Глава 5. АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ В СТАНДАРТЕ GSM

5.1 Общее описание характеристик безопасности

Сотовые системы подвижной связи нового поколения в состоянии принять всех потенциальных пользователей, если будут гарантированы безопасность связи: секретность и аутентификация. Секретность должна исключить возможность извлечения информации из каналов связи кому-либо, кроме санкционированного получателя. Проблема аутентификации заключается в том, чтобы помешать кому-либо, кроме санкционированного пользователя (отправителя), изменить канал, то есть получатель должен быть уверен, что в настоящий момент он принимает сообщение от санкционированного пользователя. Основным способом обеспечения секретности является шифрование. Относительно новая концепция - использование шифрования как способа аутентификации сообщений.

Аутентификация сообщений через шифрование осуществляется за счет включения в текст так называемого кода идентификации (то есть фиксированного или зависящего от передаваемых данных слова, которое знают отправитель и получатель или которое они могут выделить в процессе передачи). Получатель расшифровывает сообщение, путем сравнения получает удостоверение, что принимаемые данные являются именно данными санкционированного отправителя.

К системе шифрования предъявляются следующие основные требования:

1) нелинейные связи между исходным текстом и зашифрованным текстом;

2) изменение параметров шифрования во времени.

Если алгоритмы шифрования отвечают первому требованию, то, не зная ключа, исключается возможность изменить код идентификации, чтобы избежать обнаружения факта несанкционированного доступа. Второе требование исключает возможность нарушения работы системы за счет воспроизведения "обнаружителем" принятого ранее и записанного в память сообщения.

Один путь обеспечения этих требований - применение синхронных систем передачи, но при этом необходимы системы цикловой и тактовой синхронизации, что во многих случаях неприемлемо.

Второй путь - включение в информационную последовательность (каждое сообщение) временных меток так, чтобы зашифрованные данные были бы однозначно с ними связаны. Алгоритмы шифрования делятся на два класса [5.1-5.3];

- классические алгоритмы;

- алгоритмы с открытым ключом.

Классические алгоритмы используют один ключ для шифрования-дешифрования. Алгоритмы с открытым ключом используют два ключа:

первый - для перехода от нешифрованного текста к шифрованному; второй - для обратного перехода от шифрованного к нешифрованному. Причем знание одного ключа не должно обеспечить обнаружение второго ключа. В этих алгоритмах один из ключей, обычно используемый для шифрования, можно сделать общим, и только ключ, используемый для расшифровки, должен быть засекречен. Эта особенность очень полезна для снижения сложности протокола и интеграции структур шифрования в сетях связи.

Алгоритмы шифрования с открытым ключом построены на определении односторонней функции, то есть некоторой функции f, такой, что для любого х из ее области определения f (х) легко вычислима, однако практически для всех у из ее области значений нахождение х, для которого y=f(x) вычислительно, не осуществимо [5.1-5.3]. То есть, односторонняя функция является отдельной функцией, которая легко рассчитывается ЭВМ в приемлемом объеме времени, но время расчета обратной функции в существующих условиях недопустимо большое.

Первый алгоритм шифрования с общим ключом был назван RSA (первые буквы фамилий авторов Rivest, Shamir, Adieman) [5.1-5.3]. Алгоритм базируется на двух функциях Е и D, связанных соотношением:

D (Е(*) = Е (D(*)).

Одна из этих функций используется для шифрования сообщений, другая - для дешифрования. Секретность алгоритма основана на том, что знание функции Е (или D) не открывает легкого способа вычисления D (или Е). Каждый пользователь делает общей функцию Е и хранит в секрете функцию D, то есть для пользователя Х есть открытый ключ Ех и секретный Dx.

Два пользователя А и В могут использовать алгоритм RSA, чтобы передать любое зашифрованное сообщение. Если абонент А хочет отправить сообщение М абоненту В, то он может сделать это следующим образом:

- зашифровать сообщение М;

- подписать сообщение М;

- зашифровать и подписать М. В первом случае: А обеспечивает преобразование М, используя открытый ключ

С = Ев (М)

и посылает его абоненту В. В принимает С и вычисляет db (с) = db (Ев (М)) = М.

