摘 要： 短消息业务（SMS）作为一项极具吸引力的增值业务，已经得到了越来越多用户 的认可。除了大量使用的手机与手机之间点对点短消息业务之外，从各种信息平台到手机的 短消息业务也在快速发展，并已经成为广大用户及时方便地获取信息的一种手段。 因此，在 第三代移动通信中，短消息业务对通信的安全性提出了更高的要求，他使用双向鉴权机制和 信令完整性保护措施。详细描述了WCDMA中短消息业务的协议结构和短消息的发送过程 ，最后还分析了他的安全机制，以此展现第三代移动通信的安全特性。
关键词：WCDMA；短消息移动终止；移动交换中心；短消息中心
在以GSM为代表的第二代数字移动通信中，短消息业务（Short Message Service，SMS）已 经不陌生了。第三代移动通信系统WCDMA中，短消息业务在以文本为主的基础上朝着 多媒体内容发展，除了现有的功能外，还增加了传送视频片段、图片等功能。因此，WCDMA 中非常重视保证业务信息的安全，他继承了GSM系统安全的优点，同时针对新业务的特性， 又定义了更加完善的安全特征与安全服务。
本文以WCDMA中短消息业务协议的分析为基础剖析了短消息业务的接入安全机制，以此展 现第三代移动通信安全的特性。
1协议分析
1.1短消息业务协议描述
3GPP协议中给出了具体到实体的短消息协议分层结构［1］。移动交换中心（MSC） /服务GPRS 支撑节点（SGSN）和移动台（MS）中的每个实体包含一定的协议层，以实现对等实体之间的 正常通信。两个短消息控制实体（SMC）之间的对等协议表示为短消息控制协议，两个短消 息中继实体（SMR）之间的对等协议表示为短消息中继协议。网络侧（MSC或SGSN）的协议 分层最高为中继层。
SMS系统利用短消 息中心在短消息实体和移动用户设备之间传送消息，而SMS承载业务是SM S 系统的一部分。承载业务由短消息传输层和短消息中继层提供。中继层按照地址转发消息， 他作为传输层和连接管理层的中介并为传输层提供服务。传输层是承载协议的最高层，管理 端到端的消息传送。在终止点的实体里，传输层提供介于SMS电信业务和SMS承载业务间的接 口，向上层提供服务。
短消息业务包含3个基本过程：移动终止短消息（Short Message Mobile Terminated，SM MT）、移动起始短消息(Short Message Mobile Originated，SMMO)和告警的传送［2 ］。
对于手机来说，移动终止短消息和移动起始短消息是完全独立的两个过程。下面以移动终 止短消息为例详细分析他们的消息发送流程和接入安全问题。
1.2短消息的基本流程
1.2.1移动终止短消息的基本流程
当SMSC要向被叫移动台发送短消息时，先要建立一条包含各种有利于接收者的消息(SMS DELIVER)，SMSDELIVER消息将在各种接口上传送。SMSC把这条消息传给 与 之相连的网关（SMSGMSC），网关根据被叫用户的号码向相关的HLR查询。HLR将查 询结果送给网关，网关利用 上述地址消息向用户拜访的VLR传递消息，再由MSC或SGSN建立必要的信令连接后将短消息传 递给MS。选择SGSN还是MSC由HLR根据网络和MS的特性决定。具体的信令交互过程如图1所示 。
操作1：SMSC到SMSGMSC的信息传输
这个操作由2部分组成：从SMSC传送一条包含TPDU的消息到SMSGMSC（见图 1(a)）和返回一个“失败报告”［2］或“交付报告”（见图1(b)）。
如果SMSGMSC已经收到来自其他实体关于SMMT过程失败的指示，将返回SMSC 一个 “失败报 告”。错误报告可能产生于MSC，SGSN，HLR，VLR或MS，他们均可被SMSGMSC接收， 继而传向SMSC。
操作2：发送SM的路径请求
此操作是SMSGMSC为了得到传送短消息的必要信息而向HLR发出的询问。HLR将被 叫用户的最新消息、IMSI号码、登记MSC/VLR地址、是否开机、是否转呼等返回给GMSC。
操作3：SM交付报告状态
此操作提供了SMSGMSC请求HLR在消息等待数据MWD中增加一个SMSC地址的方法。 他包含从S MSGMSC传送消息到HLR的过程，消息的内容为目标移动台的号码、SMSC的地址、成 功的结果 并且/或者更新MWD的原因（用户不可达，MS内存能力超出或者两者都有）（见图1中的3）。 这个操作可能被激活，当从MSC或/和SGSN收到一个用户不存在的指示，并且/或者SMSGMSC 通过MSC或SGSN接收到一个短消息传送失败报告，而失败的原因是“MS内存能力超出”时。
操作4：SM前向传输
