Đồ án CÔNG NGHỆ 3g và vấn đề bảo mật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TAO TRƯỜNG………………… Đồ án CÔNG NGHỆ 3G VÀ VẤN ĐỀ BẢO MẬT MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .3 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.3 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG 1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT(1G) 1.5 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI(2G) 1.5.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) .6 1.5.2 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 1.5.3 Hệ thống thông tin di động hệ 2,5G-GPRS .7 1.6 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA (3G) 1.7 TỔNG KẾT MỘT SỐ NÉT CHÍNH CỦA CÁC NỀN TẢNG CƠNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG TỪ THẾ HỆ ĐẾN THẾ HỆ .10 Chƣơng HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ .11 2.1 MỞ ĐẦU 11 2.1.1 Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA 12 2.1.2 Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000 13 2.1.3 Công nghệ GPRS 15 2.1.4 Công nghệ EDGE 17 2.1.5 Công nghệ CDMA 20001X 19 2.1.6 Tổng kết 20 2.2 CÔNG NGHỆ CDMA 2000 21 2.2.1 Nguyên lý CDMA .21 2.2.2 Điều khiển công suất CDMA 27 2.2.4 Máy thu Rake 30 2.2.5 Tổ chức kênh CDMA2000 30 2.2.6 Kỹ thuật trải phổ mã trải phổ 39 2.2.7 Kiến trúc mạng CDMA 2000 42 2.3 KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT MẠNG 3G 44 Chƣơng BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G 46 3.1 AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 46 3.1.1 Tạo lập môi trƣờng an ninh 46 3.1.2 Các đe dọa an ninh 47 3.1.3 Các công nghệ an ninh 49 3.1.4 Mơ hình an ninh tổng qt hệ thống thông tin di động 61 3.1.5 Nhận thực thuê bao GSM 62 3.1.6 Mật mã hóa GSM .63 3.1.7 Các hạn chế an ninh GSM 63 3.2 Giải pháp an ninh 3G UMTS 64 3.2.1 Mơ hình kiến trúc an ninh 3G UMTS 64 3.2.2 Các hàm mật mã 66 3.2.3 Các thông số nhận thực .75 3.2.4 Mơ hình an ninh cho giao diện vô tuyến 3G UMTS 76 3.2.5 Nhận thực thỏa thuận khóa AKA 81 3.2.6 Thủ tục đồng lại AK .83 KẾT LUẬN .86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC BẢNG Bảng Các kiểu hoạt động MS GPRS Bảng Những nét thơng tin di động từ hệ đến hệ 10 Bảng3 Bảng ký hiệu kênh chức kênh vật lý 31 Bảng Các hàm mật mã .67 Bảng Bảng kích cỡ thông số nhận thực 76 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Q trình phát triển hệ thống thơng tin di động từ hệ đến hệ 11 Hình 2.2 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh WCDMA 12 Hình 2.3 Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA2000 .13 Hình 2.4 Kiến trúc mạng GPRS .16 Hình 2.5 Giao diện Gb mở kết nối PCU với SGSN 17 Hình 2.6 Các kênh vật lý đường xuống 32 Hình 2.7 Các kênh vật lý đường lên 36 Hình 2.8 Sơ đồ kiến trúc mạng CDMA 2000 42 Hình 2.9 Cấu trúc chung mạng3G 45 Hình 3.1 Minh họa chế sở mật mã khóa 51 Hình 3.2 Q trình sử dụng tóm tắt tin để cung cấp chữ ký điện tử 55 Hình 3.3 Nhận thực chữ ký điện tử 58 Hình 3.4 Phương pháp nhận thực sử dụng MAC 60 Hình 3.5 Kiến trúc an ninh tổng quát hệ thống thơng tin di động .61 hình 3.6 Q trình mật mã hóa giải mật mã hóa hàm f8 68 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán hàm f9 70 Hình 3.8 Quy trình tạo AC AuC .72 Hình 3.9 Quy trình tạo thơng số USIM 72 Hình 3.10 Tạo AuTS USIM 73 Hình 3.11 Thủ tục đồng AuCc .74 Hình 3.12 Mơ hình an ninh cho giao diện vô tuyến 3G UMTS .77 Hình 3.13.: Nhận thực người sử dụng VLR/SGSN 78 Hình 3.14 Nhận thực mạng USIM 79 Hình 3.15.: Bộ mật mã luồng khóa UMTS 79 Hình 3.16 Nhận thực toàn vẹn tin .80 Hình 3.17 Tổng quan trình nhận thực thỏa thuận khóa AKA .82 Hình 3.18 Thủ tục đồng lại 83 LỜI NÓI ĐẦU Ở Việt Nam năm gần đây, ngành cơng nghệ viễn thơng có bƣớc phát triển mạnh mẽ, đặc biệt lĩnh vực vô tuyến di động Sự phát triển công nghệ kéo theo nhiều dịch vụ tiện ích đời đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày cao xã hội Trong