GPRS là hệ thống sử dụng cấu trỳc kế thừa từ GSM (xem hỡnh 2.17), với một số cải tiến nhằm cho phộp truyền dữ liệu tốc độ cao hơn giữa cỏc mỏydi
động cũng như tới cỏc thành phần khỏc trong hệ thống truyền thụng. GPRS đạt
được tốc độ cao bằng cỏch truyền cỏc gúi dữ liệu đi qua nhiều kờnh song song, kờnh kết nối khụng chỉ sử dụng một khe thời gian mà cũn dựng thờm cỏc khe
thời gian cũn trống khỏc để truyền số liệu giữa MS với BTS. Mỗi gúi được truyền trờn một kờnh vật lý khỏc nhau và kờnh chỉ thực sự bị chiếm dụng khi cú gúi tin được gửi đi, sau đú nú được giải phúng và sẵn sàng cho cỏc MS khỏc sử
dụng. Tại BTS, từ cỏc gúi tin đến từ nhiều đường một cỏch ngẫu nhiờn đú sẽ
được ghộp lại theo đỳng thứ tự ban đầu. Cỏc gúi tin này được truyền đi dưới dạng mật mó hoỏ bằng thuật toỏn A5. Do đú, cựng với việc cỏc gúi tin khụng thể đến BTS theo đỳng thứ tự nhất định thỡ càng làm cho chỳng khú bị nghe trộm hơn. Khỏc với bảo mật GSM, BTS trong GPRS khụng mật mó hoỏ cỏc gúi dữ
liệu, và do đú khụng được cung cấp khoỏ mật mó Kc mà chỉ đơn giản là chuyển khoỏ tới node hỗ trợ GPRS (SGSN). SGSN thực hiện giải mó gúi tin và ghộp chỳng lại thành bản tin hoàn chỉnh trước khi chuyển chỳng lờn mạng đường trục GSM để phõn phối tới nơi cần nhận. SGSN cũn thực hiện một nhiệm vụ quan trọng khỏc là nhận thực mỏy di động với HLR, cú phần phức tạp hơn so với thủ
tục của MSC trong mạng GSM. Khi đú, dữ liệu đó mó hoỏ được bảo mật từ khi qua giao diện Um được tới tận trạm SGSN. Tớnh bảo mật của phần này cũng
được cải thiện đỏng kể do GPRS sử dụng thuật toỏn A5. Tuy nhiờn, nếu cho rằng HLR là thành phần dễ bị tấn cụng nhất trong hệ thống GSM thỡ khi đưa thờm SGSN vào trong cấu trỳc GPRS, SGSN cũng trở thành mục tiờu mới để tấn cụng hệ thống.
Bổ xung thờm thuật toỏn A5 chắc chắn là một trong những bước quan trọng nhằm tăng cường tớnh bảo mật của hệ thống, tuy vậy vẫn yờu cầu phải sử
dụng thuật toỏn A3 mạnh hơn để bảo vệ thẻ SIM chống lại tấn cụng nhằm sao chộp trỏi phộp cỏc dữ liệu khoỏ. Khi mà GSM đó tự thừa nhận là kộm bảo mật thỡ cõu hỏi đặt ra là tớnh bảo mật của GPRS sẽ cú thể giữđược trong bao lõu? Cú một điều chắc chắn là nú sẽ cũn tiếp tục được phõn tớch dưới lăng kớnh khoa học và sẽ là một chủ đề được nghiờn cứu tại rất nhiều trường đại học. Cựng với sự
quan tõm ngày càng cao đến vấn đề bảo mật và cỏc thuật toỏn mó hoỏ, chắc chắn sẽ tạo nờn một cuộc cạnh tranh lành mạnh để dẫn đến một cuộc cỏch mạng trong hệ thống truyền thụng bảo mật. Do yờu cầu ngày càng cao về độ bảo mật, nờn cần thiết phải cú giải phỏp mới thay thế cho GSM và GPRS. Cõu trả lời chớnh là hệ thống bảo mật từ - đầu - đến - cuối, sử dụng cỏc thuật toỏn mó hoỏ và quản lý khoỏ hiệu quả hơn để cú thểđối phú với nhiều thỏch thức hơn trong tương lai.
