GSM: Global System for Mobile Communications

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1 GSM: Global System for Mobile Communications GSM: Eigenschaften - Zellulares Funknetz (sog. 2. Generation) - Digitale Übertragung, Datenkommunikation bis 9600 Bit/s - Roaming (Mobilität zwischen unterschiedlichen Netzbetreibern, international) - Gute Übertragungsqualität (Fehlererkennung und -korrektur) - Skalierbar (große Teilnehmerzahlen möglich) - Weltweit Millionen Teilnehmer (April 2001) - Europa : 314 Millionen Teilnehmer - Prognose für Dez : weltweit 971,5 Millionen Teilnehmer - Sicherheitsmechanismen (Authentisierung, Autorisierung, Verschlüsselung) - Gute Ressourcennutzung (Frequenz- und Zeitmultiplexverfahren) - Integration mit ISDN- und Telefonnetz - Standard (ETSI, European Telecommunications Standards Institute) 50

2 Netzbetreiber in Deutschland - GSM900 D1 (seit Juni 1992) - Gesellschafter: 100% T-Mobil (Deutsche Telekom MobilNet GmbH ), Tochter von T-Mobile International AG, Bonn (zu T-Mobile International gehört u.a. auch One2One, UK; max.mobil, Österreich) - Vorwahlnummern: 170/0171/0175/0160 D2 (seit Juni 1992) - 100% Vodafone Airtouch Communications (Europe) - Vorwahlnummern: 0172/0173/0174/ Netzbetreiber in Deutschland - GSM1800 Eplus (seit Mai 1994) - 77,5% KPN Mobile N.V. - 22,5% Bell South Enterprises - Vorwahlnummern: 0177/0178/0163/0157 Viag-Interkom (seit Oktober 1998) - 45% E-ON AG, Düsseldorf (früher VIAG) - 45% British Telecommunications plc (BT), London - 10% TELENOR AS, Oslo - Vorwahlnummern: 0179/

3 Festnetze GSM: Struktur Vermittlungssubsysteme Funksubsysteme OMC Datennetze VLR HLR AuC EIR (G)MSC BSC BTS MS uc SS SC TS IR LR PSTN/ ISDN Call Management Network Management BTS Authentication Centre MS Mobile Station Base Station Subsystem (G)MSC (Gateway) Mobile Switching Centre Base Station Controller OMC Operation and Maintenance Centre Base Transceiver Station PSTN Public Switched Telephone Network Equipment Identity Register VLR Visitor Location Register Home Location Register ISDN Integrated Services Digital Network 53 MS MS GSM: Struktur Operation and Maintenance Centre (OMC) - Logisch, zentrale Struktur mit HLR, AuC und EIR Authentication Centre (AuC) - Authentisierung, Speicherung symmetrischer Schlüssel, Generierung von Chiffrierschlüsseln Equipment Identity Register (EIR) - Speicherung von Gerätekennungen zugelassener, fehlerhafter und gesperrter Geräte (white, grey, black list) Mobile Switching Centre (MSC) - Vermittlungsstelle, teilweise als Gateways zu anderen Netzen, jeweils ein VLR zugeordnet Base Station Subsystem (): Funktechnische Einrichtung - Base Station Controller (BSC): Steuereinrichtung - Base Transceiver Station (BTS): Funkturm / Antenne 54

4 Funktechnischer Aufbau 1 TDMA-Frame, 144 Bit in 4,615 ms 8 TDMA-Kanäle, zusammen 271 kbit/s inklusive Fehlerschutzinformation 124 Radiofrequenzkanäle (Träger) zu je 200 khz downlink uplink 915 MHz 960 MHz 2 Frequenzbänder zu je 25 MHz, aufgeteilt auf Funkzellen - Eine oder mehrere Trägerfrequenzen pro BSC - Physikalische Kanäle durch Anzahl und Position von Zeitschlitzen definiert 55 GSM: Protokolle, eingehender Ruf VLR (4) (3) HLR (9) (12) (9) (12) (7) (11) MSC (6) (10) (5) (4) GMSC (2) (1) PSTN/ ISDN (1) Ruf aus Festnetz wurde anhand der Vorwahl an GMSC vermittelt (2) GMSC ermittelt aus Rufnummer HLR und übermittelt Gesprächswunsch (3) HLR überprüft, ob Teilnehmer für entsprechenden Dienst berechtigt ist und erfragt dann MSRN beim zuständigen VLR (4) MSRN wird an GMSC vermittelt, dieses ist nun in der Lage aktuell zuständige MSC zu kontaktieren 56

