CZ294620B6 - Způsob a zařízení pro autentifikaci účastníků mobilní telefonní sítě - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu a zařízení pro autentifikaci účastníka digitálního mobilního komunikačního systému vzhledem k autentifikační instanci. Účastník se nejdříve u autentifikační instance inicializuje tím, že tato vícekrát provádí autentifikační algoritmus, uložený na složce, specifické pro účastníka. Příslušné parametry odpovědi složky, specifické pro účastníka, se ukládají v energeticky nezávislé paměti. Na základě autentifikačních parametrů, uložených v paměti, je možná regulérní autentifikace účastníka mobilního telefonního provozu vzhledem k autentifikační instanci přes společné radiové rozhraní, protože autentifikační instance může sahat po známých parametrech odpovědi modulu, individuálního podle účastníka.ŕ

Description

Vynález se týká způsobu a zařízení pro autentifikaci účastníků mobilní telefonní sítě digitálního komunikačního systému vzhledem k jedné autentifikační instanci bezšňůrového telefonního systému.

Dosavadní stav techniky

Pozadím vynálezu je, toho času zkoumaná a ve vývoji poháněná možnost, spojovat mobilní telefonní síť s bezšňůrovým telefonním systémem (HBS: Home Base Systém). Budoucí mobilní telefonní koncové přístroje se potom mohou provozovat nejenom samy v mobilní telefonní síti, ale také v domácí oblasti bezšňůrovým telefonním systémem jako kvazi super - bezšňůrový telefon. Důležitou okrajovou podmínkou přitom je, že algoritmy, používané v mobilní telefonní síti k autentifikaci a šifrování hovoru/dat se mohou používat i v domácí oblasti - u bezšňůrového telefonního systému.

V GSM - mobilním komunikačním systému se k zabezpečení systému používá několik kryptoalgoritmů (A3, A5 a A8), pomocí kterých se zajišťuje autentifikace účastníků vůči síti a šifrování přenosu dat. K tomu se při každém vytvoření spojení mezi sítí a účastníkem, vycházeje z autentifikační ústředny, přenáší náhodné číslo (RAND) přes radiové rozhraní do osobní složky (SIM - karta) účastníka, a toto číslo se nejen v SIM, ale i v autentifikační ústředně při použití kryptoalgoritmů, s tam identicky existujícím Ki - klíčem, šifruje na hodnotu SRES (Signed RESponse - označená odpověď). Hodnota SRES, stanovená v SIM, se přenáší do autentifikační ústředny a porovnává se s tam stanovenou hodnotou SRES. Pouze při shodě hodnot, stanovených nezávisle na sobě, se uskutečňuje pozitivní autentifikace účastníka.

Konstrukce a způsob činnosti SIM karet, jak se používají v mobilních komunikačních systémech GSM, jsou všeobecně popsány ve článku od Grigorova. Theodora et al.: SIM Cards, Telecomunication Joumal of Australia. Bd. 43, Nr. 2, 1993, strany 33-38.

Pokud nyní chceme tuto autentifikační proceduru použít na bezšňůrový telefonní systém, znamenalo by to, že v pevné stanici bezšňůrového telefonního systému by se musely implementovat nutné kryptoalgoritmy, jakož by se tam musel uložit tajný klíč Ki. Toto by výhradně z bezpečnostně technických aspektů nebylo pro provozovatele mobilní telefonní sítě únosné a k tomu by to bylo spojeno s velmi vysokými technickými a administrativními nároky.

V této souvislosti uveřejňuje WO-A-95/24106 bezpečný, osobní radiový komunikační systém, přičemž je popsán způsob k autentifikaci účastníka mobilního telefonního provozu vůči základní stanici bezšňůrového telefonního systému. Základní stanice bezšňůrového telefonního systému je přes pevnou síť spojena se zařízeními mobilního komunikačního systému a předává mimo jiné autentifikační a verifikační signály mezi mobilním radiovým koncovým přístrojem a příslušnými zařízeními mobilního komunikačního systému. Základní stanice bezšňůrového telefonního systému pracuje při vnitřní autentifikaci mobilního telefonního provozu v podstatě jenom jako pasivní reléová stanice a není s to, provádět autentifikační proceduru nezávisle a bez spojení pevnou sítí k mobilnímu komunikačnímu systému.

