一种基于假名的移动用户标识码imsi保护方法

专利名称：一种基于假名的移动用户标识码imsi保护方法
技术领域：
本发明属于移动通信安全领域，涉及一种基于假名的IMSI信息保护方法；本发明 不改变现有移动通信的通信流程和数据格式，并对未使用本发明的现有用户具有完美的兼 容性。
背景技术：
a)现有技术的说明国际移动用户标识码(IMSI，International Mobile Subscriber Identity)，或 简称用户标识码，是每一个移动用户在全球范围内的唯一身份标识。该标识使得移动用户 无论漫游到世界的任何一个地方，网络端都能找到该用户注册的网络归属域，只要用户申 请了漫游业务并有充足的资费，就能使用移动通信和数据业务。在第二代GSM移动通信系 统中，用户标识码IMSI被嵌入到SIM卡(Subscriber Identity Module，即用户身份模块) 中，而在第三代移动通信系统中，这一标识被置入到USIM卡中。无论哪种情况，IMSI的数 据格式和所代表的意义基本保持不变。为了介绍IMSI的数据格式，首先介绍一下移动用户如何使用IMSI入网。逻辑 上，我们可以把移动网络部件分为三部分，移动终端(mobile equipment，ME)，访问域 (visitor locationregister, VLR),禾口归属域(home locaion register,HLR)。尽管在3G移 动通信中对这些单元使用了不同的名称，如访问域VLR在3G系统中以移动管理实体(MME) 代替，而归属域HLR在3G系统中以用户归属服务器(HSS)取代，但从用户认证的过程看，它 们的功能类似，因此在不引起混淆的情况下，本发明使用上述名称对技术原理进行描述，但 不构成对本发明适用领域的限制。当一个新用户申请入网时，他跟一个离他最近的VLR通 过无线接口进行通信，将自己的IMSI信息传给该VLR申请入网。该VLR将IMSI信息传给 用户注册的归属域HLR对用户进行认证，HLR通过IMSI信息查到用户对应的密钥，产生多 个认证向量，即三元组(RAND，XRES, Kc)(在第三代移动通信中使用五元组，但不影响对本 发明的使用，也不构成对本发明的限制)，并传给VLR，其中RAND是网络用于认证用户的挑 战信息，XRES是网络用于检查用户对挑战信息所给应答是否正确的比对信息，Kc是网络与 用户之间的通信数据加密密钥。VLR选取一个三元组，将其中的挑战信息RAND传给用户，用 户利用SIM卡内的密钥信息产生针对接收到的挑战信息RAND的应答RES并传给VLR，VLR 对比从用户那里收到的RES和从HLR传来的对应三元组内的XRES是否一致。若一致，则对 用户的认证通过，否则认证失败。在实际网络中，一个VLR可能要服务于多个HLR，因此在认 证过程中，VLR需要根据IMSI信息确定IMSI信息往哪个HLR传送。因此任何一个IMSI要 有固定格式，用于寻找其所归属的HLR，然后由该HLR负责对用户提供用于认证的数据(即 认证向量，数据格式为三元组或五元组)。目前移动通信中对IMSI的使用原则是，当用户第一次插卡开机时，需要向网络端 (具体为VLR)提供用户身份信息IMSI。VLR在HLR的协助下对用户成功认证后，会给用户分 配一个随机产生的临时身份识别代码(TMSI，Temporary Mobile Subscriber Identity),用户在之后需要进行认证时，首选使用该TMSI代码，仅当使用TMSI代码认证失败后，才再 次使用IMSI进行认证。给用户分配的临时身份代码TMSI会经常更新，甚至每次成功认证 后都会用一个新的TMSI代替之前的TMSI。除了用户第一次插卡开机时没有TMSI外，之后用户便有一个TMSI，因此每次需要 联网认证时都首先使用这个TMSI进行认证。但有些情况下使用该TMSI的认证是失败的， 包括下列一些情况(1)网路端(VLR)在更新TMSI时，用户端没有接收到更新信息(如突 然供电不足，突然失去信号等)，造成用户端与网络端的TMSI不一致；(2)用户在关机状态 下进入另一个VLR(如航空旅行)，新的VLR找不到用户的TMSI记录；(3)用户长时间未开 机，导致网络端(VLR)记录的TMSI信息因超时而被删除。在使用TMSI认证失败的情况下， 用户将不得不发送IMSI进行认证。由于IMSI唯一标识用户，而且在空口通信中常以明文方式传送，因此如果被非法 截获，可以检测用户的大致位置信息，而这一信息会涉及到用户的隐私性。尽管在标准移动 通信协议中，IMSI的使用已经做到尽可能的少，但在敌手主动攻击下却很容易获得。敌手主 动攻击的一种模式是使用一个非法基站，当用户靠近该假基站时，用户信号被假基站接收， 该假基站冒充网络VLR告知用户使用TMSI的认证失败，此时用户端不得不发送IMSI进行 认证，于是该IMSI便可以被敌手获得。特别在GSM系统中，由于用户端对网络端缺少认证 功能，因此假基站获得用户IMSI信息是很容易的。