GSM加密算法有哪些 简述GSM的鉴权加密的工作过程

全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，简称GSM）是第二代（2G）蜂窝网络技术的核心标准，自20世纪90年代起在全球范围内广泛应用。尽管随着3G、4G乃至5G的发展，GSM已逐步退居次要地位，但它在语音通话、短信服务以及部分物联网设备中仍发挥着重要作用。

安全性是移动通信系统设计中的关键环节。为了防止窃听、伪造身份和非法接入，GSM引入了一套完整的安全机制，主要包括用户鉴权（Authentication） 和通信加密（Ciphering） 两个方面。这些功能依赖于特定的加密算法和密钥管理流程，在用户设备（如手机）与网络之间建立可信连接。

本文将详细介绍GSM系统中使用的加密算法，并深入解析其鉴权与加密的工作过程，帮助读者理解这一经典通信安全体系的基本原理。

一、GSM系统中的主要加密算法

GSM并未采用公开通用的国际加密标准，而是定义了专有的加密算法，主要用于实现用户身份验证和空中接口的数据加密。这些算法包括：

1. A3 算法：用于鉴权认证

A3算法是一种身份认证算法，其核心作用是验证用户是否为合法SIM卡持有者。它运行在网络端（归属位置寄存器 HLR/AuC）和用户终端（SIM卡）之间。

输入参数为：

一个随机数 RAND（由网络生成）；

用户的长期密钥 Ki（存储在SIM卡和AuC中）；

输出结果为一个32位的签名响应 SRES（Signed Response）。网络通过比对终端返回的SRES与自身计算的结果是否一致，来判断用户身份的真实性。

A3并非单一固定算法，而是代表一类可实现的算法，常见的有 COMP128 系列（COMP128-1、COMP128-2等），不同运营商可能采用不同的变种。

1. A8 算法：用于生成会话密钥

A8算法负责生成用于后续通信加密的会话密钥Kc（Cipher Key）。它与A3通常成对使用，被称为“A3/A8算法对”。

同样以 RAND 和 Ki 作为输入，A8输出一个64位的Kc。该密钥将被用于A5算法进行数据加密。

值得注意的是，Kc本身不直接在网络上传输，而是在终端和网络侧分别独立生成，确保安全性。

1. A5 算法：用于语音和数据加密

A5算法是GSM中用于加密无线链路上语音和信令数据的流密码算法。它作用于空中接口（Um接口），防止第三方通过监听无线信号获取通信内容。

目前主要有以下几种版本：

A5/1：安全性较强，最初用于欧洲等高安全要求地区；

A5/2：弱化版本，曾用于出口设备，已被证明极易破解；

A5/3（即KASUMI）：基于更先进密码学设计的强加密算法，支持128位密钥，多用于后续增强型GSM或向3G过渡场景。

其中，A5/1和A5/2因结构缺陷，在现代计算能力下已不再安全，因此实际应用中应尽量避免使用。

二、GSM鉴权与加密的工作过程

GSM的安全流程主要发生在用户开机注册网络或进行呼叫建立时，整个过程由移动交换中心（MSC）、鉴权中心（AuC）、HLR以及用户SIM卡协同完成。以下是详细步骤：

1. 第一步：网络发起鉴权请求

当用户设备尝试接入网络时，基站控制器（BSC）通知MSC准备进行鉴权。MSC向归属位置寄存器（HLR）请求一组鉴权参数，每组包含：

一个随机数 RAND；

对应的期望响应 SRES；

加密密钥 Kc。

这些参数由AuC利用用户的Ki和A3/A8算法预先生成并下发给VLR（拜访位置寄存器）缓存。

1. 第二步：执行双向鉴权

MSC将随机数RAND发送给手机终端。手机内的SIM卡接收到RAND后，使用本地存储的Ki和内置的A3算法计算出SRES，并将其传回网络。

同时，SIM卡也使用A8算法，基于相同的RAND和Ki生成会话密钥Kc，并保存备用。

网络端则比对终端返回的SRES与预存的SRES是否一致。若匹配，则认为用户身份合法；否则拒绝接入。

需要注意的是，这是一种“单向鉴权”机制 —— 网络验证用户，但用户无法验证网络真伪，这使得GSM容易受到“伪基站”攻击。

1. 第三步：启动通信加密

一旦鉴权成功，网络决定是否启用加密。MSC向手机发送加密模式命令，指示使用哪种A5算法（如A5/1）。

此后，手机和基站都使用之前生成的Kc作为密钥，通过A5算法对所有在空中传输的语音和信令数据进行加密和解密。

由于Kc仅在本地生成且未在网络中明文传输，理论上可防止中间人窃取密钥。

1. 第四步：定期更新密钥

为了提升安全性，GSM允许在每次新的位置更新或呼叫建立时重新执行鉴权流程，生成新的RAND、SRES和Kc，从而实现动态密钥管理。

三、GSM安全机制的局限性与演进

尽管GSM在当时是一项重大进步，但其安全机制存在明显短板：

1. 使用较弱的64位密钥（实际有效位更少）；

2. A5/1和A5/2已被破解；

3. 缺乏双向鉴权，易受假冒基站攻击；

4. 没有完整性保护机制，数据可能被篡改。

因此，从3G开始，3GPP组织引入了更先进的安全架构（如AKA鉴权机制）、更强的加密算法（如SNOW 3G、AES）和双向认证，显著提升了移动通信的安全水平。

GSM作为最早的数字蜂窝通信系统之一，建立了移动通信安全的基础框架。其核心加密算法A3、A8和A5共同构成了用户鉴权与通信加密的技术支撑。通过在网络与终端间共享密钥Ki并结合随机挑战机制，实现了基本的身份验证和数据保密功能。

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