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
Kc để mó hoỏ tớn hiệu thoại trờn kờnh tương ứng. Vỡ vậy, cuộc gọi qua giao diện vụ tuyến Um giữa MS và BTS đó được mật mó hoỏ và đảm bảo truyền thụng tin cậy.
Thuật toán A5 Thuật toán A5 Dữ liệu ban đầu MS Kc A8 Kc Giao diện Um Mạng Số ngẫu nhiên Ki
Hỡnh 2.5 Quỏ trỡnh mó hoỏ cơ bản
Theo quan điểm của cỏc nhà mật mó học, cỏc thuật toỏn nhận thực người dựng A3, mó hoỏ bản tin A5 và cả thuật toỏn hỗ trợ tạo khoỏ A8 đều khỏ yếu so với cỏc chuẩn mó hoỏ khỏc. Cả thuật toỏn A3 và A8 đều được cài đặt trờn thẻ SIM cựng với khoỏ định danh thuờ bao (Ki), do đú yờu cầu phải truyền một cỏch bảo mật khi thuờ bao chuyển vựng tới mạng của một nhà khai thỏc khỏc. Thuật toỏn A5 cũng được cài đặt cố định trong phần cứng của mỏy di động GSM và là bộ mó hoỏ sử dụng ba thanh ghi tuyến tớnh hồi tiếp (hỡnh 2.6) để tạo ra khoỏ cú độ dài 64 bit. Khoỏ phiờn Kc dài 64 bit được nạp vào cỏc thanh ghi này và được điều khiển trong cỏc chu kỳ ngắn để tạo ra chuỗi khoỏ dài 288 bit dựng trong mó hoỏ đường lờn (114 bit) và đường xuống (114 bit cũn lại).
Hỡnh 2.6 Quỏ trỡnh mó hoỏ theo thuật toỏn A5.
2.2.7 Đa truy nhập phõn chia theo thời gian
Để đạt mục tiờu tăng số lượng thuờ bao trờn dải tần cho phộp, hệ thống GSM sử dụng tới hai mức ghộp kờnh khỏc nhau.
0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 BTS 0 0 0 9,23 ms 1 125 25 MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 200 KHz Đ ờng xuống 935 - 960 MHz Đ ờng lên 890 - 915 MHz
8 khe thời gian dành cho ng ời dùng BTS phát MS phát Khung TDMA FDMA (124 kênh) MS Hỡnh Hỡnh 2.7 Cấu trỳc khung TDMA trong hệ thống GSM
FDMA chia băng tần 25 MHz thành 124 kờnh tần số, mỗi kờnh cỏch nhau 200 KHz. Mỗi trạm gốc sẽ sử dụng một vài kờnh tần số này. Sau đú TDMA chia mỗi súng mang cũn thành cỏc khe hay cũn gọi là cỏc bú thời gian. Mỗi bú này cú độ rộng 0,577 ms và mỗi khung TDMA bao gồm tỏm khe, do đú chu kỳ khung là 4,615 ms. Mỗi khe thời gian cú thể mang một kờnh vật lý. Kết hợp cả FDMA và TDMA
tạo thành tổng cộng 992 kờnh song cụng GSM. Khung TDMA cũng phõn cấp thành đa khung, siờu khung và siờu siờu khung.
2.2.8 Nhảy tần
Nhảy tần sử dụng trong GSM khụng nhằm mục đớch tạo ra tớnh bảo mật, mà cũng như cỏc kỹ thuật trải phổ nhằm đạt hiệu quả cao trong cỏc kờnh fading vụ tuyến, đặc biệt là trong cỏc khu vực nhà cao tầng. Tuy vậy, nếu ai đú muốn giỏm sỏt quỏ trỡnh truyền dẫn của một kờnh nhảy tần thỡ cần phải biết được thuật toỏn nhảy tần tương ứng. Xem hỡnh 2.8 cú thể nhận thấy BTS phỏt tới MS trờn khe số 1 của tần số 1. MS cũng phỏt tới BTS trờn cựng kờnh tương ứng nhưng ở thời điểm sau đú. Khi BTS và MS thực hiện nhảy tần trờn cỏc kờnh tần số khả dụng, vớ dụ như trờn hỡnh vẽ là ba kờnh, thỡ mỗi kờnh này sẽ khụng bị ảnh hưởng nghiờm trọng do fading như trong cỏc kờnh tần số cố định. Núi chung, thuật toỏn điều khiển nhảy tần khụng phải là mó hoỏ nhưng cũng do BSC điều khiển để tạo chuỗi nhảy tần tương ứng cho MS. 1 BTS Đ ờng xuống 935 - 960 MHz Đ ờng lên 890 - 915 MHz BTS phát MS phát MS 2 0 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 Hỡnh 2.8 Nhảy tần chậm trong hệ thống GSM
2.3 Cỏc chế độ bảo mật theo chế độ người dựng
Khi quyết định sử dụng chế độ bảo mật phớa khỏch hàng, vấn đề đầu tiờn gặp phải là sử dụng trong hệ thống GSM thỡ yờu cầu phải được nhà khai thỏc cấp cho kờnh số liệu cho cỏc thuờ bao trong nhúm bảo mật. Kờnh số liệu được hiểu là đường
thứ hai liờn kết tới mỏy di động, là một kờnh khỏc của mỏy di động khụng dựng để truyền số liệu thoại thụng thường mà dựng để truyền dữ liệu. Khụng giống như kờnh thoại, kờnh số liệu cú giao thức chống lỗi và thụng thường cũn gọi là kờnh trong suốt. Đõy là yờu cầu bắt buộc khi sử dụng mỏy đầu cuối bảo mật.