SMSGMSC传送一条短消息到MS当前归属的SGSN或MSC。这个操作之后是从MSC或SGS N传送短 消息到MS。因此，此操作的结果要么成功（例如：消息已经交付到MS），要么失败（例如： 从SMSGMSC传送到MSC或SGSN时失败、MS被分离或者没有寻呼响应 ）。
操作5：为MT SMS发送信息
MSC为移动终止短消息的传送从VLR获得的用户信息，这个过程包括寻呼、鉴权的过程。
操作6： MSC到MS的信息传输
如果传送失败（例如，在成功的鉴权之后MS不在无线覆盖区内），失败报告将返回给SMS GMSC。
1.2.2移动起始短消息的基本流程
主叫用户接入MSC/VLR，MSC/VLR对手机进行鉴权加密，以验证手机用户是否是合法用 户。
主叫用户编辑好短消息，键入被叫移动用户号码，按发送键，将主被叫号码、文本、 短消息中心号码及请求的消息代码一起通过无线信道发送给登记的MSC/VLR。
MSC/VLR接收到主叫用户的申请，根据SMSC号码寻到SMSC，将被叫号码、文本及消息代 码发送给SMSC。
SMSC接收后，给MSC/VLR发送确认信号；MSC/VLR将成功消息返给主叫用户。
短消息的安全与否与鉴权的成功有很大关系，如果接收短消息的一方是非法用户或者入侵 者恶意伪装网络，使得鉴权过程失败，那么网络将拒绝发送短消息的内容。这是WCDMA中使 用的双向鉴权过程带来安全性的提高，是第三代移动通信的一项重要改进。
2短消息安全机制分析
从以上的协议分析可知，短消息中心在向目标移动台发送短消息内容之前连接着一个鉴权 的过程。这是在WCDMA中为监测和防治盗打、盗用等各种非法使用移动通信资源和业务的现 象，保证网络安全和保障电信运营者的正当权益而采用的方法。
鉴权过程保证了网络和用户的合法性，还需要一项机制保证传送的信令消息不被篡改。因 为短消息业务需要在移动台和网络之间传送大量的控制信令消息，这些消息大多数都是敏感 的，必须进行完整性保护。完整性保护应用于无线资源控制（RRC）层，这使得接收实体将 能够确认发送的信令数据未被非授权的篡改，而且确保收到的信令数据源为授权的。
这样就提高了WCDMA中短消息业务的安全性，避免了GSM中由于安全机制不完善造成的对用 户安全的威胁。
首先，WCDMA采用的鉴权机制可以实现网络和用户之间的双向鉴权，这是通过在网络与用 户双方共享密钥实现的，即密钥仅在用户和鉴权中心有效。具体过程如图2所示［3 ］。
VLR/SGSN向HLR发起鉴权数据请求，HLR中的鉴权中心即发送n阶矩阵的鉴权矢量AV给VLR/SGSN。鉴权矢量基于序列号排序并由随机数 RAND，期待响应XRES，加密 密钥CK，完整性密钥IK和鉴权令牌AUTN组成。每个鉴权矢量仅承担用户与网络之间的一次鉴 权和密钥协商。当VLR/SGSN初始化密钥协商过程时，他从n阶矩阵中按序选择下一个鉴 权矢量并发送其中的参数RAND和AUTN给用户，用户将检查AUTN是否可以接受（用户对网络 鉴权）。若可以接受，MS发送响应RES给VLR/SGSN。VLR/SGSN将收到的RES和XRES比较（网 络对用户鉴权）。若他们匹配，则VLR/SGSN认为鉴权过程成功。
其次，所有短消息信令消息都受完整性保护。信令的完整性保护由 RRC层应用实现［4 ］。在R RC连接建立之后并且执行了安全模式控制过程，所有移动台和网络之间的控制信令消息（ 如：RRC消息、移动性管理（MM）消息）都将受到完整性保护。安全模式控制过程是由网络 侧向移动台发送一条“安全模式命令”消息激活的，该消息指示完整性保护所用的算法，同 时携带期望消息的消息鉴权码MACI以及算法中用到的参数，移动台接收后随即用指 定的算 法对消息进行完整性校验，校验正确后向网络发送“安全模式完成”消息。完全模式控制过 程结束，对后续消息应用该过程协商的完整性保护配置进行保护。
一个信令消息的完整性是由f9算法来验证的［3］。该算法的输入参数是完整性密 钥IK，完整 性序列号COUNTI，网络侧产生的随机数FRESH，方向比特DIRECTION和信令数据MESS AGE。基 于这些参数发送端可以计算出用于完整性保护的消息鉴权码MACI。然后将消息鉴权 码附着 在信令消息上。接收端应用相同的过程计算出XMACI，与收到消息附着的MACI比较来确认完整性。
WCDMA中的完整性密钥为128 b，其破解几乎是不可能的。
3结语
与GSM相比，WCDMA中短消息业务的安全机制无论从密钥的长度上、鉴别的机制上和信 令保密的完整性，其安全性能远远优于GSM。在GSM中使用单向身份认证，即只有网络认证用 户，用户不认证网络，无法防止伪造基站和HLR的攻击；另外在GSM中没有数据完整性的认证 ，这给GSM用户的安全带来了许多潜在的威胁。WCDMA营造了很好的安全环境，他弥补了GSM 系统的安全缺陷，为UMTS用户带来内容更丰富的短消息服务。
