CN1617555A - 一种sim卡防克隆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SIM卡防克隆的方法。包括以下步骤：a.基于A3/A8算法，计算出第二轮置换产生碰撞的鉴权密钥Ki的特征值；b.将该特征值字节因子存储在SIM卡内；c.在SIM卡内建立克隆计数器；d.当SIM卡执行鉴权指令时，判断输入的随机数是否包含步骤a产生的鉴权密钥Ki的特征值因子，若是，则进入步骤e，若否则鉴权成功；e.执行屏蔽操作。通过本发明防克隆方法的使用，可以使得现有技术中，GSM网络鉴权中心AUC不进行任何改变和升级的条件下，实现SIM卡的防克隆。

Description

一种SIM卡防克隆方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种SIM卡防克隆的方法。

技术背景

SUPER SIM、SIM SCAN等“SIM卡克隆软件”近期在市场上已被公开叫卖或下载，目前从上海市面上仅280元/1套即可购买“一卡十六号”的魔术卡SUPER SIM克隆工具。每一个使用GSM手机的用户，其SIM卡均面临着被克隆而影响到自身利益的威胁。此种克隆工具虽未被正式确定为非法工具，但电信运营商和智能卡商已经意识到，SIM卡作为GSM网络唯一身份识别的认证体系的安全性已公然受到挑衅和威胁。

SIM卡的之所以能被克隆攻击的原因在于，SIM卡是利用安全认证算法A3/A8(COMP128)，由SIM卡内的网络鉴权密钥Ki，参与网络鉴权来确认SIM卡用户的唯一身份识别，确定用户合法性。由于COMP128算法自身存在易攻击的弱点，所以目前已实现在数小时内就可推算出Ki，克隆成相同的第2张SIM卡。

面对SIM克隆攻击，各种防克隆方案陆续被提出来。

第一种方案，采用SIM安全认证强算法COMP128-3。在SIM卡安全认证算法上，中国移动和中国联通使用的A3/A8算法都是COMP128-1。目前COMP128-1已被正式宣布可破解，GSM Association早已不建议运营商使用该种算法，强算法COMP128-3已做为最新推荐算法。

此种方案最大的不足是——方案实施难度大和实施时间过长，不能及时高效的解决问题。首先，该方案需要运营商后台鉴权系统AUC的算法彻底升级，升级成本大和操作难度大是实施该方案的最大障碍；其次，升级后鉴权系统AUC兼容历经十几年已经投放市场的COMP128-1的SIM卡，使得系统的升级更为增大难度和成本。

第二种方案，在COMP128-1算法不变的情况下，SIM卡内采用增强型KI。“增强型KI”由于KI集合元素固定，集合的大小为769⁸个，“SIM SCAN”克隆工具针对“增强型KI”的“增强破解模式”，已证实该方案已不能满足防克隆的需求。

第三种方案，“单位时间”内SIM卡统计鉴权次数方案，即在单位时间内当鉴权次数超过一定阈值，SIM卡即认定属于攻击，返回错误信息，鉴权不成功。该种方案的不足是必须要求手机的时钟不能停止，否则SIM卡上定时器计算的“单位时间”将不是准确时间，只是相对时间，相对时间与实际时间的误差将会导致SIM卡不能在手机上正常工作。手机的时钟如保持不停止，将会使手机耗电增加，实验结果表明从原来待机5天降到1天。

发明内容

本发明的目的就是在GSM网络鉴权中心AUC不进行任何改变和升级的条件下，实现SIM卡的防克隆。

为此本发明采用如下技术方案：

一种SIM卡特征值屏蔽防克隆方法，其特征在于包括以下步骤：

a、基于A3/A8算法，计算出第二轮置换产生碰撞的鉴权密钥Ki的特征值；

b、将该特征值字节因子存储在SIM卡内；

c、在SIM卡内建立克隆计数器；

d、当SIM卡执行鉴权指令时，判断输入的随机数是否包含步骤a产生的鉴权密钥Ki的特征值因子，若是，则进入步骤e，若否则鉴权成功；

e、执行屏蔽操作。

所述的步骤e，还包括输出错误的响应值的步骤。

所述的步骤b中，该特征值因子存放于DF 7F20下的Key文件中。

所述的步骤b中，该特征值因子的长度为20字节。

通过本发明防克隆方法的使用，可以使得现有技术中，GSM网络鉴权中心AUC不进行任何改变和升级的条件下，实现SIM卡的防克隆。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

