本文選題：移動通信系統　切入點：機器類型通信　出處：《西安電子科技大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：第三代伙伴組織計劃（3GPP）于2004年底啟動了長期演進（LTE）和系統架構演進（SAE）兩大計劃的標準化工作，標志著移動通信技術已經向第四代通信系統（4G）發展。為了確保移動用戶任何時間、任何地點能夠安全的接入到3GPP核心網中，3GPP相繼提出了一系列的認證和密鑰協商協議（AKA），如GSM-AKA，UMTS-AKA以及最新的EPS-AKA。 然而，現有的3GPP認證和密鑰協商協議存在以下幾個問題。在安全性方面，首先，3GPP AKA不能抵抗一些專業的攻擊，，如重定向攻擊（redirection attack）、中間人攻擊（man-in-the-middle attack）以及拒絕服務攻擊（DoS attack）等。由于3GPPAKA協議固有的缺陷，因此不能提供密鑰的前向/后向安全性（KFS/KBS）。此外，移動通信系統中的隱私保護問題也沒有得到很好的解決。在性能方面，現有的3GPPAKA不能有效地支持基于群組的通信場景，如機器類型的通信（M2M或MTC），因此會導致認證的通信和計算開銷過大。特別地，當一組設備同時接入到網絡當中時，還會造成網絡當中的認證信令擁塞。 為了解決以上問題，本文研究了移動通信系統中的安全和隱私保護問題，取得以下主要成果： (1)針對3GPP推動的一種新型的數據通信技術，即機器類型通信（MTC），我們首先提出一種基于群組的接入認證和密鑰協商協議MTC-AKA。和已有的3GPP認證和密鑰協商協議相比，MTC-AKA協議可以有效地減少認證開銷。具體來說，當一組機器類型的通信設備接入3GPP核心網時，第一個接入網絡的設備先進行一次完整的認證流程。當完成此次認證時，整個群組獲得群認證數據，這些數據將被保存在訪問地的MME中。當群組中剩下的設備想要接入到3GPP核心網時，只需要執行一個本地的認證流程，而不需要再和家鄉域的HSS通信，從而大大降低了通信開銷。我們通過AVISPA分析了該協議的安全性，并在性能方面和現有的協議進行了比較。分析結果表明MTC-AKA協議在帶寬消耗，認證信令開銷，通信開銷以及計算和存儲開銷方面都優于已有協議，能夠有效地支持基于群組的機器類型通信場景。 (2)在MTC-AKA協議的基礎上，為了增強安全性和提供更好的隱私保護，我們提出一個安全有效的認證和密鑰協商協議SE-AKA，SE-AKA適用于LTE網絡中的群組通信場景。具體來說，SE-AKA使用ECDH來實現密鑰的前向/后向安全性，同時采用公鑰密碼系統保護用戶隱私。和已有的移動通信系統中的認證和密鑰協商協議相比，SE-AKA不僅能夠提供更強的安全性和隱私保護，同時能夠支持群組認證。我們使用協議分析工具ProVerif對SE-AKA的安全性進行了分析，結果表明SE-AKA能夠抵御一系列針對LTE通信系統的攻擊。性能分析表明SE-AKA協議在通信開銷，計算開銷和存儲開銷方面都優于已有協議，能夠有效地支持LTE系統中基于群組的通信場景。 (3)為了實現漫游場景下安全有效的基于群組的機器類型通信接入認證，我們提出一種應用于3GPP-WiMAX網絡的安全有效的群組認證方案SEGR。和MTC-AKA以及SE-AKA協議相比，SEGR通過采用無證書聚合簽名技術，能夠同時認證一組機器類型通信設備，加快整個認證流程，同時避免網絡中的信令擁塞。安全分析結果表明SEGR可以抵抗一些列的攻擊。特別地，SEGR可以克服基于身份聚合簽名技術中的密鑰托管（key escrow）中存在的缺陷。此外，性能分析結果表明SEGR在認證通信開銷和計算開銷方面優于傳統的方案。 (4)盡管SEGR實現了同時認證一組機器類型通信設備，然而由于SEGR采用了公鑰密碼技術，它的計算開銷比較大，不適用于資源受限的機器類型通信設備。因此，我們基于聚合消息認證碼（AMAC）提出一種輕量級群組認證協議LGTH。LGTH不但能夠同時認證所有的群組設備，而且能夠有效地降低通信和計算開銷。 (5)由于現有的多種無線網絡構成了異構網絡，因此通用的認證協議的設計是一個重要目標。此外，在漫游場景下，由于用戶不愿意在外地網絡暴露自己的身份信息。因此用戶的隱私保護引起越來越多的研究者的興趣。然而，一般的隱私保護方案只能隱藏用戶的身份信息，不能提供更加靈活可控的隱私保護。因此，我們提出了一種漫游場景下的多級條件隱私保護認證協議CPAL。該方案基于一種新的群簽名技術，不但能夠提供匿名的用戶認證，還能提供可追蹤性，匿名的用戶數據可鏈接性以及有效的動態用戶撤銷功能。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：D922.16;D923

【共引文獻】

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本文編號：1649049