GSM là một hệ thống thụng tin di động dựng băng tần 890 ữ 960 MHz được chia thành 2 dải tần:
- Dóy tần từ 890 ữ 915MHz dựng cho đường lờn từ MS đến BTS (Uplink). - Dóy tần từ 935 ữ 960MHz dựng cho đường xuống từ BTS đến MS (Downlink).
Hai băng tần rộng 25MHz được chia thành 124 súng mang. Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang trong hệ thống GSM là 200KHz .Ở Việt Nam băng tần GSM được cung cấp cho 3 nhà khai thỏc là Vinaphone, Viettel, Mobilephone.
Mạng GSM cũng cú giao diện để kết nối và hoạt động cựng với mạng điện thoại cố định PSTN. Điểm giao diện giữa hai hệ thống là một khỏi niệm quan trọng trong bảo mật, đú là một điểm chuyển tiếp, tại đú cỏc cuộc gọi GSM ớt được bảo vệ nhất, và do đú dễ bị tấn cụng từ những cỏi bẫy cú sẵn trong mạng PSTN. Bảo mật cho mạng GSM rất quan trọng, khụng chỉ khi kết nối với mạng điện thoại cụng cộng mà cũn phải phũng ngừa cỏc tấn cụng diễn ra nhằm vào mạng GSM.
2.1.1 Cỏc thành phần hệ thống
Một hệ thống di động cơ bản bao gồm cỏc thành phần sau: - Trạm di động (MS)
- Trạm thu phỏt gốc (BTS) - Bộ điều khiển trạm gốc (BSC)
- Trung tõm chuyển mạch cỏc dịch vụ di động - Cổng (GMSC) - Trung tõm quản lý và vận hành (OMC)
- Bộ ghi định vị thường trỳ (HLR) - Bộ ghi vị trớ tạm trỳ (VLR)
- Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR) - Giao diện BTS-BSC (Abis)
- Giao diện vụ tuyến (Um) - Cỏc thuật toỏn A3, A4, A5, A8 - Khoỏ bớ mật Ki và Kc . BTS BTS GMSC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 *8 # MSC MSC BSC BSC VLR HLR EIR AuC VLR PSTN, ISDN MS
Hỡnh 2.1 Kết nối giữa cỏc thành phần trong hệ thống GSM
Kết nối giữa cỏc thành phần và chức năng hoạt động mụ tả trong hỡnh 2.1 Trong đú:
MS : MS cú thể là thiết bị xỏch tay, thiết bị đặt trong ụ tụ hay thiết bị cầm tay. Ngoài việc chứa cỏc chức năng vụ tuyến chung và xử lý cho giao diện vụ tuyến, MS cũn phải cung cấp cỏc giao diện với người sử dụng như: micro, loa, màn hiển thị, bàn phớm để quản lý cuộc gọi hoặc giao diện với một số thiết bị khỏc như mỏy tớnh cỏ nhõn, Fax…
BTS : Thụng thường được đặt cố định tại trung tõm của một ụ, cú cụng suất phỏt đủ để đỏp ứng cho một khu vực vài trăm met cho tới vài kilụmet tuỳ theo kớch
thước của ụ. Mỗi BTS thường cú dung lượng đến 16 kờnh thoại khỏc nhau. Một BTS bao gồm cỏc thiết bị thu /phỏt tớn hiệu súng vụ tuyến, anten và bộ phận mó húa và giải mó giao tiếp với BSC. BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuờ bao MS, trao đổi thụng tin với MS qua giao diện vụ tuyến. Mỗi BTS tạo ra một hay một số khu vực vựng phủ súng nhất định gọi là tế bào (cell).
BSC : Bộ điều khiển trạm gốc BSC cú nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vụ tuyến thụng qua cỏc lệnh điều khiển từ xa. Cỏc lệnh này chủ yếu là lệnh ấn định, giải phúng kờnh vụ tuyến và chuyển giao. Một phớa BSC được nối với BTS, cũn phớa kia nối với MSC của phõn hệ chuyển mạch SS. Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, cũn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A.bis. Phụ thuộc vào kớch thước của mạng mỗi BSC cú thể điều khiển từ vài chục tới hàng trăm BTS.
