Kommunikationsdienste und -netze

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1 Subscribers [million] Protokolle und Dienste der Kommunikationsdienste und -netze Kapitel 3: GSM (Global System for Mobile Communication) Entwicklung der GSM- Teilnehmerzahlen etwa 1.7 Mrd. GSM total TDMA total CDMA total PDC total Analogue total W-CDMA Total wireless Prediction (1998) 2009: >4 bn! year PuDiMk - 3. GSM 80 Prof. Jochen Seitz 1

2 GSM-Teilnehmer nach Regionen PuDiMk - 3. GSM 81 Verteilung der Nutzer auf snetze PuDiMk - 3. GSM 82 Prof. Jochen Seitz 2

3 GSM: Überblick GSM: früher: Groupe Spéciale Mobile (1982 gegründet) heute: Global System for Mobile Communication europäischer Standard - Standardisierung durch ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards (essential Services) in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die europäischen Fernmeldeorganisationen (in Deutschland: D1 und D2) europaweites Roaming (freizügiges Bewegen) möglich mittlerweile Übernahme durch über 200 Drittländer (z.b. in Asien, Afrika, Australien, Amerika) über 4,2 Milliarden Teilnehmer in mehr als 700 Netzen PuDiMk - 3. GSM 83 Leistungsmerkmale des GSM-Systems Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte: Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen Funkweg; Unterstützung für Sprach- und Datendienste. Totale Mobilität: Internationaler Zugriff; über Chipkarte Nutzung anderer Mobilfunkstationen möglich. Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter der gleichen Rufnummer erreichbar; das Netz übernimmt die Lokalisierungs-Aufgaben. Hohe Kapazität: Bessere Frequenzausnutzung und kleinere Funkzellen können wesentlich mehr Teilnehmer versorgen. Übertragungsqualität: Hohe Qualität und Zuverlässigkeit erlauben drahtlos, kontinuierlich, störungsfrei und in Bewegung Telefonate zu führen. Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN. PuDiMk - 3. GSM 84 Prof. Jochen Seitz 3

4 Nachteile des GSM-Systems Es gibt kein perfektes System! keine End-to-End Chiffrierung der Nutzkanäle Netzzugriff nur über reduzierten B-Kanal (9,6 kbit/s): keine Verlängerung des transparenten 64 kbit/s Trägerdienstes von ISDN eventuelle Beeinträchtigung der Konzentration beim Autofahren elektromagnetische Verträglichkeit Missbrauch persönlicher Daten nicht ganz ausgeschlossen Möglichkeiten der gezielten Kontrolle und Überwachung hohe Komplexität des Systems Kompatibilitätsprobleme innerhalb des GSM-Standards PuDiMk - 3. GSM 85 GSM: Dienste (Mobile Services) GSM-System bietet: Verschiedene Verbindungstypen Sprechverbindungen, Datenverbindungen und Kurznachrichten Multiservice-Optionen (Kombination von Basisdiensten) Einteilung der Dienste in drei Bereiche: Trägerdienste (Bearer Services) Teleservices (Telematic Services) Zusatzdienste (Supplementary Services) Trägerdienste TE R S MT U m GSM-PLMN (Public Land Mobile Network) Teledienste Transit- Netzwerk (PSTN) Ursprungs-/ Zielnetzwerk z.b. GSM TE PuDiMk - 3. GSM 86 R S Prof. Jochen Seitz 4

5 Trägerdienste (Bearer Services) Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen Benutzer-Netz-Schnittstellen (Access Points) übertragen. Spezifikation der Dienste bis zur Endgeräte-Schnittstelle (entsprechend OSI Schichten 1-3). Für Datendienste werden andere Übertragungsraten als für Sprache verwendet (ursprünglicher Standard) Datendienste (leitungsvermittelt) synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s asynchron: zwischen 300 und 1200 Bit/s Datendienste (paketvermittelt) synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s (über PAD) asynchron: zwischen 300 und 9600 Bit/s Mit GPRS: Datenraten von ca. 50 kb/s möglich PuDiMk - 3. GSM 87 Teleservices (Telematic Services) I Telekommunikationsdienste, die im Mobilfunk den Benutzern die Möglichkeit bieten, über Telefon-Endgeräte miteinander zu kommunizieren. Alle Basisdienste müssen Aspekte wie zellulare Operationen, Sicherheitsmaßnahmen usw. berücksichtigen. Angebotene Dienste: Mobilfunk-Telefonie Das ganze GSM-Konzept wurde vorrangig auf das mobile Telefonieren ausgelegt. Gespräche werden mit 3,1 khz Bandbreite übertragen. Notruf Europaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetzbetreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich). Multinumbering mehrere ISDN Telefonnummern pro Teilnehmer. PuDiMk - 3. GSM 88 Prof. Jochen Seitz 5