CHƯƠNG III
KIẾN TRÚC BẢO MẬT MẠNG W-CDMA
3.1 IMT-2000
Sự phỏt triển nhanh chúng của cỏc dịch vụ số liệu mà trước hết là IP đó
đặt ra cỏc yờu cầu đối với cụng nghệ viễn thụng di động. Thụng tin di động thế
hệ hai mặc dự sử dụng cụng nghệ số nhưng vỡ là hệ thống băng hẹp và được xõy dựng trờn cơ sở chuyển mạch kờnh nờn khụng đỏp ứng được cỏc dịch vụ mới này. Trong bối cảnh đú ITU đó đưa ra đề ỏn tiờu chuẩn hoỏ hệ thống thụng tin di
động thế hệ ba với tờn gọi IMT-2000. IMT-2000 đó mở rộng đỏng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phộp sử dụng nhiều phương tiện thụng tin. Mục đớch của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới, cú thể liệt kờ ra như sau:
• Cho phộp người thuờ bao di động sử dụng nhiều loại hỡnh dich vụ di
động khỏc nhau, cả thoại lẫn dữ liệu mà khụng phụ thuộc vào vị trớ thuờ bao
• Cung cấp dich vụ cho cả vựng rộng lớn • Chất lượng dich vụ tốt nhất cú thể
• Mở rộng số lựơng dịch vụ được cung cấp, ngược lại sử dụng cú hiệu quả phổ tần truyền dẫn vụ tuyến và tớnh kinh tế của hệ thống
• Cung cấp nhiều chức năng cho mỏy đầu cuối
• Chấp nhận cung cấp dịch vụ của nhiều mạng trong cựng một khu vực phủ súng
• Cung cấp kiến trỳc mở cho phộp dễ dàng bổ sung cỏc cụng nghệ mới cũng như cỏc dịch vụ khỏc nhau
• Cấu trỳc theo khối chức năng cho phộp tạo một hệ thống ban đầu cú cấu hỡnh nhỏ và đơn giản và dễ dàng tăng lờn khi cần thiết, cả về kớch thước cũng nhưđộ phức tạp của hệ thống.
Để thỏa món những dich vụ trờn, mạng di động thế hệ Ba cũng phải đảm bảo được những yờu cầu sau:
• Cung cấp nhận thực người sử dụng theo yờu cầu, nhận dạng thuờ bao,
đỏnh số thuờ bao và sơ đồ nhận dạng thiết bị
• Cho phộp mỗi người sử dụng di động yờu cầu những dịch vụ như khởi tạo và nhận cuộc gọi. Cho phộp thực hiện nhiều cuộc gọi đồng thời mà cú thể kết hợp nhiều dịch vụ khỏc nhau như thoại hay số liệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Tối thiểu húa cỏc cơ hội để gian lận bằng cỏch hạn chế cỏc dịch vụ này • Bảo vệ người sử dụng chống lại sự lạm dụng cỏc mỏy di động bị lấy
cắp bằng cỏch duy trỡ danh sỏch nhận dạng cỏc mỏy bị lấy cắp và giỏm sỏt lưu lượng cỏc mỏy này
• Cung cấp cỏc dịch vụ khẩn cấp và cỏc thụng tin hữu ớch về cỏc cuộc gọi khẩn cấp: số thuờ bao, thụng tin về vị trớ và cỏc thụng tin khỏc cần thiết cho chớnh quyền địa phương
• Hỗ trợ tớnh di động bằng cỏch đăng ký trờn nhiều thiết bị đầu cuối khỏc nhau, sử dụng thẻ nhận dạng thuờ bao (SIM card)
• Cho phộp tự động chuyển vựng quốc tế giữa cỏc thuờ bao di động và cỏc trạm phục vụ chỳng
• Đảm bảo dịch vụ cho nhiều mỏy di động khỏc nhau, từ cỏc mỏy cầm tay cỏ nhõn cho tới cỏc mỏy đặt trờn cỏc phương tiện giao thụng
• Cung cấp dịch vụ số liệu gúi tốc độ cao:
- 2 Mbps trong mụi trường bỡnh thường - 384 Kbps đối với người đi bộ
- 144 Kbps trong cỏc phương tiện giao thụng
Phổ tần sử dụng cho IMT-2000 được ITU quy định trong dải 1885 MHz – 2025 MHz và 2110 MHz – 2200 MHz, như trong hỡnh 3.1.
