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摘 要： 短消息業務（SMS）作為一項極具吸引力的增值業務，已經得到了越來越多用戶 的認可。除了大量使用的手機與手機之間點對點短消息業務之外，從各種信息平臺到手機的 短消息業務也在快速發展，并已經成為廣大用戶及時方便地獲取信息的一種手段。 因此，在 第三代移動通信中，短消息業務對通信的安全性提出了更高的要求，他使用雙向鑒權機制和 信令完整性保護措施。詳細描述了WCDMA中短消息業務的協議結構和短消息的發送過程 ，最后還分析了他的安全機制，以此展現第三代移動通信的安全特性。
關鍵詞：WCDMA；短消息移動終止；移動交換中心；短消息中心
Analysis of Short Message Service Protocol on the Basis of WCDMA
CHEN Leran，MA Hailong，LIU Zhengjun
(Information Engineering Institute, PLA Information Engineering
University, Zhen gzhou, 450002, China)
Abstract： Short Message Service(SMS),which is as one of commercioganic serves,has achiev ed more and more approbation of consumers?Besides the pointpoint app lication of SMS among mobile phones,a new application of SMS between informatio n system and mobile phones is developed quickly now,and it is a new way to achi eve information conveniently and duly for users?So the SMS in 3G requires secu rity is more strictly?It employs bidirectional authentication architecture and a measure to protect integrity of signalling?The paper describes the frame of SMS protocols in WCDMA and the process of sending SMS?Finally SMS′s security a rchitecture is presented surrounding the analysis of SMS protocols in order to s how the security characteristic of 3G
Keywords：WCDMA；short message mobile terminated;message swit ching center;short message service center
在以GSM為代表的第二代數字移動通信中，短消息業務（Short Message Service，SMS）已 經不陌生了。第三代移動通信系統WCDMA中，短消息業務在以文本為主的基礎上朝著 多媒體內容發展，除了現有的功能外，還增加了傳送視頻片段、圖片等功能。因此，WCDMA 中非常重視保證業務信息的安全，他繼承了GSM系統安全的優點，同時針對新業務的特性， 又定義了更加完善的安全特征與安全服務。
本文以WCDMA中短消息業務協議的分析為基礎剖析了短消息業務的接入安全機制，以此展 現第三代移動通信安全的特性。
1協議分析
1.1短消息業務協議描述
3GPP協議中給出了具體到實體的短消息協議分層結構［1］。移動交換中心（MSC） /服務GPRS 支撐節點（SGSN）和移動臺（MS）中的每個實體包含一定的協議層，以實現對等實體之間的 正常通信。兩個短消息控制實體（SMC）之間的對等協議表示為短消息控制協議，兩個短消 息中繼實體（SMR）之間的對等協議表示為短消息中繼協議。網絡側（MSC或SGSN）的協議 分層最高為中繼層。
SMS系統利用短消息中心在短消息實體和移動用戶設備之間傳送消息，而SMS承載業務是SM S 系統的一部分。承載業務由短消息傳輸層和短消息中繼層提供。中繼層按照地址轉發消息， 他作為傳輸層和連接管理層的中介并為傳輸層提供服務。傳輸層是承載協議的最高層，管理 端到端的消息傳送。在終止點的實體里，傳輸層提供介于SMS電信業務和SMS承載業務間的接 口，向上層提供服務。
