GSM網絡采用機卡分離的SIM卡技術使GSM在安全性方面得到了有效保證。通過對SIM卡用戶進行鑒權可防止未授權用戶的非法接入使用，從而保護了網絡運營者和用戶的利益[1]。SIM卡的這種安全機制在對于過去以話音業務為主要業務的2G網絡是完全可滿足要求的。但隨著移動通信技術的飛速發展，時至今日對以數據業務為主、支持多業務與多應用融合的3G網絡來說，2G通信系統所用的安全體制就顯得無法滿足發展需求了。隨著3G時代的到來，國際標準化組織3GPP相應地制定了適合3G網絡的通用用戶識別模塊USIM(Universal Subscriber Identity Module)卡規范[2]，USIM卡基于通用集成電路卡UICC(Universal Integrated Circuit Card)的架構平臺，實現了多個應用、多通道的邏輯機制, 不但可以存放多個應用，而且可以同時運行,現已被廣泛應用在WCDMA和TD-SCDMA網絡中。為了確保運營商的各種3G移動業務應用能夠正常運營，不被未授權的非法用戶接入使用，對3G通信的載體用戶卡提出了更高效和更安全的機制保證要求，對基于UICC架構的用戶卡安全機制研究具有非常重要的意義。

    以往所有對3G用戶卡安全機制的研究都是基于UMTS的WCDMA和TD-SCDMA制式網絡，并且近年來國內外對USIM卡安全機制的研究也獲得一些研究成果[3-5]，然而對3G網絡另外一個制式——CDMA網絡中使用的用戶卡的安全機制研究卻相對很少，業界普遍把在CDMA2000 1X/EVDO網絡中應用的基于UICC架構平臺的用戶卡稱為CDMA用戶識別模塊CSIM(CDMA Subscriber Identity Module)卡，現階段國內外針對CSIM卡安全機制的研究基本還是一片空白。
    本文首先對目前GSM、WCDMA和TD- SCDMA網絡中使用的SIM卡與USIM卡的安全機制進行比較與分析，然后吸取USIM卡在安全機制方面的優點，結合CDMA20001X/EVDO網絡的自有特點，從文件訪問方式、個人識別密碼PIN（Personal Identification Number）碼的管理與鑒權認證三個方面，給出一種基于UICC架構平臺的CSIM卡安全機制，同時對安全機制升級可能引起的機卡兼容性問題進行分析，最后利用測試工具對安全機制進行了測試驗證。
1 USIM卡與SIM卡的安全機制比較
    在安全機制上，USIM卡相對SIM卡而言在文件訪問機制、PIN形式、鑒權算法等方面有較大的創新與發展。研究結果表明，這些改進可以更好地適應和滿足當前移動業務運營的需求，提供了解決安全威脅的基礎。SIM卡和USIM卡的安全機制比較情況如圖1所示[5]。

2 CSIM卡的安全機制分析
2.1 文件訪問機制
    目前CDMA網絡中使用的SIM卡被稱為用戶識別模塊UIM（User Identity Model）卡。UIM卡中的文件主要包括主文件MF（Master file）、基本文件EF（Elementary file）和專用文件DF（Dedicated file）。CSIM卡文件結構與UIM卡文件結構的一個顯著的區別就是在CSIM卡中引入了應用文件ADF（Application DF）的概念。CSIM卡中與某個應用相關的DF或EF都被放置在與該應用相關的ADF的下層中。
    CSIM卡的文件系統采用分層管理、樹狀結構。每個文件根據指定文件類型建立，由文件頭和文件體組成，文件頭由FCP實現，通過安全屬性設置文件訪問權限控制。命令通過查看文件頭中的FCP，發現其在訪問控制列表ACL(Access Control List)中的類型長度取值TLV(Type Length Value)，根據TLV找到相應的EFARR文件；然后從EFARR文件中查找到原文件訪問規則的ACL，從而查詢出ACL中密鑰的TLV；最后從密鑰列表找到對應的密鑰，根據ACL組成的布爾代數表達式進行認證。訪問流程如圖2所示。