Thỏng chớn năm 1999, ITU đó chớnh thức cụng nhận cỏc cụng nghệ giao diện vụ tuyến do IMT-2000 đề xuất và chấp nhận chỳng như cỏc chuẩn tương
ứng sau:
• IMT trải phổ trực tiếp (IMT-DS) hay cũn gọi là UTRA • IMT đa súng mang (IMT-MC)
Hỡnh 3.1 Quy định phổ tần di động 3G và di động vệ tinh (MSS) tại một số
nước
Trong đú, tiờu chuẩn giao diện vụ tuyến quan trọng nhất là Truy nhập vụ tuyến mặt đất toàn cầu (UTRA), là giao diện vụ tuyến cơ sở cho cụng nghệ
CDMA – băng rộng (W-CDMA) và cú thể hoạt động ở hai chế độ: Song cụng phõn chia theo tần số (FDD) và Song cụng phõn chia theo thời gian (TDD). Hiện nay, W-CDMA được cả Viện tiờu chuẩn viễn thụng Chõu Âu (ETSI) và Hiệp hội cụng nghiệp và kinh doanh vụ tuyến (ARIB) hỗ trợ.
Thỏng Mười hai năm 1998, thỏa thuận thành lập Dự ỏn của cỏc đối tỏc thế
hệ Ba (3GPP) được ký kết và Dự ỏn chớnh thức hoạt động. Thỏa thuận hợp tỏc này làm tăng tốc độ tổ chức chuẩn húa, cho phộp kết hợp nhiều tiờu chuẩn viễn thụng khỏc nhau để tạo ra tiờu chuẩn mới cho thụng tin di động thế hệ Ba trờn cơ
sở hai cụng nghệ quan trọng: giao diện vụ tuyến UTRA và mở rộng mạng lừi của GSM/GPRS. Sau đú, mục tiờu của tổ chức này cũn được mở rộng sang cả
lĩnh vực duy trỡ và phỏt triển mạng GSM cũng như GPRS và EDGE.
Do chớnh sỏch của ITU là khụng chỉ cú một tiờu chuẩn duy nhất cho IMT-2000 nờn cũn tồn tại một chuẩn giao diện vụ tuyến nữa. Nhưđó trỡnh bày ở
trờn, giao diện này được gọi là IMT-MC và được đề xuất bởi tổ chức chuẩn húa 3GPP2. Trong khi 3GPP đưa ra giaodiện vụ tuyến mới cho UMTS thỡ 3GPP2 tập trung vào giao diện tương thớch với IS-95, cho phộp chuyển đổi lờn 3G dễ
dàng hơn. Tiờu chuẩn thụng tin di động thế hệ Ba này cũn được gọi là CDMA2000.
3.2 Kiến trỳc UMTS
Về mặt logic, mạng UMTS được chia thành hai phần chớnh là mạng lừi (CN) và mạng truy nhập vụ tuyến (GRAN). Mạng lừi tỏi sử dụng lại rất nhiều thành phần đó cú của mạng GSM/GPRS và bao gồm hai phần khỏc nhau là chuyển mạch kờnh (CS) và chuyển mạch gúi (PS). Phần chuyển mạch kờnh sử
dụng tài nguyờn dành riờng cho lưu lượng ngoười sử dụng cũng như thụng tin bỏo hiệu từ khi bắt đầu thiết lập cho đến lỳc giải phúng kết nối. Núi chung, cỏc cuộc gọi thoại luụn được xử lý bởi cỏc thiết bị trong hệ chuyển mạch kờnh. Cỏc thực thể trong phần chuyển mạch gúi chuyển dữ liệu của người dựng một cỏch tự động trong cỏc gúi tin và được định tuyến độc lập với nhau, khắc phục được cỏc giới hạn truyền dữ liệu trong 2G. Thụng qua mạng lừi, người sử dụng cú thể
thiết lập một kết nối tới cỏc mạng số liệu bờn ngoài như mạng Internet, mạng PSTN và cỏc mạng khụng dõy khỏc. Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) chớnh là khỏi niệm GRAN sử dụng trong UMTS. Cỏc chức năng chớnh của nú là:
• Quản lý tài nguyờn vụ tuyến
• Điều khiển cụng suất cảởđường lờn và đường xuống • Quản lý chuyển giao và ấn định kờnh truyền (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Do tỏi sử dụng lại nhiều thành phần của mạng GSM/GPRS, mạng lừi UMTS cũng cho phộp kết nối tới mạng truy nhập GSM. Vỡ vậy cỏc trạm gốc (BSS) của GSM và cỏc mạng truy nhập vụ tuyến UMTS (RNS) cú thể cựng tồn tại trong UTRAN của mạng di động cụng cộng.
