T h u ậ t tốn A 3 là thuật tốn được dù n g c h o việc n h ậ n thực thuê bao trong m ị hình an nin h GSM . Chức n ăng của nĩ là để tạo chuỗi trả lời SRES. T h u ậ t tốn A3 nhận R A N D từ MSC và k h ĩ a bí m ậ t K i từ SIM làm đầu vào và sinh ra 32 bit SRES. Cả R A N D v à khĩa bí m ật Ki đều dài 128 bits. T hự c chất c ủ a thuật tốn A3 là một hàm b ă m m ột chiều (one w ay h ash function), với đầu vào xác đ ịnh, nĩ tạo ra ớ đầu ra một c h u ỗ i c ĩ đ ộ dài c ố định. H àm băm m ột chiều được thiết k ế để dám bảo an tồn sao cho k h ơ n g th ể lính ra được giá trị đầu vào nếu biết giá trị băm ờ đầu ra, hoặc k h ơ n g thế xác đ ịn h dư ợ c d u y nhất hai giá trị đ ầ u vào đê’ cĩ c ù n g giá trị băm ư đầu ra.
- Luân văn tốt nghiêp - Clurơní’ 4 : Háo mủt thơng tin trous G SM
G ầ n như m ọi n h à khai thác GSM trơn t h ế giới đều sử d ụ n g thuật tốn C O M P 1 2 8 c h o cả A 3 và A8. C O M P 1 2 8 được hiệp hội G S M (G SM C onsortium ) đưa ra. N ĩ n hận đầu vào là R A N D và Ki và sinh ra 128 bit đ ầ u ra thay vi 32 bit SRES. 32 bit đ ầ u tiên c ù a 128 bit ch ín h là SRES.
4.4.2. T h u ậ t tốn tạo khĩa m ậ t m a A8:
T h u ậ t tốn A 8 là th u ật tốn dược sử dụ n g đ ể tạo ra k hĩa mật m ã Kc trong m ị hìn h an ninh G S M . T h u ậ t tốn A8 n hận hai chuỗi 128 bít đầu vào (R A N D và Ki) và sinh ra 6 4 hit đầu ra. 6 4 bit đ ầ u ra này là khĩa phiên Kc.
BTS nhận c ù n g Kc từ MSC. H L R cĩ thể sinh K c vì H L R biết cà R A N D (H L R sinh ra n ĩ ) và khĩa phiên Ki (n ĩ được giữ trong cơ s ỏ d ữ liệu các thuê bao c ủa n h à khai thác). M ộ t khĩa phiên Kc được sứ d ụ n g tới khi M SC q uyết định xác thực MS lại.
C ả hai thuật tốn A 3 và A 8 được lưu tro n g SIM đế tránh m ọi người ca n thiệp vào c h ú n g . Đ iều này c ĩ n g h ĩa là nhà khai thác c ĩ thể q u y ế t định sử dụ n g thuật tốn đ ộ c lập với phần c ứ ng c ủa n h à sản xuất và các nhà khai thác khác. Sự xác thực với các nước k h á c cũng vậy vì m ạ n g m à thuê bao đ a n g roam ing tới sẽ hỏi H L R của m ạ n g chú thuê bao d ể lấy 5 bộ ba. N h ư vậy m ạ n g m à thuê bao đ a n g roam ing tới sẽ khơng c ần phái biết về thuật t ốn A 3 h a y A8 đ a n g được sử dụng.
