Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu bảo mật trong công nghệ 3G...

Tài liệu Nghiên cứu bảo mật trong công nghệ 3G

.PDF
86
403
68

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 -

Tài liệu liên quan