SIM卡防克隆特征值屏蔽法要解决的技术问题是彻底防御对A3/A8 COMP128-1算法中第二轮置换的碰撞攻击。目的是在GSM网络鉴权中心AUC不进行任何改变和升级，只需要在SIM卡内采用“SIM卡防克隆特征值屏蔽法”，实现SIM卡的防克隆。

一、“碰撞”和“特征值”说明：

通过对算法分析，A3/A8算法实际上是Hash算法，其算法特点是算法过程不可逆，即输入输出不是一一对应。因此对于A3/A8算法，不同的输入可能产生同一个输出结果，这种过程被称为“碰撞”。

A3/A8算法表示为：

                  F_A3A8(Ki，Rand)＝Resp

F_A3A8表示A3A8算法。

Ki表示SIM卡中存储的16字节鉴权密钥。

Rand表示16字节的随机数。

Resp表示12字节的响应值，其中前4字节为鉴权认证码SRES(4B)，后8字节为加密密钥Kc。

如果通过SIM卡计算：

F_A3A8(Ki，Rand_1)＝F_A3A8(Ki，Rand_2)，

随机数Rand_1和Rand_2被称为特征值。等式中Ki是唯一一个未确定值，经过计算就可以得出Ki的值。

以上方法就是以“碰撞”破解A3/A8算法的方法。如果在寻找特征值时没有更好的办法只能遍历所有的值，直到得到相同的响应值为止，这个最大的计算量为2¹²⁸次。SIM卡上的鉴权计算由于受到通讯数率的限制(主机与读卡器、读卡器与SIM卡)，所以这个方法其实并不适用。

二、SIM卡防克隆特征值屏蔽法：

A3/A8算法是一种5轮8循环的算法，输入数据经过8次压缩函数运算得出响应值，而压缩函数由5轮置换组成。碰撞的原理指输入不同随机数产生相同的响应值，这样的“随机数对”被称作Ki的特征值。破解软件通过取得的特征值，可以反推出Ki。本步骤针对第二轮置换，使用穷举法计算所有特征值，存入数据库。

通过对A3/A8算法的“碰撞分析”，A3/A8算法中第二轮置换是指Ki的第i和i+8字节和输入随机数的第i和i+8字节通过计算后的结果查要T1置换表相应的值并替换原有值，所以碰撞特性外部特征表示为A3/A8算法响应值决定于Ki的第i和i+8字节和输入随机数的第i和i+8字节(i＝0，1，2...7)。

“特征值屏蔽”能彻底防御对A3/A8算法中第二轮置换的碰撞攻击。由于第三轮置换碰撞和第四轮置换碰撞有大于3个字节参与了计算，所以在计算特证值时和计算量会很大，在卡片设定生命周期时，克隆功工具很少使用此种攻击。

通过分析得知，目前流行的另外一种破解工具SUPER_SIM，其工作原理也类似SIM_SCAN V2.0，软件的“非增强型Ki”模式的破解机制，均采用了“碰撞”的第2轮攻击。在克隆工具多是采用第二轮置换的“碰撞”的方法，因此“特征值屏蔽”的办法是极为有效的方案。

如图1所示，是本发明的流程图，由图中可见本发明的实现过程如下：

第一、计算“特征值”。

基于A3/A8算法分析，计算出第2轮置换产生碰撞的所有KI的特征值；

               F_A3A8(Ki，Rand1)＝F_A3A8(Ki，Rand2)

Rand1与Rand2为KI的一对特征值。一个KI的特征值对可能有多个。

第二、将“特征值”字节因子存储在SIM卡内EF 6FAF，同时建立克隆计数器。

SIM内基本文件由MF，DF GSM(7F20)，DF TELECOM(7F10)，DF STK以及相应EF组成。本发明在DF 7F20下EF 6FAF文件的特征值域中，存储卡片Ki的所有特征值因子。特征值因子以L(LENTH)V(VALUE)的格式存储，长度为20个字节。