Во втором случае: А подписывает М посредством вычисления F = Da (М)

и посылает F абоненту В (эти операции может осуществлять только пользователь А, которому известен секретный ключ Da). В получает F и вычисляет

Еа (F) = Еа (Da (М)) = М.

В теперь известно, что сообщение М действительно послано пользователем А. В этом случае секретность сообщения М не гарантируется, так как все могут осуществить такую же операцию с использованием общего ключа Еа. В третьем случае: А вычисляет

F = Da (М) и С = Ев (F) = Ев (Da (М);

А посылает С к В. В получает С и вычисляет db (с) = db (Ев (F)) = Da (М); В может теперь легко получить М, вычислив Еа (Da (М)) = М.

До операции шифрования и подшей каждое сообщение М должно разделяться на блоки фиксированной длины, затем каждый блок кодируется как совокупность фиксированного числа цифр. RSA кодер оперирует такими отдельными блоками в каждом цикле кодирования. Полное описание алгоритма RSA изложено, например, в [5.1, 5.2].

Алгоритм шифрования с открытым ключом RSA обеспечивает высокую степень безопасности передачи речевых сообщений и рекомендован к использованию в цифровых системах подвижной радиосвязи нового поколения.

В стандарте GSM термин "безопасность" понимается как исключение несанкционированного использования системы и обеспечение секретности переговоров подвижных абонентов. Определены следующие механизмы безопасности в стандарте GSM [5.4, 5.5]:

- аутентификация;

- секретность передачи данных;

- секретность абонента;

- секретность направлений соединения абонентов.

Защита сигналов управления и данных пользователя осуществляется только по радиоканалу. Режимы секретности в стандарте GSM определяются Рекомендациями, приведенными в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Рассмотрим последовательно механизмы безопасности в стандарте GSM, общий состав секретной информации, а также ее распределение в аппаратных средствах GSM системы. При этом будем использовать термины и обозначения, принятые в рекомендациях GSM.

5.2 Механизмы аутентификации

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся иопределяются механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит:

- международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI);

- свол индивидуальный ключ аутентификации (Ki);

- алгоритм аутентификации (A3). С помощью заложенной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между

подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. Подвижная станция определяет значение отклика (SRES), используя RAND, Ki и алгоритм A3:

SRES = Ki [RAND].

Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция может осуществлять передачу сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции должен показать, что опознавание не состоялось.

По причине секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (такая как Ki) не подвергается обработке в модуле SIM. Процедура аутентификации иллюстрируется рис. 5.1.

рис. 5.1

5.3 Секретность передачи данных

Ключ шифрования

Для обеспечения секретности передаваемой по радиоканалу информации вводится следующий механизм защиты. Все конфиденциальные сообщения должны передаваться в режиме защиты информации. Алгоритм формирования ключей шифрования (А8) хранится в модуле SIM. После приема случайного номера RAND подвижная станция вычисляет, кроме отклика SRES, также и ключ шифрования (Кс), используя RAND, Ki и алгоритм А8 (рис. 5.2):

Кс = Ki [RAND].

Ключ шифрования Кс не передается по радиоканалу. Как подвижная станция, так и сеть вычисляют ключ шифрования, который используется другими подвижными абонентами. По причине секретности вычисление Кс происходит в SIM.

Числовая последовательность ключа шифрования

Кроме случайного числа RAND сеть посылает подвижной станции числовую последовательность ключа шифрования. Это число связано с действительным значением Кс и позволяет избежать формирование неправильного ключа. Число хранится подвижной станцией и содержится в каждом первом сообщении, передаваемом в сеть. Некоторые сети принимают решение о наличии числовой последовательности действующего ключа шифрования в случае, если необходимо приступить к опознаванию или, если выполняется предварительное опознавание, используя правильный ключ шифрования. В некоторых случаях это допущение реально не обеспечивается.