phải kể đến dịch vụ thơng tin di động Điện thoại di động không dùng để nghe gọi nhƣ trƣớc, mà trở thành thiết bị di động với đầy đủ tính để phục vụ nhu cầu ngƣời Bằng điện thoại di động ngƣời sử dụng gửi tin, nhạc chng, logo, hình ảnh, …cho ngƣời khác, truy cập liệu phục vụ việc học hành Ngồi ra, ngƣời dùng tra cứu thơng tin thị trƣờng chứng khốn, thời tiết, chƣơng trình truyền hình …ở nơi, thời điểm, với tốc độ cao khơng thua mạng có dây Điều tạo chuyển biến tích cực đời sống kinh tế xã hội toàn giới, thay đổi cách sống ngƣời Cùng với phát triển thông tin di động mang lại nhiều lợi ích cho xã hội nguy thách thức nhà cung cấp dịch vụ tăng Thông tin ngƣời dùng truyền mơi trƣờng di động bị cơng hay bị nghe trộm ngƣời khác, dịch vụ nhà cung cấp bị đánh cắp hay bị phá hoại Điều gây thiệt hại lớn kinh tế chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ Những thách thức đặt yêu cầu cho nhà cung cấp dịch vụ vấn đề AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG để bảo vệ quyền lợi ngƣời dùng lợi ích thân nhà cung cấp Với phát triển thông tin cơng nghệ máy tính ngƣời ta đƣa giải pháp AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG khác Thế hệ hệ thống thơng tin di động tổ ong có phƣơnng pháp an ninh bảo vệ ngƣời dùng khai thác hệ thống Hệ thống hệ thứ hai nhìn chung thực điều tốt nhiều, bảo vệ đƣợc tính bí mật nhận thực thực tế Mặc dù đƣợc cải thiện cách đáng kể, an ninh thông tin hệ hai nhiều vấn đề cần phải khắc phục Hệ thống thông tin di động 3G đời tạo dựng kiến trúc an ninh chắn, nhờ cung cấp đƣợc đặc tính an ninh cần thiết Hiện nay, hệ thống thông tin di động hệ 3G UMTS đƣợc ITU chấp nhận Do đó, việc nghiên cứu AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG điều cần thiết Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, em chọn đề tài nghiên cứa “CÔNG NGHỆ 3G VÀ VẤN ĐỀ BẢO MẬT” để làm đề tài tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm ba chƣơng: Chƣơng Tổng quan hệ thống thông tin di động Chƣơng Hệ thông thông tin di động hệ thứ ba Chƣơng Bảo mật công nghệ 3G Dù cố gắng, nhƣng thời gian nghiên cứu, tìm hiểu có hạn số lƣợng kiến thức hạn chế nên Đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận đƣợc cảm thơng góp ý chân thành thầy cô bạn để Đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 25 tháng 10 năm 2010 Sinh viên NGÔ THỊ PHƢƠNG HOA Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG Từ cuối kỷ 18 – 19, công nghệ phát số truyền thông điện đƣợc phát triển sử dụng rộng rãi nhờ phát minh Hertz Marconi Nhờ phát minh mà giới thay đổi nhiều, thời gian hàng loạt phát minh tín hiệu điện, cơng nghệ thông tin điện tử đời Năm 1946, với kỹ thật FM ( điều tần số) băng song 150 MHz, AT & T đƣợc cấp giấy phép cho dịch vụ điện thoại di động thực St.Louis Năm 1948, hệ thống điện thoại toàn tự động đời Richmond, Indiana Từ năm 20 băng tần vô tuyến MHz, sau chiến II xuất thông tin di động điện thoại dân dụng Từ cuối năm 40 quan niệm “ cellular” đƣợc hình thành với Bell.Thay cho mơ hình quảng bá với máy phát công suất lớn anten cao cell diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ Khi cell cách xa đủ xa sử dụng lại tần số Từ năm 60, kênh thông tin di động có dải thơng tần số 30 kHz với kỹ thuật FM băng tần 450 MHz đƣa hiệu xuất sử dụng phổ tần tăng gấp lần so cới cuối thể chiến thứ II Tháng 12 – 1971 hệ thống cellular kỹ thuật tƣơng tự đời, FM, dải tần số 850 MHz sản phẩm thƣơng nghiệp AMPS ( tiêu chuẩn Mỹ) đời năm 1983 sản phẩm thƣơng nghiệp AMPS ( tiêu chuẩn Mỹ) đời Năm 1996, phần mƣời ngƣời Mỹ có điện thoại di động, cịn hệ thống điện thoại cơng sở- vô tuyến bao gồm 40 triệu máy, 60 triệu điện thoại kéo dài đƣợc dùng, dịch vụ PCS thƣơng mại đƣợc áp dụng Washington Trong thời gian 10 năm qua, máy điện thoại di động (thiết bị đầu cuối) giảm kích thƣớc trọng lƣợng giá thành 20% năm Đầu năm 90, hệ thông tin di động cellular bao gồm hàng