短消息業務包含3個基本過程：移動終止短消息（Short Message Mobile Terminated，SM MT）、移動起始短消息(Short Message Mobile Originated，SMMO)和告警的傳送［2 ］。
對于手機來說，移動終止短消息和移動起始短消息是完全獨立的兩個過程。下面以移動終 止短消息為例詳細分析他們的消息發送流程和接入安全問題。
1.2短消息的基本流程
1.2.1移動終止短消息的基本流程
當SMSC要向被叫移動臺發送短消息時，先要建立一條包含各種有利于接收者的消息(SMS DELIVER)，SMSDELIVER消息將在各種接口上傳送。SMSC把這條消息傳給 與 之相連的網關（SMSGMSC），網關根據被叫用戶的號碼向相關的HLR查詢。HLR將查 詢結果送給網關，網關利用 上述地址消息向用戶拜訪的VLR傳遞消息，再由MSC或SGSN建立必要的信令連接后將短消息傳 遞給MS。選擇SGSN還是MSC由HLR根據網絡和MS的特性決定。具體的信令交互過程如圖1所示 。
操作1：SMSC到SMSGMSC的信息傳輸
這個操作由2部分組成：從SMSC傳送一條包含TPDU的消息到SMSGMSC（見圖 1(a)）和返回一個“失敗報告”［2］或“交付報告”（見圖1(b)）。
如果SMSGMSC已經收到來自其他實體關于SMMT過程失敗的指示，將返回SMSC 一個 “失敗報 告”。錯誤報告可能產生于MSC，SGSN，HLR，VLR或MS，他們均可被SMSGMSC接收， 繼而傳向SMSC。
操作2：發送SM的路徑請求
此操作是SMSGMSC為了得到傳送短消息的必要信息而向HLR發出的詢問。HLR將被 叫用戶的最新消息、IMSI號碼、登記MSC/VLR地址、是否開機、是否轉呼等返回給GMSC。
操作3：SM交付報告狀態
此操作提供了SMSGMSC請求HLR在消息等待數據MWD中增加一個SMSC地址的方法。 他包含從S MSGMSC傳送消息到HLR的過程，消息的內容為目標移動臺的號碼、SMSC的地址、成 功的結果 并且/或者更新MWD的原因（用戶不可達，MS內存能力超出或者兩者都有）（見圖1中的3）。 這個操作可能被激活，當從MSC或/和SGSN收到一個用戶不存在的指示，并且/或者SMSGMSC 通過MSC或SGSN接收到一個短消息傳送失敗報告，而失敗的原因是“MS內存能力超出”時。
操作4：SM前向傳輸
SMSGMSC傳送一條短消息到MS當前歸屬的SGSN或MSC。這個操作之后是從MSC或SGS N傳送短 消息到MS。因此，此操作的結果要么成功（例如：消息已經交付到MS），要么失?。ɡ纾?從SMSGMSC傳送到MSC或SGSN時失敗、MS被分離或者沒有尋呼響應 ）。
操作5：為MT SMS發送信息
MSC為移動終止短消息的傳送從VLR獲得的用戶信息，這個過程包括尋呼、鑒權的過程。
操作6： MSC到MS的信息傳輸
如果傳送失?。ɡ?，在成功的鑒權之后MS不在無線覆蓋區內），失敗報告將返回給SMS GMSC。
1.2.2移動起始短消息的基本流程
主叫用戶接入MSC/VLR，MSC/VLR對手機進行鑒權加密，以驗證手機用戶是否是合法用 戶。
主叫用戶編輯好短消息，鍵入被叫移動用戶號碼，按發送鍵，將主被叫號碼、文本、 短消息中心號碼及請求的消息代碼一起通過無線信道發送給登記的MSC/VLR。
MSC/VLR接收到主叫用戶的申請，根據SMSC號碼尋到SMSC，將被叫號碼、文本及消息代 碼發送給SMSC。
SMSC接收后，給MSC/VLR發送確認信號；MSC/VLR將成功消息返給主叫用戶。
短消息的安全與否與鑒權的成功有很大關系，如果接收短消息的一方是非法用戶或者入侵 者惡意偽裝網絡，使得鑒權過程失敗，那么網絡將拒絕發送短消息的內容。這是WCDMA中使 用的雙向鑒權過程帶來安全性的提高，是第三代移動通信的一項重要改進。
2短消息安全機制分析
從以上的協議分析可知，短消息中心在向目標移動臺發送短消息內容之前連接著一個鑒權 的過程。這是在WCDMA中為監測和防治盜打、盜用等各種非法使用移動通信資源和業務的現 象，保證網絡安全和保障電信運營者的正當權益而采用的方法。
鑒權過程保證了網絡和用戶的合法性，還需要一項機制保證傳送的信令消息不被篡改。因 為短消息業務需要在移動臺和網絡之間傳送大量的控制信令消息，這些消息大多數都是敏感 的，必須進行完整性保護。完整性保護應用于無線資源控制（RRC）層，這使得接收實體將 能夠確認發送的信令數據未被非授權的篡改，而且確保收到的信令數據源為授權的。
這樣就提高了WCDMA中短消息業務的安全性，避免了GSM中由于安全機制不完善造成的對用 戶安全的威脅。
首先，WCDMA采用的鑒權機制可以實現網絡和用戶之間的雙向鑒權，這是通過在網絡與用 戶雙方共享密鑰實現的，即密鑰僅在用戶和鑒權中心有效。具體過程如圖2所示［3 ］。