C ả hai thuật tốn A3 và A8 đều sử dụ n g hàm băm m ột chiều phụ thuộc khĩa. C á c ih u ật tốn này g iố n g nhau về m ật chức n ă n g nên c ĩ thể được thực hiện c h u n g trên m ột bộ thuật tốn gọi là C O M P 1 2 8 \ Kỉ 12 8 hits \ ý r 1 RAND 1 2 8 h i t s r C O M P128 N0 2 h i t s s6 4 h i t s •1 1 SRES Kc Hình 4.11: T h u ậ t tốn A 3 và A8
C O M P 1 2 8 sinh S R E S và khĩa phiên Kc trong m ột lần thực hiện. 54 bit cuối c ú a đ ầ u ra C O M P 1 2 8 là k hĩa phiên Kc. Chú ý rằng đ ộ dài k h ĩ a là 54 bit thay vì 64 bit (đ ộ dài k h ĩ a sử d ụ n g bời thuật tốn A5) 10 bit “0 ” được C O M P 1 2 8 s h é p vào cuối của k hĩa đ ế sinh ra k hĩa Kc 64 bít.
- Luân vãn lốt Iiũhiêp - Chương 4 : Bão nuil thơng tin nona GSM
4.4.3. T h u ậ t tốn m ã hĩa A5:
A 5 là thuật tốn m ã hĩa luồng được thiết k ế s ứ d ụ n g trong điện thoại G S M để m ã hĩa tín hiệu thoại đã sỏ h ĩ a và c á c giao dịch kh á c trên s ia o diện vơ tuyến. Trên thực tế c h ỉ liên kết từ diện thoại tới trạm gốc BTS được m ã hĩa, phần cịn lại khơng dược m ã hĩa.
M ã h ĩ a luồng được khời tạo trên tất c ả các khung được gửi n h ờ k hĩa phiên Kc và s ố thứ tự k h u n s Fn. C ùng m ộ t Kc được sử dụ n g cho tồn cuộc gọi n hư ng 22 bít đ ánh số k h u n g sẽ thay đổi trong q u á trình gọi n hư vậy sinh ra d u y nhất một k hĩa phiên cho mọi khu n g .
T ừ hệ th ố n g G S M đầu tiên, các thuật tốn A 5 được thiết k ế và cài dặt. Ban đầu thuật tốn m ã hĩa A5 được thiết kè với m ức bảo m ật cao, và theo luật p háp thì nĩ k hơng đ ư ợ c phép xuất k hẩu ra khỏi châu Âu. N h ư vậy, thuật tốn A5 ban đ ầ u được đổi tên là A 5/1. Sau này xuất h iện m ột s ố phiên bản c ủa thuật tốn A5 bao gồm : A 5/0 nghĩa là k h ơ n g m ã hĩa gì c ả và A 5/2 là thuật tốn m ã hĩa đã bị làm “ y ế u ” đi đổ xuất khẩu (k h ĩ a K c khi d ĩ chỉ c ị n là 54 bits thay vì 6 4 bits đối với thuật tốn A 5/1). Nĩi chu n g th u ật tốn A 5 sau A5/1 được đặt tên là A 5/x. Hầu hết thuật tốn A 5/x được xem là “ yếu” hưn A5/1 c ĩ đ ộ phức tạp thời gian 2 54 n h ư trên. Đ ộ phức tạp thời ai an củ a A 5/2 th á p hơn 2 16.
4.4.4. Ưu điểm củ a thuật tốn m à hĩa A5 tro n g (ỈSM :
T h u ậ t tốn A 5 được lưu trong BTS và trong M E và dược thiết kết sao c h o cĩ the thực hiện được b ằ n g phần cứng, ch ín h vì vậy việc thực hiện m ã hĩa và giải m ã sẽ nhanh. C ĩ hai phicn bản c ủ a thuật tốn A5 đĩ là A5/1 (dành c h o c á c nước thành viên cùa CE PT), và A 5 /2 (đe xuất khẩu ra ngồi CEPT). Cả hai thuật tốn A5/1 và A 5/2 vãn dang được giữ bí mặt (chưa chính thức c ơ n g b ố rộng rãi).