Установка режима шифрования

Для установки режима шифрования сеть передает подвижной станции команду CMC (Ciphering Mode Command) на переход в режим шифрования. После получения команды CMC подвижная станция, используя имеющийся у нее ключ, приступает к шифрованию и дешифрованию сообщений. Поток передаваемых данных шифруется бит за битом или поточным шифром, исполь-

5.4 Обеспечение секретности абонента

Для исключения определения (идентификации) абонента путем перехвата сообщений, пере даваемых по радиоканалу, каждому абоненту системы связи присваивается "временное удостове рение личности" - временный международный идентификационный номер пользователя (TMSI), ко торый действителен только в пределах зоны расположения (LA). В другой зоне расположения ем' присваивается новый TMSI. Если абоненту еще не присвоен временный номер (например, при пер вом включении подвижной станции), идентификация проводится через международный идентифи кационный номер (IMSI). После окончания процедуры аутентификации и начала режима шифрова ния временный идентификационный номер TMSI передается на подвижную станцию только в за шифрованном виде. Этот TMSI будет использоваться при всех последующих доступах к системе Если подвижная станция переходит в новую область расположения, то ее TMSI должен передавать ся вместе с идентификационным номером зоны (LAI), в которой TMSI был присвоен абоненту.

5.5 Обеспечение секретности в процедуре корректировки местоположения

При выполнении процедуры корректировки местоположения по каналам управления осуще ствляется двухсторонний обмен между MS и BTS служебными сообщениями, содержащими вре менные номера абонентов TMSI. В этом случае в радиоканале необходимо обеспечить секретност переименования TMSI и их принадлежность конкретному абоненту.

Рассмотрим, как обеспечивается секретность в процедуре корректировки местоположения i случае, когда абонент проводит сеанс связи и при этом осуществляет перемещение из одной зот расположения в другую.

В этом случае подвижная станция уже зарегистрирована в регистре перемещения VLR с вре менным номером TMSI, соответствующим прежней зоне расположения. При входе в новую зон расположения осуществляется процедура опознавания, которая проводится по старому, зашифро ванному в радиоканале TMSI, передаваемому одновременно с наименованием зоны расположени LAI. LAI дает информацию центру коммутации и центру управления о направлении перемещени подвижной станции и позволяет запросить прежнюю зону располбжения о статусе абонента и ег данные, исключив'обмен этими служебными сообщениями по радиоканалам управления. При это1

5.6 Общий состав секретной информации и ее распределение в аппаратных средствах GSM

В соответствии с рассмотренными механизмами безопасности, действующими в стандарте GSM, секретной считается следующая информация: RAND - случайное число, используемое для аутентификации подвижного абонента;

- значение отклика - ответ подвижной станции на полученное случайное число;

- индивидуальный ключ аутентификации пользователя, используемый для вычисления значения отклика и ключа шифрования;

- ключ шифрования, используемый для шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя в радиоканале;

- алгоритм аутентификации, используемый для вычисления значения отклика из случайного числа с использованием ключа Ki;

- алгоритм формирования ключа шифрования, используемый для вычисления ключа Кс из случайного числа с использованием ключа Ki;

- алгоритм шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя с использованием ключа Кс;

- номер ключевой последовательности шифрования, указывает на действительное число Кс, чтобы избежать использования разных ключей на передающей и приемной сторонах;

- временный международный идентификационный номер пользователя.

В таблице 5.2 показано распределение секретной информации в аппаратных средствах системы связи GSM. Таблица 5.2

5.7 Обеспечение секретности при обмене сообщениями между HLR, VLR и MSC

Основным объектом, отвечающим за все аспекты безопасности, является центр аутентификации (AUC). Этот центр может быть отдельным объектом или входить в состав какого-либо оборудования, например, в регистр местоположения (HLR). Как управлять AUC будет решать тот, кому будет поручена эксплуатация сети. Интерфейс GSM с AUC не определен.

AUC может решать следующие задачи:

- формирование индивидуальных ключей аутентификации пользователей Ki и соответствующих им международных идентификационных номеров абонентов (IMSI);

- формирование набора RAND/SRES/Kc для каждого IMSI и раскрытие этих групп для HLR при необходимости.

