Đồ án Các thủ tục nhận thực và bảo mật trong mạng CDMA

1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2G 2nd Generation Thế hệ 2 3G 3rd Generation Thế hệ 3 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3 A ACLs Access Control Lists Danh sách điều khiển truy nhập ACTS Advanced Communication Technologies and Services Các công nghệ và dịch vụ truyền thông tiên tiến AES Advanced Encyption Standard Tiêu chuẩn mã hóa cải tiến AK Anonymity Key Khoá nặc danh AKA Authentication and Key Argreement Nhận thực và thống nhất khoá AMF Advance Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS Analog Mobile Phone Systems Hệ thống điện thoại di động tương tự ANSI American National Standards Institude Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ API Application Program Interface Giao diện chương trình ứng dụng ASPECT Advanced Security for Personal Communications Technology An ninh cải tiến cho công nghệ truyền thông cá nhân AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực AUTN Authentication token Dấu hiệu nhận thực mạng AV Authentication Vector Véc tơ nhận thực B BS Base Station Trạm gốc BSS Base Statiom Subsystem Phân hệ trạm gốc BSSGP Base Station System GPRS Protocol Giao thức GPRS hệ thống trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C CA Certificate Authority Thẩm quyền chứng nhận CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CLR Certificate Revocation Lists Danh sách huỷ bỏ chứng nhận CM Connection Management Quản lý kết nối 2 D DECT Digital European Cordless Telephone Điện thoại không dây số châu Âu DECT IN DECT Indentification Number Số nhận dạng thuê bao DECT cá nhân DES Data Encyption Standard Tiêu chuẩn mật mã hoá số liệu E ECC Elliptic Curve Cryptography Mã đường cong ellip EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution Nâng cao tốc độ dữ liệu cho sự phát triển toàn cầu EIR Equipment Identity Register Bộ nhận dạng thiét bị ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ESP Encapsulating Security Payload Tải tin an ninh đóng bao F FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file G GMM/SM GPRS Mobility Management Giao thức quản lý di động GPRS GMSC Gateway MSC MSC cổng GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung H HE Home Environment Môi trường thường trú HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSCSD High Speed Circuit-Switched Data Dữ liệu chuyển mạch tồc độ cao HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức chuyển giao siêu văn bản I IDEA International Data Encryption Algorithms IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng kỹ thuật Internet IK Integrity key Khoá toàn vẹn 3 IMAP Internet Message Access Protocol Giao thức truy nhập bản tin Internet IMEI International Mobile Equipment Indentifier Nhận dạng thiết bị di động Quốc tế IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000 Tiêu chuẩn viễn thông di động Quốc tế 2000 IMUN International Mobile User Number Chỉ số người sử dụng thuê bao di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet IPSec Internet Protocol Security An ninh IP ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp nhiều dịch vụ ITU International Telecommunications Union Liên minh viễn thông Quốc tế L LAI Location Area Indentifier Nhận dạng vùng định vị LLC Logical Link Control Giao thức điều khiển liên kết logic M MAC Message authentication code Mã nhận thực bản tin MAC-A MAC used for authentication and key agreement MAC sử dụng để nhận thực và thống nhất khoá MAC-I MAC used for data integrity of signalling messages MAC sử dụng để bảo vệ tính toàn vẹn số liệu báo hiệu MAP Mobile Application Part Phần ứng dụng di động MD Message Degest Tóm tắt bản tin MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MTP