GMSC : Là giao diện giữa mạng di động với mạng PSTN. GMSC điều khiển định tuyến tất cả cỏc cuộc gọi từ/tới mạng GSM và lưu trữ thụng tin về vị trớ của MS.
OMC : Là hệ thống giỏm sỏt cỏc bản tin bỏo lỗi và bỏo cỏo trạng thỏi từ cỏc thành phần khỏc của hệ thống. Nú cũng cấu hỡnh cho BTS và BSC và điều khiển lưu lượng cho cỏc khối này.
HLR : Bộ ghi định vị thường trỳ là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất của mạng GSM.Trong HLR lưu trữ những số liệu về trạng thỏi thuờ bao, quyền thõm nhập của thuờ bao, cỏc dịch vụ mà thuờ bao đăng ký, cỏc số liệu động về vựng mà ở đú đang chứa thuờ bao của nú. Một trong những thành phần chớnh của bảo mật GSM là số nhận dạng thuờ bao quốc tế (IMSI) cũng được lưu trữ tại đõy, cựng với cả khúa nhận thực, số thuờ bao và cỏc thụng tin tớnh cước. Đõy là trung tõm điều khiển bảo mật và do đú sẽ cũn được xem xột trong cỏc phần sau.
VLR : Bộ ghi định vị tạm trỳ đúng vai trũ quan trọng trong vấn đề bảo mật mạng GSM. VLR chứa cỏc thụng tin cần thiết của bất kỳ một mỏy di động nào trong vựng phục vụ, bao gồm cỏc thụng tin tạm thời, số nhận dạng di động (IMSI) được sử dụng để nhận thực mỏy khỏch đú. VLR cũn cung cấp cả thụng tin về vị trớ hiện thời của thuờ bao cho GMSC phục vụ cho việc định tuyến cuộc gọi.
AuC : Trung tõm nhận thực cung cấp cho HLR cỏc thụng số nhận thực và khúa mật mó để sử dụng cho bảo mật. Ở AuC chứa cỏc thụng tin cần thiết về thuờ bao để bảo vệ hệ thống khỏi mọi sự thõm nhập trỏi phộp.
EIR : Bộ ghi nhận dạng thiết bị bảo vệ mạng khỏi mọi sự thõm nhập trỏi phộp bằng cỏch so sỏnh số IMEI của thuờ bao gửi tới và số IMEI lưu trữ trong EIR.EIR nối với MSC qua đường bỏo hiệu để MSC kiểm tra sự hợp lệ của thuờ bao.
Um : là giao diện vụ tuyến giữa MS và BTS.
2.1.2 Cỏc phõn hệ của mạng GSMMS MS BTS BTS BSC BSC MSC GMSC VLR HLR EIR AuC PSTN, ISDN SIM Phân hệ trạm gốc Phân hệ mạng Máy di động Hỡnh 2.2 Cỏc phõn hệ mạng GSM
Kiến trỳc mạng GSM cú thể phõn chia thành ba phõn hệ khỏc nhau là phõn hệ mỏy di động, phõn hệ trạm gốc và phõn hệ mạng lừi, như trong hỡnh 2.2.
Mỏy di động (MS) bao gồm khối kết cuối di động kết hợp với thẻ nhận dạng thuờ bao (SIM card). Thẻ SIM được bảo vệ truy nhập bằng mật khẩu hay mó PIN, thụng thường cú sỏu chữ số kết hợp với bộ đếm lỗi đến ba, khi quỏ giới hạn này thỡ SIM khụng cho phộp truy nhập nữa và tự động khúa lại khụng cho phộp nhập đăng vào hệ thống. Thẻ SIM cũng chứa IMSI sử dụng để nhận dạng người sử dụng trong hệ thống. Thẻ SIM chớnh là một vật “di động”, người sở hữu nú chỉ cần gắn vào bất
kỳ mỏy di động tương thớch là cú thể sử dụng dịch vụ. Thẻ SIM, đặc biệt là IMSI chớnh là đầu xa của giao thức bảo mật GSM bởi vỡ nú chứa khúa bớ mật dựng cho nhận thực người dựng. MS cũn chứa cả thuật toỏn A5 dựng để mật mó húa cuộc gọi qua giao diện vụ tuyến Um.
