4G无线网络安全若干关键技术研究

论文摘要

随着无线网络与Internet的不断结合,移动通信系统经历了第一代（1G）、第二代（2G）和第三代（3G）系统的发展历程,并朝着无处不在、全IP化的下一代通用无线通信系统（4G）逐步演进。由于4G系统致力于无缝融合不同无线通信技术并支撑高速率通信环境,其安全问题比以往的无线通信系统更加复杂和难于解决。因此,世界各国在推动3G移动通信系统商用化的同时,已经把研究重点转移至4G系统的先期研究。 随着无线网络环境的不断复杂,网络实体间的信任关系、有线链路的安全、安全业务的不可否认性和安全体系的可扩展性不得不重新考虑。同时,随着移动终端（ME）的计算和存储资源的不断丰富,移动操作系统和各种无线应用的问世,ME也正面临越来越多的安全威胁。而现有无线网络安全体系对以上两方面问题考虑不够深入和全面,对效率、兼容性、可扩展性和用户可移动性的综合考虑也不够充分。此外,现有无线网络安全体系基本上是通信系统构架确立之后的附属品,直接导致了很多由通信系统自身特性而造成的无法解决的安全隐患。因此,安全体系不是4G系统出现漏洞后的“补丁”,而应作为4G体系的一部分与其它核心技术齐头并进的展开研究,并最终成为技术标准中的关键部分。 本文在分析了现有无线网络安全特性和其发展历程的基础上,根据4G无线网络的特性,确定了4G系统面临的安全威胁和安全需求,讨论了可适用于4G系统的安全策略和机制。在重点研究了移动终端（ME）安全的前提下,将USIM（Universal Subscriber Identity Module）、ME和用户视为3个独立的实体来考虑用户域的安全,提出了基于可信移动平台（TMP）和PKI相结合的4G安全体系。结合当前智能手机的主流硬件构架,给出了以智能手机主流处理器为基础的TMP实施案例,并讨论了在此平台之上的三种TPM（Trusted Platform Module）构建方法。同时,利用RSA密钥封装机制（RSA-KEM）和哈希函数设计了口令、指纹和USIM相结合的用户域三因素认证方案,实现了用户、ME和USIM间的相互认证,强化了用户域的安全,并可满足TMP中安全等级3对用户认证的要求。 随后,针对单钥和公钥体制在构建无线网络安全方案时存在的缺陷,提出了一种高效的基于自验证公钥的无线网络用户接入认证方案,以提高用户接入过程的安全性。该方案包含PKBP（公钥广播协议）和SPAKA（基于自验证公钥的认证及密钥交换协议）。其中,PKBP可使ME抵抗伪基站攻击,

论文目录

• 摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究意义
• 1.2 无线网络的安全特性和安全威胁
• 1.2.1 无线网络的安全隐患和威胁
• 1.2.2 无线网络的安全策略
• 1.3 无线网络安全的发展
• 1.3.1 第一代和第二代移动通信系统
• 1.3.2 第三代移动通信系统（3G）
• 1.3.3 其它无线通信系统
• 1.4 第四代移动通信系统
• 1.4.1 4G的主要特性
• 1.4.2 4G的研究现状
• 1.5 本文的技术路线
• 1.6 论文的主要内容和结构
• 第二章 可信移动平台TMP
• 2.1 可信计算
• 2.1.1 可信计算的概念和基本思想
• 2.1.2 可信计算的研究进展
• 2.2 可信移动平台的硬件体系结构
• 2.2.1 TPM
• 2.2.2 可信I/O和可信用户接口
• 2.2.3 安全等级
• 2.3 可信移动平台的软件体系结构
• 2.3.1 完整性检验
• 2.3.2 完整性报告和远程校验
• 2.3.3 域隔离与访问控制
• 2.3.4 安全存储
• 2.3.5 TMP中的证书
• 2.4 可信移动平台的在下一代移动网络中的作用
• 第三章 4G无线网络的安全体系设计
• 3.1 4G无线网络的安全威胁和需求
• 3.1.1 4G无线网络面临的问题
• 3.1.2 4G系统的安全需求
• 3.1.3 4G系统安全机制的制定策略
• 3.2 4G系统的安全体系设计
• 3.2.1 4G无线网络的抽象
• 3.2.2 4G系统的安全体系结构
• 3.3 基于可信移动平台的用户域认证方案
• 3.3.1 相关工作
• 3.3.2 基于OMAP730的可信移动平台的构建
• 3.3.3 基于口令、指纹和USIM的用户域认证方案
• 3.3.4 性能分析
• 3.4 小结
• 第四章 基于自验证公钥的接入认证方案
• 4.1 概述
• 4.2 认证方案的基本原理
• 4.3 公钥广播协议（PUBLIC KEY BROADCAST PROTOCOL）
• 4.4 SPAKA协议
• 4.4.1 基于永久身份的接入认证
• 4.4.2 再次认证过程
• 4.4.3 切换认证
• 4.5 可控监听的实施
• 4.6 性能分析
• 4.6.1 PKBP的性能分析
• 4.6.2 SPAKA的安全性分析
• 4.6.3 SRAKA效率的定性分析
• 4.6.4 SPAKA效率的定量分析
• 4.7 小结
• 第五章 基于TMP的移动网络DRM方案
• 5.1 移动网络DRM研究进展
• 5.1.1 移动网络DRM方案的需求
• 5.1.2 移动网络DRM体系结构
• 5.2 OMADRM体系
• 5.3 OMADRM体系的安全性分析
• 5.3.1 安全威胁模型
• 5.3.2 OMA DRM的缺陷
• 5.4 基于可信移动平台的OMA DRM改进方案
• 5.4.1 体系结构
• 5.4.2 总体工作流程
• 5.4.3 基于TMP的Pull下载模型
• 5.4.4 性能分析
• 5.5 小结
• 第六章 基于FCSR的密钥流生成器
• 6.1 引言
• 6.2 FCSR的伪随机特性分析及测试
• 6.2.1 FCSR及其主要特性
• 6.2.2 FCSR序列的伪随机性测试
• 6.3 FCSR和LFSR结合的密钥流生成器的分析和测试
• 6.3.1 FCSR和LFSR相结合的密钥流生成器
• 6.3.2 混合生成器的周期和线性复杂度分析
• 6.3.3 混合生成器密钥流的伪随机性测试
• 6.3.4 混合生密钥流生成器的性能分析
• 6.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果