李愛寧，唐 勇，齊曉東

（河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校電氣自動(dòng)化系，河北 滄州 061001）

0 引言

隨著多媒體教育的日益深化，在高等教育教學(xué)中，尤其是工科類的教學(xué)，試驗(yàn)課程得到越來越多的重視。但由于目前一些學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，設(shè)備條件不足，對(duì)于某些重要知識(shí)點(diǎn)不能接觸到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，學(xué)生理解起來比較困難。MAPSec協(xié)議原理作為3G系統(tǒng)中的一個(gè)重要協(xié)議，是無線通信課程中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，由于該原理相對(duì)抽象、復(fù)雜，并且沒有現(xiàn)成的針對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供教學(xué)使用，為克服這種困難，該課題通過使用C#.net以及Sqlite數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)MAP信令安全傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 MAPSec協(xié)議原理

MAPSec協(xié)議原理參考文獻(xiàn)[1-2]。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）網(wǎng)絡(luò)中的控制信令是通過MAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，MAPSec協(xié)議主要用于網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間MAP消息的傳輸，MAPsec協(xié)議可以為網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間MAP消息的傳輸提供安全保證，包括保密性，認(rèn)證性及防止重放攻擊。MAPsec協(xié)議提供了保護(hù)模式0、保護(hù)模式1和保護(hù)模式2三種不同的保護(hù)模式。以MAPSec協(xié)議保護(hù)的MAP信令消息包括安全頭和被保護(hù)負(fù)荷2部分。

（1）MAPsec安全頭

①保護(hù)模式0下，安全頭的結(jié)構(gòu)為：SPI||源端成分ID；

②保護(hù)模式 1和 2下，安全頭的結(jié)構(gòu)為：SPI||源端成分ID||TVP||NE-ID||PROP，其中：SPI是一個(gè)32位的安全參數(shù)索引數(shù)。源端成分ID：用來確定被安全保護(hù)的MAP信令類型。TVP是一個(gè)32位的時(shí)間變量參數(shù)。NE-ID是一個(gè)長度為6個(gè)字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體標(biāo)識(shí)。PROP是長度4字節(jié)的所有者域。

（2）MAPsec受保護(hù)的負(fù)荷

在保護(hù)模式0中，MAP消息的受保護(hù)負(fù)荷部分以明文形式出現(xiàn)。

在保護(hù)模式1中，MAP消息的凈負(fù)荷的格式有：明文||f7(安全頭||明文)。在保護(hù)模式2中，MAP消息的凈負(fù)荷的格式有：f6(明文)||f7(安全頭||f6(明文))。注：f6為加密算法，f7為一種哈希函數(shù)。

2 MAP信令消息傳輸簡化流程

假設(shè)在不同 PLMN內(nèi)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體 MAP NEa和MAP NEb想利用MAPsec通信，則網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間通信的消息流程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間MAP信令消息傳輸流程

3 MAPSec信令消息傳輸平臺(tái)架構(gòu)

（1）表示層

表示層提供人機(jī)交互的界面，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和軟件展示，主要負(fù)責(zé)頁面顯示、頁面狀態(tài)的控制以及頁面上各種控件的事件處理程序，如Button的Click事件。同時(shí)，負(fù)責(zé)頁面用戶的輸入信息的基本驗(yàn)證功能以及為客戶端提供對(duì)應(yīng)程序的訪問。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層

該層是 MAPsec信令傳輸平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，該層設(shè)計(jì)關(guān)系到整體邏輯，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)目標(biāo)。主要包括：處理應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)校驗(yàn)；管理業(yè)務(wù)層級(jí)別的對(duì)象依賴；管理程序的執(zhí)行；創(chuàng)建實(shí)體類，包括加解密和認(rèn)證模塊；建立通用的業(yè)務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)訪問層的訪問。

（3）數(shù)據(jù)訪問層

實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，完成數(shù)據(jù)庫中各參數(shù)的插入、調(diào)用及更新等操作。

傳輸平臺(tái)的3層架構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸平臺(tái)的3層架構(gòu)