b)相关解决方案的不足考虑到GSM系统的用户还是一个相当大的群体，而且在今后相当长的时间段内， 使用GSM系统的人群还会很大，而且对隐私信息保护的需求日益提高，因此对IMSI保护的 呼吁声音也一直未间断。目前对IMSI的保护有两类重要方法，一类是使用公钥密码技术来 实现，另一类是使用假名技术。使用公钥密码技术的实现方法具有一定的学术价值，但在实 现上除增加很多计算和通信代价外，原来的通信协议也需要完全修改，而且很难具有对现 有网络用户的兼容性，如文献[曾勇，“一种基于非对称密钥密码体制的IMSI保护方案”， 《通信技术》，2008，Vol 41(9)]所描述的方法就具有这类性质；而另一类使用假名的方法在 实现中有多种不同手段，如文献[朱红儒，齐旻鹏，魏凌波，“国际移动用户标识符IMSI机密 性保护的方法、设备及系统”，国家发明专利，申请号CN200910076453]就是一种，但其假名 的产生是在网络访问域(注意文献[朱红儒，齐旻鹏，魏凌波，“国际移动用户标识符IMSI 机密性保护的方法、设备及系统”，国家发明专利，申请号CN200910076453.]中使用了 3G系 统的术语)，这就需要增加访问域的计算代价和修改标准3GPP的通信协议，而且对现有用 户的兼容性就比较差。其他一些解决方案的实用性和对IMSI的保护程度都不很明朗。总之，目前的一些解决方案都要求对系统架构进行较大程度地升级，特别是对VLR 这种大量分布的系统进行升级是很耗资的事，而且对现有用户的兼容性不够强，在VLR端 需要额外计算来判断区分新老用户，以确定使用新老协议。由于这些更新的大代价，使得目 前的一些解决方案很难在实际系统中使用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于假名的IMSI信息保护方法。本方法可以保护作 为移动用户身份标识的IMSI的隐私性。本发明不改变现有移动通信的通信流程和数据格式，并对未使用本发明的现有用户具有完美的兼容性。a)本发明的基本思想和目标1.使用假名技术，从根本上防止假冒基站欺骗用户的IMSI。假基站即使能非法获 得用户的假名，但由于假名不断在改变，假基站很难将一个假名同某一特定用户联系起来， 从而达到保护用户隐私性的目的；2.避免VLR对现有的协议流程和计算模式进行修改，即保持现有VLR的工作模式 不变；3.更新HLR端的部分计算单元，更新用户端的计算单元；4.保持通信协议和数据格式不变，从而对现有用户能无缝兼容。b)本发明的技术原理国际移动用户标识码IMSI数据是由15位的十进位数字组成的，其中最左边的3 位数字称为国家码(MCC，Mobile Country Code)，用于唯一识别移动用户所属的国家，例如 中国为460，它由国际电信联盟(ITU)统一分配和管理；接下来的2位数字是移动网络代码 (MNC, MobileNetwork Code)，用于唯一识别用户所属移动通信网络，当一个国家中有多个 运营商时，MNC号码指示用户属于哪个运营商；接下来的10位数字表示移动用户的身份代 码(MSIN, MobileSubscriber Identification Number)。MSIN 完全由各运营商内部管理， 在中国，其结构为(^+M0M1M2MJABCD,其中MtlM1M2M3是4位十进制数字，标识用户IMSI所归属 的HLR，AB⑶随机分配，用于标识用户。但是，运营商某些归属域HLR所服务的用户数可能 多于10000个，因此需要更多位数来标识用户，也可以看作是几个小的传统HLR的合并，在 这种情况下，标识用户IMSI归属域HLR的字段可以缩短，而将节省下来的字段用于标识用 户。比如将10个传统HLR合并后，只需要IMSI中的3位数MtlM1M2就可以标识该归属域的 身份，这样用于标识用户的字段可以增加至5位，即M3AB⑶；如果将100个传统意义的HLR 合并为一个大的HLR，则只需要IMSI中的2位数MtlM1就可以标识该归属域的身份，这样用 于标识用户的字段可以增加至6位，即M2M3AB⑶；如果将1000个传统意义的HLR合并为一 个大的HLR，则只需要IMSI中的1位数M0就可以标识该归属域的身份，这样用于标识用户 的字段可以增加至7位，即M1M2M3ABCDd不管是哪种情况，我们把在一个HLR内用于标识用 户的IMSI中的几位数称为用户标识字段，如上述AB⑶，或M2M3AB⑶等。本发明的技术方案为一种基于假名的移动用户标识码IMSI保护方法，其步骤包括A)在用户初次入网阶段Al)用户发送用户标识码IMSI给网络归属域HLR进行认证，所述HLR在完成认证 后为所述用户生成假名IMSA0，并将其记录到所述HLR的数据库中；A2)所述HLR根据用户假名IMSAO产生认证向量并通过所述VLR对所述用户进行 认证；A3)所述HLR将所述用户假名IMSAO中的用户假名字段通过网络访问域VLR发送 给所述用户；A4)所述用户接收到所述用户假名字段后，重构并记录该用户假名IMSAO ；B)在用户再次入网阶段Bi)用户将自己所存储的最新用户假名IMSAO信息发送给所述网络归属域HLR