Předložený vynález má proto za úkol, uvést způsob a zařízení k autentifikaci účastníků mobilní telefonní sítě vzhledem k jedné autentifikační instanci bezšňůrového telefonního systému, jakož i ke korektnímu stanovení šifrovacího klíče, nutného pro šifrovaný přenos hovoru a/nebo dat, který se nechá realizovat jednoduše a s příznivými náklady a poskytuje dobré zabezpečení.

-1 CZ 294620 B6

Podstata vynálezu

K řešení stanoveného úkoluje navržen způsob se znaky patentového nároku 1 a zařízení se znaky patentového nároku 9.

Podstatnou předností vynálezu je, že zařízení ke stanovení autentifíkačních a šifrovacích parametrů

- nepotřebuje spojení k autentifíkační ústředně mobilní telefonní sítě (např. k MSC - Mobile Services Switching Center, ústředna mobilních služeb), ani

- nemusí obsahovat speciální čipovou kartu, která obsahuje mimo jiné autentifíkační algoritmus, použitý v mobilní telefonní síti (u GSM: A3/AB), jakož i tajná data (Ki) účastníka mobilního telefonního provozu, kterého chceme autentifikovat.

Tímto vynálezem se můžeme zřeknout nejen poskytnutí autentifikačního algoritmu ze strany autentifíkační instance bezšňůrového telefonního systému, ale i určitého klíče (Ki) v bezšňůrovém telefonním systému a v SIM.

Další předností je, že bezšňůrový telefonní systém, zejména pevná stanice (HBS) se musí podrobit jenom nepatrné modifikaci, aby se mohly provádět požadované funkce autentifíkační instance.

Tohoto se dosahuje, přičemž bezšňůrový telefonní systém má schopnost, nejenom provádět autentifíkační algoritmus použité čipové karty (SIM: Subscriber Identity Module - modul identifikace uživatele), ale má i alespoň jeden tajný klíč, odsouhlasený SIM. Pokud bezšňůrový telefonní systém splňuje tyto obě okrajové podmínky, je s to, s přihlášenou SIM, provést autentifíkační proceduru podle způsobu Challenge/Response (výzva/odpověď), která je identická s tou, která se používá v digitálních mobilních telefonních sítích, zejména GSM.

Vychází se ze známého bezšňůrového telefonního systému, který přednostně pracuje podle digitálního standardu DECT.

V prvním provedení je pevná stanice bezšňůrového telefonního systému vybavena přístrojem na čtení karet, se kterým se mohou číst popř. popisovat běžné čipové karty (SIM karty). Pevná stanice dále má generátor náhodných čísel, kteiý může vytvářet 128-bitová náhodná čísla, používaná v systému GSM.

V pevné stanici je dále navržena energeticky nezávislá paměť, která má přednostně kapacitu paměti několika kilobyte.

K autentifíkaci posílá pevná stanice bezšňůrového telefonního systému SIM kartě účastníka náhodnou hodnotu (RAND), která je známým způsobem zodpovězena hodnotou odpovědi (SRES) SIM kartou. Tímto postupem se zároveň vyjednává klíč (Kc) pro následné šifrování řeči, který se rovněž zjišťuje na základě náhodných čísel. Ideálním způsobem se v bezdrátovém telefonním systému využívá jako nosič algoritmu a klíče SIM karta příslušného účastníka mobilní telefonní sítě, který by chtěl používat bezšňůrový telefonní systém.

V postupu inicializace, který navzájem spolu seznamuje SIM kartu účastníka a bezšňůrový telefonní systém a který se musí v každém případě konat, zavádí účastník svou SIM kartu do čtecího přístroje pevné stanice bezšňůrového telefonního systému. SIM karta sděluje pevné stanici bezšňůrového telefonního systému nejenom svou identifikaci (číslo karty nebo IMSI (International Mobile Subscriber Identity identifikace mezinárodního mobilního uživatele)), což by vlastně mělo stačit k obeznámení, ale pevná stanice provádí následně dodatečně určitý,

-2CZ 294620 B6 dostatečně vysoký počet interních autentifíkačních procedur. Přitom se v pevné stanici vytváří náhodné číslo (RAND) a přenáší se na SIM kartu. Na SIM kartě se nyní provádí GSM procedura RUN GSM ALGORITHM, která je na ní implementována, tzn. SIM karta zjišťuje známým způsobem z náhodného čísla zašifrovanou hodnotu SRES, jakož i šifrovací klíč Kc, a předává tyto hodnoty na pevnou stanici. Pevná stanice potom ukládá obdržené výsledky spolu s příslušným náhodným číslem v energeticky nezávislé paměti. Postup interní autentifikace se opakuje víckrát, jak bylo zmíněno výše. Získané hodnoty tvoří prakticky zásobu, se kterou se mohou následně přes radiové rozhraní provádět regulérní autentifikace s SIM kartou.

