UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

Transkript

1 Nor Younis HF-Referat UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Anforderungen 2. Das UMTS-Netz 2.1 Hierarchischer Aufbau 2.2 Frequenzen 3. Sicherheit 3.1 Sicherheitsprinzipien 3.2 Sicherheitsarchitektur

2 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 1 Einleitung 1.1 Motivation Mit dem Universal Mobile Telecommnications System (UMTS) soll die 3. Mobilfunkgeneration eingeleitet werden. UMTS wird von einem internationalen Kooperationsprojekt, dem 3rd Generation Partnership Project (3GPP), zu dessen Mitgliedern auch das European Telecommunication Standards Institute (ETSI) gehört, standardisiert. Mit bis zu 2 MBit/s schnellen Übertragungsraten, neuen Diensten und einer verbesserten Sicherheitsarchitektur lässt UMTS einige Visionen in Erfüllung gehen, welche selbst für das Festnetz keine Selbstverständlichkeit darstellen. Das Hauptziel von UMTS ist, die Grenzen zwischen der Telekommunikation und der Informationsverarbeitung aufzuheben. Jeder soll nach dem Motto "any service, anywhere, at any time" nur noch ein mobiles Gerät sowohl für unterwegs als auch für zu Hause benutzen. 1.2 Anforderungen Grundlegend kann man sagen, dass ein Mobilfunknetz der nächsten Generation immer schneller und sicherer als sein Vorgänger, aber trotzdem kompatibel zu den bestehenden Systemen sein sollte. Für ein Mobilfunknetz der dritten Generation legte die ITU folgende Kriterien fest: leichte, kleine Handgeräte, einheitliche Frequenzen, weltweit internationales Roaming, Integration in die Telefon-Netze (ISDN-Kompatibilität), mobiler Satellitenfunk Unterstützung von Sprach-, Daten- und vielen Zusatzdiensten mit wahlweiser kanal- oder paketorientierter Übertragung flexibles Management von Frequenzen und Funkbetriebsmitteln

3 2 Das UMTS-Netz Allgemein lässt sich das UMTS-Netz in ein Funknetz und in ein Trägernetz aufspalten. Der eigentliche Übergang von GSM zu UMTS erfolgt durch Ankopplung eines neuen Funknetzes. Die hierzu benötigten neuen Sende-/ Empfangseinheiten können zusätzlich an den vorhandenen GSM-Masten installiert werden. Somit werden zunächst zwei getrennte Funknetze parallel betrieben, die aber auf ein gemeinsames Trägernetz zurückgreifen werden. 2.1 Hierarchischer Aufbau Wie in der Einleitung schon erwähnt wurde, soll UMTS weltweites Roaming ermöglichen. Zu diesem Zweck arbeitet UMTS mit einer mehrschichtigen Zugangsstruktur. Wie in der nächsten Abbildung dargestellt, teilt sich das Funknetz in ein satellitengestütztes und in ein Erdgestütztes (terrestrisches) Funknetz auf. Das terrestrische Funknetz besteht aus folgenden drei zellularen Ebenen: Makro-Zelle Makro-Zellen decken einen größeren, abgeschlossenen Bereich ab und sorgen für die Grundversorgung in diesem Gebiet. Dies kann zum Beispiel eine Großstadt s ein. In diesen Zellen wird eine Datenrate von 144 kbit/s bei einer Geschwindigkeit von bis 500 km/h garantiert. Mikro-Zelle Mikro-Zellen erstrecken sich nur über einige Quadratkilometer Fläche und liefern eine Datenrate von mindestens 384 kbit/s bei maximal 120 km/h. Ihr Einsatz wird als Ergänzung in Ballungsgebieten erfolgen. Piko-Zelle In den Piko-Zellen werden die vollen 2 MBit/s bei bis zu 10 km/h garantiert. Sie haben nur einen Durchmesser von wenigen hundert Metern. Eingesetzt werden sie vor allem an stark frequentierten Plätzen, den sogenannten "hot spots" (Flughäfen, Bahnhöfe, etc). Allgemein gilt, dass sich der Radius der Zellen mit absteigender Hierarchie- Ebene verkleinert. Durch die Verkeinerung der Zellen wird eine größere Teilnehmerdichte erreicht. Alle Gebiete, die nicht terrestrisch bedient werden können (hierzu zählen auch die dünn besiedelten Gebiete), werden von der höchsten Hierarchie-Ebene, dem satellitengestützten Funknetz, abgedeckt. Hier gelten keine Einschränkungen bezüglich der Geschwindigkeit. Allerdings wird nur eine Datenrate von 144 kbit/s zur Verfügung gestellt, da die Mobilstation für schnellere Satellitenverbindungen mehr Sendeleistung und somit einen wesentlich größeren Akku benötigen würde.

