Mô tả:
Tổng quan về hệ thống thông tin di động, về mạng thế hệ thứ ba. Nghiên cứu bảo mật 3G UMTS.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
DƯƠNG ANH ĐỨC
NGHIÊN CỨU
BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
DƯƠNG ANH ĐỨC
NGHIÊN CỨU
BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG
Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cứu bảo mật trong công
nghê ̣ 3G”. Tôi đã thực hiện đúng qui trình thực hiện trong thời gian làm luận văn.
Tôi xin cam đoan rằng luận văn này do chính tôi thực hiện, các số liệu, tài liệu
sử dụng trong bài khóa luận này được thu thập từ nguồn thực tế được tham khảo
một số tài liệu tiếng Việt cũng như tiếng Anh.
Trên đây là lời cam đoan của tôi, nếu tôi vi phạm tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ và khoa, viện đào tạo sau đại học.
Hà Nội, ngày 12 tháng 5 năm 2017
Tác giả luận văn
DƯƠNG ANH ĐỨC
1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1G
1st Generation
Thế hệ thứ 1
2G
2nd Generation
Thế hệ thứ 2
3G
3rd Generation
Thế hệ thứ 3
3GPP
3GPP2
Third Generation Partnership
Project
Third Generation Partnership
Project
Dự án hội nhập thế hệ 3
Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai
A
Đa tốc độ thích nghi
AMR
Adaptive Multirate
ATM
Asynchronous Transfer Mode
AC
Authentication Center
Trung tâm nhận thực
BPSK
Binary Phase Shirf Keying
Điều chế dịch pha nhị phân
BSC
Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm gốc
BSS
Base Station Subsystem
Phân hệ trạm gốc
BTS
Base Transceiver station
Trạm thu phát gốc
Code Division Multi Access
Đa truy nhập phân chia theo
Phương thức tuyền không đồng
bộ
B
C
CDMA
2
mã
CN
Core Network
Mạng lõi
CS
Circuit Switched
Chuyển mạch kênh
CS-1,2,3,4
Coding Scheme 1,2,3,4
Sơ đồ mã hóa 1,2,3,4
DCS
Digital Communications System
Hệ thống thông tin số
DS
Telacommunications System
Chuỗi trải phổ trực tiếp
DSL
Digital Subscriber Line
Đương thuê bao số
Enhanced Data Rates for GSM
Cải thiện tốc độ số liệu cho
Evolution
phát triển GSM
D
E
EDGE
F
FDD
Frequency Division Duplex
Ghép song công phân chia theo
tần số
G
GSM/EDGE Radio Accsess
Mang truy nhập vô tuyến
Network
GSM/EDGE
GGSN
Gateway GPRS Support Node
Nút mạng hỗ trợ GPRS cổng
GMM
GPRS Mobility Management
Quản lý mềm dẻo GPRS
GMSC
Gateway MSC
MSC cổng
GERAN
3
GPRS
General Packet Radio Services
Dịch vụ vô tuyến gói chung
GPS
Global Position System
Hệ thống định vị toàn cầu
Global System for Mobile
Hệ thống thông tin di động
Communications
toàn cầu
GSM
H
ITU standard fo video
H.263
Tiêu chuẩn ITU cho nén ảnh,
compression for videoconferencing and video-telephony
application
ứng dụng cho hội nghị truyền
hình và điện thoại truyền hình
HLR
Home Location Register
Bộ ghi định vị thường chú
HTTP
Hypertext transfer Protocol
Thủ tục truyền siêu văn bản
I
Thủ tục truy nhập tin nhắn qua
IMAP
Internet Message Accsess Protocol
IMS
IP Multimedia Subsystem
Phân hệ đa phương tiện IP
International Mobile
Viễn thông di động quốc tế
Telecommunications-2000
2000
IN
Intelligent Network
Mạng thông minh
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
IS-54
Interim Standard - 54
IMT-2000
Internet
Tiêu chuẩn thông tin di động
TDMA cải tiến của Mỹ (do
4
AT&T đề xuất)
IS-95
ISDN
ITU-R
Tiêu chuẩn thông tin di động
Interim Standard - 95
TDMA của Mỹ
Integrated Services Digital
Network
International Telecommunication
Liên hiệp viễ thông quốc tế -
Union - Radio Sector
Bộ phân vô tuyến
International Telecommunication
ITU-T
Mạng số dịch vụ tích hợp
Union - Telecommunication
Standardzation Sector
Liên hiệp viễn thông quốc tế Viện tiêu chuẩn viễn thông
J
JPEG
Joint Photographic Experts Group
Tổ chức chuyên gia ảnh đồ họa
Local Area Network
Mạng cục bộ
L
LAN
M
Điều khiển truy nhập môi
MAC
Medium Accsess Control
MM
Mobile Managerment
MMS
Multimedia Messaging Services
MMS-C
MMS Center
trường
Quản lý di động
Dịch vụ nhắn tin đa phương
tiện
Trung tâm MMS
5
MPEG
Moving Picture Experts Group
Tổ chức chuyên gia ảnh động
MS
Mobile Station
Trạm di động
MSC
Mobile Switching Service Center
Trung tâm chuyển mạch dịch
vụ di động
N
NMS
Network Managerment System
Hệ thống quản lý mạng
NNI
Network Node Interface
Giao diện nút mạng
NSS
Network SubSystem
Phân hệ mạng
Operation Maintenace Center -
Hệ thống quản lý khai thác
GPRS
trong GPRS
PCU
Packet Control Unit
Khối điều khiển gói dữ liệu
PSC
Personal Communication System
Hệ thống thông tin cá nhân
PDC
Personal Digital Cellular
Hệ thống tổ óng số cá nhân
PDCH
Packet Data Channel
Kênh số liệu gói
PDN
