La Division de code Accès multiple (CDMA) est une méthode d'accès à canal qui sous-tend plusieurs générations de communications mobiles, depuis les réseaux 2G en Amérique du Nord et en Asie jusqu'à la famille 3G CDMA2000. Bien que la conception de la diffusion du spectre de CDMA offre une résistance inhérente à l'interférence en bande étroite et à certaines formes d'écoute, elle n'offre pas une sécurité forte à elle seule.

Les défis de sécurité dans les réseaux CDMA

Les réseaux CDMA font face à un ensemble distinct de menaces en matière de sécurité qui découlent de la nature de la propagation radio, de la dépendance à l'égard des clés secrètes partagées et de la complexité des transferts entre les stations de base et les transporteurs.

Interception des signaux et écoutes

Contrairement aux communications câblées, les signaux sans fil se déplacent en plein air et peuvent être captés par n'importe quel récepteur à la bonne fréquence et équipés de la logique de démodulation appropriée. Bien que CDMA diffuse le signal sur une large bande passante en utilisant une séquence pseudo-aléatoire, le code de diffusion lui-même n'est pas un secret, il est souvent diffusé ou dérivé des normes accessibles au public.

Clonage et immobilisation

Au début des déploiements de CDMA, chaque appareil mobile a été identifié par un numéro de série électronique unique (NEE) et un numéro d'identification mobile (MIN). Les attaquants pouvaient intercepter la paire ESN/MIN en ondes et programmer un téléphone différent pour se masquerer comme abonné légitime.Cette attaque de clonage a permis aux fraudeurs de faire des appels chargés sur le compte de la victime.

Attaques de l'homme dans le milieu et rejouer

Comme les réseaux CDMA reposent sur le verrouillage en direct, un attaquant placé entre le mobile et la station de base (une station de base --fake ou --IMSI attraper--) peut forcer l'appareil à diminuer le chiffrement ou même à désactiver complètement le chiffrement.

Refus de service

Un attaquant sophistiqué peut bloquer des parties du spectre CDMA ou envoyer des messages de signalisation malformés pour perturber le service d'un secteur ou d'une station de base entière. Bien que ce ne soit pas un problème de confidentialité ou d'intégrité, les attaques de déni de service érodent la confiance et peuvent causer des dommages économiques.

Techniques de chiffrement dans CDMA

Le chiffrement dans les systèmes CDMA protège la confidentialité des données des utilisateurs et la signalisation de contrôle. Les algorithmes spécifiques utilisés sont passés de chiffrement propriétaire, 64 bits, à des normes de chiffrement strictes et contrôlées publiquement. Voici les principales familles de techniques de chiffrement utilisées dans les générations CDMA.

Chiffres de flux pour la voix et les données

Les premiers réseaux CDMA (IS-95) utilisaient les ORANGE et ORAGE[ pour le chiffrement de la voix, tous deux dérivés de l'algorithme spécifique à l'industrie cellulaire CAVE[ (Authentification cellulaire et chiffrement de la voix). CAVE est construit autour d'une combinaison d'opérations de substitution et de registres linéaires de changement de direction (RSFT). La variante de chiffrement de la voix a produit un flux de touches qui a été XOR avec les cadres de voix numérisés. Malheureusement, ces chiffres ont été tenus secrets (la sécurité par obscurité) et plus tard inversés; les chercheurs ont démontré que la clé 64 bits pouvait être forcée avec des ressources modérées. Par exemple, l'algorithme ORYX, utilisé dans certains services de données CDMA, avait également une clé 64 bits et était brisée en temps réel.

CDMA2000 1xRTT a introduit les algorithmes HVX (encryptage de la voix à haute vitesse) et VTX (encryptage de type T à taux variable), qui ont augmenté la longueur de la clé à 128 bits et utilisé des configurations LFSR plus robustes.

Chiffres de blocs pour données de paquets

Pour les données à commutation de paquets, les réseaux CDMA2000 se sont éloignés des chiffres de flux et ont adopté la norme de chiffrement avancé (AES). Le chiffrement AES, avec 128‐, 192‐ ou 256‐bits, est devenu obligatoire dans la norme de données de paquets à débit élevé (HRPD, également connue sous le nom d'EV‐DO). AES est utilisé en mode CPC ou Counter (CTR) pour chiffrer les paquets IP à la couche de liaison radio.

Cryptographie à clé publique pour établissement clé

Les réseaux CDMA utilisent la cryptographie asymétrique (clé publique) à deux fins principales:

  • Échange de clé d'authentification:[ Le protocole Diffie‐Hellman (DH) ou sa variante elliptique-courbe (ECDH), permet au mobile et au réseau de s'entendre sur une clé de session partagée même sur un canal non sécurisé.
  • Les signatures numériques pour les éléments réseau: Les signatures RSA et ECDSA permettent à un mobile de vérifier qu'il communique avec une station de base légitime, ce qui réduit les attaques de fausse station de base.