Interní autentifikace je tedy stejný postup, který provádí každý mobilní telefonní koncový přístroj se svým SIM, když se přes radiové rozhraní sítě GSM předává Authentication Request, v jednotlivostech:

- předání náhodného čísla (RAND) na SIM,

- provedení GSM - příkazu RUN GSM ALGORITHM,

- vyvolání dat odpovědi SIM, která odpovídají SRES a Kc.

Každým provedením těchto tří kroků si pevná stanice vytváří takzvaný autentifíkační triplet (RAND, SRES, Kc), který později umožňuje autentifikaci s SIM kartou.

Na základě tripletu, uloženého v pevné stanici bezšňůrového telefonního systému, se nyní může provádět řádná autentifikace mezi pevnou stanicí a mobilní stanicí, která, opírajíc se o GMS autentifíkační proceduru, probíhá následujícím způsobem.

S každým vytvořením spojení posílá pevná stanice přes radiové rozhraní SIM kartě náhodnou hodnotu (RAND) z množství předtím uložených tripletů. S touto náhodnou hodnotou vypočítává SIM karta příslušnou hodnotu odpovědi SRES a klíč Kc. Hodnota SRES se předává zpět na pevnou stanici a porovnává se s uloženou hodnotou SRES tripletu, příslušného k náhodnému číslu. Pokud hodnoty SRES souhlasí, je autentifikace úspěšná a je zajištěno, že šifrovací klíč Kc, vypočítaný v SIM kartě, souhlasí s příslušným klíčem Kc, uloženým v pevné stanici.

V dalším provedení je navrženo, nevybavovat pevnou stanicí bezšňůrového telefonního systému přístrojem ke čtení karet, nýbrž provádět interní inicializaci přes rozhraní spojené vodiči (např. X.25, RS232, nebo podobně), nebo existující radiové rozhraní. Zejména při přenosu inicializačních dat po radiovém rozhraní je třeba dávat pozor na zabezpečení vůči odposlechu, tzn. přenášená inicializační data by se měla přenášet šifrovaná. Toto by se mohlo jednoduchým způsobem dít tak, že inicializace, tzn. vytvoření dalšího tripletu, se uskutečňuje během regulérního spojení mezi mobilním telefonním koncovým přístrojem a pevnou stanicí, protože se přitom data přenášejí již zašifrovaná. Inicializace se pouze musí nastartovat pomocí tlačítka, příslušně navrženého na mobilním telefonním přístroji, nebo příslušným povelem.

Důležitým bodem je, že vytvoření tripletu probíhá v bezpečném prostředí, které se nenechá zvnějšku odposlouchávat (totiž přímo přes sběrnici s kontakty SIM/koncový přístroj, nebo přes zašifrovanou radiovou sběrnici). Dále je důležité, že uschování tripletu se v pevné stanici bezšňůrového telefonního systému uskutečňuje v chráněném systémovém okolí, ze kterého se nenechá číst. Nemělo by se zapomenout, že kvalita vytvoření náhodného čísla v pevné stanici představuje nezanedbatelné bezpečnostní riziko.

Kolik tripletů se předem vytvoří, závisí na čase, který se poskytuje pro inicializaci, jakož i na kapacitě paměti, navržené v pevné stanici. Jako typická hodnota pro vytvoření tripletu pomocí SIM karty se může brát počet 2 až 3 triplety/sekundu. Potřebná paměť projeden triplet je 28 byte (RAND = 128 bit. SRES = 32 bit. Kc = 64 bit). Například se uvádí, že v inicializačním čase 1 minuta se mohou vytvářet triplety pro příštích 120 až 180 autentifikaci, které potřebují kapacitu paměti 3 až 5 kbyte.