6进行认证，所述网络归属域检查数据库中是否存在该用户假名IMSA0，如果不存在，则所述 HLR报告用户认证失败；否则，所述HLR产生一个新的用户假名，并更新数据库中该用户的 原假名；B2)所述HLR根据新产生的用户假名IMSAO产生认证向量并通过网络访问域VLR 对所述用户进行认证；B3)所述HLR将新生成的用户假名IMSAO中的用户假名字段通过所述VLR发送给 所述用户；B4)所述用户在接收到所述用户假名字段后，重构该用户假名IMSAO后，替换原存 储的用户假名。进一步的，所述HLR利用用户假名字段替换该用户标识码IMSI中的用户标识字 段，生成该用户的假名IMSAO ；所述用户假名字段是不合法的用户标识字段。进一步的，采用随机数生成方法生成所述用户假名字段。进一步的，所述用户假名字段为一 m位16进制数X1X2. . . Xm，其中X1, X2, ...，Xm中 至少有一位不是0-9之间的数字。进一步的，所述HLR将所述用户假名IMSAO发送给所述用户的方法为所述HLR将 所述IMSAO中的用户假名字段嵌入到一个认证向量的随机挑战RAND中，并将所述认证向 量通过网络访问域VLR发送给所述用户；所述用户收到所述VLR传送的RAND后，检查所述 RAND是否含有所述用户假名字段信息；如果有，则所述用户根据自己的IMSI信息和所述 RAND提供的所述用户假名字段重构用户假名IMSA0。进一步的，所述网络归属域HLR将所述用户假名字段η次重复地嵌入到一个认证 向量的随机挑战RAND中，其中η是不小于1的自然数。进一步的，所述网络归属域HLR将所述用户假名字段η次重复地嵌入到多个认证 向量的随机挑战RAND中，其中η是不小于1的自然数。进一步的，所述数据库包括用户标识码IMSI栏目、用户假名IMSAO栏目，还包括 一用户确认假名IMSAl栏目，所述IMSAl栏目用于存储最近一次用户确认过的用户假名。进一步的，在用户再次入网阶段，所述网络归属域HLR检查数据库中是否存在该 用户假名IMSA0，并更新所述数据库的方法为所述HLR在数据库的IMSAO栏目中搜寻从所 述用户传来的IMSAO数据，如果找到匹配的用户假名，则所述HLR执行下列步骤a)将匹配的IMSAO数据移到所述数据库的对应同一 IMSI的IMSAl栏目，替换所述 IMSAl栏目中相应位置已存在的数据；b)为所述用户产生新的IMSAO数据，并将该IMSAO数据写入数据库的所述用户所 对应的IMSAO栏目内；c)根据所述新产生的IMSAO产生用户认证向量，并通过所述VLR对所述用户进行 认证；如果未找到匹配的用户假名，则所述HLR在数据库的IMSAl栏目中搜寻从所述用 户传来的IMSAO数据，如果未找到匹配的用户假名，则所述HLR报告用户认证失败；如果找 到匹配的用户假名，则所述HLR执行下列步骤a)为所述用户产生新的用户假名IMSA0，并将该IMSAO数据写入数据库的所述用户所对应的IMSAO栏目内；b)根据所述新产生的IMSAO产生用户认证向量，并通过所述VLR对所述用户进行 认证。进一步的，所述用户假名IMSAO栏目、用户确认假名IMSAl栏目只存储所述用户假 名字段部分。本发明的方法流程如图1所示，下面我们分别就用户初次入网和用户再次入网的 过程进行说明。用户初次入网(见图2(a))当用户初装SIM卡(或USIM卡)开机后，必须使用IMSI进行认证，这与标准的移 动网络认证是一样的。按照标准的移动通信协议，该IMSI信息首先由用户传给当地的VLR， 该VLR检查自己的记录是否有此信息，显然没有，于是根据IMSI的数据格式找到其归属的 HLR，并将该IMSI传给HLR。当HLR收到IMSI数据后，可以对用户进行认证，首先检查用户 是否有权利享受某些业务(语音、短信、数据等)。如果检查通过，则需要产生一系列认证向 量，即三元组(GSM系统)或五元组(3G系统)并传给发送IMSI数据的VLR。本发明要求HLR在产生三元组或五元组之前，建立一个关于用户身份的数据库 (每个用户占数据库中的一条记录)，数据库包括三个栏目移动用户标识码IMSI栏目，移 动用户假名IMSAO (International Mobile Subscriber Alias)栏目，和移动用户确认假名 IMSAl栏目。因为每个HLR对其所管辖的用户标识码IMSI都有记录，因此上述数据库可以 通过在记录用户标识码的数据库中增加栏目(用户记录用户的假名IMSAO和IMSAl信息) 来实现，也可以建立一个新的数据库。