一種手機加密通話方案的設計

陳格

摘 要：隨著移動通信網絡的蓬勃發展，人們的需求越來越多樣化，同時手機泄密問題時有發生，給人們日常生活交流帶來了極大的安全隱患。如何保證通話安全也成了人們比較關心的問題，基于這一熱點話題，本文提出了一種新的手機加密方案。

關鍵詞：手機；加密通話；密碼卡

中圖分類號： TM73 文獻標識碼： D 文章編號： 1673-1069（2016）36-186-2

1 移動通信的發展史以及VoLTE的誕生

人類誕生之初，便有了通信的需求，通信實際上就是人與人之間實現相互溝通。從移動通信傳遞的信息上來看，從最初的語音、文字到音頻、圖像、郵件再到視頻業務、豐富多彩的互聯網，以及隨時隨地會產生大量信息的網絡媒體，對移動通信服務的要求也是日漸提高。第一代移動通信系統主要用來提供模擬語音業務。美國的摩托羅拉工程師馬丁庫珀于1976年率先將無線電應用于移動電話。同年國際無線電大會將800/900MHz頻段用于移動電話的頻率分配。中國的第一代模擬移動通信系統于1987年11月18日開始正式商用，用戶數最高曾達到了660萬；第二代移動通信系統主要是提供數字語音和低速數據業務。1990年，第一版GSM標準制定完成并發布。兩年后芬蘭運營商第一個將GSM系統正式投入商用，標志著GSM系統正式投入商用。第三代移動通信系統的目標是提供包括語音、數據、視頻等移動多媒體業務。隨著移動互聯網時代的來臨，以及競爭新技術WiMAX的出現，2004年提出了“3GPP需要馬上開始進行下一代演進技術的研究和標準化，以保證未來競爭力”的觀點，這種下一代移動通信系統被暫定為“長期演進”（Long Term Evolution），簡稱LTE。在LTE時代，隨著互聯網業務的高速發展，以SKYPE、微信電話本、360免費電話等為代表的OTT業務對傳統語音業務的沖擊，用戶對于傳統語音業務的需求仍然存在，為應對這一情況，VoLTE應運而生，不同于2G/3G時代的是，4G網絡不能直接承載語音通話業務，而是承載于LTE網絡之上。VoLTE是基于IMS的語音業務，通過引入高清語音以及視頻編解碼，語音通話質量大大提高，接續時長也優于傳統的電路域語音呼叫。通過與RCS業務的集成能帶來更多更為豐富的資源；通過與CSFB和SRVCC等技術的融合，無線頻譜利用率更高，網絡成本有所下降，實現了語音業務在LTE與2G/3G之間的平滑切換，保證了語音業務的連續性。

2 智能終端面臨的一系列安全問題

隨著智能移動終端的普及，移動終端惡意軟件也是層出不窮，移動終端惡意軟件是一種破壞性很強的程序，與計算機惡意軟件一樣具備傳染性和破壞性。2004年6月，一款名叫“Cabir”的惡意軟件出現在第一個智能移動手機終端，感染了Symbian S60平臺的移動終端，并通過藍牙對附件移動終端進行掃描，大規模的進行軟件復制。2007年“熊貓燒香”這個經過多次變異的蠕蟲病毒大規模的感染局域網內所有計算機系統，電腦中毒以后出現藍屏、重啟系統以及系統硬盤內數據被破壞，無數企業局域網癱瘓，手機終端的熊貓燒香惡意軟件，同樣給客戶帶來巨大危害。如今的惡意軟件更是五花八門，經濟類的危害如悄悄撥打電話、惡意訂購收費業務，群發消息等；設備類的危害如移動終端的頻繁死機，運行速度慢，各種按鍵功能失效，系統格式化等；隨著智能手機功能越來越完善，越來越多的人習慣將自己的個人通訊錄、本地文件、短信、上網信息、位置信息甚至網絡賬號、銀行卡密碼等一些重要信息存放于移動終端。這些重要信息必然會引起一些心懷不軌者“垂涎”，他們會編寫各種病毒軟件來侵入移動終端，竊取用戶重要資料。移動終端的惡意軟件大致上可以分為以下幾類。蠕蟲病毒，這是一種通過網絡來進行自我傳播的惡意軟件，最大的特點就是操作系統和應用程序之間所提供的功能和漏洞來進行主動攻擊。超強的隱蔽性和破壞性使它可以在短時間內通過藍牙或者彩信等手段在網絡上迅速蔓延，造成用戶財產損失和系統資源的浪費。木馬，作為當前數量增長最快的惡意軟件類型，它的主要特點是運行隱蔽、自動運行與恢復、自動打開網絡端口來進行數據傳輸。木馬一般是通過網絡下載來進行傳播的。該軟件已從當初的炫耀技術到現在販賣盜取個人信息和商業機密了；感染性病毒是將惡意軟件代碼植入其他應用程序或者數據文件中，破壞用戶數據，并且難以清除。