-3 CZ 294620 B6

Když je spotřebována zásoba tripletů, může se rozhodnout, zda je lychle zapotřebí nová inicializace, nebo zda HBS může ještě jednou sáhnout po již použitých tripletech. Ve druhém případě by HBS měl uživatele upozornit na to, že triplety se už používají znovu a že je zapotřebí nová inicializace.

Zásoba tripletů v HBS má být vázána na kartu, to znamená na číslo karty nebo IMSI od SIM. Tím se dosahuje, že na stejném HBS může současně pracovat několik SIM. Každý z použitých SIM se jenom musí podrobit stejné, výše popsané inicializační proceduře. Příslušné triplety se na základě individuálních IMSI, uložených na SIM kartách, ukládají v databázi, přiřazené IMSI, a příslušně se vybírají.

Díky dostatečně velké kapacitě paměti v HBS se nechá vytvořit zásoba tripletů, která je dostatečně velká, že

- opakované použití tripletů je nutné teprve dlouhodobě

- samo opakované použití tripletů, v náhodném pořadí, má nepředvídatelný charakter, tzn. má dostatečně vysokou bezpečnostní úroveň.

HBS může mít k obraně proti podvodu a zneužití mechanismus, který při opakovaně chybně provedené autentiflkaci vyhodí uložené triplety a přihlášenému účastníkovi odejme právo k používání HBS.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 inicializaci pevné stanice bezšňůrového telefonního systému pro SIM kartu, obr. 2 autentifikace s inicializovanou SIM kartou.

Příklady provedení vynálezu

Na obrázku 1 je schematicky znázorněno vytvoření a uložení autentifíkačního tripletu v pevné stanici 1 bezšňůrového telefonního systému.

Pevná stanice 1 má zařízení 3 ke čtení a zapisování na čipové karty 4, do kterého se zavádí SIM karta 4 účastníka k inicializaci účastnického poměru. Pomocí generátoru náhodných čísel se nyní známým způsobem vytváří 128 bitové náhodné číslo ( RAND), které se předává na SIM kartu. Tam se startuje autentifikační algoritmus, tam uložený, tzn., SIM karta stanovuje z náhodného čísla ( RAND) šifrované číslo SRES a šifrovací klíč Kc, které se oba předávají na vyhodnocovací zařízení 5 pevné stanice 1. Předávané hodnoty se spolu s náhodným číslem ukládají do databáze 6 energeticky nezávislé paměti. Tato vnitřní inicializační procedura se několikrát opakuje a příslušné datové záznamy se ukládají na způsob autentifíkačního tripletu 7 ( RAND. SRES, Kc) v databázi 6. V databázi jsou nyní uloženy inicializační triplety, které se mohou následovně používat k regulérní autentiflkaci mezi mobilním telefonním koncovým přístrojem a pevnou stanicí.

Na obrázku 2 je znázorněno, které funkce probíhají v pevné stanici při reálné autentiflkaci.

-4CZ 294620 B6

Mobilní telefonní koncový přístroj 8 se chce přihlásit u pevné stanice 1. Mobilní telefonní koncový přístroj se přitom personalizuje SIM kartou, před tím inicializovanou u pevné stanice L Nejdříve se přes radiové rozhraní vytváří spojení mezi mobilním telefonním koncovým přístrojem 8 a pevnou stanicí 1. IMSI, obsažená na SIM kartě, se předává na pevnou stanici 1, která zkouší, zda jí je IMSI známa, popř. zda SIM karta již byla inicializována. Pokud to tak není, odepře se přístup k pevné stanici a spojení se přeruší.

Pokud je SIM karta známa, sahá pevná stanice 1 po databázi 6, bere si další autentifikační triplet 2 a posílá náhodné číslo (RAND), obsažené v tripletu, na SIM kartu. SIM karta stanovuje z náhodného čísla odpověď SRES' a posílá ji zpět na pevnou stanici 1. Tato porovnává hodnotu SRES' s hodnotou SRES, která je obsažena v aktuálně zvoleném tripletu pevné stanice. Jenom když se obě hodnoty SRES'.SRES shodují, obdrží mobilní telefonní koncový přístroj s přesně touto SIM kartou přístup k pevné stanici a může přes ní komunikovat.