Phiờn bản phỏt hành đầu tiờn của UMTS là phiờn bản 3GPP phỏt hành 1999. Phiờn bản này cung cấp cỏc đặc tả tập trung vào mạng truy nhập vụ tuyến UTRAN trờn cơ sở giao diện vụ tuyến IMT-DS và nõng cấp của mạng lừi GSM/GPRS. Phiờn bản kế tiếp ban đầu được gọi là phiờn bản 3GPP phỏt hành
2000, tuy nhiờn do cú nhiều thay đổi lớn so với ban đầu nờn phỏt hành 2000
được chia thành phiờn bản 4 và phiờn bản 5. Hiện nay phiờn bản phỏt hành 6
đang trong quỏ trỡnh hoàn thiện.
Hỡnh 3.2 Kiến trỳc cơ bản của mạng di động UMTS (phiờn bản 1999)
Hỡnh 3.2 trỡnh bày kiến trỳc mạng UMTS theo phiờn bản 1999. Sơ đồ cho thấy cả CN và UTRAN, mỏy di động, cỏc thành phần của CS và PS, giao diờn kết nối giữa cỏc thành phần với nhau và với mạng ngoài đều đó được chỉ ra chi tiết. Hỡnh 3.3 trỡnh bày cấu trỳc mạng UMTS toàn IP theo kiến trỳc đa phương tiện được định nghĩa trong phiờn bản 5. Chức năng chớnh của kiến trỳc này là cả
thoại và dữ liệu đều được truyền đi bởi cỏc gúi tin Ip, theo tất cả cỏc con đường cú thể từ mỏy di động của người dựng tới đớch. Chức năng của mỗi khối thành phần UTRAN cú thể túm tắt như sau:
Mỏy di động (UE/MS) : là thiết bị vật lý của người sử dụng. Nú chứa một thiết bị di động (ME) và khối nhận dạng thuờ bao UMTS (USIM). USIM là một
ứng dụng được lưu trữ trong thẻ thụng minh để khi kết hợp với ME cho phộp truy nhập vào cỏc dịch vụ 3G. USIM cú cỏc chức năng chớnh như sau:
• Lưu trữ thụng tin về thuờ bao và cỏc thụng tin cú liờn quan • Tự nhận thực trong mạng
• Cung cấp cỏc chức năng bảo mật
• Lưu trữ cỏc thụng tin như ngụn ngữ sử dụng, nhận dạng thẻ thụng minh, số nhận dạng thuờ bao di động quốc tế (IMSI), khúa mật mó và cỏc thụng tin khỏc
Hỡnh 3.3 Kiến trỳc mạng IP đa phương tiện UMTS
Node B: là trạm thu phỏt gốc của UTRAN phục vụ cho một hoặc nhiều ụ. Trạm gốc cú cỏc chức năng như: phỏt hiện lỗi trờn kờnh truyền và chỉ lờn mức cao hơn, điều chế / giải điều chế kờnh vật lý, đo lường vụ tuyến và chỉ thị lờn
cỏc lớp trờn cũng như chức năng điều khiển cụng suất. Một số nhà sản xuất cũn cung cấp cả cỏc Node B hỗ trợ cả chuẩn UMTS và CDMA2000 bằng cỏch sử
dụng cỏc khối cắm – nhổ thay thếđược và dộ tương thớch cao giữa phần cứng và phần mềm. Giao diện giữa Node B và UE (trong hỡnh 3.2 là Uu) chớnh là giao diện vụ tuyến UTRAN trong mạng W-CDMA.