Packet Data Network
Mạng số liệu gói
PDP
Packet Data Protocol
Giao thức số liệu gói
PDSN
Packet Data Service Node
Nút dịch vụ số liệu gói
O
OMC-G
P
6
PS
Packet Switched
Chuyển mạch gói
PSDN
Packet Switched Data Network
Mạng số liệu chuyển mạch gói
Packet Switched Public Data
Mạng số liệu công cộng
Network
chuyển mạch gói
Public Switched Telephone
Mạng điện thoại chuyển mạch
Network
công cộng
QoS
Quality of Servise
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Phase Shift Keyging
Điều chế dịch pha cầu phương
RA
Routing Area
Vùng định tuyến
RAN
Radio Accsess Network
Mạng truy nhập vô tuyến
RBS
Radio Base Station
Trạm gốc vô tuyến
RLC
Radio Link Control
Điều khiển kết nối vô tuyến
RLP
Radio Link Protocol
Giao thức kết nối vô tuyến
RNC
Radio Network Controller
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
SGSN
Serving GPRS Support Node
Nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRS
SMS
Short Message Service
Dịch vụ tin nhắn
PSPDN
PSTN
Q
R
S
7
SMS-C
Short Message Service Center
Trung tâm dịch vụ tin nhắn
Traffic Channel
Kênh lưu lượng
Transmission Control Protocol/
Giao thức điều khiển truyền
Internet Protocol
dẫn trên giao thức Internet
T
TCH
TCP/IP
TDD
Time Division Multi Accsess
TDMA
Terminal Equipment
TE
Ghép song công phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Telecommunications Industry
Association
Thiết bị đầu cuối
Transceiver
Bộ thu phát
User Interface
Giao diện người sử dụng
Universal Mobile
Hệ thống viễn thông di động
Telecommunications System
toàn cầu
VHE
Virtual Home Environment
Môi trường thường trú ảo
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi định vị tạm trú
VoIP
Voice over IP
Thoại trên nền IP
TRX
U
UI
UMTS
V
8
VPN
Mạng riêng ảo
Vietual Private Network
X
XML
Extensible Mark-up Language
Ngôn ngữ đánh dấu có khả
năng mở rộng
W
WAN
Wide Area Network
Mạng diện rộng
WAP
Wireless Application Protocol
Thủ tục ứng dụng vô tuyến
WCDMA
Wideband Cosw Division Multiple Đa truy nhập băng rộng phân
Accsess
chia theo mã
9
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................................................................2
MỤC LỤC .................................................................................................................10
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................12
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................13
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ................15
1.1.Lịch sử phát triển.................................................................................................15
1.2.Mạng di động ......................................................................................................16
1.3. Hệ thống thông tin di động toàn cầu ..................................................................17
1.4.Tiêu chuẩn mạng di động ....................................................................................23
1.4.1. 0G (Zero Generation) ..................................................................................23
1.4.2. 1G (First Generation) ..................................................................................23
1.4.3. 2G (Second Generation) ..............................................................................25
1.4.4. 3G (Third Generation) .................................................................................26
1.4.5. 4G ( Fourth Generation) ..............................................................................27
1.4.6. 5G (5th generation)......................................................................................27
1.5. Kết luận chương .................................................................................................31
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ THỨ BA ..................................32
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................32
2.2.Những tiêu chuẩn công nghệ của hệ thống 3G ...................................................34
2.3. Kiến trúc của một hệ thống thông tin di động 3g...............................................37
2.3.1. Kiến trúc tổng quát ......................................................................................37
2.3.2. Chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói .........................................................40
2.3.3. Chuyển mạch ATM và IP ............................................................................42
