剖析 GSM 加密机制以及位置更新的过程

你有没有想过打开手机时会发生什么？它是如何以安全的方式与网络进行通信？几乎所有人都知道TCP / IP，并且可能许多人还是专家，但是谈到电信方面，很少有人知道它的内部原理。 gsm中的消息结构是什么？它使用的加密类型是什么？因此，今天我们将详细介绍gsm的加密标准，以及手机如何更新移动网络的位置。

当你打开手机发生了什么？

当您打开手机时，它首先启动其无线电资源和移动管理程序。

手机通过SIM或网络接收附近地区支持的频率列表。

它根据功率级别和移动提供商在一个单元上存储。之后，它会对认证发生的网络位置，进行更新过程。位置更新成功后，手机获得TMSI，现在就可以进行其他的操作了。

现在，通过查看移动应用程序调试日志来验证上面的结论。下面的屏幕截图是来自模拟在PC上工作的移动电话的一个osmocom移动应用程序。

SIM发送的移动网络信息

camping on a cell

位置更新请求，包括它的LAI、TMSI

允许位置更新并使用可见的加密标准。

目标

我们将通过osmocom-bb用wirehark捕获gsm数据，并分析整个gsm认证和加密的过程是如何发生的。我们也会看到位置更新过程是如何发生的。

我们已经在上一篇博客中详细介绍了osmocom-bb和建立呼叫的过程。这个博客中会跳过那一部分。

GSM加密标准

A5 / 0 – 未使用加密。为了完整性。

A5 / 1-A5 / 1是用于在GSM蜂窝电话标准中提供空中通信隐私的流密码。它是为了使用GSM而指定的七种算法之一。它最初是保密的，但由于泄漏和逆向工程已经为大众熟知。密码中的一些严重弱点已经被发现。

A5 / 2-A5 / 2是用于在GSM蜂窝电话协议中提供语音隐私的流密码。它用于出口，却并非强于（事实上仍然很弱）A5 / 1。它是为使用GSM所定义的七种A5加密算法之一。

A5 / 3（Kasumi） – KASUMI是用于UMTS，GSM和GPRS移动通信系统的块密码。在UMTS中，KASUMI用于名为UEA1和UIA1的机密性和完整性算法。在GSM中，KASUMI用于A5 / 3密钥流生成器和GEA3密钥流生成器中的GPRS中。

还有一些用的较少，所以没有被提到。

GSM认证和加密是如何发生的？

每个GSM手机都有一个用户识别模块（SIM）。 SIM通过使用国际移动用户身份（IMSI）为移动电话提供独特的身份。 SIM卡就像一个钥匙，失去的话手机就无法运作。它能够存储个人电话号码和短信息。它还存储诸如A3认证算法，A8加密密钥生成算法，认证密钥（KI）和IMSI之类的安全相关信息。移动台存储了A5加密算法。

认证

认证过程检查用户SIM卡的有效性，然后判断移动台是否允许在特定网络上。网络通过使用挑战响应方法来完成用户的认证。首先，通过空中接口向移动台发送128位随机数（RAND）。 RAND被传递给SIM卡，通过A3认证算法与Ki一起发送。 A3算法的输出，经签名的响应（SRES）通过空中接口从移动台发送回网络。在网络上，AuC将SRES的值与从移动台接收的SRES的值进行比较。如果SRES的两个值匹配，认证成功，并且用户加入网络。 AuC实际上不存储SRES的副本，但是根据需要查询HLR或VLR。

生成SRES

匿名

当新的GSM用户第一次打开手机时，其IMSI将被发送到网络上的AuC。之后，临时移动用户身份（TMSI）被分配给用户。除非绝对有必要的话，否则IMSI在此之后很少传输。这样可以防止潜在的窃听者通过其IMSI识别GSM用户。用户继续使用相同的TMSI，具体取决于位置更新发生的频率。每次发生位置更新时，网络都会分配一个新的TMSI到手机。 TMSI与IMSI一起存储在网络中。移动台使用TMSI向网络报告或呼叫启动期间。类似地，网络使用TMSI来与移动台进行通信。访客位置寄存器（VLR）执行TMSI的分配，管理和更新。当关闭时，移动台将TMSI存储在SIM卡上，以确保在再次接通电源时可用.