Message Transfer Protocol Giao thức truyền bản tin N NMT Nordic Mobile Telephony Điện thoại di động bắc Âu p PC Personal Computer Máy tính cá nhân PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhận số PDC Personal Digital Communications Truyền thông số cá nhân PIN Personal Identification Code Mã nhận dạng cá nhân PKI Public Key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khoá công cộng 4 PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng R RSA Rivest-Shamir-Adlemen Thuật toán mật mã hóa và kiểm chứng quyền tiếp nhận S SA Security Association SAD Security Association Database Cơ sở dữ liệu liên kết an ninh SCCP Signaling Connection and Control Part Kết nối báo hiệu và phần điều khiển SCK Static Cipher Key Khóa mã hóa tĩnh SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS phục vụ SIM GSM Subscriber Identity Module Môdun nhận dạng thuê bao GSM SNDCP Sub-Network Dependent Convergence Protocol Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con SPD Security Policy Database Cơ sở dữ liệu chính sách an ninh SSL Secure Sockets Layer Lớp ổ cắm an toàn T TACS Total Access Communication Systems Hệ thống truyền thông truy nhập toàn cầu TDM Time Division Multiplexing Phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TMSI Tempoary Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời TLS Transport Layer Security An ninh lớp truyền tải U UAK User Authentication Key UDP User Datagram Protocol Giao thức bó số liệu người sử dụng UMI UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu URL UWC Universal Wireless Communication Truyền thông vô tuyến toàn cầu 5 V VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo W WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng vô tuyến WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WEP Wired Equivalent Privacy WLAN WTLS Wireless Transport Layer Security X XRES EXpected user RESponse Đáp ứng người sử dụng mong đợi 6 LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp viễn thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm vừa qua, đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến và di động. Sự phát triển của các công nghệ mới kéo theo là rất nhiều dịch vụ tiện ích mới ra đời đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong đó phải kể đến các dịch vụ truyền bản tin như email, SMS, EMS, MMS, IM… đã góp phần không nhỏ trong việc nâng cao các ứng dụng hiện có, đồng thời đưa ra một phương tiện truyền tin mới khi cần có thể thay thế cho các cuộc gọi thoại truyền thống vốn không phải lúc nào cũng tiện lợi mà cước phí lại cao. Các công nghệ truyền bản tin cũng tạo ra một giải pháp hữu hiệu trong việc gắn kết hai hệ thống lớn là viễn thông di động và Internet. Bằng phương pháp này, người dùng có thể gửi các bản tin, nhạc chuông, logo, hình ảnh… cho điện thoại di động từ Internet. Ngoài ra, người dùng có thể tra cứu thông tin thị trường chứng khoán, thời tiết, chương trình truyền hình…. ở mọi nơi, mọi thời điểm và ở các thiết bị khác nhau. Điều này tạo những chuyển biến tích cực trong đời sống kinh tế xã hội trên toàn thế giới, thay đổi cách sống của con người. Cùng với sự phát triển của thông tin di động mang lại nhiều lợi ích cho xã hội thì những nguy cơ và thách thức đối với các nhà cung cấp dịch vụ cũng tăng.Thông tin của người dùng truyền trong môi trường vô tuyến có thể bị tấn công hay bị nghe trộm bởi người khác, các dịch vụ của nhà nhà cung cấp có thể bị đánh cắp hay bị phá hoại. Điều này gây thiệt hại lớn cả về kinh tế và chất lượng dịch vụ cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Những thách thức này đặt ra các yêu cầu cho các nhà cung cấp dịch vụ về vấn đề nhận thực và bảo mật cho thông tin vô tuyến và di động để bảo vệ quyền lợi của người dùng và lợi ích của chính bản thân các nhà cung cấp. Với sự phát triển của thông tin và công nghệ máy tính người ta đã đưa ra các giải pháp về nhận thực và bảo mật khác nhau. Một số công nghệ nhận thực và bảo mật hiện nay cho phép tạo nên các giải pháp truyền tin di động được đảm bảo từ đầu cuối tới đầu cuối. Các công nghệ này cần phải được hợp nhất vào trong ứng dụng từ lúc bắt đầu thiết kế cho tới khi thực hiện xong. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống thông tin di động tổ ong có rất ít các phương pháp an ninh bảo vệ những người dùng và nhà khai thác hệ thống. Hệ thống thế hệ thứ hai nhìn chung đã thực hiện điều này tốt hơn nhiều, và bảo vệ được tính bí mật và nhận thực thực thể. Mặc dù đã được cải thiện một cách 7 đáng kể, an ninh thông tin trong thế hệ hai vẫn còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục. Hệ thống thông tin di động 3G ra đời đã tạo dựng một kiến trúc an ninh chắc chắn, nhờ đó cung cấp được những đặc tính an ninh cần thiết. Hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS đã được ITU chấp thuận và dự kiến đưa ra thương mại vào đầu thế kỷ 21. Hiện tại, hệ thống này đã được triển khai tại Nhật và một số nước kác trên thế giới, dự kiến sẽ đưa vào thử nghiệm tạị Việt Nam vào các năm tới. Do đó việc nghiên cứu an ninh thông tin trong hệ thống này là một điều hết sức cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, em đã chọn dề tài nghiên cứu “Các thủ tục nhận thực và bảo mật trong mạng CDMA” để làm đồ án tốt nghiệp. Nội dung đồ án gồm 5 chương: Chương I: Tổng quan về thông tin di động Chương II: Tổng quan về anh ninh trong thông tin di động Chương III: Các kỹ thuật an ninh dùng trong thông tin di động Chương IV: Nhận thực trong mạng tổ ong số thế hệ hai Chương V : Thế hệ 3 – Nhận thực và bảo mật trong UMTS Do hạn chế về kinh nghiệm, trình độ nghiên cứu và thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được thầy cô và các bạn góp ý để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths. Phạm Khắc Chư người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đề tài. Cũng em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện và các thầy cô trong khoa Viễn thông đã tạo rất nhiều điều kiện thuận lợi cho em. Tôi xin cảm ơn bạn bè và người thân đã giúp đỡ, động viên em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Đặng Đình Thái 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Mở đầu Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào thời điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị còn khá cồng kềnh và công nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố. Vào năm 1930 đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM, được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài đến cả thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại. Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động được trình bày tóm tắt trong hình vẽ 1.1 TACS GSM900 NMT 900 GPRS WCDMA GPRS IS 136 1900 IS-95 1900 EDGE IS-95 800 CdmaOne Cdma2000MX AMPS SMR iDEN800 GSM 1800 GSM 1900 IS-136 800 1G 2G 2.5G 3G Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động 9 1.2 Công nghệ vô tuyến thế hệ một Thế hệ đầu tiên của thông tin di động dựa trên truyền tín hiệu analog. Hệ thống analog, đã từng được triển khai ở Bắc Mĩ được biết đến với tên gọi AMPS (Analog Mobile Phone Systems), hoạt động ở dải tần 800Mhz. Hệ thống di động đầu tiên ở Châu Âu được triển khai năm 1981 ở Thụy Điển, Nauy, Đan Mạch và Phần Lan sử dụng công nghệ NMT (Nordic Mobile Telephony) hoạt động ở dải tần 450Mhz. Phiên bản sau của NMT hoạt động ở tần số 900MHz và được biết đến với tên gọi NMT900. Không thua kém, Anh giới thiệu một công nghệ khác vào năm 1985, TACS (Total Access Communication Systems). Các hệ thống thông tin di động thế hệ một đã giải quyết những hạn chế đầu tiên về dung lượng, mặc dù chỉ là hệ thống tương tự, sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh và chỉ được thiết kế cho truyền tiếng. 