4 傳輸平臺(tái)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

（1）表示層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

傳輸平臺(tái)的界面采用 C#.net[3-4]設(shè)計(jì)。登陸界面如圖 3所示。

圖3 登陸界面

點(diǎn)擊“進(jìn)入發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”和“進(jìn)入接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”按鈕，分別進(jìn)入發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)的子界面，如圖 4所示為發(fā)送節(jié)點(diǎn)界面。

圖4 發(fā)送MAPsec信令節(jié)點(diǎn)界面

該界面包括3個(gè)主要模塊：

模塊1：“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”、“實(shí)驗(yàn)步驟”、“實(shí)驗(yàn)實(shí)施”、“實(shí)驗(yàn)思考”。通過點(diǎn)擊“保護(hù)模式0”、“保護(hù)模式1”、“保護(hù)模式2”圖標(biāo)中不同的模式圖標(biāo)，可以顯示相應(yīng)的保護(hù)模式內(nèi)容。

圖5 發(fā)送MAP信令的界面

模塊2：創(chuàng)建參數(shù)庫模塊，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存放SPI、TVP、NE-ID、PROP幾個(gè)參數(shù)。

模塊3：點(diǎn)擊該模塊最下方的“保護(hù)模式1”按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)的保護(hù)模式的操作界面，進(jìn)行MAP信令的傳輸。如圖5所示為發(fā)送MAP信令的界面（接收界面布局與此相類似）。

節(jié)點(diǎn)間通信使用TCP/IP協(xié)議。Socket接口作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用程序接口（API），定義了通信所需的函數(shù)和例程[5-6]。設(shè)計(jì)流程如下：

步驟①：命名空間的添加。

步驟②：構(gòu)造一個(gè)新的socket對(duì)象。

在C#中，采用socket函數(shù)構(gòu)造一個(gè)socket對(duì)象，socket函數(shù)原型如下：

步驟③：Socket的配置和連接。

采用IPEndPoint類。函數(shù)原型如下：

步驟④：數(shù)據(jù)的傳送和接收。

步驟⑤：socket關(guān)閉。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)

該層設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)主要模塊：

加/解密模塊：即用于對(duì)明文加/解密的f6函數(shù)，通過構(gòu)建Encode()和 Decode ()2個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)證碼生成模塊：即用于驗(yàn)證完整性的哈希函數(shù)—f7函數(shù)，在設(shè)計(jì)中使用 MD5算法作為哈希函數(shù)，通過構(gòu)建MD5_Hash()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

源端成分ID識(shí)別模塊：構(gòu)建ID_value()函數(shù)確定被安全保護(hù)的MAP操作的成分類型是調(diào)用(0)、結(jié)果(1)還是錯(cuò)誤(2)。

TVP時(shí)間變量參數(shù)識(shí)別模塊：構(gòu)建TVP_value()函數(shù)，用來識(shí)別TVP值，防止對(duì)MAP操作進(jìn)行重放攻擊。

與數(shù)據(jù)庫通信接口：數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)采用輕量級(jí)的 sqlite數(shù)據(jù)庫[7-8]，sqlite數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單，源代碼也不是很多，降低了系統(tǒng)內(nèi)存的占用，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的處理效率。C#.net與sqlite數(shù)據(jù)庫連接代碼如下：

（3）數(shù)據(jù)訪問層設(shè)計(jì)

該層設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)庫中各個(gè)參數(shù)的插入、調(diào)用以及更新等操作。

此外，平臺(tái)還設(shè)計(jì)了應(yīng)用接口，通過此接口可以方便的添加到其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。

5 結(jié)語

由于MAPsec協(xié)議原理相對(duì)比較復(fù)雜，而且由于實(shí)際環(huán)境限制，學(xué)生不能接觸到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，因此理解起來相對(duì)比較困難。所以搭建本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過仿真基于MAPSec協(xié)議傳輸信令過程，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解掌握，能夠提高教學(xué)效率，同時(shí)，這里實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用C#.net技術(shù)開發(fā)具有較好的移植性和兼容性，具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值，克服學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足等缺陷，對(duì)于教育教學(xué)有積極作用。

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