Защита и шифрование в стандарте GSM

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им.Р.Е.Алексеева 
 
 
 

Реферат на тему

«Защита и шифрование в стандарте GSM» 
 
 
 

Выполнил:

студент гр

Проверил:

  
 

г. Н.Новгород

2009г.

Содержание.

1. ВВЕДЕНИЕ

     1.1 Общие характеристики стандарта GSM……………………………5

     1.2 Структурная схема и состав оборудования сетей связи…………..8

     1.3 Сетевые и радиоинтерфейсы………………………………………18

     1.5 Структура служб и передача данных в стандарте GSM…………22

     1.6 Терминальное оборудование и адаптеры подвижной станции….24

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ В СТАНДАРТЕ GSM

     2.1 Частотный план стандарта GSM…………………………………..34

     2.3 Модуляци радиосигнала…………………………………………...43

3. КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНДАРТА GSM

3.1 Сверточное кодирование и перемежение в полноскоростном речевом канале…………………………………………………………………...45

3.2 Кодирование и перемежение в полноскоростном канале передачи данных…………………………………………………………………. 46

4. АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ В СТАНДАРТЕ GSM

     4.1 Общее описание характеристик безопасности…………………...47

     4.2 Алгоритмы шифрования делятся на два класса………………….48

     4.3 Механизмы аутентификации………………………………………51

     4.4 Секретность передачи данных…………………………………….53

     4.5 Числовая последовательность ключа шифрования………………53

     4.6 Установка режима шифрования…………………………………...54

       4.7 Обеспечение секретности абонента………………………………54

4.8 Обеспечение секретности при обмене сообщениями между HLR, VLR и MSC……………………………………………………………………58

     4.9 Модуль подлинности абонента…………………………………….59

4.10 Эксплуатационные характеристики портативных радиотелефонов стандарта GSM…………………………………………………………..60

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...61

6. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ……………………………………..62

7. СПИСОК АББРИВИАТУР И ОБОЗНАЧЕНИЙ…………………………...62 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

  Общевропейский стандарт GSM (Groupe Special Mobile) - первый в мире стандарт на цифровые сотовые системы подвижной связи, создаваемых в диапазоне 900 Мгц. Система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных  и цифровым сетям с интеграцией служб.    

 В  данном материале рассмотрены  структурные схемы, состав оборудования, функциональное построение и  интерфейсы, принятые в стандарте  GSM. Определено функционирование  логических каналов двух типов:  каналов связи для передачи  кодированной речи или данных; каналов управления для передачи сигналов управления и синхронизации. Описаны аспекты безопасности в стандарте GSM.   

 Приведены  эксплуатационные характеристики  портативных радиотелефонов стандарта  GSM. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общие характеристики стандарта GSM

 
    В соответствии с рекомендацией  СЕРТ 1980 г., касающейся использования  спектра частот подвижной связи  в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую  (глобальную) сотовую систему наземной  подвижной связи предусматривает  работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS).   

 В  стандарте GSM используется узкополосный  многостанционный доступ с временным  разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.   

 Для  защиты от ошибок в радиоканалах  при передаче информационных  сообщений применяется блочное  и сверточное кодирование с  перемежением. Повышение эффективности  кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.   

 Для  борьбы с интерференционными  замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.   

 Система  синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.   

 В  стандарте GSM выбрана гауссовская  частотная манипуляция с минимальным  частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с.   

 В  стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).   

 В  целом система связи, действующая  в стандарте GSM, рассчитана на  ее использование в различных  сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

Таблица 1 
(Основные характеристики стандарта GSM )

 
 
 

 

Структурная схема и состав оборудования сетей  связи

 
    Функциональное построение и  интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой (рис.1), на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

   

 Рисунок 1.Функциональное построение и интерфейсы стандарта GSM .   

 Функциональное  сопряжение элементов системы  осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МСЭ-Т (ранее МККТТ) SS N7 (CCITT SS. N 7)).

     Центр коммутации подвижной связи обслуживает  группу сот и обеспечивает все  виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции ISDN, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.   

 Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных  абонентов, расположенных в пределах  определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.   

MSC формирует  данные, необходимые для выписки  счетов за предоставленные сетью  услуги связи, накапливает данные  по состоявшимся разговорам и  передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также  статистические данные, необходимые  для контроля работы и оптимизации сети.   

MSC поддерживает  также процедуры безопасности, применяемые  для управления доступами к  радиоканалам.   

MSC не  только участвует в управлении  вызовами, но также управляет  процедурами регистрации местоположения  и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).   

 Практически  HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.    

 К  данным, содержащимся в HLR, имеют  дистанционный доступ все MSC и  VLR сети и, если в сети имеются  несколько HLR, в базе данных  содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.   

 Второе  основное устройство, обеспечивающее  контроль за передвижением подвижной  станции из зоны в зону, - регистр  перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.    

VLR содержит  такие же данные, как и HLR, однако  эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент  находится в зоне, контролируемой VLR. 
В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.    

VLR обеспечивает  также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда  подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.