1.3 Công nghệ vô tuyến thế hệ hai Thế hệ hai của mạng di động dựa trên truyền dẫn tín hiệu số băng thấp. Công nghệ vô tuyến 2G thông dụng nhất được biết đến là GSM (Global Systems for Mobile Communication). Các hệ thống GSM, được triển khai lần đầu tiên vào năm 1991, hiện nay đang hoạt động ở khoảng 140 nướcvà lãnh thổ trên thế giới, với khoảng 248 triệu người sử dụng. GSM kết hợp cả hai kỹ thuật TDMA và FDMA. Các hệ thống GSM đầu tiên sử dụng phổ tần 25MHz ở dải tần 900MHz. FDMA được sử dụng để chia băng tần 25MHz thành 124 kênh tần số vô tuyến (độ rộng kênh là 200kHz). Với mỗi tần số lại sử dụng khung TDMA với 8 khe thời gian. Ngày nay các hệ thống GSM hoạt động ở băng tần 900MHz và 1.8GHz trên toàn thế giới (ngoại trừ Mỹ hoạt động trên băng tần 1.9GHz) Cùng với GSM, một công nghệ tương tự được gọi là PDC (Personal Digital Communications), sử dụng công nghệ TDMA nổi lên ở Nhật. Từ đó, một vài hệ thống khác sử dụng công nghệ TDMA đã được triển khai khắp thế giới với khoảng 89 triệu người sử dụng. Trong khi GSM được phát triển ở Châu Âu thì công nghệ CDMA được phát triển mạnh ở Bắc Mĩ. CDMA sử dụng công nghệ trải phổ và đã được thực hiện trên khoảng 30 nước với ước tính khoảng 44 triệu thuê bao. Trong khi GSM và các hệ thống sử dụng TDMA khác trở thành công nghệ vô tuyến 2G vượt trội, công nghệ CDMA cũng đã nổi lên với chất lượng thoại rõ hơn, ít nhiễu hơn, giảm rớt cuộc gọi, dung lượng hệ thống và độ tin cậy cao hơn. Các mạng di động 2G trên đây chủ yếu vẫn sử dụng chuyển mạch kênh. Các mạng di động 2G sử dụng công nghệ số và có thể cung cấp một số 10 dịch vụ ngoài thoại như fax hay bản tin ngắn ở tốc độ tối đa 9.6 kbps, nhưng vẫn chưa thể duyệt web và các ứng dụng đa phương tiện. Hình vẽ dưới đây thể hiện tổng quan về ba công nghệ TDMA, FDMA và CDMA. Hình 1.2: Các phương pháp đa truy nhập 1.4 Các công nghệ tiến tới 3G Sự bùng nổ của mạng Internet đã có những ảnh hưởng to lớn đến nhu cầu đối với các dịch vụ vô tuyến băng rộng. Tuy nhiên, tốc độ của các hệ thống vô tuyến chuyển mạch kênh tương đối thấp. Vì thế, GSM, PDC và các hệ thống sử dụng TDMA khác đã phát triển công nghệ 2G+, dựa trên chuyển mạch gói và và tăng tốc độ truyền số liệu lên tới 384kbps. Các hệ thống 2G+ dựa trên các công nghệ: HSCSD (High Speed Circuit-Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service) và EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). i/ HSCSD là một bước tiến tới các mạng di động 3G băng rộng. Công nghệ chuyển mạch kênh này cải tiến tốc độ đạt tới 57.6kbps bằng cách kết hợp 4 khe thời gian 14.4kbps. ii/ GPRS là bước trung gian cho phép GSM cung cấp các dịch vụ Internet. Công nghệ này sử dụng chuyển mạch gói và được thiết kế để làm việc song song với 2G GSM, PDC và các hệ thống TDMA khác, sử dụng kết hợp từ 1 đến 8 khe thời gian kênh vô tuyến ở dải tần 200kHz được cấp cho sóng mang để tăng tốc độ lên tới 115kbps. Số liệu được đóng gói và truyền dẫn qua PLMN (Public Land Mobile Networks) sử dụng đường trục IP, vì thế thuê bao di động có thể truy nhập các dịch vụ Internet như ftp, các dịch vụ Web dựa trên HTTP, email trên nền SMTP/POP. 11 Ngoài các thành phần cơ bản đã có ở mạng GSM như BSS, MS và MSC, mạng GPRS còn có mạng di động mặt đất công cộng PLMN, điểm hỗ trợ GPRS dịch vụ SGSN và điểm hỗ trợ GPRS cổng GGSN. Chuyển vùng (roaming) được điều tiết qua các PLMN. SGSN và GGSN lấy các thông tin về người sử dụng từ HLR để quản lý và thực hiện cuộc gọi. GGSN cung cấp các kết nối