VLR/SGSN向HLR發起鑒權數據請求，HLR中的鑒權中心即發送n階矩陣的鑒權矢量AV給VLR/SGSN。鑒權矢量基于序列號排序并由隨機數RAND，期待響應XRES，加密 密鑰CK，完整性密鑰IK和鑒權令牌AUTN組成。每個鑒權矢量僅承擔用戶與網絡之間的一次鑒 權和密鑰協商。當VLR/SGSN初始化密鑰協商過程時，他從n階矩陣中按序選擇下一個鑒 權矢量并發送其中的參數RAND和AUTN給用戶，用戶將檢查AUTN是否可以接受（用戶對網絡 鑒權）。若可以接受，MS發送響應RES給VLR/SGSN。VLR/SGSN將收到的RES和XRES比較（網 絡對用戶鑒權）。若他們匹配，則VLR/SGSN認為鑒權過程成功。
其次，所有短消息信令消息都受完整性保護。信令的完整性保護由RRC層應用實現［4 ］。在R RC連接建立之后并且執行了安全模式控制過程，所有移動臺和網絡之間的控制信令消息（ 如：RRC消息、移動性管理（MM）消息）都將受到完整性保護。安全模式控制過程是由網絡 側向移動臺發送一條“安全模式命令”消息激活的，該消息指示完整性保護所用的算法，同 時攜帶期望消息的消息鑒權碼MACI以及算法中用到的參數，移動臺接收后隨即用指 定的算 法對消息進行完整性校驗，校驗正確后向網絡發送“安全模式完成”消息。完全模式控制過 程結束，對后續消息應用該過程協商的完整性保護配置進行保護。
一個信令消息的完整性是由f9算法來驗證的［3］。該算法的輸入參數是完整性密 鑰IK，完整 性序列號COUNTI，網絡側產生的隨機數FRESH，方向比特DIRECTION和信令數據MESS AGE?；?于這些參數發送端可以計算出用于完整性保護的消息鑒權碼MACI。然后將消息鑒權 碼附著 在信令消息上。接收端應用相同的過程計算出XMACI，與收到消息附著的MACI比較來確認完整性。
WCDMA中的完整性密鑰為128 b，其破解幾乎是不可能的。
3結語
與GSM相比，WCDMA中短消息業務的安全機制無論從密鑰的長度上、鑒別的機制上和信 令保密的完整性，其安全性能遠遠優于GSM。在GSM中使用單向身份認證，即只有網絡認證用 戶，用戶不認證網絡，無法防止偽造基站和HLR的攻擊；另外在GSM中沒有數據完整性的認證 ，這給GSM用戶的安全帶來了許多潛在的威脅。WCDMA營造了很好的安全環境，他彌補了GSM 系統的安全缺陷，為UMTS用戶帶來內容更豐富的短消息服務。
參考文獻
［1］3GPP TS 24.011.Short Message Service Support on Mobile Ra dio Interface.
［2］3GPP TS 23.040.Technical realization of the Short Message Service (SMS).
［3］3GPP TS 33.102.3G Security；Security architecture.
［4］3GPP TS 25.331.RRC Protocol Specification.
關鍵詞：WCDMA；短消息移動終止；移動交換中心；短消息中心
(Information Engineering Institute, PLA Information Engineering
University, Zhen gzhou, 450002, China)
Abstract： Short Message Service(SMS),which is as one of commercioganic serves,has achiev ed more and more approbation of consumers?Besides the pointpoint app lication of SMS among mobile phones,a new application of SMS between informatio n system and mobile phones is developed quickly now,and it is a new way to achi eve information conveniently and duly for users?So the SMS in 3G requires secu rity is more strictly?It employs bidirectional authentication architecture and a measure to protect integrity of signalling?The paper describes the frame of SMS protocols in WCDMA and the process of sending SMS?Finally SMS′s security a rchitecture is presented surrounding the analysis of SMS protocols in order to s how the security characteristic of 3G