Phõn hệ trạm gốc bao gồm hai thành phần chớnh:
BTS và BSC truyền thụng với nhau qua giao diện Abis. Mỗi BTS cú thể mang tới 16 bộ thu phỏt vụ tuyến và do đú nú phải xử lý thụng tin bỏo hiệu với MS thụng qua giao diện Um.
BSC chịu trỏch nhiệm điều khiển cỏc thành phần của phõn hệ, cú thể phục vụ cho một hay nhiều BTS. BSC xử lý thiết lập kờnh, nhảy tần trải phổ, điều khiển chuyển giao giữa cỏc ụ và định tuyến cuộc gọi tới MSC khi cần thiết. Một cuộc gọi giữa hai mỏy di động trong cựng một ụ cú thể được điều khiển bởi BSC và BTS.
Phõn hệ mạng bao gồm bốn thành phần chớnh: - MSC - HLR - VLR - EIR - AuC
Trong đú, MSC là thiết bị trong mạng di động tương ứng với cỏc tổng đài trong mạng PSTN. MSC định tuyến cỏc cuộc gọi từ / tới thuờ bao di động và mạng điện thoại thụng thường. Nú cũng điều khiển cỏc giao thức bảo mật GSM, sử dụng cỏc bộ ghi vị trớ VLR, EIR và AuC ở phần trung tõm kết hợp với IMSI và thẻ SIM ở đầu xa của giao thức. Trong đú VLR cú thể coi như một bộ ghi vị trớ cho phộp dễ dàng định tuyến và chuyển mạng cuộc gọi. EIR là cơ sở dữ liệu chứa tất cả cỏc mỏy di động đang sử dụng trong mạng, mỗi mỏy cú nhận dạng bằng chỉ số IMEI cho phộp mạng cú thể giỏm sỏt người dựng và chỉ cho phộp những người dựng hợp lệ mới được sử dụng cỏc tớnh năng của nú. Trung tõm nhận thực AuC là cơ sở dữ liệu được bảo vệ để lưu trữ cỏc khoỏ mật mó sử dụng trong quỏ trỡnh nhận thực và mó hoỏ qua giao diện vụ tuyến Um.
2.2 Đặc điểm bảo mật của mạng GSM
Như đó trỡnh bày trong cỏc phần trờn, tiờu chuẩn bảo mật GSM bao gồm cỏc thành phần sau (hỡnh 2.3): - AuC - HLR - VLR - Thẻ SIM - IMSI và TMSI - Thuật toỏn mó hoỏ - TDMA - Nhảy tần - EIR/IMEI MS BTS BSC MSC VLR HLR AuC SIM Truyền thông không mã hoá A3, A8 IMSI, K RAND, SRES,K RAND, SRES,K Truyền thông đ ợc mã hoá Hỡnh 2.3 Vị trớ của cỏc phần tử bảo mật GSM 2.2.1 AuC
Cũng như tất cả cỏc phương tiện khỏc hoạt động trong dải tần vụ tuyến, mụi trường truyền dẫn GSM cũng cho phộp truy nhập và giỏm sỏt hoàn toàn tự do. Trung tõm nhận thực và HLR chớnh là giải phỏp cho vấn đề nhận thực. AuC và HLR cung cấp cỏc tham số theo yờu cầu cho phộp nhận thực người sử dụng di động.
AuC lưu trữ tất cả cỏc thuật toỏn mà mạng yờu cầu trong đú cú cả thuật toỏn sử dụng để nhận thực người sử dụng. Do đú AuC phải được bảo vệ trỏnh bị lạm dụng và tấn cụng.