2.4.Lưu lượng và dịch vụ 3g .....................................................................................43
2.5.Kết luận chương ..................................................................................................45
10
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU BẢO MẬT 3G UMTS ..............................................46
3.1.Bảo mật trong GSM ............................................................................................46
3.1.1.Thuật toán A5/1 ............................................................................................46
3.1.2.Thuật toán A5/2 ............................................................................................50
3.2.Bảo mật trong 3G UMTS ....................................................................................52
3.2.1.Thuật toán Kasumi .......................................................................................52
3.2.1.1.Giới thiệu thuật toán Kasumi .................................................................52
3.2.1.2.Hàm bảo mật f8 .....................................................................................65
3.2.1.3.Hàm toàn vẹn f9.....................................................................................66
3.2.1.4.Chương trình mô phỏng mã KASUMI ..................................................67
3.3.Cấu trúc bảo mật mạng UMTS ...........................................................................67
3.4.Nhận thực trong mạng UMTS.............................................................................70
3.5. Kết luận chương .................................................................................................72
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................74
11
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Mạng tế bào...............................................................................................16
Hình 1.2.Cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu[2] ......................................17
Hình 2.1 Các công nghệ di động từ 1G tới 4G[3] ....................................................33
Hình 2.2. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS trong
mạng lõi[4] ................................................................................................................38
Hình 2.3.Cấu trúc của UTRAN[4] ............................................................................39
Hình 2.4.Cấu trúc của một tế bào ATM ....................................................................42
Hình 3.1.Mã luồng thuật toán A5/1[5] .....................................................................47
Hình 3.2.Lược đồ thuật toán A5/2[6] .......................................................................51
Hình 3.3.OUPUT L8||R8[7] .......................................................................................55
Hình 3.4.Hàm FL[7] .................................................................................................57
Hình 3.5.Hàm FO[7] .................................................................................................58
Hình 3.6.Hàm FI[7] ..................................................................................................59
Hình 3.7.Khóa con vòng[7] ......................................................................................65
Hình 3.8.Bảo mật hàm f8[8] .....................................................................................66
Hình3.9.Hàm toàn vẹn f9[8] .....................................................................................67
Hình 3.10. Tổng quan cấu trúc bảo mật mạng UMTS[10] .......................................68
Hình 3.11. Nhận thực và tạo khóa UMTS .................................................................71
12
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.So sánh một số tiêu chuẩn điện thoại di động ...........................................28
Bảng 1.2. So sánh chung về công nghệ 1G, 2G, 3G, 4G ..........................................30
Bảng 2.1.Tổng quan hệ thống IMT/2000 ..................................................................34
13
MỞ ĐẦU
Luận văn này chủ yếu là tìm hiểu bảo mật trong thông tin di động qua các giao
thức đã được trình bày ở trên đề tài. Nội dung chủ yếu là tìm kiếm các thông tin
trong bảo mật 3G. Tất cả đều nhằm mục đích nghiên cứu và nhân thực về thông tin
di động.Chúng đều đem lại mục đích là bảo mật được thông tin.
