Дипломная работа: Анализ систем безопасности, использующих GSM каналы связи
2.2 Принцип шифрования gsm канала
Использование пароля (или кода PIN - персонального идентификационного цифрового кода) - один из простых методов аутентификации. Он дает очень низкий уровень защиты в условиях использования радиосвязи. Достаточно услышать этот персональный код всего лишь один раз, чтобы обойти средства защиты. В действительности GSM использует PIN-КОД в сочетании с SIM (Subscriber Identify Module): данный PIN-КОД проверяется на месте самим SIM без передачи в эфир.
Рис.4. Вычисление аутентификации
Помимо него, GSM использует более сложный метод, который состоит в использовании случайного числа (от О до 2^128-1), на которое может ответить только соответствующее абонентское оборудование (в данном случае - SIM). Суть этого метода в том, что существует огромное множество подобных чисел и поэтому маловероятно, что оно будет использовано дважды.
Аутентификация производится путем требования дать правильный ответ на следующую головоломку: какой ответ SRES абонент может вывести из поступившего RAND, применяя алгоритм A3 с личным (секретным) ключом Ki?
Ответ, который называется SRES (Signed RESult - подписанный результат), получают в форме итога вычисления, включающего секретный параметр, принадлежащий данному пользователю, который называется Ki (рис.1). Секретность Ki является краеугольным камнем, положенным в основу всех механизмов безопасности - свой собственный Ki не может знать даже абонент. Алгоритм, описывающий порядок вычисления, называется алгоритмом A3. Как правило, такой алгоритм хранится в секрете (лишние меры предосторожности никогда не помешают!).
Для того чтобы достигнуть требуемого уровня безопасности, алгоритм A3 должен быть однонаправленной функцией, как ее называют эксперты криптографы. Это означает, что вычисление SRES при известных Ki и RAND должно быть простым, а обратное действие - вычисление Ki при известных RAND и SRES - должно быть максимально затруднено. Безусловно, именно это и определяет в конечном итоге уровень безопасности. Значение, вычисляемое по алгоритму A3, должно иметь длину 32 бита. Ki может иметь любой формат и длину. Криптографические методы дают возможность с помощью относительно простых средств добиться высокого уровня безопасности. В GSM используются единые методы для защиты всех данных, будь то пользовательская информация, передача сигналов, связанных с пользователем (например, сообщений, в которых содержатся номера вызываемых телефонов), или даже передача системных сигналов (например, сообщений, содержащих результаты радиоизмерений для подготовки к передаче). Необходимо проводить различие только между двумя случаями: либо связь оказывается защищенной (тогда всю информацию можно отправлять в зашифрованном виде), либо связь является незащищенной (тогда вся информация отправляется в виде незашифрованной цифровой последовательности).
Рис.5. Шифрование и расшифровка
Алгоритм А5 выводит последовательность шифрования из 1 14 бит для каждого пакета отдельно, с учетом номера кадра и шифровального ключа Кс.
Как шифрование, так и расшифровка производятся с применением операции "исключающее или" к 114 "кодированным" битам радиопакета и 114-битовой последовательности шифрования, генерируемой специальным алгоритмом, который называется А5. Для того чтобы получить последовательность шифрования для каждого пакета, алгоритм А5 производит вычисление, используя два ввода: одним из них является номер кадра, а другим является ключ (который называется Кс), известный только мобильной станции и сети (рис.2), В обоих направлениях соединения используются две разные последовательности: в каждом пакете одна последовательность используется для шифрования в мобильной станции и для расшифровки на BTS, в то время как другая последовательность используется для шифрования в BTS и расшифровки в мобильной станции.
Номер кадра меняется от пакета к пакету для всех типов радиоканалов. Ключ Кс контролируется средствами передачи сигналов и изменяется, как правило, при каждом сообщении. Этот ключ не предается гласности, но поскольку он часто меняется, то не нуждается в столь сильных средствах защиты, как ключ Ki; например, Кс можно свободно прочитать в SIM.
