4G網絡的安全問題與對策研究

劉巧平，周 斌，于 丹，杜曉鴿

(延安大學 物電學院，陜西 延安 716000)

4G網絡的安全問題與對策研究

劉巧平，周 斌，于 丹，杜曉鴿

(延安大學 物電學院，陜西 延安 716000)

隨著社會的發展與進步，我國已逐漸進入信息化時代。信息是社會、人文發展的必備品，人們對移動通信網絡的需求也與日俱增。如今，正在運營的2G、3G網絡已經無法滿足消費者目前的日常需求。為了跟上時代的步伐，滿足當代消費者的需求，4G網絡應運而生。第四代移動網絡(4G)系統致力于無縫融合不同無線通信技術并支撐高速率通信環境。伴隨社會多媒體業務和通訊數據業務的發展，4G網絡已廣泛應用于移動計算機、移動通訊設備、移動數據等各個方面。但是，由于4G網誕生時間短，技術層面尚未完善，并且開放性、無線傳播等特點使得4G網絡安全問題也一直困擾著整個網絡環境和移動通信系統。文中介紹了4G網絡概念、關鍵技術、網絡結構，分析了4G網絡面臨的安全威脅，并提出了防范措施和對策。

4G網絡；關鍵技術；安全問題；防范與對策

0 引 言

伴隨著移動終端各種計算能力的不斷提高以及存儲資源的不斷改善，促進了全球移動用戶的不斷增長，4G網絡扮演更加重要的角色。4G網絡的安全問題成為當下的研究熱點。4G網絡系統將安全問題設計為網絡結構的重要組成部分。所以，深入研究4G網絡的安全問題，顯得尤為重要。一般所謂的網絡安全，就是指其系統中的數據或者傳輸的信息等不會被惡意篡改或偶然不小心更改、泄露甚至破壞，最終導致系統不能正常工作[1]。

1 4G網絡概念

第四代移動通信技術又簡稱為4G(the 4th Generation mobile communication technology)，具有超過2 Mb/s的非對稱數據傳輸能力，并提供150 Mb/s的高質量的影像業務。4G網絡首次完成了立體圖像的高清晰傳輸[2-3]。4G是3G與WLAN統一結合的具有高質量視頻圖像傳輸以及高清晰度的語音通信技術，最重要的特點就是高速度，其下載速度很可能超過100 Mbps，上傳速度也可能會達到20～30 Mbps。4G網絡是在目前3G基礎上逐步演變而來。目前的4G網絡形態是LTE(長期演進),圖1是4G網絡的演進。

圖1 4G網絡演進

2 4G系統的關鍵技術及網絡結構

4G通信系統中可能采用的關鍵技術主要包括OFDM、智能天線、軟件無線電、基于IP的核心網等。

(1)第四代移動通信系統的核心技術是正交頻分復用(OFDM)[4-5]。OFDM具有頻譜效率比串行系統高、抗衰落能力強、適合高速數據傳輸、抗碼間干擾能力強等優點。它通過提高速率、降低延時為4G網絡帶來更好的發展。人們經常用它與CDMA做比較。因為在一定方面，它們有著共同的特點，但另一方面，它也保持著自己的特點。

(2)MIMO技術采用的技術是在發射端和接收端各自設定多個發射天線，通過多個發送天線和多個接收天線結合使用來提高每個用戶的通信質量[6],見圖2。從簡單的方面而言，MIMO技術就是利用傳統通信中的不足，在一定層面上改善用戶的通信性能，從而提高業務傳輸速率。最大的優勢還在于人們利用隨機衰落和多徑衰落等傳播特點，使其能夠在不增多所占用信號寬度的情況下而使通信性能得到大幅提升，而且遠在幾個數量級之上。

(3)軟件無線電。20世紀90年代初,人們提出了軟件無線電(SDR)[7]的概念。基本思想是用硬件作為無線通信的基本平臺，用軟件實現個人通信功能和無線功能。通過構建一個標準化、模塊化和開放化的通用數字硬件平臺和實時的軟件操控來實現各種無線電系統的通信功能[8]。