Việc bảo mật và nhận thực thuê bao cho các giao thức trong mạng thông tin
như mạng tổ ong số và Internet không dây. Điều này giúp chúng ta xác định việc
thực hiện việc nhận thực và cao hơn nữa là bảo mật trong thông tin di động. Tất cả
đều phục vụ mục đích tối đa cho việc bảo mật thông tin di động.
Luận văn được chia thành 3 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Chương 2: Tổng quan về mạng thế hệ thứ 3
Chương 3: Nghiên cứu bảo mật 3G UMTS
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông,
Đại học Bách Khoa Nội đã giúp đỡ thực hiện luận văn này. Đặc biệt là sự hướng
dẫn tận tình của thầy PGS.TS:Nguyễn Quốc Trung, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn, định
hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.
14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG
Chương này trình bày tổng quan tiến trình phát triển của các hệ thống thông
tin di động. So sánh các công nghệ từ 1G-5G.
1.1.Lịch sử phát triển
Năm 1947, Douglas H. Ring nảy sinh ý tưởng về mạng thông tin di động tế
bào. Hệ thống này sử dụng một số lượng lớn các máy phát công suất thấp để tạo nên
các tế bào. Thuê bao di động di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác, cuộc nói
chuyện vẫn không bị gián đoạn.
Năm 1960 các dịch vụ điện thoại di động bắt đầu xuất hiện, những hệ thống
điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng thấp. Joel Engel và Richard
Frenkiel cho phép việc tái sử dụng tần số cũ và hạn chế mất liên lạc khi di chuyển
giữa các vùng phủ sóng, giúp tăng số lượng thuê bao đồng thời xây dựng ngành
công nghiệp di động phát triển rực rỡ.
Năm 1980 hệ thống điện thoại tổ ong sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia
theo tần số xuất hiện.
Năm 1982 hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ra đời ở Châu Âu sử
dung kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian
Năm 1985 công nghệ CDMA bắt đầu phát triển và phiên bản đầu tiên là
CDMA IS_95A. Để tăng dung lượng, tần số các hệ thống này đang được chuyển
vùng 800 MHz - 900 Mhz sang 1,8 GHz - 1,9 GHz.
Năm 1986 Hệ thống thông tin di động toàn cầu sử dụng đa truy nhập phân
chia theo thời gian TDMA băng hẹp được lựa chọn cho các dịch vụ viễn thông
Châu Âu ở băng tần 900 Mhz.
Năm 1988, một trong những năm quan trọng nhất trong sự phát triển điện
thoại di động. Hiệp hội Công nghiệp Công nghệ tế bào được tạo ra và giúp cho
15
ngành công nghiệp này phát triển. Một trong những đóng góp lớn nhất của nó là khi
nó đã giúp tạo ra công nghệ điện thoại đa truy nhập phân chia theo thời gian và trở
thành phổ biến vào năm 1991.
