从信令上深入了解鉴权和加密的过程

seasonjie

从信令上深入了解鉴权和加密的过程

我们知道,手机在做位置更新、发起呼叫时必须首先进行鉴权和加密。通过鉴权，系统可以为合法的用户提供服务，对不合法的用户拒绝服务。那么鉴权和加密是如何实现的呢？我们先看下面一个用户开机并成功进行IMSI ATTACH位置更新的信令流程：
MSC/VLR通过IU口收到手机开机的消息后,判断该IMSI是否为新用户(即VLR里不存在数据的，华为MSOFTX3000可以通过DEL MS命令实现删除VLR数据)。如果是新用户，就向HLR/AUC发起取鉴权集请求的消息（SEND_AUTHENTICATION_INFO_REQ）；作为响应，HLR/AUC给MSC/VLR回取鉴权集证实消息（SEND_AUTHENTICATION_INFO_CNF）：
我们看看取鉴权集请求消息里面有什么内容，首先，它包含有该用户的IMSI信息（460004314210031），其次，还包含有VLR向HLR/AUC所请求的鉴权集的组数（5组），如下：
我们再看看HLR/AUC给MSC/VLR回的取鉴权集证实消息里面有什么东西：
我们可以看出HLR/AUC一共给VLR回了4组鉴权集，每组鉴权集包含3个参数，分别是rand（随机数）、sres（符号响应）、kc（密钥）。这3个参数即是我们平时常说的鉴权三参组，由此，我们判断出该用户是2G用户。此处爱立信HLR/AUC只给回了4组鉴权集，正常情况下是会回5组鉴权集的（华为HLR不存在这样的问题）；我就此事询问过广州爱立信HLR的现场技术人员，对方表示也不清楚原因。
MSC/VLR取到鉴权集后，会使用4组鉴权集中的1组，通过IU口向手机发出鉴权请求消息（AUTHENTICATION_REQUEST），其余3组留着供下次的鉴权使用；随后，手机给MSC/VLR回鉴权响应消息（AUTHENTICATION_RESPONSE）：
我们来看一看鉴权请求消息里面有什么我们需要关注的东西：
可以看出VLR将第1组鉴权集里面的rand参数的值通过该消息下发给手机。
手机收到网络下发的rand参数的值后，在SIM卡进行如下运算：
KI(IMSI) + rand + A3 ---------> sres
KI(IMSI) + rand + A8 ---------> kc
在此有必要说明，KI是制卡的时候就以特殊工艺烧进SIM卡的一个参数值，由32个十六进制的字符组成，如D17F20239EEDBE1520F64A851F3C44C9，每个字符以二进制表示的话，长度是32×4=128位。KI值并不在空中传送；KI值必须在开户时在HLR定进去的，华为HLR的相关命令是ADD KI；而爱立信HLR的相关命令是AGSUI。
手机用A3算法计算出sres以后，通过IU口以鉴权响应消息回给MSC/VLR。同时，手机以A8算法计算出密钥kc。利用密钥kc，手机再对加密之前的消息M以A5算法进行如下加密运算，得出加密后的消息M＇：
M + kc + A5 ---------> M＇
该算法是可逆的，即MSC/VLR收到IU口上加过密的消息M＇后，能以同样的运算法则进行解密将消息还原：
M＇ + kc + A5 ---------> M
至此我们应该知道，鉴权是通过sres参数来实现的，而加密是通过kc参数来实现。下面再来看看鉴权响应消息里面的sres是什么：
响应消息里的sres的值为f7 6c 0a 8d，与第1组鉴权集里面的sres一致；所以该用户鉴权通过，视为合法用户。
如果鉴权响应消息里面的sres值与VLR内的sres值不一致，那么该用户将被VLR判为鉴权失败，属于非法用户；我们来看一个鉴权失败的用户的消息跟踪：
该用户就因为回的sres与VLR不一致被视为鉴权失败，MSC/VLR直接给HLR/AUC发出鉴权失败报告，并给IU口回鉴权拒绝消息，导致接下来的位置更新不能够继续进行。
出现这种情况的原因是因为SIM卡内的KI值与HLR开户的KI不一致所致。所以一个企图盗打的SIM卡，光烧有别人的IMSI号还不行，还必须烧入别人的KI值，而这个KI值是很难从SIM卡读取出来的；就算知道KI，如何将其烧进SIM卡，其特殊的工艺也是一个难题。
如果鉴权成功，那么MSC/VLR将给HLR发位置更新请求消息（UPDATE_LOCATION_REQ），HLR向VLR插用户数据，VLR回插用户数据响应消息，HLR再回应MSC/VLR位置更新证实消息（UPDATE_LOCATION_CNF）。这一系列步骤完成之后，MSC/VLR将向手机发出身份请求消息（IDENTITY_REQUEST），该消息请求手机必须响应IMEI码：
看手机在身份响应消息（IDENTITY_RESPONSE）回的IMEI是多少：
MSC/VLR会对该手机的IMEI码进行检查，如果是合法的设备，那么到此为止位置更新成功。SECURITY_MODE_COMMAND消息是MSC/VLR用来通知手机进行加密的，SECURITY_MODE_COMPLETE消息则是手机响应MSC/VLR的，标明以后的消息将加密后才在空中接口传送。
3G用户的鉴权加密与2G大同小异，不同的是三参组变成了五元组，我们来看看3G用户的取鉴权集证实消息（SEND_AUTHENTICATION_INFO_CNF）里面的鉴权集是什么：
可以看到鉴权集里面有5个参数值，它们分别是：rand（网络质询随机数）、xres（用户应答的期望值）、ck（加密密钥）、ik（完整性密钥）、autn（网络身份确认标记）。3G鉴权与2G最大的不同是多了一个autn（网络身份确认标记）值。我们前述知道，sres是网络用来对手机进行鉴权的，而autn却是手机用来对网络进行鉴权。我们看到autn会在鉴权请求消息里通过IU口与rand一起下发：
手机收到autn后是如何对网络进行鉴权的，这里不再深究。我们看看xres与2G里的sres有何不同，观察鉴权响应消息里带的xres值：
发现xres值由两部分组成：一部分是4字节长的ff a0 88 6f（与sres等长）；另一部分是扩展部分（ext）：00 ad f1 8c 26 89 85 76 da 16 6f 26；两部分在一起即构成了xres的值。相当于xres = sres + ext。
每次MSC/VLR从HLR/AUC取得5组鉴权集，只使用1组，其余4组留给以后的鉴权和加密使用。手机在做位置更新、发起呼叫时，如MSC/VLR判断其IMSI为旧卡(即VLR里已经存在数据的)，则调用VLR中的一个五数组，不再到HLR/AUC去取新的鉴权集。