5 GSM: Protokolle, eingehender Ruf VLR (4) (3) HLR (9) (12) (9) (12) (7) (11) MSC (6) (10) (5) (4) GMSC (2) (1) PSTN/ ISDN (5) GMSC übermittelt Gesprächswunsch an aktuelle MSC (6) Status der mobilen Station erfragen (7) Meldung, ob Endgerät aktiv Rundruf in alle Zellen des Location Area (LA) (9) Anwort vom Endgerät (10-12) Sicherheitsüberprüfung und Rufaufbau 57 GSM: Protokolle, abgehender Ruf VLR HLR (4) (3) (1) (2) (5) MSC GMSC (1) Anforderung Verbindungsaufbau (2) Weiterleitung durch (3-4) Berechtigungsprüfung (5) Vermittlung der Rufanforderung in das Festnetz 58

6 GSM: Kanalstruktur Traffic Channel - Sprach- / Datenkanal (13 kbit/s brutto; differentielle Kodierung) - Einheiten zu je 26 TDMA - Frames - Half-rate traffic channel: Für effizientere Sprachkodierung mit 7 kbit/s Control Channel - Signalisierungsinformation - Monitoring der BSCs zur Erkennung von Handover Broadcast Control Channel - BSC an MS (Identität, Frequenzzuordnung etc.) Random Access Channel - Steuerung des Kanalzugangs mit Aloha-Verfahren Paging Channel - Signalisieren ankommender Rufe 59 Datenbanken Home Location Register (HLR), speichert Daten zu Teilnehmern, die in einem HLR-Bereich angemeldet sind - Semipermanente Daten: - Rufnummer (Mobile Subscriber International ISDN Number) - MSISDN, z.b. +49/171/ (Land, Netz, Rufnummer) - Identität (International Mobile Subscriber Identity) - IMSI: MCC = Mobile Country Code (262 für.de) + MNC = Mobile Network Code (01-D1, 02-D2, 03-eplus, 07- Viag) + MSIN = Mobile Subscriber Identification Number - Bestandsdaten (Name, Anschrift, Zahlungsart) - Dienstprofil ( Anrufweiterleitung, Roaming-Beschränkungen etc.) - Temporäre Daten: - MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) (Land, Netz, MSC) - VLR-Adresse, MSC-Adresse - Authentication Sets des AuC (RAND (128 Bit), SRES (128 Bit), K C (64Bit)) - Gebührendaten 60

7 Datenbanken Visitor Location Register (VLR) - lokale Datenbank jedes MSC mit folgenden Daten: - IMSI, MSISDN - Dienstprofil - Abrechnungsdaten - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) - Pseudonym für Datenschutz - MSRN - LAI (Location Area Identity) - MSC-Adresse, HLR-Adresse 61 GSM: Mobilfunkbereiche MSC-Area = VLR-Area Location Area (LA) Handover Funkzelle mit BTS LA = kleinste adressierbare Einheit 62

8 Zusammenhang HLR, VLR HLR VLR MSC-Area Vorteil der Architektur: Location Update bei begrenzter Mobilität i.d.r. nur bei VLR, seltener bei (evtl. weit entferntem) HLR Location Area 63 Lokalisierung im GSM VLR 10 VLR 9 IMSI LA 2 HLR VLR 9 IMSI z.b. 0x62F220 01E5 LA 3 LA 5 LA 2 LA Teilnehmerrufnumme im HLR Provider Netz-Zugangscode Landeskennzahl 64