L iên q uan đến thuật tốn A 5 là k hĩa m ã hĩa K c c ĩ đ ộ dài khĩa là 64 bits nliưns 10 bits cuối bị đặt về “0 ” ở trong SIM và A U C, vì vậy đ ộ dài hiệu q u á c ù a khĩa Kc thực t ế là 5 4 bits. Với m ỗi cuộc gọi, việc m ã hĩa d ữ liệu b ằ n g thuật tốn A 5 sẽ sử dụng m ột khĩa K c m ới và m ộ t k h ĩ a c ĩ đ ộ dài 22 bits (là s ố trình tự c ủa k h u n g T D M A thay đổi m ồ i 4,615 ms) tạ o ra m ột chu kỳ lặp trong 5,4 giờ.
V iệ c m ã hĩa dược thực hiện ờ lớp vật lý (lớp 1 tro n g m ồ hình 7 lớp của OSI) trịn g iao d iện vơ tuyến giữa M S và BTS. Việc thực hiện m ã hĩa ớ lĩp vật lý cĩ các đặc điểm sau:
- I ,tián văn tối nahièn - ('hương 4 : Báo mál thĩng. tin irons (ÌS M
- Vì việc m ã h ĩ a đư ợ c thực hiện sau khi sửa lỗi, và giải m ã được thực hiện trước sửa lỏi nên trong G S M sử d ụ n g phương p h á p m ã hĩa luồng, (vì trong mịi trường vỏ tu y ế n thì tý lệ lỗi k h ơ n g thế sửa được rất cao, khoảng 10 ')
- Chức n ă n g chính c ủ a bộ đ ế m s ố thứ tự k hung (Fram e countcr) là đê d ồ n g bộ ở
lớp 1, ngồi ra nĩ cịn được sử d ụ n « để kết hợp với khĩa K c để tạo k hĩa m ã hĩa clữ liệu.
- T h u ậ t tốn m ã hĩa cĩ thể được thực hiện bằng phần cứns.
T h u ậ t tốn m ã h ĩ a A 5 là m ã h ĩ a luồng, n g h ĩa là thực hiện m ã hĩa theo từng bit (k h ơ n g phải theo từng khối như DES và AES) vì vậy m ột lỗi xảy ra trong hàn m ã nhận được sẽ chỉ là kết q u ả của bít lỗi tương ứng trong bản rõ.
4.4.5. Độ d à i khố m ật m ã:
Đ ổ đ á n h giá giá trị c ùa thuật tốn m ật m ã, người ta so sánh các khố m ật m ã c ĩ ctộ dài kh á c nhau trơn c ùng m ột m á y “ bẻ k h o a ” cĩ tốc đ ộ m ột triệu phép giải m ã trong m ộ t g iây và tìm kiếm tất c ả các khả năng cĩ thể c ủ a k hố mật mã.
B à n g 4.2: T hời gian tìm kiếm khố m ật m ã với các đ ộ dài khố khác nhau. Đọ d à i k h o á m ậ t m ã (b its) 32 40 56 64 128 Thời g ia n cần thiết để kiếm
tra tát cá các khá n ăng c ĩ thể c ủ a khố m ật m ã 1.19 giờ 12.7 ngày 2,291 n ăm 58 4 ,5 4 2 n ă m 10.8 X 10 A24 năm
Khi nĩi đến độ an tồn c ủa thuật tốn m ã hố, cần phủi tính đến giá trị c ủa thơng tin c ần m ã hố. Người ta thừa nhận rằng, D E S với đ ộ dài khố m ật m ã là 56 bits là hiệu q u à nhất h iện nay đ ể b ả o vệ các d ữ liệu g ia o d ịch n g à n hàng. G iả sử rằng, thuật tốn A5 c ĩ đ ộ dài k h o á m ật m ã là 40 bits (thay vì 64 bits) c ũ n g dủ để bảo vệ các thịng tin trong thời gian ngắn, các cu ộ c gọi di đ ộ n g thường là ngắn, vì vậy người ta c ĩ thể d ù n g thuật tốn A5 c ĩ đ ộ dài k hố m ật m ã tối thiêu là 40 bits để m ã hĩa dữ liệu người s ử dụng.