3 傳統的加密通話

移動終端從功能上分析，硬件系統通常以數字基帶處理芯片為核心，各種軟件在此運行，并協調控制系統的電源、接口、射頻等子系統工作的。從結構上可以分為AP和BP兩個部分，AP主要用于負責應用程序的執行。AP的操作系統如Windows Mobile、Android、 Symbian等。BP則負責終端側無線協議棧功能的執行，如Telephony Stack（電話協議棧），它提供以下三個功能：①與BP進行通信，建立通信的通道，下達指令，傳送和接受語音與數字信息。系統間的通信可以通過AT指令，也可以利用共享內存來實現數據交換。②給BP提供三大基本功能，即語音通話、數據通信和短信，以及SIM卡的管理。③提供標準調用接口（Telephony API，TAPI），通過該接口調用撥打電話、短信管理、SIM卡管理以及電話卡的管理。為確保用戶通話私密性，在BTS和MS之間交換信息時加入一個加密流程。當鑒權結束以后，MSC會發送一條加密命令給BSC，該條命令包括密鑰，接著BSC會向MS發出加密命令，MS收到命令以后進入加密模式，同時向系統反饋加密已完成。是對語音信號進行分析，提取出語音信號的特征參量加以編碼和加密，以取得和信道的匹配，經信息通道傳遞到接收端，再根據收到的特征參量恢復原始語音波形。整個加密通信業務的終端是在聲碼器與信道及射頻處理之間，邏輯上加入一個加（解）密模塊，集成在手機終端的加（解）密模塊內部集成了加解密算法，工作時同時處理加解密兩路碼流。

4 一種新的設計方案

近年來，隨著傳統的動態口令卡沒落，以U盾的身份認證方式為代表的硬件加密可謂發展迅猛，它內置了CPU、存儲器以及芯片的操作系統，支持對稱和非對稱加密算法，可以存儲用戶的密鑰、數字簽名等。利用U盾的內置證書以及密碼算法來實現對用戶身份的認證，確保用戶網上交易的保密性、真實性、完整性和不可否認性。U盾設計的出發點來自于系統是不可信的。整個密鑰完全在硬件中生成，并存儲在硬件中，整個的加解密算法完全在硬件中運行。本方案與U盾的加密相似，也是取代傳統的軟件加密，通過給每個終端配備獨立的密碼卡，每張密碼卡都有獲取到用戶的身份信息通過在AP側和BP側之間加入獨立密碼卡，來實現硬件通話加密。現有加密通話在AMR和信道編碼中加入一個密碼卡模塊，整個加密通信系統分為登錄界面、密碼卡管理系統、安全服務中心以及密碼卡組成。登錄界面主要負責密碼卡登錄時的狀態呈現、操作和管理。密碼卡管理系統主要負責安全服務中心的啟動，以及實時監控密碼卡狀態的變化，密鑰消息的處理等。安全服務中心管理相關進程。并確保API上層對密碼卡資源的合理利用，這個加密系統通過密碼接口庫與手機終端相連接。作為獨立存在的密碼卡，其密碼模塊內部集成了加密通信協議和加解密算法，通過API接口為上層通信業務提供密碼服務，Codec芯片負責在加密通話過程中根據控制指示啟動或關閉靜音檢測，并將上下行語音幀中的用戶語音凈荷部分取出送往終端電話應用進行加解密處理。

5 結論

傳統的加密方案是基于軟件的加密，可能會被攻擊，比如典型的修改軟件的二進制文件，從而使得其中的加密部分失效，進而阻止加密：如手機存儲上有任何的加密密鑰，攻擊則可能會發現密鑰值，另外軟件加密不可避免的一點是加密密鑰常駐內存，攻擊者可以輕易地從內存中讀取密鑰，造成加密失效。而現有的加密技術是基于硬件的加密，密碼卡是獨立存在的，它的優勢在于加密密鑰不必受到操作系統漏洞和軟件的影響，確保了保密鑰與由操作系統控制的內存分離開來。獨立的硬件加密也不會暴露給外部軟件漏洞。

參 考 文 獻

[1] 黃曉慶.移動互聯網之智能終端安全揭秘[M].電子工業出版社，2012.

[2] 李正茂，王曉云.TD-LTE技術與標準[M].人民郵電出版社，2013.