1.2.Mạng di động
Mạng tế bào là một mạng thông tin liên lạc, liên kết không dây. Mạng này
được phân bố trên các vùng đất được gọi là tế bào, phục vụ bởi ít nhất một trạm thu
phát vị trí cố định, được biết đến như một trạm gốc. Trạm gốc cung cấp cho các tế
bào với vùng phủ sóng mạng mà có thể được sử dụng để truyền thoại, dữ liệu. Một
tế bào có thể sử dụng một bộ tần số khác nhau từ các tế bào lân cận, để tránh nhiễu
và cung cấp chất lượng dịch vụ đảm bảo trong mỗi tế bào.
Các mạng di động cung cấp một số tính năng: Dung lượng lớn, vì cùng một
tần số có thể được sử dụng cho nhiều liên kết miễn là chúng trong các tế bào khác
nhau.Thiết bị di động sử dụng ít điện năng và vùng phủ sóng lớn.
Hình 1.1 mô tả cấu trúc của một mạng tế bào.
Hình 1.1. Mạng tế bào
Để phân biệt các tín hiệu từ các máy phát khác nhau, đa truy nhập phân chia
thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia tần số (FDMA), đa truy cập phân chia
theo mã (CDMA), và đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA) được phát
16
triển. TDMA truyền và nhận các khe thời gian được sử dụng bởi người dùng khác
nhau trong mỗi tế bào khác nhau.FDMA truyền và nhận tần số được sử dụng bởi
người dùng khác nhau trong mỗi tế bào khác nhau. Trong hệ thống xe taxi đơn giản,
các lái xe taxi tự điều chỉnh đến một tần số của một tế bào được lựa chọn để có
được một tín hiệu mạnh và để tránh nhiễu từ tín hiệu từ các tế bào khác.
1.3. Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Hình 1.2 trình bày cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu trong đó các
phần tử của mô hình được miêu tả ở phần dưới.
Hình 1.2.Cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu[2]
Mô hình gồm các phần tử sau:
MS: trạm di động.
BTS: trạm thu phát gốc.
BSC: bộ điều khiển trạm gốc.
MSC: trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động.
HLR: bộ ghi định vị thường trú.
VLR: bộ ghi định vị tạm trú.
17
GMSC: MSC cổng.
AUC: quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực.
EIR: quản lý thiết bị di động.
OSS: khai thác và bảo dưỡng mạng.
Trạm di động: là thiết bị di động mà người sử dụng thường xuyên nhìn thấy
của hệ thống. Trạm di động có thể trong ôtô hoặc thiết bị cầm tay. Ngoài chức năng
vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến, trạm di động còn cung cấp giao
diện với người sử dụng
Các chức năng của trạm di động
- Thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động
- Thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn .
- Làm việc như một cổng nối thông thiết bị đầu cuối với đầu cuối di động.
Trạm thu phát gốc: trạm thu phát gốc gồm các thiết bị phát, thu, anten và xử lý
tín hiệu cho giao diện vô tuyến. Có thể coi trạm thu phát gốc là modem vô tuyến
phức tạp có thêm một số các tính năng khác.
Một bộ phận quan trọng của trạm thu phát gốc là
TRAU: khối chuyển đổi mã và tốc độ: là quá trình giải mã và mã hoá tiếng
đặc thù riêng cho hệ thống di động được tiến hành ,ở đây cũng thực hiện thích ứng
tốc độ trong trường hợp truyền số liệu. Tuy là một bộ phận của trạm thu phát gốc
nhưng cũng có thể đặt nó cách xa trạm thu phát gốc và thậm chí trong nhiều trường
hợp nó được đặt giữa trạm thu phát gốc và trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di
động.
Bộ điều khiển trạm gốc: có nhiệm vụ quản lý các giao diện vô tuyến qua các
lệnh điều khiển từ xa của trạm thu phát gốc và trạm di động .Các lệnh này chủ yếu
là các lệnh về giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao … Một phía bộ điều khiển
trạm gốc được nối với trạm tuyền phát gốc còn phía kia được nối với trung tâm
18
- Xem thêm -