4.4.6. H ạ n c h ế x u ấ t k h ẩ u cơng nghệ m ật mã hố:
M ụ c đích c ủ a k h u y ế n nghị G S M là đê c ung cấp c h u ẩ n hố thỏng tin di độ n g c h o tồn c h â u âu. Kết q u ả là các hạn c h ế về xuất khẩu và hạn c h ế về tính pháp lý về vấn đề b à o m ật phải dược thực hiện. Đ iều này đã g â y nhiều tranh cãi, các vấn đc m an g lính chính trị cao liên q u a n đến quy ề n riêng tư cá nhân, khả nàng của các cơ quan hành
- Luán văn tốt imhiêp - Chuơng 4 : Báo mai thĩn.iỉ lili trong C/SM
p h á p tiến hành giám sát theo dõi, các lợi nhuận kinh doa n h c ủ a c á c tập đ ồn sản xuất p h ầ n c ứ n g thiết bị di độ n g c h o xuất khẩu.
C hi tiết kỹ thuật c ủa các thuật tốn m ật m ã hố sử d ụ n g trong GSM được giữ hí mật. C á c thuật tốn dược phát triển ở A nh quốc, Các n h à sản xuất đ iện thoại di độ n g sử d ụ n g c ơ n g nghệ m ặt m ã phải đ ồ n g ý k h ơ n g tiết lộ và phải cĩ giấy phép đ ặc biệt từ c h ín h p hú A nh quốc. Các nhà h à n h pháp, các cơ q uan tình báo c ủ a M ỹ, Anh, Pháp, H à lan và c á c q uốc gia khác rất q uan tâm về vấn đ ề xuất khẩu c ơ n g nghệ m ật m ã hố vì nĩ c ĩ thể đưự c sử d ụ n g cho các m ụ c d ích quân sự c h o các q u ố c gia thù địch. M ột mõi q u a n tâm nữa là sự p hổ hiến c ơ n g n ghệ m ật m ã trong th ơ n g tin di đ ộ n g sẽ ảnh hướng tới k h ả n ă n g c ủa các cơ q uan h ành p háp tiến hành g iá m sát các hoạt độ n g tội phạm cĩ tố c h ứ c h o ặ c k h ủ n g bố.
S ự bất đồng ý kiến giữa c á c nhà sản xuất điện thoại di đ ộ n g và chính phú Anh x u n g q u a n h vấn đề cho phép xuất k h ẩ u c ơ n g n ghệ m ậ t m ã trong G S M dược giải quyết trong t h o ả hiệp 1993. Các q u ố c g ia tây âu và m ột s ơ thị trường đ ặ c biệt khác như Hồng K ơ n g cĩ th ể được phép cĩ c ơ n g n g h ệ m ã h o á G S M , đặc biệt là thuật tốn A 5/2 (phiên bản kém hơ n thuật tốn A 5 /1 ) dược ch ấ p nhận c h o xuất khẩu tới hầu hết các quốc gia k h á c bao gồm : c á c q u ố c gia đ ơ n g và tru n g Âu. 'r h e o thoả thuận, các q u ố c gia được chỉ đ ịn h như: N ga cĩ thể k hơng được p h é p nhận bất cứ c ơng nghệ m ã hố nào trong m ạn g G S M của họ. C ác phát triển tương lai c ũ n g sẽ bị hạn c h ế xuất khẩu, các q u ố c gia được plicp nơi m à hiện tại chưa c ĩ c ơ n g n ghệ m ật m ã hố G S M sẽ nhận được thuật tốn A 5/2.