Keywords：WCDMA；short message mobile terminated;message swit ching center;short message service center
在以GSM為代表的第二代數字移動通信中，短消息業務（Short Message Service，SMS）已 經不陌生了。第三代移動通信系統WCDMA中，短消息業務在以文本為主的基礎上朝著 多媒體內容發展，除了現有的功能外，還增加了傳送視頻片段、圖片等功能。因此，WCDMA 中非常重視保證業務信息的安全，他繼承了GSM系統安全的優點，同時針對新業務的特性， 又定義了更加完善的安全特征與安全服務。
本文以WCDMA中短消息業務協議的分析為基礎剖析了短消息業務的接入安全機制，以此展 現第三代移動通信安全的特性。
1協議分析
1.1短消息業務協議描述
3GPP協議中給出了具體到實體的短消息協議分層結構［1］。移動交換中心（MSC） /服務GPRS 支撐節點（SGSN）和移動臺（MS）中的每個實體包含一定的協議層，以實現對等實體之間的 正常通信。兩個短消息控制實體（SMC）之間的對等協議表示為短消息控制協議，兩個短消 息中繼實體（SMR）之間的對等協議表示為短消息中繼協議。網絡側（MSC或SGSN）的協議 分層最高為中繼層。
SMS系統利用短消息中心在短消息實體和移動用戶設備之間傳送消息，而SMS承載業務是SM S 系統的一部分。承載業務由短消息傳輸層和短消息中繼層提供。中繼層按照地址轉發消息， 他作為傳輸層和連接管理層的中介并為傳輸層提供服務。傳輸層是承載協議的最高層，管理 端到端的消息傳送。在終止點的實體里，傳輸層提供介于SMS電信業務和SMS承載業務間的接 口，向上層提供服務。
短消息業務包含3個基本過程：移動終止短消息（Short Message Mobile Terminated，SM MT）、移動起始短消息(Short Message Mobile Originated，SMMO)和告警的傳送［2 ］。
對于手機來說，移動終止短消息和移動起始短消息是完全獨立的兩個過程。下面以移動終 止短消息為例詳細分析他們的消息發送流程和接入安全問題。
1.2短消息的基本流程
1.2.1移動終止短消息的基本流程
當SMSC要向被叫移動臺發送短消息時，先要建立一條包含各種有利于接收者的消息(SMS DELIVER)，SMSDELIVER消息將在各種接口上傳送。SMSC把這條消息傳給 與 之相連的網關（SMSGMSC），網關根據被叫用戶的號碼向相關的HLR查詢。HLR將查 詢結果送給網關，網關利用 上述地址消息向用戶拜訪的VLR傳遞消息，再由MSC或SGSN建立必要的信令連接后將短消息傳 遞給MS。選擇SGSN還是MSC由HLR根據網絡和MS的特性決定。具體的信令交互過程如圖1所示 。
操作1：SMSC到SMSGMSC的信息傳輸
這個操作由2部分組成：從SMSC傳送一條包含TPDU的消息到SMSGMSC（見圖 1(a)）和返回一個“失敗報告”［2］或“交付報告”（見圖1(b)）。
如果SMSGMSC已經收到來自其他實體關于SMMT過程失敗的指示，將返回SMSC 一個 “失敗報 告”。錯誤報告可能產生于MSC，SGSN，HLR，VLR或MS，他們均可被SMSGMSC接收， 繼而傳向SMSC。
操作2：發送SM的路徑請求
此操作是SMSGMSC為了得到傳送短消息的必要信息而向HLR發出的詢問。HLR將被 叫用戶的最新消息、IMSI號碼、登記MSC/VLR地址、是否開機、是否轉呼等返回給GMSC。
操作3：SM交付報告狀態
此操作提供了SMSGMSC請求HLR在消息等待數據MWD中增加一個SMSC地址的方法。 他包含從S MSGMSC傳送消息到HLR的過程，消息的內容為目標移動臺的號碼、SMSC的地址、成 功的結果 并且/或者更新MWD的原因（用戶不可達，MS內存能力超出或者兩者都有）（見圖1中的3）。 這個操作可能被激活，當從MSC或/和SGSN收到一個用戶不存在的指示，并且/或者SMSGMSC 通過MSC或SGSN接收到一個短消息傳送失敗報告，而失敗的原因是“MS內存能力超出”時。
操作4：SM前向傳輸
SMSGMSC傳送一條短消息到MS當前歸屬的SGSN或MSC。這個操作之后是從MSC或SGS N傳送短 消息到MS。因此，此操作的結果要么成功（例如：消息已經交付到MS），要么失?。ɡ纾?從SMSGMSC傳送到MSC或SGSN時失敗、MS被分離或者沒有尋呼響應 ）。
操作5：為MT SMS發送信息
MSC為移動終止短消息的傳送從VLR獲得的用戶信息，這個過程包括尋呼、鑒權的過程。
操作6： MSC到MS的信息傳輸
如果傳送失?。ɡ?，在成功的鑒權之后MS不在無線覆蓋區內），失敗報告將返回給SMS GMSC。
1.2.2移動起始短消息的基本流程