Алгоритм А5 необходимо устанавливать на международном уровне, поскольку для обеспечения MS-роуминга он должен быть реализован в рамках каждой базовой станции (равно как и в любом мобильном оборудовании). На данный момент один-единственный алгоритм А5 установлен для использования во всех странах. В настоящее время базовые станции могут поддерживать три основных варианта алгоритма А5: А5/1 - наиболее стойкий алгоритм, применяемый в большинстве стран; А5/2 - менее стойкий алгоритм, внедряемый в странах, в которых использование сильной криптографии нежелательно; А5/3 - отсутствует шифрования. В России применяется алгоритм А5/1. По соображениям безопасности его описание не публикуется. Этот алгоритм является собственностью организации GSM MoU. Тем не менее, его внешние спецификации обнародованы, и его можно представить как "черный ящик", принимающий параметр длиной 22 бита и параметр длиной 64 бита для того, чтобы создавать последовательности длиной 114 битов. Как и в случае с алгоритмом аутентификации A3, уровень защиты, предлагаемой алгоритмом А5, определяется сложностью обратного вычисления, то есть вычисления Кс при известных двух 114-битовых последовательностях шифрования и номера кадра.
Ключ Кс до начала шифрования должен быть согласован мобильной станцией и сетью. Особенность стандарта GSM заключается в том, что ключ Кс вычисляется до начала шифрования во время процесса аутентификации. Затем Кс вводится в энергонезависимую память внутри SIM с тем, чтобы он хранился там даже после окончания сеанса связи. Этот ключ также хранится в сети и используется для шифрования.
Всякий раз, когда какая-либо мобильная станция проходит процесс аутентификации, данная мобильная станция и сеть также вычисляют ключ шифрования Кс, используя алгоритм А8 с теми же самыми вводными данными RAND и Ki, которые используются для вычисления SRES посредством алгоритма A3.
Алгоритм А8 используется для вычисления Кс из RAND и Ki (рис.3). Фактически, алгоритмы A3 и А8 можно было бы реализовать в форме одного-единственного вычисления. Например, в виде единого алгоритма, выходные данные которого состоят из 96 бит: 32 бита для образования SRES и 64 бита для образования Кс.
Следует также отметить, что длина значимой части ключа Кс, выданная алгоритмом А8, устанавливается группой подписей GSM MoU и может быть меньше 64 битов. В этом случае значимые биты дополняются нулями для того, чтобы в этом формате всегда были использованы все 64 бита.
Шифрование оказывается весьма эффективным для защиты конфиденциальности, но для защиты каждого отдельно взятого обмена информацией по радиоканалу не может использоваться. Шифрование с помощью Кс применяется только в тех случаях, когда сети известна личность абонента, с которым идет разговор. Понятно, что шифрование не может применяться для общих каналов, таких как ВССН, который принимается одновременно всеми мобильными станциями в данной сотовой ячейке и в соседних сотовых ячейках (иначе говоря, оно может применяться с использованием ключа, известного всем мобильным станциям, что абсолютно лишает его смысла как механизм безопасности). При перемещении мобильной станции на какой-либо специальный канал некоторое время происходит "начальная загрузка", в течение которой сеть еще не знает личность абонента, скажем, Владимира, и, следовательно, шифрование его сообщения невозможно. Поэтому весь обмен сигнальными сообщениями, несущий сведения о личности неопределенного абонента, должен происходить в незашифрованном виде. Какая-либо третья сторона на данной стадии может подслушать информацию об этой личности. Считается, что это ущемляет право Владимира на секретность, поэтому в GSM введена специальная функция, позволяющая обеспечить такого рода конфиденциальность.
Защита также обеспечивается путем использования идентификационного псевдонима, или TMSI (Временный идентификатор мобильного абонента), которое используется вместо идентификатора абонента IMSI (Международный идентификатор мобильного абонента) в тех случаях, когда это возможно. Этот псевдоним должен быть согласован заранее между мобильной станцией и сетью.