AuC sử dụng thuật toỏn A3 lưu trờn cả SIM và AuC để kiểm tra tớnh hợp lệ của thẻ SIM. Thuật toỏn sử dụng hai đầu vào gồm khoỏ nhận thực (KI) và số ngẫu nhiờn 128 bit (RND), RND được truyền từ mạng tới mỏy di động thụng qua giao diện Um, MS thu và gửi số ngẫu nhiờn này tới thẻ SIM. Thẻ SIM sử dụng thuật toỏn A3 để giải mó RND, tạo ra số SRES 32 bit. Sau đú SRES được truyền ngược trở lại AuC để kiểm tra với kết quả mong đợi do AuC tạo ra. Nếu hai giỏ trị này giống nhau chứng tỏ MS là một thuờ bao hợp lệ. Cỏc thuờ bao khụng hợp lệ khụng thể sở hữu chớnh xỏc khoỏ KI và thuật toỏn A3 do đú khụng thể tớnh toỏn chớnh xỏc giỏ trị SRES yờu cầu. Bộ tạo số ngẫu nhiờn để đảm bảo rằng SRES là hoàn toàn khỏc nhau trong mỗi phiờn đăng nhập. Cú thể núi đõy là vớ dụ điển hỡnh về giao thức yờu cầu – đỏp ứng.
2.2.2 HLR
Mỗi một hệ thống mạng GSM đều cú một bộ ghi định vị thường trỳ (HLR). HLR dựng để lưu trữ một số lượng lớn cỏc tham số quan trọng, bao gồm cỏc thụng tin chi tiết cho việc tớnh cước, thuật toỏn A3 cho nhận thực, thuật toỏn A8 để mật mó hoỏ bản tin và khoỏ mó KI tương ứng. Nú cũng phải chịu trỏch nhiệm tạo ra chuỗi số ngẫu nhiờn sử dụng trong thủ tục nhận thực.
Do lưu trữ rất nhiều thụng tin quan trọng nờn HLR là mục tiờu cho nhiều cuộc xõm nhập trỏi phộp. Do đú nếu khụng sử dụng cỏc biện phỏp bảo mật đặc biệt thỡ HLR rất cú khả năng bị sửa đổi trỏi phộp, cỏc hoỏ đơn tớnh cước cú thể sai lệch đi...
2.2.3 VLR
Bộ ghi định vị tạm trỳ chứa cỏc thụng tin chi tiết về vị trớ của mỏy di động trong vựng phục vụ của MSC tương ứng. Trong khi HLR chứa cỏc thống tin cố định về thuờ bao thỡ VLR chứa TMSI của MS tương ứng dựng trong bỏo hiệu qua giao diện Um, đảm bảo an toàn hơn so với sử dụng IMSI. VLR cũng cho hệ thống biết chớnh xỏc vị trớ hiện thời của mỏy di động và hỗ trợ thủ tục nhận thực cho MSC khi MS lần đầu đăng nhập vào trờn một mạng khỏc.
2.2.4 Thẻ SIM
Thẻ SIM là một loại thẻ thụng minh cú chứa một bộ vi xử lý và bộ nhớ trong. SIM chớnh là trỏi tim của hệ thống bảo mật GSM, nú quyết định cỏc thủ tục nhận thực và xử lý mó hoỏ tớn hiệu. Thẻ SIM chứa IMSI cựng với thuật toỏn bảo mật A3 và A8 , khoỏ mó Ki dựng để nhận thực thuờ bao và cả mó PIN để điều khiển truy nhập SIM.
Quỏ trỡnh điều khiển truy nhập SIM sử dụng một dóy số gọi là số nhận dạng cỏ nhõn (PIN). Khi người sử dụng quờn mất số PIN của mỡnh hay một người lạ muốn chiếm quyền sử dụng, thẻ SIM sử dụng một bộ đếm lỗi cho phộp thử sai ba lần, quỏ giới hạn này thỡ SIM sẽ tự động khoỏ lại. SIM đó bị khoỏ chỉ cú thể mở lại bằng cỏch nhập đỳng vào khoỏ mở SIM cỏ nhõn (PUK). Thụng thường khúa này do nhà cung cấp dịch vụ giữ và phải kiểm tra chớnh xỏc thuờ bao.