6 Teleservices (Telematic Services) II Weitere Dienste Non-Voice-Teleservices Facsimile: Fernkopieren (Fax-Gruppe 3) Telefax: Fernkopieren alternierend mit Sprachübertragung Videotex: Datenbankzugriff unter Verwendung eines Videotex- Terminals Teletex: Korrespondenzen nach CCITT F.200 zwischen zwei Terminals Sprachspeicherdienst (Voice Mailbox): über Festnetz realisiert Elektronische Post (MHS, Message Handling System): über Festnetz realisiert Kurznachrichtendienst (S): Alphanumerische Nachrichtenübertragung von oder zur Mobilstation. Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt. Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des S. PuDiMk - 3. GSM 89 Zusatzdienste (Supplementary Services) Bilden weitere Dienstmerkmale und sind Ergänzungen der Basisdienste, die nicht alleine angeboten werden können. Entsprechen, bis auf die auf dem Funkweg geringeren Übertragungsraten, denjenigen des ISDNs. Können sich je nach Landesnetz und implementierter Protokollversion voneinander unterscheiden. Wichtige Dienste: Identifikation: Rufnummer des anderen Teilnehmers Identifikationsunterdrückung Automatischer Rückruf Anklopfen Konferenzverbindung: Gesprächsrunde mit bis zu 7 Teilnehmern Sperren: Sowohl abgehende wie ankommende Gespräche PuDiMk - 3. GSM 90 Prof. Jochen Seitz 6

7 Aufbau des GSM-Systems Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet und bereitgestellt. Es besteht aus mehreren Komponenten: (Mobilstation) BS (Basisstation) C (Mobilvermittlungseinrichtung) LRs (Aufenthaltsregister) Man unterscheidet mehrere Subsysteme: RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem) PuDiMk - 3. GSM 91 GSM-Komponenten: Handys, PDAs & Co. Der sichtbare, aber kleinste Teil des GSM-Netzes PuDiMk - 3. GSM 92 Prof. Jochen Seitz 7

8 GSM-Komponenten 2: Antennen Auch diese sind sichtbar und sorgen oft für Diskussionen PuDiMk - 3. GSM 93 GSM-Komponenten 3: Infrastruktur 1 Base Stations Verkabelung Richtfunkstrecken PuDiMk - 3. GSM 94 Prof. Jochen Seitz 8

9 GSM-Komponenten 3: Infrastruktur 2 Unsichtbar, bilden aber den größten Teil des GSM-Netzes (auch bezüglich der Kosten!) Management Datenbanken Vermittlungseinrichtungen Monitoring PuDiMk - 3. GSM 95 GSM: Überblick NSS mit OSS OMC, EIR, AUC HLR GC Festnetz VLR C VLR C BSC BSC RSS PuDiMk - 3. GSM 96 Prof. Jochen Seitz 9

10 ZZK-7 GSM: Netzelemente und Schnittstellen Funkzelle BSS RSS U m Funkzelle A bis A BSC BSC C C NSS VLR HLR O VLR GC IWF Signalisierung ISDN, PSTN PDN OSS EIR AUC OMC PuDiMk - 3. GSM 97 GSM: Systemarchitektur im Überblick Funk- Subsystem Netzwerk- Subsystem Feste Partnernetze U m C ISDN PSTN A bis BSC EIR HLR BSS BSC A C IWF VLR ISDN PSTN PSPDN CSPDN PuDiMk - 3. GSM 98 Prof. Jochen Seitz 10