(4)智能天線。何為智能天線?就是基于全向天線和定向天線之上，可以由人們意愿所控制信號傳播方向的天線。全向天線通俗講就是傳輸的信號向四面八方傳送；而定向天線是指傳輸的信號向固定方向傳送。實際上人們在打電話時，傳送站那么努力地工作著，但真正需要聽的只有本人而已，除非所傳播的關乎機密或者想被他人竊聽的東西。智能天線是指傳輸的信號雖然向各個方向傳輸不同的消息，但是卻能動態跟蹤通信的人。

(5)IPv6技術。眾所周知，以前所說的打電話都屬于電路交換。而原則上的4G時代，就是用包交換的方式代替語音通信的傳統方式[9]。無論電腦還是手機上網都必須有一個IP地址。此前所使用的IPv4已不能滿足越來越多上網者的需求，因此IPv6(版本6)被提出并開始投入使用。IPv6采用128位地址長度，具有服務質量優越、移動性能好、安全保密性好等特性[10]。

4G系統網絡結構大致可將其分為物理網絡層、應用網絡層、中間環境層[11]。物理網絡層主要實現路由的選擇和接入。中間環境層主要實現地址的變換、可靠性的管理。物理網絡層、應用網絡層以及中間環境層之間的接口都是開放的，方便了開發新的應用和服務，并且可以提供無縫高數據率的無線服務，能夠運行于多個頻帶。

因此4G網絡系統是在集無線網絡、廣播電視網絡、衛星網絡、固定有線網絡形成的一個更加靈活、易于擴展的網絡信息平臺[12]。圖2是4G網絡體系結構。

圖2 4G網絡體系結構

3 4G網絡安全面臨的威脅

4G雖然能給人們的生活提供各種方便，然而其存在的安全問題也是不能忽略的，這些問題將影響4G技術的發展進程。4G網絡安全面臨的威脅歸納為以下幾點：

(1)木馬病毒引起的安全隱患。4G網絡具有高速數據傳輸率，木馬病毒制造者設計的木馬程序更復雜，更隱蔽，攻擊性更大，破壞性更強。這樣一來，勢必會增加用戶識別木馬程序的難度[13]。

(2)各種移動終端面臨的安全隱患。隨著移動終端的計算能力以及存儲能力的不斷強大，勢必會給自身帶來等多的安全隱患。更加豐富的應用也增加了移動終端感染病毒、木馬或惡意代碼所侵蝕的渠道。例如手機病毒，包括蠕蟲類、炸彈類、短信類等[14]。

(3)無線網絡面臨的安全威脅[15]。無線網絡不同，其所對應的安全協議、安全體系以及安全機制也有所不同，因而導致4G網絡容易遭受來自不同方面的安全威脅[16]；還有4G網絡需要與異構形式的非IP網絡連接，同時需要靠QoS實現高速率數據傳輸，同樣存在安全威脅[17]。為了滿足用戶能夠在不同終端系統中自由切換與漫游，這就要求4G系統具有移動管理性能，而現在我國的4G系統尚不具備很好的移動管理性能，也會導致各種安全威脅。

(4)無線業務方面面臨的安全威脅。4G系統的安全機制很難適應呈現持續增長趨勢的以電子商務為主的無線業務以及增值業務，因為這些業務對安全機制有更高的安全需求；還有4G系統安全機制還不能給出絕對權威的相關憑證來解決運營商和用戶之間關于多計費系統的參與而產生的矛盾；再者4G系統能夠支持用戶的全球移動性，這也是其重要的安全威脅，因為每次無線業務可能會存在多個網絡運營商和多個業務提供商，這也容易導致安全問題。

圖3是4G網絡面臨的安全威脅。

圖3 4G網絡面臨的安全威脅

4 4G網絡安全問題的探討

現在，我國4G網絡安全方面面臨的最大威脅是來自應用上的。一旦這些問題誕生，勢必帶來非常嚴重的后果，所以需要協調好各個方面。首先是4G網絡運營商務必配置更加復雜、嚴密的防范機制；其次是設備開發商積極加強網絡的安全機制；另外，安全防范意識也是每個4G網絡用戶必須擁有的。只有這幾個方面相輔相成，才能更好地發展4G網絡技術。對于4G網絡存在的一些安全威脅，文中提出了一些意見和建議，希望能夠解決一些現存的網絡安全問題。