4 2.2 Frequenzen Bereits 1992 wurde auf der World Radio Conference (WRC) ein Frequenzspektrum von 230 MHz für den Vorgänger des IMT-2000 Standards, das sogenannte Future Public Land Mobile Telephone System (FPLMTS), festgelegt. Das Spektrum erstreckt sich weltweit über die Frequenzenbänder zwischen MHz und MHz. Allerdings sind in einigen Ländern beziehungsweise Kontinenten bereits Teilbereiche dieses Spektrums für anderere Dienste reserviert. In Europa ist zum Beispiel der untere Bereich des Frequenzspektrums vom DECT-System belegt. In UMTS "Phase 1" wird zunächst ein sogenanntes "Core-Band" genutzt. Festgelegt wurde das Core-Band vom UMTS-Forum1, einem Zusammenschluss namhafter Mobilfunkkonzerne und Regulationsbehörden. Es umfasst für den Einsatz über das terrestrische Funknetz die Frequenzbänder zwischen MHz und MHz sowie MHz. Für das satellitengestützte Funknetz sind die Bereiche MHz und MHz reserviert. 3 Sicherheit Im Gegensatz zu Mobilfunknetzen der zweiten Generation wird UMTS kein abgeschlossenes Mobilfunk-System darstellen. Diese waren über ein Vermittlungsnetz, das sogenannte Signalling System No 7 (SS7), mit dem Festnetz verbunden. Durch die Verschmelzung von UMTS mit dem Festnetz und dem Internet werden sowohl die Mobilfunk- als auch die Festnetzteilnehmer neuen Gefahren ausgesetzt. Zwar konnte man sich auch im GSM-Netz über WAP (Wireless Application Protocol) ins Internet einwählen, doch man war nur so lange online, wie man den WAP-Dienst nutzte. In UMTS hingegen kann der Benutzer rund um die Uhr online sein, da nicht wie bei WAP nach Zeit, sondern nach übertragenem Datenvolumen abgerechnet wird. Es wird klar, dass in UMTS die Sicherheit eine mindestens ebenso große Rolle wie heute im Festnetz spielen wird. 3.1 Sicherheitsprinzipien Die Sicherheit der dritten Generation soll auf der Sicherheit der zweiten Generation aufbauen. Die benötigten Sicherheitselemente aus der zweiten Generation werden zunächst einer genauen Kontrolle unterzogen, bevor sie für UMTS modifiziert werden. Mit den neuen 3G-Diensten werden natürlich auch neue Sicherheitseigenschaften benötigt werden. Zu den weiterhin eingesetzten Sicherheitselementen gehören beispielsweise die Authentifizierung des Teilnehmers gegenüber dem Netzwerk (verbesserte Algorithmen), die Verschlüsselung an der Funkschnittstelle (Schlüssel von 64 auf 128 Bits erweitert) und der Einsatz einer SIM-Karte. Des weiteren soll die 3G-Sicherheit eine Verbesserung der 2G-Sic herheit sein. Als Verbesserungen können vor allem die verschlüsselte Übertragung

5 der Authentifizierungsdaten und Übertragungsschlüssel innerhalb des Netzwerks, die Gewährleistung der Datenintegrität und die Möglichkeit, Sicherheitseigenschaften nachträglich zu ergänzen oder zu ändern, genannt werden. 3.2 Sicherheits-Architektur Die Sicherheits-Architektur setzt sich aus den sogenannten Sicherheitseigenschaften und Sicherheitsmechanismen zusammen. Eine Sicherheitseigenschaft ist eine Diensteigenschaft, die bestimmte Voraussetzungen an die dritte Mobilfunkgeneration erfüllt. Ein Sicherheitsmechanismus stellt die Realisierung einer Sicherheitseigenschaft dar. Eingeteilt werden die Sicherheitseigenschaften in folgende fünf Bereiche: Netzzugangssicherheit (I): Dieser Bereich ist für den sicheren Zugriff auf 3G-Dienste zuständig. Hierzu gehört vor allem der Schutz vor Angriffen über die Funkverbindung. 1.Vertraulichkeit der Benutzeridentität 2. Vertraulichkeit der Daten Sicherheit im Netzwerkbereich (II) Um die Sicherheit im (kabelgebundenen) Netzwerkbereich zu gewährleisten, müssen sich auch die Instanzen dieses Bereiches gegenseitig authentifizieren. Es werden Sicherheitsmechanismen benötigt, um die Vertraulichkeit und Integrität sowohl der vom Benutzer erzeugten Daten als auch der Signaldaten zu sichern. Eine Idee zur Umsetzung der Sicherheitseigenschaften ist die Einführung einer sog. Public Key Infrastructure (PKI). Innerhalb einer PKI werden die privaten und zertifizierten, öffentlichen Schlüssel verwaltet und verteilt. Sicherheit im Benutzerbereich (III) Die Mechanismen der Sicherheitseigenschaften dieses Bereichs sind für den sicheren Zugriff auf die Mobilstation zuständig. Bevor der Benutzer uneingeschränkt auf die Funktionen des USIM zugreifen kann, muss er sich zuerst authentifizieren (user-to-usim authentication). Um diese Sicherheitseigenschaft zu erreichen, müssen beide Parteien ein Geheimnis teilen, das sicher auf der UICC gespeichert ist. Dieser Mechanismus kann zum Beispiel durch eine Passwort- oder PIN-Abfrage realisiert werden. Ebenso muss sich das USIM gegenüber dem Terminal (Mobilgerät) authentifizieren, bevor es vollen Zugriff auf das Gerät erhält (USIM-Terminal Link). Die Authentifiziereng erfolgt wiederum durch Kenntnis eines gemeinsamen Geheimnisses.

6 Sicherheit im Anwendungsbereich (IV) Die Sicherheit im Anwendungsbereich betrifft vor allem den sicheren Austausch von Nachrichten zwischen Anwendungen des Benutzerbereichs und des Providerbereichs. Hierzu werden Mechanismen zum sicheren Nachrichtenaustausch zwischen USIM und dem Netzwerk benötigt. Ebenso muss ein netzweiter, vertraulicher Datenverkehr gewährleistet werden, das heisst, es werden nicht nur Verbindungen über die Funkverbindung verschlüsselt, sondern auch im Netzwerkbereich (Ende-zu-Ende-Verschlüsselung).