短信端到端保密通信系统研究

苏艳 黄锟锟

华南理工大学广州学院电子信息工程系，广州 510800

短信端到端保密通信系统研究

苏艳 黄锟锟

华南理工大学广州学院电子信息工程系，广州 510800

本文针对GSM网络的安全漏洞，手机用户短消息交互面临着信息被窃取的威胁，提出了一种端到端的短消息保密通信解决方案。然后阐述该方案的安全性，并介绍了该解决方案的系统的功能特性和系统的层次架构，并基于Windows Mo手bile机平台进行系统实现。

短信保密；信息安全；智能手机

引言

随着移动通信的迅猛发展，短信业务已成为人们使用手机的基本业务。除了使用短信进行日常沟通外，个别敏感业务也是基于短信业务进行。如通过短信进行银行账户查询，进行电子交易等，在这些应用中会涉及用户的隐私信息。由于在GSM网络中，短信都是明文传输，只要对通信链路进行监听，就可以获得用户的通信内容[1]。目前此类监听设备有很多，进行监听已不是技术难度高的工作。这也对短信通信内容的安全性提出了挑战。

1 传统的端到端的短信应用方案

目前互联网上流传一些“短信加密”软件，经过测试发现，该功能仅仅是对短消息的内容的每个字节加上固定的数值。通过分析明文和密文，即可发现所采用的算法。分析出加密算法后，可以在中途窃取密文，很容易还原出明文。这种无可靠理论支持的“伪解决方案”根本无法应用于高安全需求中。还有一些加密软件，采用了高强度的对称加密算法，但使用时，须通过非安全通道（电话、QQ、邮件等方式）告知对方加解密密钥。若可盗取该加解密信息的密钥，同样可以破解短消息内容。

针对上述情况，本文基于智能手机提出一种端到端的短信保密方案，引入自动密钥协商机制，保证共享密钥传输的安全性；采用AES算法进行消息加密，保证信息保密性；短信保留在加密数据库中。三重保护，保证短消息的安全性。

2 端到端短信保密通信系统方案

2.1 系统加密传输方式

本文采用的系统加密传输方式如图1，在进行信息交互之前，通信双方通过非对称密码算法Diffie-Hellman算法[2]进行密钥协商，仅传输生成密钥的参数，其中Diffie-Hellman算法保证了即使在空中接口截取密钥参数也无法计算出共享密钥。通信双方在获取生成密钥的参数后，在本地进行运算生成共享密钥并保存在本地。在后续的短消息信息交互中，采用对称密码算法AES[3]。手机发送端使用该共享密钥对信息加密，形成密文，并在移动网络中传输。到达手机接收方，使用相应的共享密钥进行信息解密，还原出明文，从而实现端到端的短信保密的目的。

图1 端到端短消息保密通信模型

2.2 系统加密方式安全分析

综合运用Diffie-Hellman算法和AES算法进行保密通信，是非常安全的[4]。首先AES加解密算法对密钥的选择没有任何限制，能有效抵抗目前已知的攻击算法的攻击。而Diffie-Hellman算法除了可以提供密钥协商功能之外，还可以提供保密性服务和一定程度的身份鉴别功能。假设A和B进行通信，因为只有A和B知道这个密钥K的值，其他用户都无法获知该值，从而不能解密报文，这样便保证了机密性；接收方A知道只有用户B才能用这个密钥生成这个报文，从而保证了身份鉴别的功能。

下面对AES所用的密钥的有效期进行分析。最安全的方法是每次使用之后立即销毁，但在短消息保密通信中，却不可行，除了时间消耗大方面的因素外，短消息的交互不具备实时性，无法实时的协商密钥；而且每条短消息的大小有限制，在有限的传输空间里，再附加上进行Diffie-Hellman密钥协商所需的公共数据，留给用户数据的空间就太小了。所以本方案中，共享密钥则需首先自动协商，然后保存在本地。进行短消息通信的时候，只需在传送加密后的数据即可，不需要附带Diffie-Hellman协商密钥所需的信息。当然，为了避免短消息因共享密钥泄露而被窃取的危险，需要经常更换短消息密钥。

由于短消息默认是存放在SIM卡内的，为了获取更高的安全性，这里需要将加密短信存放在另外的一个存储空间。在本系统中，存放在移动嵌入数据库SQL CE中。

2.3 加密方案实现

本方案的设计及实现是在智能手机平台上进行的，所以要受智能手机平台软硬件支持和限制。测试平台采用了索爱 M1i智能手机，内置Windows M o b i l e 6.5.3Professional操作系统，使用频率为600MHz的处理器，拥有256MB RAM以及512MB FlashROM。该机拥有较快的处理速度，可以处理加密解密信息所需的大量的运算。开发环境为Visual Studio2008，该工具集成了移动项目的开发、测试、部署的一整套解决方案；由于需要保存系统本地配置信息，采用了数据库SQL Server CE 3.5，该数据库是SQL Server 的移动开发版本；由于SIM卡容量有限，收到的短信也放入数据库。

按照层次结构划分，本方案的实现可以分为操作系统/驱动程序层和保密服务层。如图2。操作系统/驱动程序层屏蔽了硬件细节，对应用层软件提供统一的接口，使保密服务层的实现与具体硬件无关；保密服务层工作在操作系统/驱动程序之上，主要包括了连接、密钥交换协议、短信保密处理，是系统的关键。用户界面开发以及保密服务层正是本系统的工作内容。

图2 系统框架图

在系统实现过程中，根据敏捷软件开发的思想,严格按照设定的平台软件模块划分进行模块化实现，划分为加密解密模块、数据操作模块、短信操作模块、UI模块。实现的界面如图3所示。具体如下列模块：

1）加密/解密模块

对系统需求采用模块分解的办法，对短信保密模块进一步细化，从中抽取出短信保密的公共模块：加密/解密模块。

2）数据操作模块

数据库操作类，用于数据持久化操作，用于保存系统配置信息、用户收到短消息以及短信密钥。

3）UI模块

提供用户操作图形界面，调用上述各个模块提供的对外接口，实现短信保密功能。

4）短信操作模块

包括短信拦截和发送功能。

图3 系统功能界面图

3 结论

本文提出并实现了一种端到端的短信保密通信解决方案，该方案基于Windows Mobile智能手机开发，易于部署，并有较强可移植性，具有较高的现实意义和市场价值。

[1]谢亮，汪海航，谭成翔.安全短消息应用系统方案研究.计算机安全. 2007.830-32

[2]徐恒, 陈恭亮, 杨福祥. 密钥交换中中间人攻击的防范[J]. 信息安全与通信保密. 2009年02期: 91

[3]赵勇. Rijndael算法的结构与安全性分析[J].四川文理学院学报(自然科学).Sep.2008, Vol. 18No.5: 41-42

[4][美]Willianm Stall；ings刘玉珍, 王丽娜, 傅建明，等译. 密码编码学与网络安全-原理与实践[M](第三版).北京: 电子工业出版社.2004: 103-22

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.053

苏艳（1983-）,女,助教,硕士研究生, 研究方向：移动通信与天线。