11 ZZK-7 Systemarchitektur: Funk-Subsystem Funk- Subsystem BSS U m A bis BSC BSC A Netzwerk- Subsystem C C Komponenten: (Mobile Station) BSS (Base Station Subsystem): Funkfeststation (Base Transceiver Station): Sende-/Empfangsstation BSC (Base Station Controller): Zentrale Steuereinrichtung Schnittstellen: U m : Funkschnittstelle A bis : offen standardisierte Schnittstelle mit 16 kbit/s Submultiplex-Nutzkanälen A: offen standardisierte Schnittstelle mit 64 kbit/s Nutzkanälen (Transkodierung) PuDiMk - 3. GSM 99 Systemarchitektur: Netzwerk-Subsystem C C IWF Netzwerk- Subsystem EIR HLR VLR Feste Partnernetze ISDN PSTN ISDN PSTN PSPDN CSPDN Komponenten: C (Mobile Switching Center): Mobilvermittlungseinrichtung IWF (Interworking Functions) Partnernetze: ISDN (Integrated Services Digital Network) PSTN (Public Switched Telephone Network) PSPDN (Packet Switched Public Data Network) CSPDN (Circuit Switched Public Data Network) Datenbanken: HLR (Home Location Register): Heimatregister VLR (Visited Location Register): Aufenthaltsregister EIR (Equipment Identification Register): Geräteidentifikationsregister PuDiMk - 3. GSM 100 Prof. Jochen Seitz 11

12 Funk-Subsystem Das Radio Subsystem (RSS) ist das flächendeckende zellulare Netz bis zu den Vermittlungsstellen. Das Funksystem beinhaltet mehrere Komponenten: Base Station Subsystem (BSS): Base Transceiver Station (): Funktechnische Einrichtung, einschließlich Sende- /Empfangsantennen, für Kommunikation auf den Funk-Kanälen. Ein kann eine oder, falls Richtantennen installiert werden, auch mehrere Funkzellen versorgen. Base Station Controller (BSC): Die Basisstationssteuerung führt die Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der e. Sie ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Hier erfolgt die Abbildung der Funkkanäle der Um-Schnittstelle auf die terrestrischen Kanäle der A-Schnittstelle. BSS = BSC + Summe() + Übertragungssysteme Die Mobilfunkstationen () werden als bewegliche Netzkomponenten gezählt. PuDiMk - 3. GSM 101 GSM: Prinzip zellularer Netze Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen: Zelle 1 technisch möglicher Funkversorgungsbereich Zelle 1 systemtechnische Einschränkung der Zellengröße Verwendung mehrerer Funkfrequenzen keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Thüringer Wald) hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig) Zellwechsel des mobilen Teilnehmers Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover PuDiMk - 3. GSM 102 Prof. Jochen Seitz 12

13 Flächendeckung von Funknetzen ( T-Mobile (GSM-900/1800) Germany O 2 (GSM-1800) Germany AT&T (GSM-850/1900) USA Vodacom (GSM-900) South Africa PuDiMk - 3. GSM 103 Flächendeckung von Funknetzen ( D1 (GSM-900) Rund um Karlsruhe D2 (GSM-900) e-plus (GSM-1800) Viag Interkom (GSM-1800) PuDiMk - 3. GSM 104 Prof. Jochen Seitz 13

14 Flächendeckung von Funknetzen ( D1 (GSM-900) rund um Ilmenau Vodafone D2 (GSM-900) e-plus (GSM-1800) O2 (GSM-1800) PuDiMk - 3. GSM 105 Aufteilung der Nutzer auf die verschiedenen Frequenzen PuDiMk - 3. GSM 106 Prof. Jochen Seitz 14