数据的加密和解密

GSM使用加密密钥来保护用户数据和空中接口的信号。一旦用户认证，通过A8加密密钥生成算法发送RAND（从网络传送）和KI（来自SIM卡），以产生加密密钥（KC）。 A8算法存储在SIM卡上。然后使用A8算法创建的KC与A5加密算法一起加密或解密数据。 A5算法在移动电话的硬件中实现，因为它必须即时加密和解密数据。

加密密钥（Kc）的生成

使用Kc进行数据加密/解密

GSM授权/加密过程

GSM授权/加密过程

1.当您第一次打开手机时，MS将IMSI发送到网络。

2.当MS请求访问网络时，MSC / VLR通常要求MS进行认证。 MSC将IMSI转发到HLR，并请求认证Triplets。

3.当HLR收到IMSI和认证请求时，首先检查其数据库，确保IMSI有效并属于网络。一旦实现了这一点，它将把IMSI和认证请求转发到认证中心（AuC）。 AuC将使用IMSI查找与该IMSI相关联的Ki。 Ki是个人用户认证密钥。当创建SIM卡时，它是与IMSI配对的128位数字。 Ki只存储在SIM卡和AuC上。 Auc还将生成一个称为RAND的128位随机数。

RAND和Ki被输入到A3加密算法中。输出是32位签名响应（SRES）。当请求认证时，SRES本质上是发送给MS的“挑战”。 RAND，SRES和Kc统称为三元组。

HLR将三元组发送给MSC / VLR。

4.然后，VLR / MSC将只将RAND值转发给MS。

5.MS使用存储在其sim中的Ki和网络发送的RAND值来计算SRES。 MS将此SRES值发送回MSC / VLR。

6.MSC / VLR将SRES值与HLR向其发送的值进行匹配。如果它匹配，它成功授权MS。

7.一旦经过认证，移动和网络都可以通过A8算法使用Ki和RAND值来生成Kc。

8.使用具有A5加密算法的唯一生成密钥（Kc）对数据进行加密/解密。

位置更新步骤

位置更新过程

1. 当你打开你的手机，它首先告诉网络，我在这里，我想注册到网络。之后它发送一个位置更新请求，包括它以前的LAI，它是TMSI。
2. 收到TMSI后，如果TMSI不在数据库中，则VLR请求IMSI，收到IMSI后，VLR根据其IMSI向HLR询问用户信息。如果VLR在它的数据库里没有找到TMSI，它将使用LAI找到MS连接到的旧VLR的地址。向旧VLR发送请求，请求用户的IMSI。 VLR提供与MS发送的TMSI相对应的IMSI。请注意，IMSI可能是从移动设备获得的。这不是优先选择，因为位置更新请求被清楚地发送，因此可以用于确定IMSI和TMSI之间的关联。
3. HLR又要求AuC为这个IMSI的三元组。 HLR将三元组（Rand，Kc，SRES）转发到VLR / MSC。
4. MSC将从VLR获取详细信息，并只将RAND值传给MS。 MS将再次计算SRES，并将其发送回MSC。
5. MSC将验证存储在VLR中的SRES，并将与MS发送的SRES进行比较。如果两者匹配，则位置更新成功。
6. 成功后，HLR更新发生，它将更新其当前位置，并将TMSI分配给该MS。由于在加密之后TMSI任务被发送，TMSI与用户之间的关系不能由未经授权的用户获得。 GSM手机回复表明新的TMSI分配已经完成。

现在，我们将分析wirehark中的gsm数据包，看看在空中的真实情况。

1.立即分配 – 由MS请求的无线信道和MS分配的无线信道MS提供商。我们还可以看到在这个频道中正在使用什么样的控制信道（SDCCH / SACCH）。

2.位置更新请求 – MS发送位置更新请求，其中包括以前的LAI，它是TMSI。

3.验证请求 – VLR / MSC将HLR中的RAND转发给MS。我们可以清楚地看到网络发送到移动电话中的随机值。

4.MS中的SRES生成 – MS将使用存储在sim.5中的Ki的帮助，使用A3认证算法生成SRES值。

5.认证响应 – MS将发送其计算的SRES值。我们可以清楚地看到SRES的值。

6.加密模式命令 – BSC向移动设备发送CIPHERING MODE命令。密码已经被启用，所以这个消息是通过加密传输的。手机用CIPHERED模式回复它。我们也可以看到下面的加密模式完成包。我们可以看到它正在使用A5 / 1密码。

7.接受位置更新 – 成功认证后，位置更新发生在MS向网络提供位置信息的地方。

8.TMSI重新分配完成 – MS提供商将向MS分配TMSI，并且该消息将被加密，使得没有人可以嗅探用户的身份（TMSI）。

9.无线电频道发布 – 分配的无线电频道由MS。

现在呢？

注意到有时运营商根本没有使用任何加密，以便能够处理更多的网络负载。加密/解密过程增加了开销。有时，身份验证过程的配置存在问题，攻击者可以使用它来绕过完整的身份验证.

GSM安全是一个很大的的但还尚未开发的领域，还有很多工作需要探索和完成。现在，当您了解如何分析最低级别的gsm数据时，您可以阅读，分析和修改osmocom的代码，以便将任意帧发送到网络或从网络发送到手机。您可以开始模糊gsm级协议，以了解您是否可以实际破解任何网络设备。还有很多事情要做，但这需要对gsm网络有深刻理解，还有关于这方面的法律问题。我建议您创建自己的gsm网络并运行您的测试，如果你想继续这样做的话。我们将在gsm上发布更多博客文章。敬请期待！

参考资料：

https://www.sans.org/reading-room/whitepapers/telephone/gsm-standard-an-overview-security-317