    通過文件訪問權限管理,有效地解決了對CSIM卡文件資源的非法訪問以及終端對卡片的越權操作等問題。
2.2 PIN碼管理
    PIN碼是在操作CSIM卡文件時需要校驗的口令組。在CSIM卡中，把供用戶使用的PIN碼分為通用PIN（Universal PIN）碼、專用PIN（Local PIN）碼和應用PIN（Application PIN）碼。其中通用PIN碼可作用于所有文件，它提供了各類應用之間的互通性；專用PIN碼只針對某個DF或ADF文件有效，它保障了各類應用訪問安全口令的獨立性，而應用PIN碼則滿足CSIM卡特有的基于UICC架構平臺的多應用需要，可被多個應用使用。這些措施共同保證了只有申請了特定ADF應用的用戶才能訪問特定ADF下面的文件數據[5]。
2.3 鑒權認證機制
    與SIM卡使用的A3、A8單向認證機制以及USIM卡的MILENAGE雙向認證機制不同，CSIM卡仍然保留了與UIM卡相同的認證算法，即正常情況下CDMA2000 1X網絡的接入使用CAVE鑒權算法，EVDO網絡的接入鑒權使用MD5認證算法。
    （1） CAVE鑒權
    終端和鑒權中心AC（Authentication Center）分別用SSD與其他參數進行CAVE算法運算，終端將經過CAVE算法運算后產生的結果傳送給鑒權中心，鑒權中心將此結果與自身執行CAVE算法計算出的結果進行比較，若相同則鑒權成功。具體如圖3所示。

    （2） MD5鑒權
    終端在讀取CSIM卡中的Service Table（服務列表）文件時，若發現高速分組數據HRPD（High Rate Packet Data）業務為已分配并激活（N5=‘11’），則表示卡片支持并采用MD5鑒權算法。當終端進行HRPD網絡的接入鑒權認證時，終端通過詢問握手認證協議CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）向網絡請求隨機數，根據網絡所給的隨機數對卡片內的HRPD密鑰進行MD5鑒權，得出結果后傳送給網絡的接入網鑒權/授權/計帳服務器AN-AAA（Access Network-Authentication，Accounting，Authorization Server）進行結果對比。若對比結果一致，則表示鑒權成功。
3 安全機制對機卡兼容性的影響
    如果舊的UIM卡升級為新CSIM卡后，在CSIM卡與僅支持UIM卡的終端之間可能存在指令識別、模式選擇、應用使用等一系列機卡兼容性問題。現在對ICC平臺升級到UICC平臺時在安全機制實現上可能引起的機卡兼容性問題初步分析如下：
    第一種情況，在UIM卡終端插入UIM卡，如今已實現，使用原來已有文件訪問方式和網絡鑒權機制即可，在此不作分析。
    第二種情況，在UIM卡終端插入CSIM卡，要求CSIM卡兼容UIM指令，根據終端發來的指令自動選擇進入UIM模式。CSIM卡接入網絡所使用的鑒權算法與UIM卡相同，因而在鑒權問題上不會產生沖突。然而在PIN管理方面，由于終端只能使用CSIM卡中UIM模式下的應用，不能共享CSIM模式下的應用，例如BIP下載、3GPhoneBook等應用，所以CSIM卡需要對在不同模式下應用的PIN碼進行有效管理，以避免因模式的選擇而導致PIN碼發生沖突。
    第三種情況，在CSIM卡終端插入UIM卡，CSIM終端通常優先選擇CSIM模式發送CSIM指令到UIM卡，當UIM卡在不能識別來自終端發送的CSIM指令而向終端反饋有限次內容為“指令錯誤”的響應后，CSIM終端應能根據錯誤響應的次數做出合理判斷并嘗試重新選擇UIM模式向UIM卡發出UIM指令。鑒權機制方面，CSIM終端兼容CAVE算法與MD5算法，不存在鑒權認證機制的問題，但終端一旦進入UIM模式后只能使用其UIM模式下的應用。
    第四種情況，在CSIM卡終端插入CSIM卡，同第一種情況，不另作分析。
4 CSIM卡安全機制測試驗證
    CSIM卡和讀寫設備之間的通信通過命令-響應對實現。終端主動給卡發送應用協議數據單元APDU(Application Protocol Data Unit)指令，卡接收到指令后，由COS（Card Operator System）對命令進行分析和處理，被動地響應終端發來的命令。此研究通過智能卡測試軟件向CSIM卡發出APDU指令，對其安全機制進行測試驗證。
    命令APDU由4 B的命令頭(CLA INS P1 P2)和可選的命令條件體（長度可變）兩部分組成。數據域的長度由Lc表示，期待卡響應APDU數據字段的最大長度由Le指定。格式為：