用户标识码IMSI记录的是合法用户的IMSI信息，用 户假名IMSAO的产生方法如下保持IMSI前η位数字(通常情况下η = 11，但对某些HLR， 可以用更少的位数唯一确定该HLR，在此情况下η可以小于11)不变，随机产生m位16进 制数X1X2. . .Xm(称为用户假名字段)来替换原IMSI中的用户标识字段的数据，要求满足条 件(i)m+n = 15 ； (2)X1X2. · · Xffl与所有合法的用户标识字段不同；(3)X1X2. · · Xffl与数据库的 IMSAO栏和IMSAl栏的所有记录中相应部分的数据不重复。IMSAl栏目在用户数据库记录 建立之初暂时空缺(或置零)。注意在具体实施时，数据库的IMSAO栏目和IMSAl栏目不需 要记录用户假名的全部信息，只需要记录用户假名字段信息。当HLR产生IMSAO后，将该数据添加到数据库IMSAO栏中对应用户IMSI的条目， 并在随后产生的多个认证向量三元组(或五元组)中，将IMSAO的用户假名字段嵌入到第 一组认证向量的RAND中，比如将该RAND的前4m比特设置为用户假名字段，即IMSAO的最 后m位16进制数，但具体实施过程中可以是任何一种容易实施的潜入方法，而不构成对本 发明的限制。当VLR收到这些三元组(或五元组)时，将第一组中的RAND传给用户；用户 收到RAND后(在3G系统中也包括Auth，但不影响本发明的实施)，根据用户假名字段嵌入 规则，从RAND中提取用户假名字段，并结合IMSI信息可以构建IMSA0，如截取IMSI的前η 位，然后连接RAND的前4m比特作为新建的IMSA0，并将该IMSAO存储起来用于之后的认证。 同时，用户按照标准移动通信协议回复RES应答认证请求，访问域VLR在检查RES的正确性 后，按照标准移动通信协议产生一个用户临时身份TMSI并传给用户。在此过程中，VLR不 需要区分用户假名和用户标识码。用户在重构IMSAO信息后进行存储以备下次认证使用。该信息可存储在移动终端的任何方便存储和使用的单元。但在实际执行中可能会出现下述意外情况VLR没有把含 有IMSAO中用户假名字段的RAND传给用户，而是把另外一个不包含用户假名字段的RAND 传给了用户，其结果是让用户重构了一个错误的假名IMSA0，因此会在下次需要假名认证时 发生永久性错误(除非重新开启IMSI认证过程)。造成这种意外的原因可能是因为VLR 在收到认证向量时，含有IMSAO中用户假名字段的RAND没有排在第一个，或者VLR在选择 RAND时没按照次序选取。这就需要用户对RAND是否含有IMSAO的用户假名字段进行判 断。但仅仅从用户假名字段的数据格式进行判断的话，会有很大概率发生错误，因此本发明 的技术方法是，在将用户假名字段嵌入到一个RAND之前，先将这部分数据重复多次，然后 将其嵌入到一个RAND中。在后面的实施例中描述了如何将用户假名字段重复多次后嵌入 到一个RAND中的过程。在这种处理下，用户在收到一个RAND时首先检查有无可能包含用 户假名字段信息，比如检查前4m比特与接下来的4m比特是否完全相同(IMSA0后m位重复 2次的情况)，或进一步检查是否与再接下来的4m比特还是完全相同(IMSA0后m位重复3 次的情况)，这样可以几乎正确地重构IMSAO信息。为了避免用户在收到含有IMSAO中用 户假名字段信息的RAND之前已经多次收到其它随机产生的RAND的情况，甚至用户需要使 用IMSAO进行下一次认证时仍未收到嵌入用户假名字段的RAND的情况发生，可以将用户假 名字段(或其多次重复)嵌入到多个认证向量的RAND或所有RAND中，而在用户端，一旦成 功重构并记录IMSAO信息，在下次被要求使用IMSAO认证之前不再对IMSAO进行更新，即使 收到的RAND中含有用户假名字段信息(此时应该与用户已经记录的IMSAO的部分信息相 同)。用户再次入网(见图2(b))当移动用户因为服务区VLR对其TMSI的认证失败而要求提供IMSI进行认证时， 用户向VLR提供自己记录的IMSAO信息。因为IMSAO在数据结构上与标准IMSI没本质区别 (都是15位数)，VLR在无系统更新的情况下，把IMSAO当作某个IMSI进行处理首先检查 自己的记录中是否有此IMSAO信息，如果有，则按照正常IMSI对待；如果没有，则将IMSAO 传给相应的HLR。注意IMSAO的前η位数字提供归属HLR的路径信息，因此无论VLR服务几 个HLR，都能将IMSAO传送到正确的HLR。当HLR收到IMSAO后，检测其数据库中的IMSAO栏 目是否有该IMSAO信息(或其对应的用户假名字段)。如果有，则将该IMSAO信息移动到数 据库的IMSAl栏目(表示该假名已经得到用户确认)。如果用户数据记录中的IMSAl栏目 有数据，则更新该数据。HLR然后以同样方式产生一个新的IMSAOJfK IMSAO信息添加到 用户数据库的IMSAO栏目，并产生类似于初次入网时的认证向量，将该IMSAO中的用户假名 字段嵌入到认证向量的某些RAND中。接下来的认证过程与用户初次入网时相同；如果HLR 在其IMSAO栏目中没找到用户IMSAO信息，而在IMSAl栏目中有用户IMSAO信息(说明上 次用户需要更新IMSAO时操作失败)，则按照同样规则产生一个新的IMSAOJfM IMSAO信 息添加到用户数据库记录中的IMSAO栏目，并产生类似于初次入网时的认证向量，接下来 的认证过程与用户初次入网时相同；如果HLR在其数据库的IMSAO栏目和IMSAl栏目都未 找到用户提供的IMSAO信息，则报告用户认证失败。在使用IMSI进行认证时也偶尔出现认 证失败的情况，原因可以是多种多样的，遇到这种情况时，用户只需要等一段时间后再次申 请认证即可。当用户接收到VLR通过RAND传来的新的IMSAO的用户假名字段后，根据自己的