Если подвижная станция переходит в новую зону расположения с новым VLR, новый VLR должен получить секретную информацию об этой подвижной станции. Это может быть обеспечено следующими двумя способами:

- подвижная станция проводит процедуру идентификации по своему международному номе- . ру IMSI. При этом VLR запрашивает у регистра местоположения HLR группы данных '' RAND/SRES/Kc, принадлежащих данному IMSI;

- подвижная станция проводит процедуру аутентификации, используя прежний временный номере TMSI с наименованием зоны расположения LAI. Новый VLR запрашивает прежний VLR для посылки международного номера IMSI и оставшихся групп из RAND/SRES/Kc, принадлежащих этим TMSI/LAI,

Если подвижный абонент остается на более длительный период в VLR, тогда после некоторого количества доступов с аутентификацией VLR из соображений секретности потребует новые группы RAND/SRES/Kc от HLR.

Все эти процедуры определены в рекомендации GSM 09.02.

Проверка аутентификации выполняется в VLR. VLR посылает RAND на коммутационный центр (MSC) и принимает соответствующие отклики SRES. После положительной аутентификации TMSI размещается с IMSI. TMSI и используемый ключ шифрования Кс посылаются в центр коммутации (MSC). Эти же процедуры определяются в рекомендации GSM 09.02.

Передача секретной информации по радиоканалу уже описана в предыдущих разделах и определена в рекомендации GSM 04.08.

5.8 Модуль подлинности абонента

Введение режима шифрования в стандарте GSM выдвигает особые требования к подвижным станциям, В частности, индивидуальный ключ аутентификации пользователя Ki, связанный с международным идентификационным номером абонента IMSI, требует высокой степени защиты. Он также используется в процедуре аутентификации.

Модуль подлинности абонента SIM содержит полный объем информации о конкретном абоненте. SIM реализуется конструктивно в виде карточки с встроенной электронной схемой. Введение SIM делает подвижную станцию универсальной, так как любой абонент, используя свою личную SIM-карту, может обеспечить доступ к сети GSM через любую подвижную станцию.

Несанкционированное использование SIM исключается введением в SIM индивидуального идентификационного номера (PIN), который присваивается пользователю при получении разрешения на работу в системе связи и регистрации его индивидуального абонентского устройства.

Основные характеристики модуля SIM определены в Рекомендации GSM 02.17. Состав секретной информации, содержащейся в SIM, показан в таблице 5.2.

В заключение следует отметить, что выбранные в стандарте GSM механизмы секретности и методы их реализации определили основные элементы передаваемых информационных блоков и направления передачи, на которых должно осуществляться шифрование: (RAND/SRES/Kc от HLR к VLR; RAND и SRES - в радиоканале). Для обеспечения режима секретности в стандарте GSM решены вопросы минимизации времени соединения абонентов. При организации систем сотовой радиосвязи по стандарту GSM имеется некоторая свобода в применении аспектов безопасности. В частности, не стандартизованы вопросы использования центра аутентификации AUC (интерфейс с сетью, структурное размещение AUC в аппаратных средствах). Нет строгих рекомендаций на формирование закрытых групп пользователей и системы приоритетов, принятых в GSM. В этой связи в каждой системе связи, использующей стандарт GSM, эти вопросы решаются самостоятельно.

Литература к Главе 5

5.1 У. Диффи. Н. Хелтан. Защищенность и имитостойкость: введение в криптографию. ТИИЭР.1979, т. 67. N 3. с. 71-109.

5.2 Л. Месси. Введение в современную криптографию. ТИИЭР. 1988. т. 76. N 5, с. 24-42.

5.3 У. Диффи. Первые десять лет шифрования с открытым ключом, ТИИЭР. 1988. т. 76, N5, с. 55-74.

5.4 P. Vander. Arend Security Aspects and the Implementation in the GSM-System. ConferenceProceedings DCRC, 12-14 October 1988. Hagen FRG. p.p. 4a/1-4a/7.

5.5 V. Michel. The Security Features in the GSM-System. 6-th World Telecommunication Forum Proceedings. Geneva, 10-15 October, 1991. Part 2. p.p. 385-389.