9 Datenübertragung - Jeder GSM-Kanal kann als Datenkanal konfiguriert werden; ähnliche Struktur wie bei ISDN-B und -D-Kanälen - Datenraten derzeit bis 9600 bit/s - Verzögerung bei ungefähr 200 ms - Sprachkanäle i.d.r. priorisiert gegenüber Datenkanälen - Kanalarten: - Transparent (ohne Fehlerbehandlung; jedoch FEC; feste Datenrate; Fehlerrate 10-3 bis 10-4 ) - Non-transparent (Wiederholung fehlerhafter Datenframes; sehr niedrige Fehlerrate, aber auch deutlich geringerer Durchsatz) - Short-Message-Service (SMS) - Verbindungslose Übertragung (bis 160 Byte) auf Signalisierungskanal - Cell Broadcast (CB) - Verbindungslose Übertragung (bis 80 Byte) auf Signalisierungskanal an alle Teilnehmer z.b. einer Zelle 65 Datenübertragung - Prinzip BSC MSC IWF BTS UDI Modem ISDN TA PSTN Internet Modem IWF - Inter Working Function UDI - Unspecified Digital TA - Terminal Adapter 66

10 Sicherheitsaspekte: Subscriber Identity Module (SIM) Chipkarte (Smart Cart) zur Personalisierung von MS: - IMSI (International Mobile Subscriber Identity) - teilnehmerspezifischer symmetrischer Schlüssel K i, auch im AuC abgelegt - Algorithmus A3 für Challenge-Response-Authentisierung - Algorithmus A8 zur Schlüsselgenerierung von K c für Inhaltsdaten - PIN (Personal Identification Number) für Zugangskontrolle Temporäre Daten: - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) - LAI (Location Area Identification) - Chiffrierschlüssel K c 67 Sicherheit in GSM-Netzen SIM - Zugangskontrolle und Kryptoalgorithmen einseitige Authentisierung (Teilnehmer gegenüber Netz) - Challenge-Response-Verfahren (Kryptoalgorithmus: A3) Pseudonymisierung der Teilnehmer auf der Funkschnittstelle - Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) Verbindungsverschlüsselung auf der Funkschnittstelle - Schlüsselgenerierung: A8 - Verschlüsselung: A5 68

11 Sicherheitsaspekte: Authentisierung MS K i max. 128 Bit MSC, VLR, AuC A3 Authentication Request RAND (128 Bit) K i A3 SRES Authentication Response SRES (32 Bit) = - Aufenthaltsregistrierung (Location Registration) - Aufenthaltswechsel (Location Update) mit VLR-Wechsel - Rufaufbau (in beiden Richtungen) - Kurznachrichtendienst SMS (Short Message Service) 69 Sicherheitsaspekte: Sitzungschlüssel MS K i Netz A8 Authentication Request RAND (128 Bit) Zufallszahlengenerator Zufallszahlengenerator Kc 64 Bit K i - Schlüsselgenerierung: Algorithmus A8 - auf SIM und im AuC untergebracht - mit Ki parametrisierte Einwegfunktion - nicht (europaweit, weltweit) standardisiert - kann vom Netzbetreiber festgelegt werden - Schnittstellen sind standardisiert - Kombination A3/A8 bekannt als COMP128 A8 K c 70

12 Sicherheitsaspekte: Verschlüsselung auf der Funkschnittstelle MS Netz TDMA-Rahmennummer TDMA-Rahmennummer K c Ciphering Mode Command K c A5 Schlüsselblock + Klartextblock Ciphering Mode Complete Schlüsseltext A5 + Klartextblock 114 Bit - Datenverschlüsselung durch Algorithmus A5: - in der Mobilstation untergebracht - europa- bzw. weltweit standardisiert - schwächerer Algorithmus A5* oder A5/2 für bestimmte Staaten 71 GSM-Sicherheit: Bewertung - kryptographische Mechanismen geheim, also nicht wohluntersucht - symmetrisches Verfahren - Folge: Speicherung nutzerspezifischer geheimer Schlüssel beim Netzbetreiber erforderlich - geringe Schlüssellänge Ki mit max. 128 Bit (kann durch Brute Force Attacke in 8-12 Stunden ermittelt werden, siehe [1]) - keine gegenseitige Authentikation vorgesehen - Folge: Angreifer kann ein GSM-Netz vortäuschen [1] Marc Briceno, Ian Goldberg, Dave Wagner: 72

13 GSM-Sicherheit: Bewertung - Keine Ende-zu-Ende Verschlüsselung - Keine Ende-zu-Ende Authentisierung - Schlüsselerzeugung und -verwaltung entzieht sich der Kontrolle der Teilnehmer 73