9IMSI信息可以重构完整的IMSA0，更新自己的IMSAO记录，接下来的认证过程与现有的认证 过程相同。可靠性分析网络通信中可能因为多种原因使期望的通信中断，从而导致认证协议非正常中 断。假如在初次认证过程中用户传给HLR的原始IMSI传输失败，则用户会继续被要求提供 IMSI信息，而此时用户也只有IMSI信息可以提供，直至认证成功。在这种情况下，在同一时 段同一地点多次传送IMSI并不比传送一次IMSI泄露更多用户隐私信息。当用户使用IMSI认证成功后，如果HLR通过VLR传给用户的用户假名字段(即嵌 入到RAND中的部分数据)丢失，则用户不能重构IMSA0，因此当使用该VLR分发的TMSI进 行之后的认证失败后，只能使用IMSI重新进行认证。在这种情况下，用户IMSI被使用两次。 但是，只要网络可靠，在认证过程中VLR传给用户的RAND丢失的可能性很小，因此多数情况 下用户能收到嵌入用户假名字段的RAND。另一种实现途径是，让用户在发送认证应答RES 之前首先根据数据格式检查RAND中是否嵌入用户假名，如果判断是，则重构并记录IMSAO 信息并进行正常认证应答，否则下次还需要重复IMSI认证过程。这样，使用IMSI认证一旦 成功，之后的认证就无须再使用IMSI信息。在用户得到IMSAO信息后，当用户被要求提供IMSI进行认证时(即使用TMSI的 认证失败)，用户提供自己记录的IMSAO信息。如果该IMSAO信息在给HLR的传输过程中 失败，则认证失败，用户会继续被要求提供IMSI进行认证，用户同样只需继续提供该IMSAO 信息，直至认证成功。在网络可靠的情况下，因为IMSAO是HLR产生的，因此HLR能够找到 IMSAO对应的用户从而可以进行正常的认证过程。当用户使用IMSAO进行认证成功后，HLR为用该户产生一个新的IMSA0。但这个新 的IMSAO可能因不可预测的原因未能成功传给用户(可能性很小)，因此用户未能更新自己 记录的IMSAO信息，因此在下次到HLR认证时，用户仍然提供未经更新的IMSAO信息。注意 此时用户未经更新的IMSAO信息已经被放在HLR数据库的IMSAl栏目中，因此仍然可以成 功完成认证。如果用户在获得IMSAO后意外将该数据丢失(如手机硬件故障)，或因错误判断而 使自己的IMSAO信息与网络端失去同步(以很小概率发生)，则用户只需要提供IMSI信息 进行认证，该过程完全等同于用户初次入网时的认证，但需要用户确认后才能执行这一过 程，因为这一过程将降低用户IMSI的隐私性保护力度。因此，无论在认证过程中发生什么意外，总能使合法用户的认证成功，而且一旦用 户获得并记录IMSAO信息，在之后的认证中，几乎再也不需要使用IMSI进行认证。安全性分析正常情况下用户IMSI只在初次入网时用到，之后只需要使用用户假名IMSAO进行 认证，再也不需要提供IMSI信息，而且每次认证成功后，用户IMSAO信息都将被更新。考虑在一般情况下IMSAO只有m = 4位动态变化的情况(其余η = 11位为固定的 HLR路由信息)，表示为二进制数时共有16比特，因此共有65536种情况。注意使用4位用 户标识字段的HLR只能有不超过10000个用户，因此最多有10000个IMSI。除去表示IMSI 的数据，表示4位数字的16比特还可以表示55536种情况，这些情况当看作4位数时，至少 一位为非十进制数，即至少有一位(4比特数字)大于9，适合作IMSAO用。在HLR的数据库
10中，每个用户至多有2个IMSA数据，因此数据库中总共有不超过20000个数据。当为一个 用户更新一个IMSAO数据时，要求与数据库中的数据无重复，因此只能从剩余的35536种可 能数组中选取。使用随机算法产生时，随机产生的一个16比特随机数可以为一个用户的新 IMSAO (即与其他数据无冲突)的概率为35536/65536 = 0. 54，因此在最多用户规模的情况 下，平均小于两次尝试即可得到一个合法IMSAO更新数据。如果用户假名字段可以为m = 6位(对一些大的HLR这是可能的)，表示为二进制 数有24比特，因此共有16777216种情况，而用于表示标准IMSI的数共有1000000个。