Protocoles relatifs à la sécurité dans le cadre de l ' Accord sur les armes classiques

Les algorithmes de chiffrement ne sont que aussi forts que les protocoles qui régissent leur utilisation. CDMA définit une pile de protocole de sécurité en couches qui couvre l'authentification, la gestion des clés, l'intégrité des données et la confidentialité.

Protocoles d'authentification

L'algorithme CAVE a formé le cœur de l'authentification dans les réseaux IS‐95 et CDMA2000. Il utilise une clé d'authentification 64 bits (A‐Key) stockée dans la carte SIM mobile (ou, dans les téléphones plus anciens, dans le firmware). Lors de l'authentification, la station de base envoie un défi aléatoire 32 bits (RAND) au mobile. Le mobile calcule une réponse signée 32 bits (SRES) en utilisant CAVE, et ceci est comparé à la valeur calculée par le Centre d'authentification (AuC). S'ils correspondent, l'accès est accordé.

Le système génère également une donnée secrète partagée (SSD) qui peut être mise à jour périodiquement en utilisant CAVE.

CAVE avait des faiblesses connues : la clé A 64 bits pouvait être récupérée par des attaques sur canaux latéraux ou par force brute si un attaquant obtenait les paires RAND-SRES. En réponse, CDMA2000 1x et HRPD adoptaient le protocole AKA (Authentification et accord clé) initialement défini par 3GPP pour UMTS. AKA utilise une clé maître 128 bits (K) stockée sur la carte universelle de circuits intégrés (UICC) et utilise l'algorithme Milenage (ou d'autres algorithmes spécifiques à l'opérateur) pour produire des vecteurs d'authentification. Les vecteurs contiennent un défi aléatoire, une réponse attendue (XRES), une clé de chiffrement (CK) et une clé d'intégrité (IK).

Protocoles de chiffrement

Le chiffrement dans CDMA se fait en deux couches:

  • Cryptage en direct (OTA) :[ Le lien radio entre le mobile et la station de base est chiffré à l'aide des touches de session dérivées lors de l'authentification. Dans l'IS‐95, la clé de chiffrement vocal a été générée à partir de la touche A et d'une graine aléatoire.
  • End-to-end cryptage (facultatif):[ Parce que les stations de base déchiffrent le trafic en OTA avant de le transmettre au réseau câblé, l'opérateur du réseau a accès à des données texte clair. Pour obtenir une véritable confidentialité de bout en bout, les applications doivent mettre en œuvre leur propre cryptage (p. ex. HTTPS, VoIP‐SRTP, ou messagerie sécurisée).

Gestion des clés

Une bonne gestion des clés est essentielle. Les réseaux CDMA maintiennent une hiérarchie des clés :

  • A‐Key: Le secret à long terme stocké dans l'UICC et l'AuC.
  • SSD:[ Une donnée secrète partagée de 128 bits utilisée pour l'authentification provisoire et la génération de clés de chiffrement dans 2G/3G CDMA.
  • Clauses de session (CK, IK):[ Dérivé par session en utilisant le protocole d'authentification, valable uniquement pour la durée d'un appel ou d'une session de données.
  • Clés de chiffrement:[ Dérivé de CK et utilisé directement par l'algorithme de chiffrement.

La distribution des clés est gérée par l'infrastructure réseau : l'AuC génère des vecteurs d'authentification et les envoie à la station de base ou au registre de localisation (HLR) via des liaisons filaires sécurisées (souvent protégées par IPSec ou des lignes louées dédiées).

Contrôles d'intégrité

Pour s'assurer que les données n'ont pas été altérées pendant le transit, les protocoles CDMA comprennent des codes d'authentification des messages (CMA).Dans CDMA2000 HRPD, les cadres RLP (Radio Link Protocol) sont protégés par un CRC 16 bits qui permet de détecter les erreurs mais pas l'authenticité. Pour une plus grande intégrité, la couche IP peut utiliser IPsec avec AH (Authentification Header) ou ESP avec protection de l'intégrité.

Evolution de 2G à 3G et 4G

L'architecture de sécurité des réseaux CDMA a connu une amélioration significative à mesure que la technologie passait de la gamme IS‐95 commutée à la famille CDMA2000 centrée sur les paquets, puis à la LTE (qui, bien que non CDMA, s'est appuyée sur les leçons apprises).

IS-95 (2G)

  • Authentification : CAVE avec 64 bits A‐Key, authentification unidirectionnelle seulement (le réseau authentifie mobile, pas vice versa).
  • Chiffrement : Chiffres de flux propriétaires (ORANGE, ORYX) avec clés 64 bits ; masque de confidentialité pour le MIN/ESN.
  • Vulnérabilités : clés faibles, clonage, aucune protection de l'intégrité de la voix, force brute triviale pour le chiffrement.