tới các mạng ngoài như mạng Internet hay mạng X.25. BTS thu và phát tín hiệu qua giao diện vô tuyến, cung cấp các kết nối số liệu và tiếng với MS. BSC định tuyến các phiên giao dịch dữ liệu tới PLMN qua liên kết Frame Relay (FR) và các cuộc gọi thoại thông thường tới MSC. MSC sẽ chuyển mạch các cuộc gọi tới các mạng chuyển mạch kênh như PSTN và ISDN. MSC điều tiết VLR để lưu giữ thông tin của thuê bao chuyển mạng. Đối với các phiên giao dịch dữ liệu, nó được BSC định tuyến tới SGSN, sau đó được chuyển mạch tới PDN qua GGSN hoặc tới thuê bao khác. Dưới đây là cấu trúc mạng GPRS: Hình 1.3: Kiến trúc mạng GPRS Hình vẽ 1.4 dưới đây chỉ ra các giao thức được sử dụng ở BTS, BSC, GGSN, SGSN và các máy cầm tay khác. 12 Sub-Network Dependent Convergence Protocol (SNDCP): Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con, giao thức này nằm giữa LLC và lớp mạng. SNDCP cũng cung cấp các chức năng khác như nén, phân đoạn và dồn các bản tin lớp mạng vào một kết nối ảo đơn nhất. Logical Link Control (LLC): Giao thức điều khiển kết nối logic, đây là giao thức lớp liên kết dữ liệu cho GPRS, hoạt động như Link Access Protocol – D (LAPD). Lớp này đảm bảo truyền dữ liệu người sử dụng một cách tin cậy qua mạng vô tuyến. GPRS Tunnel Protocol (GTP): Giao thức tuyến đường hầm GPRS. GTP hoạt động trên TCP/UDP qua IP. Dung xoa’ Hình 1.4: Các giao thức sử dụng ở GPRS 13 Base Station System GPRS Protocol (BSSGP): Giao thức GPRS hệ thống trạm gốc. Giao thức này xử lý định tuyến và thông tin QoS cho BSS. BSSGP sử dụng giao thức lõi Frame Relay Q.922 làm cơ chế hoạt động. GPRS Mobility Management (GMM/SM): Giao thức quản lý lưu động GPRS. Giao thức này hoạt động trên mặt phẳng bảo hiệu của GPRS, quản lý các yếu tố lưu động như: chuyển vùng, nhận thực, chọn thuật toán mã hoá và duy trì PDP context. Network Service: Giao thức dịch vụ mạng. Giao thức này quản lý sự hội tụ của các lớp con hoạt động giữa BSSGP và Frame Relay Q.922 bằng cách ánh xạ các yêu cầu dịch vụ BSSGP tới các dịch vụ Frame Relay thích hợp. BSSAP+: Giao thức cho phép tìm gọi đối với kết nối thoại từ MSC qua SGSN. Giao thức này cho phép tìm gọi cho kết nối thoại từ MSC qua SGSN, do đó tối ưu hoá tìm gọi cho thuê bao di động. BSSAP+ cũng có chức năng định vị và định tuyến cập nhật cũng như cảnh báo MS. SCCP, MTP3, MTP2: Là các giao thức sử dụng để hỗ trợ cho MAP và BSSAP+ trong các mạng chuyển mạch kênh PLMN. Mobile Application Part (MAP): Hỗ trợ báo hiệu giữa SGSN/GGSN và HLR/AuC/EIR. iii/ EDGE sử dụng các hệ thống điều chế nhiều trạng thái hơn so với GPRS/GSM cho phép cung cấp tốc độ tới 48kbps trên mỗi khe thời gian tương ứng của GSM. Với việc phân bổ khe thời gian động, EDGE có thể cung cấp tốc độ tối đa theo lý thuyết là 384kbps (thậm chí là 473kbps trong tương lai khi sử dụng điều chế 16QAM). Do vậy nó cung cấp được hầu hết các dịch 3G, đây là lý do mà đôi khi EDGE được coi là mạng 2.75G. 1.5 Tổng quan các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Công nghệ vô tuyến 3G là sự hội tụ của nhiều hệ thống viễn thông vô tuyến 2G trong một hệ thống toàn cầu bao gồm cả các thành phần vệ tinh và mặt đất. Một trong những đặc điểm quan trọng của 3G là khả năng thống nhất các tiêu chuẩn ô như CDMA, GSM, TDMA. Có ba phương thức đạt được kết quả này là WCDMA, CDMA2000 và UWC136 (Universal Wireless Communication) i/ CDMA2000 tương thích với CDMA thế hệ hai IS-95 phần lớn đã được sử dụng ở Mỹ. ii/ UWC, còn được gọi là IS-136 HS, đã được đề xuất bởi TIA và thiết kế theo chuẩn ANSI-136, một tiêu chuẩn TDMA Bắc Mỹ. 14 iii/ WCDMA tương thích với mạng 2G GSM phổ biến ở châu Âu và đa phần châu Á. WCDMA sử dụng băng tần 5Mhz và 10 Mhz, tạo nên một nền tảng thích hợp cho các nhiều ứng dụng. Nó có thể đặt trên cá