摘 要： 闡述了SIM卡提供的基本安全策略，分析了在OTA模式下可能存在的針對SIM卡的攻擊，以及SIM卡防御這些攻擊所提供的安全機制，最后給出了SIM卡在" title="卡在">卡在OTA下載模式下的安全處理模型。
　　關鍵詞： SIM卡? OTA? 安全

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　　近年來,OTA(Over The Air)空中下載技術走向大規模商用的原因是,相對于固化在SIM卡中的菜單業務,OTA技術使得用戶可以通過短消息隨時了解新業務" title="新業務">新業務的動態并下載自己感興趣的新業務,運營商也可以使用該技術向用戶推廣新的業務。然而,由于移動通信系統的開放性,攻擊者可能通過重傳、竄改等攻擊手段破壞一個下載過程,甚至可以向SIM卡中注入惡意的代碼,而且各種針對SIM卡的攻擊層出不窮。因此,要求SIM卡有一套完備的處理機制,以應對各種潛在的攻擊。本文旨在分析針對SIM卡的潛在攻擊以及SIM卡在OTA模式下存在的潛在安全威脅,并為SIM卡提供安全應對措施。
1 SIM卡的基本安全特性
　　移動臺 (MS)是用戶使用的終端設備,是GSM系統中的一個重要組成部分。它由移動終端設備(ME)和用戶身份模塊(SIM) 兩個主要部分組成。MS采用分離設計,它的安全功能集中于SIM中,便于控制管理。
1.1 訪問SIM卡的安全性
　　SIM卡使用PIN碼設定第一道防線,以保證合法用戶的安全使用。PIN碼是一個四位到八位的個人密碼,用來保護SIM卡不被未授權的用戶使用。對于嵌入的已設定PIN碼的SIM卡的手機,每次開機時都會要求用戶輸入PIN碼進行校驗,只有校驗成功SIM卡才會被啟用。
　　另外,SIM卡是以文件結構的形式保存信息的。用戶的一些重要的信息,如國際移動用戶號(IMSI)、鑒權密鑰Ki等,都保存在相應的文件中。SIM卡應嚴格控制用戶對這些文件進行訪問,以保證SIM卡的完整性和可用性,防止非法破壞和復制SIM卡。SIM卡具有16種不同的安全狀態,又稱為狀態機。只有當卡片滿足了一定的狀態機,才能訪問指定的文件。SIM卡文件的訪問權限一般分為八級,分別為:ALWAYS、CHV1、CHV2、RFU、ADM1、ADM2、ADM3、ADM4,以及NEVER。SIM卡一般只建立一個密鑰文件,在卡的個人化階段以明文形式寫入密鑰,該文件的讀寫權限都為NEVER,即任何時候都不能讀寫密鑰文件。每個密鑰對應一個錯誤計數器,記錄密碼校驗失敗的次數,當失敗次數大于初始閾值時SIM卡就會被鎖定。
1.2 安全備份與數據恢復" title="數據恢復">數據恢復機制
　　SIM卡即CPU卡,需要外界電源供電才能進行工作,該外界電源就是手機電池。但是,在實際工作中,手機會因為電池電量不足或者用戶突然拔掉電池而導致SIM卡意外失電。如果SIM卡此時正在處理一些程序或者對某些敏感數據進行操作,則突然的失電勢必會影響SIM卡內部的程序和存儲邏輯,導致SIM不可用。
　　安全備份與數據恢復機制主要是保障卡在任何運行情況下(如發生卡失電或意外被拔插操作)失去正常工作后,而當卡再次上電時卡內敏感數據能返回初始狀態,保證其完整性與合法性,即卡的操作系統COS(Card Operating System)不受這些外界因素影響仍能保持正常運作。該機制的原理是:每次對卡內FLASH/EEPROM進行擦寫操作時,COS先要將被更新的存儲區中的原有數據備份到備份棧(專門為安全備份與數據恢復開辟的一段存儲區),并設置相應的恢復標志;之后對要被更新的存儲區進行正常的擦寫操作(此時如果卡意外斷電或者被插拔,卡在復位時會檢測恢復標志,若復位標志有效則將原有數據重新寫入,而新寫入的數據將被拋棄,這一步稱為回滾數據);數據區被正常更新后,COS就設置恢復標志無效,這樣在卡下次復位時就會忽略備份棧的數據。
1.3 網絡鑒權方面的" title="面的">面的安全保護
　　合法SIM卡的一個重要的任務就是與網絡一起完成網絡對SIM卡的鑒權。