本发明中该克隆计数器建立在SIM卡内。原因在于该防克隆方案是基于SIM卡的方案，由卡片决定该卡片依据克隆计数器对非法克隆攻击的记录次数，决定卡片能否继续正常工作。其他位置建立该技术器，如网络端，则需要鉴权系统的升级改建。

文件格式说明：

1)Ki的存储

Ki存放在DF 7F20下的Key文件中，格式与以前卡片相同。

2)EF 6FAF文件

文件标识：DF 7F20  EF 6FAF		文件类型：二进制
				文件空间：176(0xB0)字节
访问权限：Read/Seek：ADM11     Update：ADM11Invalidate：NEV      Rehabilitate：NEV
				字节序号	内容定义		长度
1    3	ADM Counter计数器		3(max-0xFFFFFF)
				4    6	RFU保留		3
7    9	Cloning Counter/攻击计数器		3
				10   30	特征值，由1组LV数据组成。		21

LV：(L＝0x14，特20字节特征值)

第三、SIM卡执行鉴权指令时，SIM卡检验输入的随机数Rand，当输入的随机数Rand包含第二轮置换攻击的特征值因子时，即认定为一次克隆攻击，继而执行屏蔽过程，输出错误的响应值，使攻击失败。

三、SIM卡防克隆特征值屏蔽法效果：

第一、不影响SIM卡片的正常操作功能。

的确，“屏蔽特征值”的防克隆机制同时会影响正常鉴权操作时的判定，当正常鉴权时输入随机数的因子中含有特征值，卡片会输出错误响应值，意味着“此次鉴权不成功”。

但是本方案对正常鉴权的影响可以忽略不计，分析如下：

类似开机鉴权过程中，当第一次鉴权不成功时，但网络会继续连续发送2次随机数，一般一共进行3次鉴权，但是每一次鉴权所发送的随机数均不相同。经计算，正常鉴权过程中，发送的随机数由于含有特征值因子，致使鉴权不成功的最大概率为：

${\left(\frac{10*8*2^{112}}{2^{128}}\right)}^3=1.82*{10}^{-9}$

因此，该种情况发生的概率，在实际使用中，对用户的功能正常用的影响可以忽略不计。

第二、支持在CLONING COUNTER计数器中记录“克隆攻击次数”。

攻击计数器记录的是鉴权指令执行过程中，输入的随机数因含有特征值因子，形成碰撞攻击，破解出KI的其中一组因子的次数，因此可以记录SIM卡所有克隆攻击次数。

第三、本方案采用普通KI，不采用增强型KI(STRONG KI)

不采用STRONG KI，防御了专用克隆工具对固定增强型KI的集合进行的专门攻击，从而扩大了KI的选用范围，增加了SIM克隆攻击的难度。

第四、“设定卡片生命周期”技术的采用，完善了防克隆方案。

SIM卡内的设置的“ADM COUNTER”对SIM卡的生命周期的有了相应限制(如10万次)，该计数器能有效的防治第3轮、4轮置换的碰撞攻击，限制着克隆攻击的可试次数为10万次。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露地技术范围内，可以轻易想到的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1、一种SIM卡特征值屏蔽防克隆方法，其特征在于包括以下步骤：

a、基于A3/A8算法，计算出第二轮置换产生碰撞的鉴权密钥Ki的特征值；

b、将该特征值字节因子存储在SIM卡内；

c、在SIM卡内建立克隆计数器；

d、当SIM卡执行鉴权指令时，判断输入的随机数是否包含步骤a产生的鉴权密钥Ki的特征值因子，若是，则进入步骤e，若否则鉴权成功；

e、执行屏蔽操作。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤e，还包括输出错误的响应值的步骤。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的步骤b中，该特征值因子存放于DF 7F20下的Key文件中。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的步骤b中，该特征值因子的长度为20字节。