15 Base Transceiver Station und Base Station Controller Die Aufgaben des BSS teilen sich BSC und beinhaltet funktechnische Funktionen BSC bildet die Funkkanal- Vermittlungsein richtung Funktionen BSC Management der Funkkanäle X Frequenzspringen (FH) X X Management der terrestrischen Kanäle X Abbildung der Funk- und terrestrischen Kanäle X aufeinander Kanalcodierung / -decodierung X Ratenanpassung X Chiffrierung / Dechiffrierung X X Paging X X Messungen Uplink Traffic X X Mobility Management Authentifizierung Location Registration, Location Update X X Handover-Verwaltung / Ausführung X PuDiMk - 3. GSM 107 Mobilstation Einrichtung für die Benutzung von Diensten des GSM-Systems. Eine besteht aus mehreren funktionellen Gruppen: MT (Mobile Terminal): Bietet Funktionen, die von allen Diensten gemeinsam genutzt werden Entspricht dem NT des ISDN-Anschlusses Endpunkt der Funkübertragung der Um-Schnittstelle TA (Terminal Adapter): Ist für die Endgeräteanpassung zuständig TE (Terminal Equipment): Peripheriegerät der, bietet Dienste an Enthält keine GSM-spezifischen Funktionen SIM (Subscriber Identity Module): Personalisierung des Mobilfunkgerätes. Speichert individuelle Teilnehmerdaten. TE TA MT R S U m PuDiMk - 3. GSM 108 Prof. Jochen Seitz 15

16 Netzwerk-Subsystem Das NSS ist der Hauptbestandteil des öffentlichen mobilen Funknetzes. Es übernimmt die vermittlungstechnischen Aufgaben, einschließlich Mobility Management, sowie die Systemkontrolle und kann andere Netze anbinden. Komponenten des Mobilvermittlungsnetzes sind: Mobile Services Switching Center (C) Dient der Verbindungssteuerung über ein Koppelnetz vom und zum mobilen Teilnehmer, der sich im Aufenthaltsbereich der C befindet. An einem C können etliche BSCs angeschlossen sein. Datenbank-Einrichtungen Home Location Register (HLR) Zentrale Master-Datenbank der Teilnehmerdaten. Beinhaltet semipermanente und temporäre Daten aller Funkteilnehmer, die auf Dauer einem HL-Bereich zugeordnet sind. Visitor Location Register (VLR) Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich der Aufenthaltsortes der Teilnehmer. PuDiMk - 3. GSM 109 Mobile Services Switching Center Die Mobilvermittlungseinrichtung nimmt eine zentrale Stellung im Mobilfunknetz ein: Vermittlungsfunktion Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität Verwaltung der Netzressourcen Anbindung an andere Netzwerke (Gateway-C; GC) Integration verschiedener Datenbanken Die wichtigsten Funktionen des C sind: Ruf spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität. Abschluss und Bearbeitung der Zeichengabe (ZZK7) Management der Mobilfunk spezifischen Signalisierungsabläufe Location Registration und Verarbeitung der Aufenthalts-Information Bereitstellung neuer Dienstarten (Fax, Data Calls) Unterstützung des Kurznachrichtendienstes (S) Generierung und Weiterleitung der Vergebührungsdaten PuDiMk - 3. GSM 110 Prof. Jochen Seitz 16

17 Betriebs- und Wartungs- Subsystem Das OSS (Operation Subsystem) ermöglicht ein zentralisiertes Betreiben und die Instandhaltung der verschiedenen Netzelemente des GSM-Systems. Komponenten des Systems sind: Authentication Center (AUC): Erzeugt auf Anforderung vom VLR teilnehmerspezifische Berechtigungsparameter Die Authentizitätsdaten dienen der Sicherheit und Geheimhaltung der Teilnehmerinformationen im GSM-System Equipment Identity Register (EIR): Gerätedatenbank Registriert die GSM-Mobilstationen und die zugehörigen Nutzungsberechtigungen Geräte, die nicht in Ordnung bzw. gestohlen sind, können gesperrt und eventuell lokalisiert werden Operation and Maintenance Center (OMC): Für Funk und Festnetzbereich existieren unterschiedliche Kontroll- und Bedienstellen PuDiMk - 3. GSM 111 Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen GSM-TDMA-Rahmen Zeitbereich 4,615 ms Schutzzeit GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail bit 546,5 µs 577 µs PuDiMk - 3. GSM 112 Prof. Jochen Seitz 17

18 GSM-Rahmenhierarchie hyperframe superframe multiframe h 28 min 53,76 s 6,12 s 120 ms ,4 ms frame slot burst 4,615 ms 577 µs PuDiMk - 3. GSM 113 GSM Protokollschichten für die Signalisierung U m A bis A BSC C CM CM MM MM RR LAPD m RR LAPD m LAPD M RR M LAPD BSSAP SS7 BSSAP SS7 Funk Funk PCM PCM PCM PCM 16/64 kbit/s 64 kbit/s / 2,048 Mbit/s PuDiMk - 3. GSM 114 Prof. Jochen Seitz 18