loạt hệ thống nƣớc khác nhau: TACS, NMTS, NAMTS, C, v.v… Ngày để đáp ứng nhu cầu ngày tăng ngƣời sử dụng mà nhà cung cấp dịch vụ viễn thông giới không ngừng khám phá sáng tạo phát triển nhiều loại hình nhƣ CDMA có nhiều dịch vụ nhƣ đặc tính ƣu việt Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ có ứng dụng chủ yếu quân sự, đƣợc thành lập năm 1985 Đến công nghệ trở thành công nghệ thống trị Bắc Mỹ hay hệ thống nâng cấp CDMA2000, WCDMA…Những hệ thống viễn thơng đáp ứng tiện ích, nhu cầu mà ngƣời sử dụng yêu cầu nhà cung cấp dịch vụ viễn thông 1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần số cao Mã hóa số tín hiệu thoại với tốc độ bít ngày thấp, cho phép ghép nhiều kênh thoại với dịng bít tốc độ chuẩn Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu, dành tỷ lệ lớn cho tin tức ngƣời sử dụng Áp dụng kỹ thật mã hóa kênh mã hóa nguồn truyền dẫn số Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu Điều cuối tăng dung lƣợng hệ thống Điều khiển động việc cấp phát kênh liên lạc làm cho sử dụng phổ tần số hiệu Có nhiều dịch vụ mới: nhận thực, số liệu, mật mã hóa, kết nối với ISDN Điều khiển truy cập chuyển giao hồn hỏa Dung lƣợng tăng, diện tích cell nhỏ đi, chuyển giao nhiều hơn, báo hiệu tất bật dễ dàng xử lý phƣơng pháp số 1.3 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SĨNG Đặc điểm truyền sóng thơng tin di động tín hiệu thu đƣợc máy thu thay đổi so với tín hiệu phát tần số, biên độ, pha độ trễ Các thay đổi có tính chất phức tạp, ngẫu nhiên ảnh hƣởng tới chất lƣợng liên lạc Về chúng phân chia ảnh hƣởng truyền sóng thành: Ảnh hƣởng hiệu ứng Doppler, tổn hao đƣờng truyền, phadinh đa đƣờng trải trễ Hiệu ứng Doppler thay đổi tần số tín hiệu so với tín hiệu đƣợc phát đi, gây chuyển động tƣơng đối máy phát máy thu q trình truyền sóng Tổn hao đƣờng truyền suy giảm mức điện thu so với mức điện phát Trong khơng gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình thu cơng suất tín hiệu đơn vị diện tích mặt cầu sóng giảm theo bình phƣơng khoảng cách anten thu phát Pha-dinh tƣợng cƣờng độ điện trƣờng điểm thu thay đổi xạ nhiều tia Trong thông tin di động số, ảnh hƣởng đặc tính truyền dẫn đa đƣờng cịn phụ thuộc nhiều vào tỷ số độ dài dấu (sysmbol) độ trải trễ (delay spread) kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian Độ trải trễ xem nhƣ độ dài tín hiệu thu đƣợc xung cực hẹp đƣợc truyền Nếu số liệu đƣợc truyền với tốc độ thấp trải trễ đƣợc giải rõ ràng phần thu Ra đời vào cuối năm 1940, đến thông tin di động trải qua nhiều hệ Dựa vào đặc điểm phân loại mà hệ thống thông tin di động đƣợc chia làm loại: Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) Hệ thông thông tin di động hệ thứ hai (2G) Hệ thông thông tin di động hệ thứ ba (3G) 1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT(1G) Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G), sử dụng công nghệ analog gọi đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại sóng vơ tuyến đến thuê bao điện thoại di động.Nhƣợc điểm hệ thống chất lƣợng thấp, vùng phủ sóng hẹp dung lƣợng nhỏ., gọi CDMA.Trên thị trƣờng vào năm 1980, công nghệ 1G phổ biến NMT đƣợc sử dụng nƣớc Bắc Âu, Tây Âu Nga Cũng có số công nghệ khác nhƣ AMPS đƣợc sử dụng Mỹ Úc ... triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA 12 2.1.2 Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000 13 2.1.3 Công nghệ GPRS 15 2.1.4 Công nghệ EDGE 17 2.1.5 Công nghệ CDMA... cần thiết Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, em chọn đề tài nghiên cứa “CÔNG NGHỆ 3G VÀ VẤN ĐỀ BẢO MẬT” để làm đề tài tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm ba chƣơng: Chƣơng Tổng quan hệ thống thông tin... thông tin di động hệ thứ ba Chƣơng Bảo mật công nghệ 3G Dù cố gắng, nhƣng thời gian nghiên cứu, tìm hiểu có hạn số lƣợng kiến thức cịn hạn chế nên Đồ án em không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong