)據(jù)消息為加密分組的整數(shù)倍，同步向量中將包含所有必要的信息使得合法的接收端將能解密短數(shù)據(jù)。在Enc. Ctrl. Data 單元的數(shù)據(jù)包含算法E5和初始向量IV，并讓接收端知道使用了哪個(gè)加密算法及密鑰，當(dāng)然直接傳送的不是密鑰而是一個(gè)密鑰標(biāo)識(shí)號(hào)。一個(gè)攻擊者無法知道數(shù)據(jù)包內(nèi)容，但他也許會(huì)分析這是哪類數(shù)據(jù)，許多通信協(xié)議在協(xié)議頭中包含該協(xié)議的類型。在SDS類型4的協(xié)議包頭中也是協(xié)議標(biāo)識(shí)PID，為了防止攻擊者得到相關(guān)有用的信息，未加密的短數(shù)據(jù)消息的原協(xié)議標(biāo)識(shí)O-PID以一個(gè)編碼的格式傳送，即由一個(gè)新的協(xié)議標(biāo)識(shí)ES-PID來替代。獲得ES-PID對(duì)是攻擊者是無用的，它所顯示的只是一個(gè)編碼的短數(shù)據(jù)消息被加密傳送。
為了確認(rèn)一個(gè)短數(shù)據(jù)消息通信成功，在SDS機(jī)制中有一個(gè)確認(rèn)服務(wù)。如果短數(shù)據(jù)通信不成功（如接收端無法解密短數(shù)據(jù)或校驗(yàn)和不正確），SDS消息的接收端將不發(fā)送確認(rèn)消息或者發(fā)送失敗消息。
六、結(jié)論
在TETRA系統(tǒng)的端到端加密中，集群系統(tǒng)不參與密鑰的產(chǎn)生和管理，也不規(guī)定加密算法，只提供透明傳輸通路。端到端加密在TETRA集群系統(tǒng)的用戶面進(jìn)行, 集群終端設(shè)備應(yīng)具有和端到端加密單元間的電氣接口和物理接口，以便于把端到端加密單元裝入終端設(shè)備中。本文提出一種較完善的端到端加密的設(shè)計(jì)方案，包括密鑰管理及移動(dòng)臺(tái)端到端的加密通信，它實(shí)現(xiàn)了TETRA集群系統(tǒng)內(nèi)從發(fā)送端用戶到接收端用戶間的信息全程通信保密，實(shí)現(xiàn)了在TETRA集群系統(tǒng)的高級(jí)保密功能，可用于對(duì)通信安全有特別嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。
戴元軍，北京郵電大學(xué)博士生，研究方向移動(dòng)通信安全。楊義先，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向信息安全，密碼學(xué)。
----《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》