Để đảm bảo truy nhập vào kờnh số liệu GSM, khỏch hàng cần tuõn thủ một số yờu cầu kỹ thuật sau:
- Mật mó hoỏ thụng tin thoại
- Thuật toỏn mó húa mạnh sử dụng khoỏ dài, vớ dụ khoỏ 128 bit - Khối bảo mật chịu nhiễu
- Bộ lưu trữ khoỏ mó
- Đặc tớnh đa khoỏ để cú thể thiết kế cấu trỳc mạng bảo mật - Cụng cụ và kỹ thuật quản lý khoỏ
- Khả năng xoỏ khẩn cấp cỏc khoỏ và dữ liệu nhạy cảm - Điều khiển truy nhập
- Chế độ hoạt động bỡnh thường GSM và cỏc tuỳ chọn khỏc - Mó hoỏ thoại chất lượng cao
- Dễ sử dụng
2.3.1 Quỏ trỡnh mó húa theo yờu cầu người dựng
Cấu trỳc cơ bản của một mỏy điện thoại di động GSM bao gồm cỏc phần tử cơ bản như sau ( hỡnh 2.9):
- Bộ kết hợp anten, kết hợp cả phần thu và phần phỏt trong một anten
- Bộ thu chứa cỏc phần tử xử lý tớn hiệu, kết hợp giữa bộ lọc và bộ trộn để biến đổi hạ tần về IF. Biờn độ của tớn hiệu cũng được đo và được hiển thị tới người dựng
- Bộ cõn bằng mộo do fading đa đường
- Bộ giải điều chế tạo chuỗi bit tớn hiệu từ trung tần IF
- Bộ giải ghộp kờnh sử dụng cỏc khung đỏnh số để sắp xếp cỏc thụng tin nhận được từ cỏc khe thời gian vào cỏc kờnh logic tương ứng
- Bộ giải mó kờnh, mó hoỏ và giải mó chuỗi bit từ/tới bộ ghộp kờnh, nú xử lý cỏc khe thời gian chứa dữ liệu thoại và cũng điều khiển kờnh và tiờu đề khung. Nú truyền cỏc khung tớn hiệu tới khối xử lý bỏo hiệu và giải mó tiếng.
- Bộ giải mó tiếng, để tỏi tạo lại õm thanh người núi từ cỏc khối thoại 260 bit, truyền thụng tin thoại dạng số này tới bộ biến đổi số - tương tự (DAC). Ngược lại, trong chế độ truyền đi, nú nộn thụng tớn hiệu thoại do ADC số hoỏ thành cỏc khối 260 bit trước khi mó hoỏ.
- Khối điều khiển và bỏo hiệu thực hiện tất cả cỏc chức năng điều khiển và bỏo hiệu như điều khiển cụng suất, chọn kờnh và cỏc chức năng khỏc.
- Khối tạo bú, tạo cấu trỳc bú kờnh và ghộp cỏc kờnh này thành cấu trỳc khung. Tớn hiệu số sau đú được biến đổi thành tớn hiệu tương tự rồi đưa tới khối phỏt vụ tuyến.
- Mỏy phỏt bao gồm tầng IF và RF, chứa cỏc bộ lọc và bộ khuếch đại để điều khiển cụng suất đầu ra tuỳ theo yờu cầu của BTS.
-Bộ tổng hợp tần số và VCO cung cấp tất cả cỏc loại tần số và đồng hồ chớnh xỏc cho cả mỏy thu và mỏy phỏt.
Bộ thu Bộ phát Bộ tổng hợp VCO Bộ điều khiển Cân bằng Giải điều chế Giải ghép kênh Tạo khung ghép kênh điều chế Mã hoá
kênh D/A A/D
Mã hoá tiếng A D A D Rx Tx Bộ kết hợp
Hỡnh 2.9 Sơ đồ khối cơ bản của mỏy di động GSM
Quỏ trỡnh mó hoỏ thoại được trỡnh bày chi tiết hơn trong hỡnh 2.10. Trong chế độ truyền, đầu ra của giao diện õm thanh số cú dạng 64 kbps được truyền tới khối mó hú thoai hay cũn gọi là DSP, vớ dụ bộ mó hoỏ AMBE để nộn tớn hiệu này xuống cũn 5,6 kbps, rồi trộn với chuỗi khoỏ mó theo phộp cộng module 2 bằng cỏc
cổng XOR. Tớn hiệu mật mó này được đúng gúi một lần nữa để chứa cỏc thụng tin đồng bộ trước khi tryền tới khối phỏt GSM bỡnh thường, thụng qua giao diện chuẩn như RS-232. Tại phớa thu, cỏc quỏ trỡnh xử lý diễn ra tương tự, ngược với phớa phỏt.
Bộ thu Bộ phát Bộ tổng hợp VCO Bộ điều khiển Cân bằng Giải điều chế Giải ghép kênh Tạo khung ghép kênh điều chế Mã hoá
kênh D/A A/D
Mật mã hoá / giải mật mã A D A D Rx Tx Bộ