假 定每个标准IMSI对应两个假名存储在数据库中，则需要对某一假名进行更新时，随机产生 一个24比特的数，与数据库中的IMSI和所有假名都不重复的概率为1-2000000/16777216 =0. 88.当攻击者截获到一个IMSAO后，根据IMSAO随机产生的原则，该IMSAO对应到任何 一个IMSI的概率相同，因此攻击者根据截获的IMSAO信息，除了得到该用户归属域HLR的 信息外，得不到关于用户IMSI的其他任何信息。系统更新需求一个新功能的添加一定需要对系统进行更新，但从成本因素考虑，更新成本越小 越好。在移动通信系统中，VLR的数量远远多于HLR的数量，因此最好保持VLR的配置不变 或变化不明显(如少量设置更新)。本发明需要的基本更新如下对HLR，需要建立一个用户数据库，记录用户IMSI以 及对应的IMSAO和IMSAl数据。当前的系统已经有一个记录IMSI及相关信息(如账户资 金，服务设置等)的数据库，因此新增数据库只需要在已有数据库中增加两个栏目，用于记 录IMSAO和IMSAl数据。而在产生用户认证向量时，需要对第一个RAND (或多个RAND，或全 部RAND)的产生过程进行更新，比如让RAND的前4km比特(或后4km比特)为所产生IMSAO 中的用户假名字段(即IMSAO的最后m位用户假名字段)重复k次，其中m为用户假名字 段的位数，k为一正整数，该RAND的剩余位为随机产生的字符串。在用户端，需要增加的功能包括根据RAND数据结构判断其是否包含用户假名字 段的重复；根据RAND和IMSI重构IMSAO信息；记录(或更新)IMSAO信息。除此之外，不需 要任何更新。用户端在收到一个网络端发送的用于认证的挑战信息RAND时，特别是用户提供 IMSI或IMSAO进行认证之后，需要判断收到的RAND是否包含用户假名字段，避免错误地更 新自己的IMSAO信息。为达到这一目的，在HLR产生RAND时，可以让新产生的IMSAO的用 户假名字段在该RAND中重复多次。用户可以检查这种重复现象是否发生，从而决定是否更 新自己的IMSA0。如果一个RAND是随机产生的，则在固定位置有重复的概率很小，比如有 16比特重复的概率是1/2" {16} = 0. 000015,即平均7万次认证有一次错误判断发生，而当 用户假名字段为4位并在RAND中重复3次时，一个随机产生的RAND与之在相应位置上有 32比特重复的概率是1/2" {32} = 0. 000000000233,即平均40多亿次认证有一次错误判断 发生。当用户端发生对IMSAO的错误更新时，其造成的影响是用户使用IMSAO的认证失败， 但可以在IMSAO几次失败后强行使用IMSI进行认证。适当的策略可以有效避免包括敌手 假冒网络在内的IMSI诱导捕获攻击。对当前用户的完美兼容性
对一个系统而言，功能更新的最大障碍是兼容性问题，因为现有用户不可能同时 更新到新的功能，而现存用户的服务仍需要正常提供。本发明的特点是具有极好的兼容性。对使用新功能的用户，上述描述给出了如何 最大程度地避免使用IMSI。而对于现有用户，完全可以继续使用IMSI进行认证，不管在网 络端发送的挑战信息RAND中是否包含可能的用户假名字段，旧用户可以完全忽略，仅当作 一个普通的RAND进行处理，而不影响认证过程和认证的有效性。注意IMSI在传输中使用 15位16进制数(即15*4 = 60比特)，尽管IMSI要求每位数字为0至9之间。因此，IMSAO 的数据格式从网路传输方面与IMSI没有区别，只是到HLR后才可以根据是否全为合法用户 标识码而进行识别区分，如检查IMSAO的后m位是否全为十进制数格式。本发明对其他数据格式和协议步骤没有任何改变，这是保证兼容性的根本。与现有技术相比，本发明的积极效果如下1)现有技术对当前协议的修改较大，而本发明对现有技术的修改很小，特别对认 证协议(即AKA)全过程，无论从数据格式上还是协议流程上都没有任何修改，因此对访问 域VLR无需做任何改动，这是其它现有技术所不具有的特点；2)本发明分析了因各种故障可能造成的通信异常情况下，本发明的方法保证认证 的正常进行和对IMSI的保护不降低，而许多其他现有技术都缺少这方面的分析，因此其他 现有技术是否能抵抗这些故障的影响还是个未知数；3)本发明对现有用户具有完美的兼容性，该特点来源于对通信数据和认证协议流 程的无修改。而其他现有技术虽然也具有一定兼容性，但因为对数据或通信协议的修改，通 常这种兼容性是通过新旧两个模块进行处理的，首先需要区分现有用户还是升级用户，然 后根据用户类别分别进行不同的通信流程，在效率和代价方便都远劣于本发明；4)本发明对可靠性(即异常情况的影响)、安全性(即产生合法IMSAO的代价和 误判IMSAO数据的概率)等进行了详细技术分析，并对系统更新需求作了明确说明，较许多 现有技术相比，都突出了本发明的实用性。本发明的实施例更详细地描述了如何实施本发 明的方法。