Pokud se hodnoty SRES neshodují, odepře pevná stanice přístup.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (12)

1. Způsob pro autentifikaci účastníka digitálního mobilního komunikačního systému vzhledem k autentifikační instanci (1) digitálního bezšňůrového telefonního systému, vyznačující se následujícími kroky:

- jednorázová inicializace účastníka u autentifikační instance (1) bezšňůrového telefonního systému pomocí:

a) vytvoření náhodného čísla pomocí autentifikační instance (1) bezšňůrového telefonního systému;

b) předání náhodného čísla na složku (4) mobilního komunikačního koncového přístroje (8) účastníka, specifickou pro účastníka;

c) vrácení dat odpovědi, stanovených z náhodného čísla, od složky (4), specifické pro účastníka na autentifikační instanci (1);

d) uložení náhodného čísla s přiřazenými daty odpovědi na způsob autentifikačního tripletu (7) v energeticky nezávislé paměti autentifikační instance (1) bezšňůrového telefonního systému;

e) několikanásobné opakování kroků a) - d),

- regulérní autentifikace účastníka mobilního telefonního provozu vzhledem k autentifikační instanci (1) bezšňůrového telefonního systému přes společné radiové rozhraní na základě autentifikačního tripletu (7), uloženého při inicializaci v autentifikační instanci.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že regulérní autentifikace zahrnuje následující kroky:

přečtení autentifikačního tripletu (7) z paměti autentifikační instance (1);

přenos náhodného čísla přečteného autentifikačního tripletu (7) na složku (4) mobilního telefonního koncového přístroje (8), specifickou pro účastníka;

vrácení parametru odpovědi SRES', stanoveného z náhodného čísla, od složky (4), specifické pro účastníka na autentifikační instanci (1);

porovnání parametru odpovědi SRES' s příslušnou hodnotou SRES, obsaženou v autentifikačním tripletu (7);

-5CZ 294620 B6 při shodě hodnot SRES'a SRES povolení k přístupu pro účastníka mobilního telefonního provozu ke komunikaci přes digitální komunikační systém, přiřazený autentifíkační instanci (1)

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tí m, že při jednonásobné nebo vícenásobné neshodě hodnot odpovědi SRES'a SRES se účastníkovi mobilního telefonního provozu odpírá přístup.

4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že složka (4), specifická pro účastníka, je ke své inicializaci spojena s příslušným čtecím/zapisovacím zařízením (3) autentifíkační instance (1).

5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, v y z n a č u j í c í se t í m , že při inicializaci se uskutečňuje výměna dat mezi složkou (4), specifickou pro účastníka a mezi autentifíkační instancí (1), spojenými vodiči.

6. Způsob podle některého z nároků 1 až 3,vyznačující se tím, že při inicializaci se uskutečňuje bezdrátová výměna dat mezi složkou (4), specifickou pro účastníka a mezi autentifíkační instancí (1).

7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že když jsou spotřebovány autentifíkační triplety (7), uložené v autentifíkační instanci (1), startuje se nová inicializační procedura.

8. Způsob podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že autentifíkační instance (1) může spravovat více dat účastníka a autentifikačních tripletů (7), specifických pro účastníka.

9. Zařízení pro autentifikaci účastníka digitálního mobilního komunikačního systému vůči autentifíkační instanci (1) digitálního bezšňůrového systému, vyznačující se autentifíkační instancí (1) jako pevnou součástí digitálního bezšňůrového telefonního systému; čtecím/zapisovacím zařízením (3), integrovaným v autentifíkační instanci (1) nebo s ní spojeným, které slouží ke čtení/zapisování dat, obsažených na složce (4), specifické pro účastníka, digitálního mobilního komunikačního systému;

generátorem (2) náhodných čísel k vytvoření náhodného čísla, navržený v autentifíkační instanci (i);

energeticky nezávislou pamětí (6), navrženou v autentifíkační instanci (1); a zařízením ke komunikací s koncovými přístroji (8) digitálního mobilního komunikačního systému přes společné radiové rozhraní.

10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že autentifíkační instance (1) je součástí pevné stanice digitálního bezšňůrového telefonního systému.

11. Zařízení podle některého z nároků 9 nebo 10, vyznačující se tím, že digitálním mobilním komunikačním systémem je mobilní komunikační síť GSM.

12. Zařízení podle některého z nároků 9 až 11, vyznačující se tím, že složkou (4), specifickou pro účastníka, je SIM karta.