(1)建立適應4G網絡的安全體系。

鑒于4G網絡系統是基于IP技術的網絡系統，可以建立整個4G網絡系統的安全體系[18]，如圖4所示。

圖4 4G網絡安全體系結構

這種結構基本能夠涵蓋所有涉及網絡安全的業務，能夠實現用無線終端設備在不同網絡之間進行平滑的切換和漫游。

(2)更新數據加密的形式。

當今，大多數數據的加密都是由私鑰構成，在4G網絡系統中，很容易受到惡意者的攻擊。考慮到4G網絡的特點，可以采用混合密碼或者公鑰和私鑰相結合的方法。

(3)應用新型4G網絡的密碼技術。

隨著4G網絡的推廣與普及，受到的攻擊也愈來愈多。為了增強4G網絡在傳輸時信息的機密性、可控制性、可用性、完整性以及不可否認性，提高加密算法和認證算法自身的抗攻擊能力，4G網絡可以應用新型的密碼技術。例如，橢圓曲線密碼技術、量子密碼技術、生物識別技術等。其中，橢圓曲線加密方法一種[19]是公鑰加密技術，英文名是ECC(Elliptic Curve Cryptography),利用有限域上橢圓曲線的點構成的Abel群離散對數難解性、復雜性，完成數據的加密、解密以及數字簽名過程，并且將橢圓曲線中的加法運算與離散對數中的模乘運算對應起來，建立一種基于橢圓曲線的身份認證密碼算法。

(4)安裝更高級別的防火墻。

4G系統之下，用戶在下載文件、視頻等過程中，來自4G網絡的病毒、木馬程序、非法訪問以及受病毒感染的文字、視頻、圖形、圖像等的侵入是不可避免的。而采用安全有效的防火墻是安全的最后一道屏障[20]。所以，應該配置功能更加強大、更加嚴密的防火墻，來保障4G網絡的安全運行[21]。

(5)4G網絡用戶也需增強安全防范意識。

4G網絡的安全發展不僅需要開發商和運營商的努力，用戶的安全使用也是至關重要的一步。為了保證4G網絡的安全運行，用戶也需增強安全防范意識。不去打開有病毒鏈接的誘惑網頁，不下載沒有安全保證的工具、文獻等，并及時利用殺毒軟件積極殺毒，經常清理手機中的垃圾等。

5 結束語

隨著人們對網絡的需求越來越高,4G網絡在人們的生活中將扮演越來越重要的角色。4G網絡一旦受到惡意者的干擾或者攻擊，都會給人們帶來巨大的損失。所以，保證4G網絡安全是至關重要的。對于4G網絡存在的一些安全威脅，文中提出了一些意見和建議。目前4G網絡可能還面臨一些尚不能解決的問題，因此對于4G網絡安全問題的研究和探討,將是一個永無停止的課題。

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Study on Security Problems and Countermeasures for 4G Network

LIU Qiao-ping,ZHOU Bin,YU Dan,DU Xiao-ge

(College of Physics and Electronic Information,Yan’an University,Yan’an 716000,China)

With the development and advance of the society,China has entered the information age gradually.The progress of the society and the humanity is based on information.The demand for mobile phones will gradually increase.At present,the technology of 2G、3G network is very difficult to satisfy people’s needs.In order to keep up with the pace of the times and meet the needs of the customers,4G network is produced.The fourth-generation mobile network (4G) system is committed to the seamless integration of different wireless communication technologies and supports high speed communication environments.With the development of multimedia communication and data service,4G network is widely used in mobile computer,mobile communication equipment,and mobile data and so on.However,because the 4G network was born a short time,the technical level not yet perfect,and the openness,wireless communication and other features of the 4G network make the security issues have been plaguing the entire network environment and mobile communication systems.In this paper,the concept,the key technology and network structure of 4G network is introduced,and the security threat faced by 4G network is analyzed,and the preventive measures and countermeasures is put forward.

4G network;key technology;security issue;prevention and countermeasures

2015-10-20

2016-01-26

時間：2016-05-25

陜西省自然科學基金資助項目(2014JM2-5058)；延安大學青年項目(YDQ2014-38)；2015年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目(1425)

劉巧平(1981-)，女，講師，碩士，研究方向為無線通信技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160525.1711.076.html

TN929

A

1673-629X(2016)07-0085-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.07.018