图1本发明的方法流程图；图2为使用假名保护IMSI的认证协议流程图，其中图2(a)为用户初次入网认证过程，图2(b)为用户再次入网认证过程；图3为假名IMSAO的数据格式与IMSI数据格式之间的关系；其中MCC占3个字节，MNC占2个字节，MtlM1M2M3占4个字节，ABCD和X1X2X3X4分别占4 个字节。
具体实施例方式为了更好地说明本发明的工作原理，下面给出一个具体实施例。假设一个移动用 户的IMSI号码为460010911221001，则根据该IMSI号码的前3位，可以确定是哪个国家的 用户，跟据约定，460表示中国，因此漫游到世界任何地方，见到该IMSI号码后，寻找HLR的 路由首先根据前三位数字460转到中国的一个接口。然后根据接下来的2位数字01确定运营商，接下来的两位数字09是固定的，接下来的4为数字1122表示在01所表示的运营 商内的HLR标识，最后的4位数1001表示在该HLR内部的标识字段为1001的用户。该实 施例考虑的是用户假名字段只有4位(即16比特)的情况。当需要根据该IMSI产生IMSAO时，IMSI的前11位数字保持不变，只产生新的最 后4位数字作为用户假名字段。为了使用户假名字段与合法的用户标识字段有区别，一种 容易实现且不受合法用户个数限制的方法是，让用户假名字段中至少有一位数字大于9。为 方便描述，我们用16进制表示新产生的数字。根据前面的描述，2010显然不是满足条件的 IMSAO用户假名字段，因为所有位的数字都在0-9之间，而201A就满足条件，BAlD也满足条 件。当然在具体产生假名IMSAO时，需要检查HLR数据库中是否已经使用了对应的假名字 段。假设201A是某个IMSI的对应假名字段，因此当需要为另一个IMSI产生假名字段时， 就不能使用201A，尽管在格式上满足用户假名字段的形式。当BAlD作为对应IMSI的一个 新的用户假名字段被产生后，该假名字段被HLR嵌入到认证向量组的第一组(或某些组，或 所有组)的挑战信息 RAND 中，例如 RAND = BA1DBA1DBA1D********************，其中 * 表 示任意4比特长随机字符串。当用户收到该RAND后，检查前4位是否满足IMSAO的数据格 式，上述的RAND前4位显然满足，但仅此检查仍不能保证该4位提供的是一个IMSAO的部分 信息，可能刚好是一个随机产生的数，因此需要检查接下来的4位数是否与前4为数相同， 甚至再接下来的4位数字是否与前4位仍然相同，如果相同，则认为该RAND的前4位所传 递的是一个用户假名字段信息，用户从自己的IMSI中截取前11位数字，结合该4位数，构 成完整的用户假名信息IMSAO = 46001091122BA1D，并记录该假名。但即使RAND的前4位 与接下来的4位相同，甚至再接下来的4位也仍然相同，也可能该RAND是随机产生的，只是 刚好满足此性质，这样用户更新IMSAO就是一种错误。但正如前面分析的，在IMSAO的后4 位重复2次的情况下，发生这种错误的概率为0. 000015，而在IMSAO的后4位重复3次的情 况下，发送这种错误的概率为0. 000000000233,因此在实际中不构成对IMSI泄露的威胁。 事实上，该错误发送的概率还可以降低，比如令RAND = BA1DBA1DBA1DBA1D************** **，即假名IMSAO的后4位部分在RAND中重复4次，则随机产生一个RAND刚好满足该格式 的概率为1//2" {48} = 0. 00000000000000355,即约为280亿亿分之一，因此完全可以忽略， 而剩余16位(64比特)随机数足可以保证该RAND的随机性。当用户需要提供IMSI进行认证时，用户提供IMSAO信息，其对网络来说在格式上 与IMSI没有区别，网络可以顺利找到其对应的国家、运营商及其HLR。当该IMSAO信息被传 送到归属HLR时，该HLR从最后4位上可以判断它是一个IMSI信息还是一个IMSAO信息， 从而可以在其数据库中查找，并按照本发明所描述的步骤进行认证和对假名的更新。
权利要求
一种基于假名的移动用户标识码IMSI保护方法，其步骤包括A)在用户初次入网阶段A1)用户发送用户标识码IMSI给网络归属域HLR进行认证，所述HLR在完成认证后为所述用户生成假名IMSA0，并将其记录到所述HLR的数据库中；A2)所述HLR根据用户假名IMSA0产生认证向量并通过所述VLR对所述用户进行认证；A3)所述HLR将所述用户假名IMSA0中的用户假名字段通过网络访问域VLR发送给所述用户；A4)所述用户接收到所述用户假名字段后，重构并记录该用户假名IMSA0；B)在用户再次入网阶段B1)用户将自己所存储的最新用户假名IMSA0信息发送给所述网络归属域HLR进行认证，所述网络归属域检查数据库中是否存在该用户假名IMSA0，如果不存在，则所述HLR报告用户认证失败；否则，所述HLR产生一个新的用户假名，并更新数据库中该用户的原假名；B2)所述HLR根据新产生的用户假名IMSA0产生认证向量并通过网络访问域VLR对所述用户进行认证；B3)所述HLR将新生成的用户假名IMSA0中的用户假名字段通过所述VLR发送给所述用户；B4)所述用户在接收到所述用户假名字段后，重构该用户假名IMSA0后，替换原存储的用户假名。