    從圖4可已看出，CSIM卡響應結果AS為：SW1 SW2=90 00，與期望響應結果ES相同，表示PIN1校驗成功。
4.2 CAVE鑒權
    通過讀卡器以APDU的形式向CSIM 卡發送CAVE鑒權指令。
    APDU=0088008011003223D908000000000000232F48E0
0000。
    APDU命令中CLA=‘00’，INS=‘88’，P1=‘00’，P2=‘80’，Le=‘11’的設置，表示CAVE鑒權認證；Le表示數據長度為17 B。
    測試的初始條件A-key值為0102030405060708，UIMID值為C30653EE，IMSI值為 460030911001702，ESN值為00232F48E00000等數據已通過個人化寫入卡中，具體測試結果如圖5所示。
    從圖5可以看出鑒權輸出返回的實際數據長度AS為3 B（6103）。通過00C0指令讀取這3 B的鑒權結果ED為015B96，與利用CAVE算法得到的理論鑒權結果AD相同，校驗成功。

4.3 MD5鑒權
　  通過讀卡器以APDU的形式向CSIM卡發送Compute IP Authentication鑒權指令。
     APDU=  80800000120101000102030405060708090A0B0
C0D0E0FSW6110。
    APDU指令中CLA=‘80’，INS=‘80’，P1=‘00’，P2=‘00’，Le=‘12’的設置，表示進行MD5鑒權認證；Le表示數據長度為18 B。
　 測試結果如圖6所示。

    從圖6可以看出鑒權輸出返回的實際數據長度AS為16 B（6110），與期望返回的數據長度ES相同。通過00C0指令讀取這16 B的鑒權結果ED為088A976359CC
92077ADFE0208244725C，與利用MD算法理論上得到的鑒權結果ED相同，校驗成功。
    本文從文件訪問方式、PIN碼管理與鑒權認證三個方面對CSIM卡的安全機制進行了討論，并對機制可能帶來的機卡兼容性問題進行了分析，通過測試工具對安全機制進行了測試驗證，結果表明針對CDMA2000 1X/EVDO網絡的CSIM卡安全機制是可行的。
    針對UICC架構平臺升級所可能引起的機卡兼容性問題，如何建立一種終端與卡片的機卡兼容機制，使UIM卡向CSIM卡平滑過渡，這樣是下一步的研究重點。
參考文獻
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[2] 3GPP_TS_31.102_V8.6.0. Technical speccification group core network and terminals; Charact-eristics of the Universal Subscriber Identity Module (USIM) application Release 8[S].  2009.
[3] Wu Shaobo, Li Chengshu. A method of USIM anti-cloning  in LTE/SAE[J]. Information Science and Engineering (ICISE), 2010 2nd International Conference on, IEEE, 2010:4277-4280.
[4] Huang Xiange, Shen Lei, Feng Yanhong. A user authentication scheme based on fingerprint and USIM card[J]. Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Pro cessing, 2008. IIHMSP '08 International Conferenceon, IEEE, 2008(13):1261-1264.
[5] 鄧中亮, 李喆騰.3G網絡中的USIM卡安全機制探討[J].網絡安全技術與應用,2008(10):65-67.