Особенно стоит отметить, что в наземном канале передачи данные передаются по проводам в незашифрованном виде, и перехват информации идет именно с них.
2.3 Функции gsm каналов, используемые системами безопасности
SMS канал.
Довольно сильно распространен на рынке систем безопасности в нашей стране тип сигнализаций использующий функцию SMS сообщений. Такая популярность обуславливается низкой стоимостью (самой сигнализации так и абонентской платы) и простотой использования данных GSM-сигнализаций. В профессиональных охранных системах данный тип передачи извещений используется в основном как сервисный канал. Оповещение о чрезвычайной ситуации или о проникновении на объект является обязательным атрибутом систем охраны и с точки зрения технической реализации может быть исполнено в такой форме как предупреждение голосом (звонком на телефон), DTMF (Dual Tone Multi-Frequency - термин для обозначения тонального набора) кодом, в любом цифровом виде, а также передачей SMS сообщения собственнику.
Для передачи извещений по средством SMS сообщений используется самый известный GSM-сервис мобильных операторов. И одновременно самый простой в реализации метод. GSM модемы с SMS-передатчиком имеют доступную цену, в тоже время просты в настройке, а пультовым приемным устройством может являться любой сотовый телефон.
SMS (англ. Short Message Service - служба коротких сообщений) - система, позволяющая посылать и принимать сообщения в виде текста при помощи мобильного телефона.
Текст может состоять из алфавитно-цифровых символов. Максимальный размер сообщения в стандарте GSM - 140 байт. Таким образом, при использовании 7-битной кодировки (латинский алфавит и цифры) можно отправлять сообщения длиной до 160 символов. При использовании 8-битной кодировки (немецкий, французский язык) можно отправлять сообщения длиной до 140 символов. Для поддержки других национальных алфавитов (китайского, арабского, русского и др.) используется 2-байтная кодировка UTF-16 (Unicode). Таким образом, SMS-сообщение, написанное кириллицей, не может превышать 70 знаков. Что весьма ограничивает использование данного сервиса в охранном оборудование.
В стандарте также предусмотрена возможность отправлять сегментированные сообщения. В таких сообщения в заголовке пользовательских данных (UDH) помещается информация о номере сегмента сообщения и общем количестве сегментов. Эту возможность поддерживают не все GSM-модемы, а те, которые поддерживают, зачастую накладывают ограничение на количество сегментов в сообщении (3 или 5). Модем, который не поддерживает сегментирование, отображает каждый сегмент как отдельное сообщение. Как правило, каждый сегмент тарифицируется как отдельное сообщение.
Технология SMS поддерживается основными сотовыми сетями (GSM, NMT, D-AMPS, CDMA). Также SMS-сообщения на телефоны можно отправлять из интернета и других сетей, используя специальные программы, а также непосредственно шлюзы мобильных операторов.
В своей работе GSM-сигнализации, использующих SMS сообщения для передачи тревожных сообщений полностью идентичны своим аналогам, которые используют другие каналы передачи данных. В данных сигнализациях используются все те же GSM-модемы. На объекте устанавливается контрольная панель с GSM-модулем. В зависимости от типа связи с датчиками (проводные и беспроводные охранные датчики) подключаются охранно-пожарные датчики. В случае срабатывания одного из датчиков, на панель поступает сигнал. В свою очередь в случае замыкания одной из зон, контроллер дает команду GSM-модему отправить SMS сообщение по одному или нескольким номеров из памяти.
Широкое распространение получил так называемые дачные охранные сигнализации. Данный тип GSM-сигнализаций почти всегда сочетает в себе охранные функции и функции дистанционного управления исполнительными устройствами. В профессиональной охране данный тип связи применяется ограниченно, в основном как сервисный канал, например для подтверждения взятия объекта под охрану или контроль напряжения сети на объекте. Так же данный канал используется как последний резервный канал в профессиональных охранных системах.