Ngoài cỏc tham số bảo mật trờn, thẻ SIM cũn chứa cỏc thụng số chi tiết về cuộc gọi của thuờ bao như:
- Danh bạ cỏ nhõn
- Số nhận dạng thuờ bao IMSI - Bộ nhớ tin nhắn
- Chi tiết về chuyển mạng khi đi du lịch quốc tế - Thụng tin cước
Khi mà ngành cụng nghiệp di động đang dần tiến lờn thế hệ thứ Ba thỡ thẻ SIM như hiện nay cũng yờu cầu phải cú thờm nhiều tớnh năng phức tạp hơn nữa. Rừ ràng là dung lượng bộ nhớ trong của cỏc điện thoại di động đang tăng lờn đỏng kể, do đú thẻ SIM cũng phải cú thờm nhiều đặc điểm bảo mật quan trọng, đặc biệt là cho cỏc dịch vụ thanh toỏn như thương mại điện tử đang ngày càng phổ biến.
2.2.5 IMSI và TMSI
IMSI là số nhận dạng thuờ bao di động quốc tế cũn TMSI cú nghĩa là số nhận dạng thuờ bao di động tạm thời. TMSI sử dụng khi thuờ bao khỏch chuyển vựng tới một mạng khỏc sau khi nú đó được nhận thực và qua cỏc thủ tục xử lý mó hoỏ. Mỏy di động đỏp ứng lại bằng cỏch xỏc nhận lại những gỡ nhận được. Toàn bộ thủ tục bảo mật này sử dụng thuật toỏn mó hoỏ A5, như trỡnh bày trong hỡnh 2.4.
Thuật toán A5 Thuật toán A5 MS BTS Kc A5 A5 Kc Hỡnh 2.4 Ứng dụng của TMSI
TMSI dựng để nhận dạng thuờ bao trong suốt quỏ trỡnh thuờ bao này ở trong vựng phục vụ của một VLR. TMSI cũng giỳp cho thuờ bao đảm bảo tớnh tin cậy của IMSI, bảo vệ IMSI khụng bị nghe trộm trờn đường truyền vụ tuyến. Nú cũng thay đổi theo thời gian trong suốt quỏ trỡnh chuyển giao. TMSI cũn được lưu trữ trờn thẻ SIM để cú thể sử dụng lại khi thuờ bao này đăng nhập mạng khỏch một lần nữa. Đối với cỏc cuộc gọi ra ngoài mạng, ngoài TMSI cũn phải sử dụng cả số nhận dạng vựng định vị (LAI), cho phộp thuờ bao thiết lập cuộc gọi và cập nhật vị trớ mà khụng cần phải để lộ ra những thụng tin quan trọng của IMSI, do đú bảo vệ vị trớ thuờ bao trước bất cứ kẻ nghe trộm thụng tin bỏo hiệu nào qua giao diện vụ tuyến Um.
2.2.6 Chuẩn mó húa GSM
Xem xột quỏ trỡnh mó hoỏ thoại trong cỏc hỡnh 2.5 và 2.6. Ngay sau khi nhận được tớn hiệu SRES và nhận thực thuờ bao, VLR ra lệnh cho MSC điều khiển BSC, BTS vào chế độ mật mó hoỏ. HLR cũng sử dụng thuật toỏn A8 và khoỏ Ki để tạo ra khoỏ Kc, truyền tới BSC và BTS, BTS nhận khoỏ này và ra lệnh cho MS chuyển vào chế độ mật mó hoỏ. Mỏy di động (MS) và đặc biệt là thẻ SIM, cũng sử dụng thuật toỏn A8 và khoỏ Ki trong SIM để tạo ra khoỏ Kc dài 64 bit. Khoỏ mật mó hoỏ Kc này lại được đưa vào thuật toỏn A5 của MS để tạo ra từ khoỏ mó dựng trong mó hoỏ và giải mó tớn hiệu thoại cả trong hướng thu và phỏt. Trong suốt chu kỳ này, BTS sau khi nhận thực SRES cũng chuyển vào chế độ mật mó hoỏ và sử dụng khoỏ