SIM卡丢失后，并不需要补办SIM卡中非常简单的秘密信息
你曾经丢失过你的手机吗？手机丢失时，无需申请新的手机号，只需到营业厅补办手机卡（SIM卡）即可拥有丢失前的手机号. SIM卡作为用户的入网凭证，其中存储的一些秘密信息（鉴权信息）可以使用户在用户发起入网请求时得到基站的鉴权，从而获得合法身份蜂窝网络并进行后续的通信或数据传输。SIM卡丢失后，补办SIM卡非常简单。营业厅只需将对应的认证信息改写到新卡中，并且用户可以得到一张和之前一张一模一样的SIM卡。但是，如果恶意攻击者通过一些未经授权的方法获取了受害者用户SIM卡中的认证信息，则可以通过同样的方法复制一张新的SIM卡。复制的 SIM 卡可以通过基站的身份验证，并且与受害用户具有相同的手机号码。你担心这种情况吗？
上述攻击场景在现实中确实存在。早在2G时代，各种“抄别人手机卡”的小广告随处可见。根本原因是2G时代初期的SIM卡连最基本的保护都没有做。只要一个读卡器和几条命令，就能在几分钟内找出SIM卡中的秘密信息并完成复制，甚至有人将攻击手段变成了工具，在网上低价出售。后来，虽然2G SIM卡芯片厂商迅速提出并实施了针对这一严重漏洞的保护技术，但由于2G网络中的认证协议采用弱密码算法，仍然可以通过特定的密码分析方法获得。秘密信息。此外，
3G/4G时代，人们吸取了教训，在协议中使用了国际公认的高强度密码算法AES。从密码学的角度来看，通过传统的密码分析方法很难破解AES算法来获取SIM卡中的秘密信息，从而大大降低了复制他人手机卡的可能性，提高了SIM卡的安全性。此外，3G/4G网络采用双向认证协议，可以让手机验证基站的合法性，从而抑制虚假基站的产生。
但是，重新设计的标准并没有对SIM卡内部密码算法的实现做出硬性要求，使得SIM卡厂商在实现密码算法时出现了新的安全问题。2015年，上海交通大学LoCCS实验室密码工程组在欧洲安全领域主流国际会议上发表文章，展示了如何利用侧信道分析（Side-）技术在15分钟内复制一张3G/4G SIM Card的研究工作，也曾在全球黑客大会Black Hat上亮相，一时间引起轰动。事实上，侧信道分析用于破解 2G SIM 卡由来已久，但由于 2G SIM 卡存在其他更严重的安全问题，
上述2G/3G/4G网络是指由3GPP维护的基于时分多址(TDMA)技术的蜂窝网络(GSM/UMTS/LTE)。除了 TDMA 之外，码分多址 (CDMA) 技术是另一种类型的网络。主流蜂窝网络技术，此类标准由 3GPP2 组织维护。
随后，LoCCS实验室密码工程团队继续研究使用CDMA技术的2G/3G/4G网络（/），发现其鉴权协议中使用的算法也可以通过边信道分析技术破解。到目前为止，主流2G/3G/4G网络中的认证协议都被发现存在安全隐患。
随着5G时代的到来，同样的问题再次摆在大家面前：新时代的SIM卡能否抵御侧信道攻击，彻底避免盗版问题？综合来看，由于在核心网侧采用了全新的网络安全架构，基站与核心网的交互协议更加完善，5G的安全性相比3G/4G有明显提升。遗憾的是，从目前3GPP发布的5G文件33.401和33.501版本来看，5G标准仍然没有对SIM卡的实现安全性提出硬性要求，也就是说在侧信道分析场景下，5G SIM卡是否足够安全仍然值得怀疑。
为了了解实际情况并进一步分析5G SIM卡的实际安全性能，我们收集了全球已商用发行的5G SIM卡进行测试。通过分析和实验，我们发现即使在5G时代，手机SIM卡仍有可能被复制！为了直观地说明问题，我们选择了一张 5G SIM 卡，并通过视频演示了 SIM 卡被破解的危害。事实上，在我们成功复制5G SIM卡后，奔之虎账号是用未经授权的SIM卡成功登录的！
下面，我们将从安全分析的角度来讨论这些问题。（对具体技术细节不感兴趣的同学可以直接跳过）
AKA认证流程详解
在整个蜂窝网络的身份认证协议中，除了2G GSM和2G的单向认证协议外，其他网络使用的双向认证协议都是基于AKA（&Key）认证协议框架。该框架包含三个对象：移动台（ ，MS如手机）、基站（base，BS）、网络侧（ ，NS）。下面我们以3G UMTS中的认证协议为例进行详细介绍。
3：3G AKA认证协议
基于AKA的双向认证大致分为两个步骤：
步骤1：MS向NS认证（XMAC=MAC，“新值”SQN在正确范围内，成功）。
步骤 2：NS 对 MS 进行身份验证（XRES=RES，它是成功的）。
基于AKA架构的详细认证流程：
MS向NS发送鉴权请求，NS使用根密钥A-key（与MS共享）等已知信息（如AMF），使用密码算法f计算得到MAC，XRES，SQN\、CK 和 IK。其中手机卡，SQN\、AMF 和 MAC 共同构成发送给 MS 的 AUTH。同时，随机数 RAND 和 AUTN 被发送到 MS。MS使用收到的RAND、AUTN和共享的A-key，并使用相同的密码算法f进行计算，得到XMAC和SQNMS，比较计算得到的XMAC和NS发送的MAC是否一致，如果一致则SQN为在正确的范围内，信任基站，继续生成RES和会话密钥（CK，IK） MS会计算RES并发回NS，NS比较XRES和RES是否一致，如果一致，
从认证过程中，我们可以知道密码算法使用的是根密钥A-key。为了获得 A-key，我们需要进一步挖掘算法。从3可以看出，AKA使用了很多加密函数——f1、f2、f3、f4、f5、f11。这些功能实际上可以由网络运营商在保证安全的前提下任意选择，但是3GPP提供了两种参考算法和TUAK，其中使用了AES算法。
在众多的加密函数中，我们需要特别注意f5函数。这是因为在f5函数中，身份认证最关键的秘密信息A-key直接参与了操作。下面我们分析的对象是f5函数。在本次实际分析的产物中，函数为AES。
下表总结了更多其他身份验证协议：
\begin{array}[b] {|c|c|c|c|} \hline Name & & & Side \\ \hline 2G-GSM& One-way & A3A8 () & FC 2013 \\ \hline 2G- & 单向认证 & CAVE & JCST 2019 \\ \hline 3G-UMTS & AKA & AES, & 2015 \\ \hline 3G- & AKA & SHA-1 & JCST 2019 \\ \hline 4G-LTE & AKA & AES , & 2015 \\ \hline 5G& EAP-AKA' / 5G-AKA & 还没有给出示例 & G \\ \hline \end{array}
参考。
FC 2013: On the Need of Small : A Case Study with -1 in SIM 2015: Small Do Not Help: Power of in 3G/4G USIM 2019: Side- 用于 CDMA 卡的侧信道信息泄漏
SIM卡的本质是嵌入式CPU。当手机和基站进行身份验证时，身份验证算法将在 SIM 卡上运行。功耗（边信道信息）是在算法运行过程中产生的，这些功耗信息与SIM卡中的秘密信息有关，可以通过特定的边信道分析方法恢复。简单来说，边信道分析是基于硬件设备（CPU或ASIC）中的总线或寄存器等设备根据其中数字信号的电平产生不同的功耗，而功耗的差异为大的。足以反映内部数字信号的差异。以一个字节为例，SIM卡加密时的数据不同，耗电量也会不同。我们可以通过特定的设备收集这些功耗信息，并分析这些差异来恢复 SIM 卡。使用的敏感信息。如果SIM卡没有受到保护，那么存储在其中的敏感信息将不可避免地被功耗信息泄露。SIM卡加密时的数据不同，耗电量也会不同。我们可以通过特定的设备收集这些功耗信息，并分析这些差异来恢复 SIM 卡。使用的敏感信息。如果SIM卡没有受到保护，那么存储在其中的敏感信息将不可避免地被功耗信息泄露。