4.5. K ế t l u ậ n :
C ơ c h ế an ninh được chỉ ra trong c h u ẩ n G S M là hộ thống thĩng tin di đ ộ n g an tồn nhất hiện nay. V iệc sử d ụ n g n hận thực, m ật m ã hố và s ố n hận d ạ n g tạm thời đ ả m bảo tính r ic n g tư và bí m ật c h o c á c thuê bao trong hệ thống, cũng như an tồn c ủa hệ th ố n g c h ố n g lại việc sử d ụ n g gian lận. H ệ thống G S M sử d ụ n g thuật tốn m ật m ã hố A 5 /2 h o ặ c th ậm chí k h ơ n g c ần m ậ t m ã hố c ũ n g an tồn hơ n c á c hệ thống A nalog vì c h ú n g c ĩ sử d ụ n g m ã hố thoại, đ iều c h ế s ố và truv n hập kênh phân chia theo thời gian T D M A .
C H Ư Ơ N G 5 : P H Â N T Í C H C Á C G I Ả I P H Á P A N T O À N T H Ị N G T I N T R O N G M Ạ N G D I Đ Ộ N G G S M
M ụ c đ ích đầu tiên của an ninh G S M là m ạn g phải an tồn như là m ạn g điện thoại c h u y ể n m ạ c h c ơ n g c ộ n g (PSTN). T hự c t ế là G S M sử d ụ n g sĩng vơ tuyến (radio) n h ư là p h ư ơ n g tiện truyền dẫn làm nĩ đ ặc biệt dc bị tấn c ơ n g để nghe trộm. Liên kết n à y n h a n h c h ĩ n g bị phát hiện là phần yếu nhất c ủa m ạn g GSM .
M ụ c đích cuối c ù n g của hệ thống th ơ n g tin di đ ộ n g cá nhân là m a n g các dịch vụ viễn ih ơ n g đến k h ắ p m ọi nơi. Đ ê hiện thực hố m ục tiêu này, các nhà thiết k ế hệ Ihống phai vượt q u a rất nhiều thứ thách, m ột trong n hữ ng th ử thách lớn nhất là bảo vệ m ạ n g và thuê bao c h ố n g lại việc sử d ụ n g bất hợ p pháp. V iệc bảo vệ m ạn g và thuê bao c ĩ th ể h iệ n thực hố th ơ n g q u a đ iểu k h o ả n về an ninh n hận thực và quản lý truy cập trong m ạn g .
B rookson, m ột nhà nghiên cứu về bảo m ật thơng tin đ ã liệt kê các m ục đích c ủ a an ninh G S M n h ư sau:
- N h à khai th ác m o n g m u ố n đ ảm bảo rằng các hố đơn được phát hành tới đú n g k h á c h hàng.
- T h ơ n g tin được bảo m ật và tin cậv để đ à m báo c h ĩ n g nghe trộm. - X á c thực tốt đế b ả o vệ nhà khai thác c h ố n g lại việc tính cước gian lận. KỸ thuật an ninh phải đ ả m bào:
K h ơ n g lảng đ á n g kê thời gian thiết lập cuộc gọi hoặc s ự truyền dẫn sau đĩ. - K h ơ n g tăng b ăng th ơ n g c ủa kênh.
- K h ơ n g làm c h o tãng đ á n g kế tỷ lệ lỏi hoặc giám chất lượng. - K h ơ n g làm tăng đ á n g kè sự phức tạp c ho hệ thống.
- K h ơ n g tăng đ á n g k ể tới giá của hệ thống.
Đ ể đạt đư ợ c c á c m ục đ ích trên, m ơ hình G S M ban đầu được thiết kế đ ể hồn thiện và hao gồm :
A n d a n h : M ột thuê bao chỉ c ĩ thể dược nhận biết bời m ột n h à khai thác và chi m ột m à thơi.
X á c t h ự c : N h à khai thác phải khả n g định dược thuê bao n à o đ a n g đ àm thoại để tính cước.
B ả ơ vệ b á o hiệu: T h ơ n g tin n h ạ y c ả m liên quan tới thơng tin cá nhân phải được giữ bí mật.
B ả o vệ d ữ liệu: V iệc nghe trộm cần được ngăn chặn, đổ n g thời đ ảm hảo tồn vẹn dữ liệu.