19 Mobile Terminated Call 1: Ruf eines GSM Teilnehmers 2: Weiterleitung zum GC 3: Verbindungsaufbaunachricht zum HLR 4, 5: Anfrage der RN vom VLR 6: Weiterleitung des derzeitigen C zum GC 7: Anrufweiterleitung zum derzeitigen C 8, 9: Statusabfrage der 10, 11: Ruf der 12, 13: antwortet 14, 15: Sicherheitsüberprüfung 16, 17: Verbindungsaufbau rufende Station PSTN 1 2 HLR 3 6 GC 10 4 VLR C BSS BSS BSS PuDiMk - 3. GSM 115 Mobile Originated Call 1, 2: Verbindungsaufbauwunsch 3, 4: Sicherheitsüberprüfung 5-8: Ressourcenüberprüfung 9-10: Verbindungsaufbau PSTN 6 5 GC 7 8 VLR 3 4 C BSS PuDiMk - 3. GSM 116 Prof. Jochen Seitz 19

20 MTC vs. MOC paging request channel request immediate assignment paging response authentication request authentication response ciphering command ciphering complete setup call confirmed assignment command channel request immediate assignment service request authentication request authentication response ciphering command ciphering complete setup call confirmed assignment command assignment complete alerting connect connect acknowledge data/speech exchange assignment complete alerting connect connect acknowledge data/speech exchange PuDiMk - 3. GSM 117 Vier Arten des Handover BSC BSC BSC C C PuDiMk - 3. GSM 118 Prof. Jochen Seitz 20

21 Handover-Entscheidung alt Empfangssignalstärke neu HO_MARGIN Bewegung alt Umschaltpunkt neu PuDiMk - 3. GSM 119 Handover-Prozedur alt BSC alt C BSC neu neu Messbericht Messbericht HO command HO-Entscheidung HO required HO command HO command HO access Link establishment clear command clear command clear complete clear complete HO request Ressourcenreservierung ch. activation HO request ack ch. activation ack HO complete HO complete PuDiMk - 3. GSM 120 Prof. Jochen Seitz 21

22 Sicherheit in GSM Sicherheitsdienste Zugangskontrolle / Authentifikation Teilnehmer SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer PIN SIM Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren Vertraulichkeit Sprache und Signalisierungsdaten werden nach erfolgreicher Authentifikation verschlüsselt übertragen. Anonymität Temporäre Teilnehmerkennung TI (Temporary Mobile Subscriber Identity) Bei jedem Location Update (LUP) neu vergeben Verschlüsselt übertragen 3 Algorithmen in GSM spezifiziert: A3 zur Authentisierung ( geheim, Schnittstelle offengelegt) A5 zur Verschlüsselung (standardisiert) A8 zur Schlüsselberechnung ( geheim, Schnittstelle offengelegt) geheim : A3 und A8 inzwischen im Internet verfügbar Betreiber können auch stärkere Verfahren einsetzen PuDiMk - 3. GSM 121 Ablauf Authentisierung K i : individual subscriber authentication key SRES: signed response im AC (Access Control) Mobilfunknetz K i RAND 128 bit 128 bit A3 SRES* 32 bit RAND RAND SIM K i 128 bit 128 bit A3 SRES 32 bit auf SIM im C SRES* =? SRES SRES 32 bit SRES PuDiMk - 3. GSM 122 Prof. Jochen Seitz 22

23 Ablauf Schlüsselbestimmung und Verschlüsselung Mobilfunknetz () K i RAND RAND mit SIM RAND K i im AC 128 bit 128 bit 128 bit 128 bit auf SIM A8 A8 cipher key in K c 64 bit Datenblock A5 chiffrierte Datenblöcke K c 64 bit SRES Datenblock A5 PuDiMk - 3. GSM 123 Literatur SCHILLER, J.:, Pearson Studium, München, 2003, ISBN (Vielen Dank für die Überlassung der Folien) WALKE, B.: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1, 3. Auflage, B.G. Teubner, Stuttgart, 2001, ISBN PuDiMk - 3. GSM 124 Prof. Jochen Seitz 23