Слабое место данных охранных систем всем хорошо известно: SMS-сообщения могут задерживаться в SMS-сервере на неопределенное время, а иногда просто теряются. Т.к. данный канал связи не является приоритетным. В случае загруженности GSM канала SMS сообщения отправляются в последнюю очередь (чего не скажешь о голосовых вызовах). Неопределенность времени доставки SMS сообщений делают этот метод недопустимым для профессиональной охраны.
Таблица 1. Поддержка способов передачи извещений на ПЦН.
Voice канал.
Voice (речевой) канал условно делиться на DTMF сигнал и речевое оповещение. Данный канал очень популярен среди пультовых охранных систем. У данного канала GSM сети есть свои плюсы и минусы. Из плюсов можно выделить простота перехода с проводной охранно-пожарной сигнализации на GSM-сигнализацию. Минусы это забивание канала в случае неисправности или плохого сигнала. Voice канал - cамый распространенный канал передачи данных в охранных системах использующий GSM технологии передачи данных. Voice канал - это голосовой тракт использующий речевое оповещение (обычно в частных охранных системах) и DTMF-код (оборудование для пультов централизованного наблюдения). Про речевом оповещении в случае тревоги GSM-сигнализация звонит на телефон и проговаривает в заранее записанное сообщение. С DTMF немного сложнее. В DTMF при нажатии на клавишу кнопочного телефона раздается звук (тон), который является комбинацией двух тонов, высоко - и низкочастотного.
Система сигналов DTMF включает восемь тонов, которые были специально подобраны таким образом, чтобы передаваться через телефонную сеть без затухания и с минимальным воздействием друг на друга. Поскольку эти звуковые сигналы попадают в частотный диапазон человеческого голоса, были дополнительно введены меры для того, чтобы голос не воспринимался как набор. Одна из таких мер - деление тонов на две группы, высоко - и низкочастотную.
Таблица 2. Возможности,
представляемые различными системами охраны. 
Обычно в GSM-сигнализациях для пультов централизованного наблюдения (ПЦН) используются стандартные форматы, например протокол Contact ID. На данный момент DTMF - самый распространенный канал передачи данных, поскольку форматы данных, принцип передачи, приемное оборудование - полностью заимствовано у проводного мониторинга. Например, если охранное предприятие уже имеет станцию централизованного мониторинга, то применение GSM-сигнализаций не вызывает лишних затрат, т.к не требуется заменять оборудование на станции мониторинга. Использование DTMF форматов предъявляет дополнительные требования к проработке звукового тракта GSM-модема. Аналого-цифровые преобразования влекут за собой искажения при передаче сигнала. Из-за этого могут происходить сбои при приеме отчетов от объектового оборудования. Данная проблема довольно часто встречается у отечественного оборудования. И хотя сигнал не потеряется в сети (большинство систем контролируют передачу данных, запрашивая подтверждение приема), но значительно увеличится время прохождения сигнала. Причем увеличение времени прохождения сигнала может быть фатальным. Представьте себе ситуацию, когда на объект установлено оборудование использующее передачу данных в формате DTMF кодов. Из-за неисправности оборудования или плохого качества сигнала, объектовый прибор не сможет передать сообщение на пульт. И, как следствие, не получит подтверждения о приеме. Не получив сообщение о приеме прибор начнет повторный набор, с попыткой передать сообщение. Но в итоге, не получив ничего, начинается цикл дозвонов. Этот цикл полностью займет весь канал, что не позволит передать сообщение другим объектовым приборам, т.е. будет потеряна связь с объектами. Не будет сообщений о тревоге, не будет сообщений о постановке и снятия с охраны и т.д. И как следствие полностью нерабочий пульт централизованного наблюдения.
CLIP (Calling Line Identification Presentation).