　　網絡鑒權也就是確認用戶身份是否合法,鑒權過程是在網絡和SIM卡之間進行的,鑒權時間一般選在移動終端登記入網和呼叫之時。鑒權開始時,網絡產生一個128位的隨機數RAND,經無線電控制信道傳送到ME,ME采用RUN GSM ALGORITHM命令把RAND傳送給SIM卡,SIM卡依據卡中的用戶密鑰Ki和算法A3、A8或A38,根據接收到的RAND計算出應答信號SRES和加密密鑰Kc,并將結果回送給ME。然后ME將SRES向網絡發送,用Kc值對網絡的通信信息進行加密,直到下一次再進行鑒權。網絡在鑒權中心查明該用戶的密鑰Ki后,用同樣的RAND和算法A3計算出SRES,并與收到的SRES進行比較,如一致,則鑒權通過,否則中止兩者之間的通信。
　　由于A3算法具有單向函數的功能,由Ki和RAND經A3計算出SRES很容易,但由SRES和RAND反向推導Ki卻非常困難,所以SRES即使在傳輸過程中被偵聽到,也不會危及Ki的安全。
　　在這個過程中,采用一個用戶鑒權密鑰Ki。Ki長度為128bit,存儲在SIM卡之中。Ki的傳輸必須采用DES或3DES算法進行加密傳輸,以防被非法竊聽或者篡改。同時,SIM卡也必須提供對A3、A8算法的保護,A3、A8算法的存儲必須使用電可擦除非易失性存儲器,以防止對集成電路進行解剖而得到A3、A8算法。
2 OTA模式下SIM卡的安全特性
　　在OTA模式下,SIM卡需要與OTA服務器進行大量的交互,在網絡環境不是很理想的情況下,SIM卡接收到的數據中,除了OTA服務器下發的完整、有效的數據外,還可能存在不完整或者無效的數據以及來自非法服務器的攻擊SIM卡的數據。
2.1 SIM卡與OTA服務器之間的相互身份認證" title="身份認證">身份認證
　　合法的OTA用戶使用OTA下載業務前要先向OTA服務器注冊。注冊信息一般包括卡片的一些版本信息、卡片可供下載的空間等,注冊成功后才能進行后續的操作。
　　OTA空中下載的過程如下:首先,用戶使用手機通過STK提供的菜單界面向OTA服務器發送一個菜單下載請求,該請求經由短消息中心和短信網關,最終通過Internet發送至OTA服務器;然后,OTA服務器根據請求的內容將相應的菜單數據打包并經由反向的路徑發送至手機;再后,手機SIM卡將菜單數據譯碼并組合成菜單;最后,向用戶顯示菜單內容。
　　整個下載過程中涉及到幾個方面的身份認證問題:服務器對SIM卡的身份認證、SIM卡對OTA下載服務器的身份認證、OTA下載服務器對請求數據合法性的認證、SIM卡對菜單數據合法性的認證。這幾個方面的認證問題不是孤立的,而是相互關聯、相互作用的,因此需要提供一種機制來妥善解決這些認證問題。
　　OTA下載服務器應對發送下載請求的用戶身份進行嚴格的認證,以避免假冒下載者或者惡意攻擊者的竄改和重傳攻擊;SIM卡應該對接收到的菜單數據進行嚴格的認證,以防止假OTA服務器攻擊和惡意攻擊者竄改菜單數據進行攻擊。因此,需要設計一種嚴密高效的認證方案來防御各種攻擊。目前常用的身份認證機制有:基于對稱密碼體制的挑戰應答方式、MAC校驗方式、無線PKI通過數字證書等。
2.2 OTA下行數據的安全處理
　　對OTA下行數據的完整性、有效性和邏輯性應進行檢查,以防止由于網絡傳輸錯誤或者惡意攻擊者發出的非法數據破壞SIM卡的可用性。目前OTA下行數據均采用GSM03.48協議規定的格式。GSM03.48定義了數字蜂窩通信系統中GSM PLMNME(公共陸地移動網絡實體)與STK卡之間的安全接口標準。GSM03.48協議嚴格定義了GSM網絡中兩個通信實體之間采用安全數據傳輸時的應用數據協議格式、消息認證方式、數據加密算法、密鑰管理方式以及計數器機制等諸多安全內容。
　　數據的完整性檢測主要使用MAC校驗機制。其主要作用是保證消息的接收者能夠判斷消息在傳輸過程中是否被修改,防止不法入侵者用虛假消息代替合法消息或者篡改消息。OTA服務器將下行數據中的一部分重要的信息利用算法DES CBC進行加密,并作為下行數據的一部分傳輸給SIM卡。SIM卡收到該數據后,不是直接處理用戶數據,而是對安全數據進行MAC校驗。只有本地計算的MAC值和下行數據中的MAC值一致的情況下才接收數據,否則會拋棄數據。同樣,OTA服務器對SIM卡上行的申請數據也使用MAC校驗。這樣,雙方就保證了對方的數據的完整性。計算MAC時所需要的會話密鑰Kc,一般是用SIM卡的國際移動識別號對SIM卡和OTA服務器共享的主密鑰進行分散,有時為了保持會話密鑰Kc的動態性和隨機性,需要加入隨機數進行分散。這要根據不同的應用對安全性的不同要求而靈活運用。