SIM卡分析过程采集SIM卡运行鉴权算法时的功耗曲线，对曲线进行处理分析，获取敏感信息，并通过这些敏感信息复制另一张相同的卡。
为了方便侧信道信息的采集、处理和分析，我们自主研发了软硬件一体的侧信道分析平台，用于学术研究和产品测试。完成分析。
采集功耗曲线
通过软件，我们可以与 SIM 卡进行通信，并在 SIM 卡运行时收集其功耗信息。
下图是我们采集到的SIM卡认证过程的功耗曲线。
处理和分析曲线
获取到的原始曲线非常杂乱，噪声太大，需要信号处理。
下图是处理后的功耗曲线，可以清晰的看到AES算法的轮廓。
然后，选择功耗曲线中可能泄露敏感信息的位置，使用相关功率分析（Power，CPA）方法进行分析。具体原理将在后面的专文中介绍。
下图为软件中的SIM卡分析模块
通过分析模块的输出，我们可以看到我们已经获得了敏感信息。
抄写卡，上网
最后将分析得到的所有秘密参数写入一张新的SIM卡中，复制工作就全部完成了。然后是您之前看到的“验证”过程。如果破解成功，新的SIM卡可以成功接入5G蜂窝网络。
看到在座的大家是不是有点慌了？您是否担心您的卡也会被复制？其实，这种担心并不是多余的。完成以上一系列操作，甚至不会引起你的警觉。手机脱离您的直接控制只需要大约 5 分钟，恶意攻击者可能会使用便携式功耗收集设备来收集足够的数据。破解sim的曲线信息。SIM卡一旦被破解手机卡，恶意攻击者就可以利用复制的SIM卡冒充您的合法身份，例如通过简单的验证短信获取您最近的QQ聊天记录、盗取您的知乎账号等。个人信息泄露和个人信用风险。
随着各种应用对信息安全的重视程度越来越高，一些敏感操作（如重置密码）现在需要对手机硬件环境进行双因素认证或检测。但当这种安全威胁在几年前被低估时，使用重复的手机 SIM 卡甚至可以重置支付宝的登录密码。以下视频是我们15年成功分析3G/4G SIM卡后拍摄的。视频中，我们使用复制的SIM卡在其他手机上接收密码重置短信，成功重置密码。
另外，在我们对目前各类应用的身份认证流程进行调查时发现，虽然部分应用在重置密码时会进行严格的手机环境检查，但在其他应用上仍然可以使用手机号和验证码正常登录。手机。，比如微信、QQ、淘宝、支付宝等。因此，手机SIM卡可以被复制还是一个安全漏洞，需要引起足够的重视。
需要指出的是，学术界有很多可靠的方法，例如掩码、乱序执行和随机延迟等，来防御传统的边信道分析。但是，由于这些保护方式的实施会在一定程度上增加制造成本，降低芯片性能，而3GPP标准并没有做出强制性要求，所以这些保护方式是否实际使用在很大程度上取决于SIM卡的制造商. 我们建议卡厂商在权衡成本后，及时加强对SIM卡的保护措施（我们也在研究相应的低成本保护方案），进一步保障用户安全。此外，我们每个人在日常使用中也必须了解智能设备的安全性，
介绍实验室
我们是隶属于上海交通大学密码学与计算机安全实验室（LoCCS）的密码学工程组（GoCE）。主要研究方向为侧信道攻防理论与技术、密码应用与实现技术、密码安全测试技术。具体分析对象包括智能终端、嵌入式设备、MCU、FPGA、密码芯片、密码设备等。
欢迎广大师生及业内人士与我们联系，进行学术交流。
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