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述HLR利用用户假名字段替换该用户标识 码IMSI中的用户标识字段，生成该用户的假名IMSAO ；所述用户假名字段是不合法的用户 标识字段。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于采用随机数生成方法生成所述用户假名字段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述用户假名字段为一m位16进制数 X1X2. · · Xm，其中X1, X2, ...，Xm中至少有一位不是0-9之间的数字。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述HLR将所述用户假名IMSAO发送给所述 用户的方法为所述HLR将所述IMSAO中的用户假名字段嵌入到一个认证向量的随机挑战 RAND中，并将所述认证向量通过网络访问域VLR发送给所述用户；所述用户收到所述VLR 传送的RAND后，检查所述RAND是否含有所述用户假名字段信息；如果有，则所述用户根据 自己的IMSI信息和所述RAND提供的所述用户假名字段重构用户假名IMSA0。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述网络归属域HLR将所述用户假名字段η 次重复地嵌入到一个认证向量的随机挑战RAND中，其中η是不小于1的自然数。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述网络归属域HLR将所述用户假名字段η 次重复地嵌入到多个认证向量的随机挑战RAND中，其中η是不小于1的自然数。
8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的方法，其特征在于所述数据库包 括用户标识码IMSI栏目、用户假名IMSAO栏目，还包括一用户确认假名IMSAl栏目，所述 IMSAl栏目用于存储最近一次用户确认过的用户假名。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在用户再次入网阶段，所述网络归属域HLR检查数据库中是否存在该用户假名IMSA0，并更新所述数据库的方法为所述HLR在数据库 的IMSAO栏目中搜寻从所述用户传来的IMSAO数据，如果找到匹配的用户假名，则所述HLR执行下列步骤a)将匹配的IMSAO数据移到所述数据库的对应同一IMSI的IMSAl栏目，替换所述 IMSAl栏目中相应位置已存在的数据；b)为所述用户产生新的IMSAO数据，并将该IMSAO数据写入数据库的所述用户所对应 的IMSAO栏目内；c)根据所述新产生的IMSAO产生用户认证向量，并通过所述VLR对所述用户进行认证；如果未找到匹配的用户假名，则所述HLR在数据库的IMSAl栏目中搜寻从所述用户传 来的IMSAO数据，如果未找到匹配的用户假名，则所述HLR报告用户认证失败；如果找到匹 配的用户假名，则所述HLR执行下列步骤a)为所述用户产生新的用户假名IMSA0，并将该IMSAO数据写入数据库的所述用户所 对应的IMSAO栏目内；b)根据所述新产生的IMSAO产生用户认证向量，并通过所述VLR对所述用户进行认证。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述用户假名IMSAO栏目、用户确认假名IMSAl栏目只存储所述用户假名字段部分。
全文摘要
本发明公开了一种基于假名的IMSI保护方法，属于通信安全领域。本方法为用户初次入网阶段，用户发送IMSI给HLR进行认证，认证后为用户生成假名并记录到数据库中；然后HLR根据用户假名产生认证向量并通过VLR对用户进行认证；最后HLR将用户假名中的用户假名字段发送给用户，用户重构并记录该用户假名；用户再次入网阶段，用户将用户假名发送给HLR进行认证，如果库中没有该用户假名则报告认证失败，否则HLR产生一个新用户假名并更新数据库；然后类似于初次入网时，对用户进行认证；最后HLR将新生成用户假名中的用户假名字段发送给用户，用户重构并记录该用户假名。本方法大大提高IMSI的安全性，且系统更新简便。
文档编号H04W8/26GK101959183SQ20101028935
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者武传坤 申请人:中国科学院软件研究所