　　數據的有效性檢測主要使用同步計數器機制。其主要作用是保證SIM卡接收到的消息是最新消息,而不是由于網絡存儲轉發機制的缺陷所造成的延遲消息或者惡意攻擊者故意發送的重傳消息。對于OTA服務器和SIM卡之間的每個會話密鑰,都有一個計數器與之對應。服務器在組織下行數據時會依次增加所用會話密鑰的計數器值;SIM卡接收到該數據后會與卡內保存的相應的計數器值進行比較,只有計數器值比自身保存的計數器值大數據才被接收,然后SIM卡就用新的計數器值更新本地的計數器值,以備下一次比較使用。
　　數據的邏輯性檢測也可以稱之為異常處理。下行數據中有一些重要的字節信息是需要SIM卡進行檢測的。如果SIM卡檢測出下行數據有邏輯上的錯誤,就要拋棄該數據;否則,如果將該數據寫到卡中,就會出現意想不到的錯誤,從而導致SIM卡的不可用。在實踐過程中,只有多考慮一些可能出現的異常,并對此作出適當的處理,才能盡可能地避免異常數據帶來的錯誤。
　　另外,GSM03.48協議中還規定使用保密數據指示符來表示數據是否使用校驗或者加密,這樣就提供了加密機制的可見性,給OTA機制帶來了很大的靈活性。
2.3 SIM卡與OTA服務器的同步問題
　　OTA下載服務器需要對用戶大量的空中下載業務進行管理,同時運營商也需要得到用戶使用OTA業務的習慣,以便更好地開展業務,這就需要用戶端SIM卡的業務信息與服務器端的信息保持一致。為了保證卡端和服務器端的信息保持一致,需要卡端能及時地將本地的信息通過短信通道傳輸給服務器,以便服務器能更新數據庫。目前保持同步的方法主要有:(1)服務器主動下發執行信息的同步命令,并請求卡端返回同步信息。(2)卡在滿足一定的條件時,主動將統計信息傳輸給服務器。保持SIM卡和OTA下載服務器的同步,有利于服務器能更好地提供業務服務,減少錯誤的發生。
　　另外,在下行數據中可以用一位信息表示是否要求SIM卡回送處理數據的狀態信息。如有要求,根據該信息,服務器可以確切地知道SIM卡對下行數據的處理結果,從而確定是否重傳該指令。
3 SIM卡處理OTA下行數據的安全模型
　　綜合以上的論述,一個典型的如圖1所示的OTA處理模型應包含以下幾個部分:OTA應用模塊 、邏輯處理模塊、GSM03.48模塊和傳輸層。

　　各個部分的功能描述如下:
　　(1)OTA應用模塊:將從服務器上下載的菜單數據組織成用戶可見的應用形式,供用戶使用。同時,提供用戶和服務器之間的互動界面,以方便OTA的業務開展。
　　(2)邏輯處理模塊:對通過GSM03.48模塊檢測的數據,進行邏輯判斷,例如檢測關鍵字段的長度是否一致、所下載業務是否是用戶申請的業務、多條短信是否完成、是否需要回應服務器等。
　　(3)GSM03.48模塊:對下行數據進行MAC校驗和同步計數器檢驗,以保證數據的完整性和有效性。即保證消息在傳輸過程中沒有被修改或者被重傳。
　　(4)傳輸層:對GSM網絡來說,主要負責短信的收發;對3G網絡而言,3G網絡上進行的OTA業務除了通過傳統的短信通道傳輸外,還可以通過符合BIP協議的高速通道傳輸。BIP(Bearer Independent Protocol)協議,即承載不相關協議,它支持5個主動式命令和2個事件。該協議使SIM/USIM卡能夠利用手機的承載能力建立與服務器之間的數據通道,實現可靠連接與高速傳輸。其傳輸速率遠遠大于短信通道的傳輸速率。它提供了良好的雙向交互式通信能力以及可靠的面向連接的通訊方式。
　　OTA技術解決了運營商推行新業務所面臨的困難,因此該技術得到了運營商的一致認可。各家運營商都制定出了具有自己特色的OTA技術規范,OTA技術也因此得到了不斷完善和發展。例如,最近提出的在不支持OTA模式的手機上,SIM卡仍然能夠進行OTA下載的技術,完善了OTA技術的一項不足。同時,擔任此重擔的SIM卡也面臨著種種的考驗,不僅要滿足OTA技術規范中規定的功能,更要完善在安全性方面的特性。
　　3G網絡下的OTA空中下載技術擁有更多的優點。除了在鑒權方面采用了雙向鑒權并增加了SIM對網絡的鑒權外,又增加了符合BIP協議的高速通道。隨著3G時代的到來,OTA這項在2G網絡和2.5G網絡中都成功應用的技術,必將在3G網絡中扮演重要的角色。
參考文獻

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