Bộ điều khiển mạng vụ tuyến (RNC) : quản lý tài nguyờn của tất cả cỏc Node B nối tới nú. Trong hỡnh 3.2chỉ ra rằng RNC được kết nối tới phần mạng lừi chuyển mạch kờnh thụng qua giao diện IuCS, và kết nối tới phần lừi chuyển mạch gúi (PS) thụng qua giao diện IuPS. RNC khụng chỉ quản lý tài nguyờn vụ tuyến của cỏc thiết bị di động mà cũn quản lý cỏc cỏc đường vào / ra mạng lừi của cỏc dịch vụ do thiết bị di động sử dụng. RNC thực hiện một số nhiệm vụ
chớnh như : xử lý lưu lượng thoại và dữ liệu, chuyển giao giữa cỏc ụ, thiết lập và giải phúng cuộc gọi.
Cỏc thành phần cơ bản của mạng lừi (CN)
Trung tõm chuyển mạch cỏc dịch vụ di động (MSC) : là thành phần chớnh của phần mạng lừi chuyển mạch kờnh (CS). Nú cũng là giao diện giữa mạng di động với cỏc mạng chuyển mạch kờnh khỏc như mạng PSTN. MSC thực hiện đớnh tuyến tất cả cỏc cuộc gọi từ mạng ngoài và tới một mỏy di
động nhất định, thực hiện tất cả cỏc chức năng chuyển mạch và bỏo hiệu cho mỏy di động nằm trong vựng địa lý mà MSC phục vụ. Ngoài ra MSC cũn cú cỏc chức năng khỏc như:
• Thực hiện thủ tục yờu cầu đăng ký vị trớ và chuyển giao • Thu thập dữ liệu cho mục đớch tớnh cước
• Quản lý cỏc thụng số mật mó húa
Hơn nữa, trong một mạng di động cú thể tồn tại nhiều MSC khỏc nhau, tựy vào yờu cầu dung lượng chuyển mạch trong mạng. GPRS và UMTS cung cấp cỏc dich vụ trờn cơ sở sử dụng cả CS và PS do đú hoạt động cú liờn quan
đến cả hai phần này.
Bộ ghi định vị thường trỳ (HLR) : đõy là khối lưu giữ cỏc thụng tin liờn quan đến cỏc thuờ bao của mạng di động. Thụng tin được nhập vào khi một thuờ
bao mới hũa mạng. HLR lưu trữ hai kiểu thụng tin của người sử dụng là thụng tin tạm thời và thụng tin cố định. Cỏc dữ liệu cố định là cỏc dữ liệu khụng thay
đổi, ngoại trừ khi người sử dụng yờu cầu. Cỏc dữ liệu cố định cú liờn quan đến vấn đề bảo mật là IMSI và khúa nhận thực. Mỗi mạng di động cú thể sử
dụngmột hoặc nhiều HLR, tựy thuộc vào quy mụ hoạt động của mạng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ ghi định vị tạm trỳ (VLR) : Cỏc VLR thường được cài đặt kết hợp với một MSC, như minh họa trong hỡnh 3.2. VLR lưu tất cả cỏc thụng tin về thuờ bao sử dụng nằm trong vựng phục vụ của một MSC. Do đú, VLR chứa thụng tin về cỏc thuờ bao hoạt động trong mạng, thậm chớ khi đú khụng phải là mạng nhà của thuờ bao. Khi một thuờ bao dăng ký vào một mạng khỏc, thụng tin từ HLR cũng được chuyển tới VLR của mạng khỏch và thụng tin này bị xúa đi khi thuờ bao rời khỏi mạng. Núi chung, cỏc thụng tin được lưu trữ trong VLR khỏc so với trong HLR.
Phần mạng lừi chuyển mạch gúi (PS) trong UMTS
SGSN (node hỗ trợ phục vụ cỏc dich vụ GPRS) : chịu trỏch nhiệm quản lý di động và quản trị cỏc phiờn truyền thụng gúi IP. Nú định tuyến cỏc gúi tin lưu lượng từ mạng truy nhập vụ tuyến tới một SGSN thớch hợp, cú thể cung cấp truy nhập tới mạng dữ liệu bờn ngoài. Hơn nữa, nú cũn tạo cỏc bản ghi cho cỏc khối khỏc để phục vụ mục đớch tớnh cước. SGSN giỳp điều khiển truy nhập tới cỏc tài nguyờn mạng, chống lại cỏc truy nhập trỏi phộp vào mạng hay cỏc dịch vụ và