CDMA2000 1x (3G)

  • Authentification : Option pour CAVE mise à niveau à 128 bits SSD; introduction ultérieure de 3GPP AKA (pas obligatoire jusqu'à la révision C).
  • Chiffrement : AES obligatoire pour les données de paquets ; option HVX/VTX pour la voix avec des touches 128 bits.
  • Améliorations : Clés plus longues, authentification mutuelle, protection de l'intégrité de la signalisation via l'intégrité du contrôle des ressources radio.
  • Faiblesses : Legacy CAVE est resté en usage sur de nombreux réseaux ; la compatibilité arrière a permis des attaques de dégradation.

CDMA2000 EV-DO Rev. A/B (3.5G)

  • Adoption complète de l'AKA avec clé de commande 128 bits.
  • Chiffrement : AES‐CTR pour les données utilisateur; AES‐CBC pour les messages de contrôle.
  • Intégrité : AES‐CMAC pour les messages de contrôle, remplaçant la MAC plus faible basée sur CAVE.
  • Sécurité côté réseau: IPSec recommandé pour les connexions backhaul entre les nœuds d'accès radio et le noyau de paquets.

LTE et au-delà (4G/5G)

Alors que LTE (Long Term Evolution) utilise l'ODDMA plutôt que le CDMA, les mécanismes de sécurité adoptés par 3GPP pour LTE—EPS AKA, les touches 128 bits, AES, SNOW 3G et ZUC représentent l'évolution mature des principes appliqués pour la première fois dans CDMA2000. La transition de CDMA à LTE a permis aux opérateurs de tirer parti des algorithmes plus récents tout en maintenant la compatibilité en arrière par des procédures de repli (par exemple, CSFB à 1xRTT pour la voix).

Progrès et tendances futures

Plusieurs nouvelles technologies et orientations de recherche promettent de renforcer encore la sécurité des réseaux mobiles de nouvelle génération et dérivés de CDMA.

Chiffrement de bout en bout (E2EE)

Comme le cryptage des accès radio se termine à la station de base, les opérateurs de réseau (et toute entité ayant accès à l'infrastructure filaire) peuvent intercepter le trafic décrypté. Vrai E2EE n'est possible que lorsque les applications communicantes gèrent le cryptage de manière indépendante. Les systèmes d'exploitation mobiles mandatent désormais E2EE pour les applications de messagerie (p. ex. Signal, WhatsApp), mais pour la voix traditionnelle commutée sur circuit, les opérateurs déploient la voix sur LTE (VoLTE) avec la gestion des clés SRTP et MIKEY, qui peuvent être combinés avec des solutions E2EE qui cachent le contenu des appels même du fournisseur.

Authentification biométrique et comportementale

En plus de l'authentification cryptographique, les appareils mobiles intègrent désormais les empreintes digitales, la reconnaissance faciale et l'authentification continue basée sur le comportement.Pour les appareils CDMA dans les applications IoT, ces méthodes peuvent compléter l'AKA basée sur SIM en fournissant la vérification de second facteur et en détectant les modèles d'utilisation anormale (p. ex., mobilité soudaine du combiné incompatible avec un capteur IoT fixe).

Cryptographie post-Quantum

À mesure que les ordinateurs quantiques avancent, la sécurité des algorithmes à clé publique comme RSA et ECDH peut être rompue. L'industrie mobile recherche activement des schémas cryptographiques postquantiques (p. ex., sur réseau, sur code, multivariés) qui pourraient être déployés dans les futurs protocoles d'authentification.

Sécurité du réseau définie par le logiciel

Avec le passage vers les réseaux de base virtuels RAN et cloud-native, les opérateurs CDMA déploient des systèmes de détection d'intrusion basés sur l'apprentissage automatique qui surveillent les schémas de signalisation pour les anomalies indiquant de fausses stations de base ou des tempêtes de signalisation.Ces systèmes peuvent orienter dynamiquement le trafic, ajuster les politiques de cryptage ou isoler les appareils compromis – capacités qui n'étaient pas possibles dans le matériel à fonction fixe des anciens réseaux CDMA.

Conclusion

Les protocoles de sécurité et les techniques de chiffrement dans les communications mobiles CDMA sont passés de codes propriétaires faibles à des algorithmes robustes et normalisés à l'échelle internationale, appuyés par un examen public. Le passage de CAVE à AKA et de codes 64 bits à AES 256 bits reflète l'appréciation croissante de l'industrie des télécommunications pour une sécurité proactive et stratifiée. Bien que CDMA elle-même soit retraitée sur de nombreux marchés, les leçons apprises – et les conceptions de protocoles durcies depuis deux décennies – continuent d'informer les fondations de la sécurité de 4G, 5G et au-delà.

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