T ừ các m ụ c đ ích đ ả m báo an ninh như trên, các đặc đ iểm về an ninh trong m ạn g G S M cần cĩ là:
- C hỉ nhận thực c h o c á c thuê bao đã được đ ãng ký trong cơ sở dữ liệu c ủa hệ th ố n g (H L R ).
- C á c dữ liệu cần đ ả m b ả o an lồn đều dược m ã hĩa. - Bảo vệ n hận d ạng thuê bao.
- M á y đ ầ u cuối (M E ) k h ơ n g hoạt d ộ n g nếu k h ơ n g c ĩ SIM.
- K h ơ n g c h o p hép hai SIM g iố n g hệt nhau cùng hoạt đ ộ n g trên m ạng. - Lưu giữ k hĩa bí m ật Ki m ộ t c ách an tồn.
C á c đặc đ iểm c ủ a a n nin h trong m ạ n g G S M /P L M N được thực hiện nhầm m ục đích bảo vệ:
- V iệc sử (lụng các dịch vụ di động.
- Đ ả m bào tính cá nhân c h o c á c thơng tin c ủ a khách hàng.
5.1. C á c t h o n g tin VC b ả o m ậ t t h ơ n g tin c ủ a G SM :
5.1.1. T h õ n g tin về th u ậ t tốn A5:
V à o th án g 7 năm 1994, m ột phần m ã nguồn c ủ a thuật tốn A5 thực hiện trong G S M được tiết lộ trên Internet. G ầ n đ â y cĩ tin cho r ằ n g thuật tốn thực hiện trong G S M gần giống với thuật tốn A 5 dược phát trien. Mỗi k h u n g trong lưu lượng trên kh ơ n g g ian được m ã hĩa bằng m ột luồng khĩa khác nhau. L u ồ n g k h ĩ a này được sinh bằng thuật tốn A5. Chi tiết được tĩm tắt như sau:
T h u ậ t tốn A 5 bao gồm ba thanh ghi phản hồi tuyến tính LSFR, các L S F R cĩ dỏ dài k h á c nhau n h ư m ơ tả trong hình 5.1. T ổ n g đ ộ dài c ủ a ba thanh ghi LSFR là 64 bít. Đ ầu r a c ủa ba thanh ghi được c ộ n g logic ( X O R ) với nhau và kết q u ả ra là m ột khĩa luồng. Các LSFR cĩ đ ộ dài 19, 22 và 23 bít với các n h á n h rẽ phàn hồi đ ể điều khiến (tuân tlico đa thức phàn hồi: sparse feed b a c k polynom ial). T ất c ả ba thanh ghi được điểu khiển dựa trên bit đ iều khiến c ủa mỗi thanh ghi. K h ĩ a thanh ghi theo luật đa s ố cùa hit điồu khiến. Ví dụ nếu hit điéu khiển c ủa ba thanh ghi là 1. 1 và 0 thì hai thanh
ghi dầu bị khĩa. N ếu bit điều kh iển c ủa ba thanh ghi là 0, 1 và 0 thì thanh ghi đầu và cuối bị khĩa. N h ư vậy ít nhất hai thanh ghi bị k h ĩ a trong m ỗi vịng.
Ba th an h ghi L SF R được khởi tạo bằng k h ĩ a phiên Kc và s ố th ứ tự khung Fn:
- Ba thanh ghi được đ ặ t về “ 0 ” , sau đ ĩ được đếm 6 4 nhịp (bỏ q u a các nhịp điều khiển). Trong thời gian này từng bit (từ LSB đến MSB) c ủa 64 bit Kc được đưa vào thanh ghi và được c ộ n g logic (X O R ) m ột cách song so n g vào đ ầ u c ù a m ỗi LSFR.
- Ba thanh ghi được đ ế m tiếp 22 nhịp (bỏ q u a c á c nhịp điều khiển). T ro n g thời gian này từng bit (từ LSB đến MSB) của 22 bit Fn được đưa vào