主叫用戶接入MSC/VLR，MSC/VLR對手機進行鑒權加密，以驗證手機用戶是否是合法用 戶。
主叫用戶編輯好短消息，鍵入被叫移動用戶號碼，按發送鍵，將主被叫號碼、文本、 短消息中心號碼及請求的消息代碼一起通過無線信道發送給登記的MSC/VLR。
MSC/VLR接收到主叫用戶的申請，根據SMSC號碼尋到SMSC，將被叫號碼、文本及消息代 碼發送給SMSC。
SMSC接收后，給MSC/VLR發送確認信號；MSC/VLR將成功消息返給主叫用戶。
短消息的安全與否與鑒權的成功有很大關系，如果接收短消息的一方是非法用戶或者入侵 者惡意偽裝網絡，使得鑒權過程失敗，那么網絡將拒絕發送短消息的內容。這是WCDMA中使 用的雙向鑒權過程帶來安全性的提高，是第三代移動通信的一項重要改進。
2短消息安全機制分析
從以上的協議分析可知，短消息中心在向目標移動臺發送短消息內容之前連接著一個鑒權 的過程。這是在WCDMA中為監測和防治盜打、盜用等各種非法使用移動通信資源和業務的現 象，保證網絡安全和保障電信運營者的正當權益而采用的方法。
鑒權過程保證了網絡和用戶的合法性，還需要一項機制保證傳送的信令消息不被篡改。因 為短消息業務需要在移動臺和網絡之間傳送大量的控制信令消息，這些消息大多數都是敏感 的，必須進行完整性保護。完整性保護應用于無線資源控制（RRC）層，這使得接收實體將 能夠確認發送的信令數據未被非授權的篡改，而且確保收到的信令數據源為授權的。
這樣就提高了WCDMA中短消息業務的安全性，避免了GSM中由于安全機制不完善造成的對用 戶安全的威脅。
首先，WCDMA采用的鑒權機制可以實現網絡和用戶之間的雙向鑒權，這是通過在網絡與用 戶雙方共享密鑰實現的，即密鑰僅在用戶和鑒權中心有效。具體過程如圖2所示［3 ］。
VLR/SGSN向HLR發起鑒權數據請求，HLR中的鑒權中心即發送n階矩陣的鑒權矢量AV給VLR/SGSN。鑒權矢量基于序列號排序并由隨機數RAND，期待響應XRES，加密 密鑰CK，完整性密鑰IK和鑒權令牌AUTN組成。每個鑒權矢量僅承擔用戶與網絡之間的一次鑒 權和密鑰協商。當VLR/SGSN初始化密鑰協商過程時，他從n階矩陣中按序選擇下一個鑒 權矢量并發送其中的參數RAND和AUTN給用戶，用戶將檢查AUTN是否可以接受（用戶對網絡 鑒權）。若可以接受，MS發送響應RES給VLR/SGSN。VLR/SGSN將收到的RES和XRES比較（網 絡對用戶鑒權）。若他們匹配，則VLR/SGSN認為鑒權過程成功。
其次，所有短消息信令消息都受完整性保護。信令的完整性保護由RRC層應用實現［4 ］。在R RC連接建立之后并且執行了安全模式控制過程，所有移動臺和網絡之間的控制信令消息（ 如：RRC消息、移動性管理（MM）消息）都將受到完整性保護。安全模式控制過程是由網絡 側向移動臺發送一條“安全模式命令”消息激活的，該消息指示完整性保護所用的算法，同 時攜帶期望消息的消息鑒權碼MACI以及算法中用到的參數，移動臺接收后隨即用指 定的算 法對消息進行完整性校驗，校驗正確后向網絡發送“安全模式完成”消息。完全模式控制過 程結束，對后續消息應用該過程協商的完整性保護配置進行保護。
一個信令消息的完整性是由f9算法來驗證的［3］。該算法的輸入參數是完整性密 鑰IK，完整 性序列號COUNTI，網絡側產生的隨機數FRESH，方向比特DIRECTION和信令數據MESS AGE?；?于這些參數發送端可以計算出用于完整性保護的消息鑒權碼MACI。然后將消息鑒權 碼附著 在信令消息上。接收端應用相同的過程計算出XMACI，與收到消息附著的MACI比較來確認完整性。
WCDMA中的完整性密鑰為128 b，其破解幾乎是不可能的。
3結語
與GSM相比，WCDMA中短消息業務的安全機制無論從密鑰的長度上、鑒別的機制上和信 令保密的完整性，其安全性能遠遠優于GSM。在GSM中使用單向身份認證，即只有網絡認證用 戶，用戶不認證網絡，無法防止偽造基站和HLR的攻擊；另外在GSM中沒有數據完整性的認證 ，這給GSM用戶的安全帶來了許多潛在的威脅。WCDMA營造了很好的安全環境，他彌補了GSM 系統的安全缺陷，為UMTS用戶帶來內容更豐富的短消息服務。
參考文獻
［1］3GPP TS 24.011.Short Message Service Support on Mobile Ra dio Interface.
［2］3GPP TS 23.040.Technical realization of the Short Message Service (SMS).
［3］3GPP TS 33.102.3G Security；Security architecture.
［4］3GPP TS 25.331.RRC Protocol Specification.
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