DE69635714T2 - Teilnehmer authentifizierung in einem mobilen kommunikationssystem - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Sicherheitsfunktionen in mobilen Kommunikationsnetzwerken und insbesondere eine Teilnehmerauthentifizerung in mobilen Kommunikationsnetzwerken.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In allen Telekommunikationsnetzwerken müssen sowohl die Anwender als auch der Netzwerkbetreiber gegen unerwünschtes Eindringen Dritter so weit wie möglich geschützt werden. Daher sind verschiedene Arten von Sicherheitsfunktionen in den Netzwerken erforderlich. Die Hauptaspekte der Netzwerksicherheit bestehen in 1) dem Schutz der Informationen, die das Netzwerk überträgt; und 2) Authentifizierung und Zugriffskontrolle der Anwender des Netzwerks. Der Hauptsicherheitsmechanismus zum Schutz der Informationen besteht – und wird es wahrscheinlich bleiben – in irgendeiner Form von Verschlüsselung. Authentifizierung ist ein Weg zu versuchen, sicherzustellen, dass Informationen aus der Quelle kommen, die als Ursprung behauptet wird. Sie basiert typischerweise auf Passwörtern und Schlüsseln. Zugriffsrechte werden zugewiesen in Form der Fähigkeit über das Übertragungsmedium zu senden und/oder zu empfangen. Außerdem sind Zugriffsmechanismen typischerweise von irgendeiner Form von Passwort oder Schlüssel abhängig.
  • Aufgrund der Verwendung von Funkkommunikationstechnik bei Übertragungen zu den mobilen Teilnehmern sind Funkzugriffsnetzwerke, wie beispielsweise das öffentliche Mobilkommunikationsnetz (PLMN), besonders empfindlich bezüglich des Missbrauchs ihrer Betriebsmittel bzw. Ressourcen durch unautorisierte Anwender und Abhören der über den Funkweg ausgetauschten Informationen. Dies rührt von der Möglichkeit her, Funksignale von überall her zu empfangen und zu übertragen, ohne an Anwender- oder Betreiberausrüstung unerlaubt hantieren zu müssen. Es leuchtet ein, dass PLMNs einen Sicherheitsbedarf auf einem höheren Niveau haben als herkömmliche Telekommunikationsnetzwerke.
  • Das paneuropäische digitale Funkzellennetzwerk, das als GSM (globales System zur mobilen Kommunikation) bekannt ist, enthält ein hoch sicheres Authentifizierungssystem. Es basiert auf einem so genannten Frage-und-Antwort-Prinzip. Zum Zeitpunkt der Anmeldung wird eine geheime Nummer, die als Teilnehmer-Authentifizierungsschlüssel (Ki) bezeichnet wird, dem Teilnehmer zusammen mit einer internationalen Mobilteilnehmerkennung (IMSI) zugeordnet. Ki wird speziell für diesen Zweck in einem als Authentifizierungszentrum (AUC) bezeichneten Element des GSM-Netzwerks gespeichert, das mit einer Heimatdatei (HLR) des Teilnehmers in Verbindung steht oder verlinkt ist. Das AUC enthält außerdem einen mit A8 bezeichneten Chiffrierungsalgorithmus und einen mit A3 bezeichneten Authentifizierungsalgorithmus sowie einen Zufallszahlengenerator RAND. Ein mit Chiffrierschlüssel Kc bezeichneter Parameter wird durch den Algorithmus A8 aus Ki und RAND erzeugt. Ähnlich wird durch den Algorithmus A3 aus Ki und RAND ein als signierte Antwort SRES bezeichneter Parameter erzeugt. Die drei Parameter RAND, Kc und SRES bilden ein für einen Teilnehmer spezifisches "Triplet", das für die weitere Authentifizierung und Chiffrierung verwendet wird. Um die Berechnung und Übertragung des Triplets, jedes Mal, wenn es gebraucht wird, zu vermeiden, werden mehrere Triplets im Vorhinein für jeden Teilnehmer durch das AUC/HLR berechnet und auf Anforderung an eine Besucherdatei VLR und eine Mobilvermittlungsstelle (MSC) übermittelt, wobei diese dort gespeichert werden. MSC/VLR wird immer wenigstens ein unbenutztes Triplet für jeden ihrer Besucher-Teilnehmer besitzen. Vollständige Sicherheit erfordert, dass ein Triplet nur ein einziges Mal, für eine Kommunikation, verwendet wird und anschließend vernichtet wird. Wenn ein Teilnehmer alle seine verfügbaren Triplets aufgebraucht hat, wird das AUC/die HLR aufgefordert, eine neue Serie zu berechnen und zurückzusenden.
  • Eine GSM-Mobilstation wird in zwei Teile aufgeteilt, eines, das für die Funkschnittstelle spezifische Hard- und Software enthält, die mobile Ausrüstung, und ein anderes, das die teilnehmerspezifischen Daten enthält: das Teilnehmererkennungsmodul oder SIM. Jeder Teilnehmer besitzt das SIM, typischerweise in Form einer Smart-Card, die für die meisten der Sicherheitsfunktionen aufseiten der Mobilstation verantwortlich ist. Sie speichert Ki, den Authentifizierungsalgorithmus A3 und den Chiffrierungsalgorithmus A8 sowie den Chiffrierungsschlüssel Kc, der von der Netzwerkseite empfangen wurde.
  • Während der Authentifizierung sendet VLR/MSC die Zufallszahl RAND (und außerdem Kc) des Triplets an die mobile Station. Die Mobilstation, etwas genauer das SIM, verarbeitet RAND unter Verwendung des Authentifizierungsalgorithmus A3 und des Authentifizierungsschlüssels Ki und gibt die resultierende signierte Antwort SRES an VLR/MSC zurück. Diese SRES wird gegenüber der SRES des Triplets, welches von der HLR zur Verfügung gestellt wird, überprüft. Falls die beiden SRES zueinander identisch sind, wird der Zugriff erlaubt, anderenfalls verweigert.
  • Alle Sicherheitsmechanismen im GSM sind von der Geheimhaltung des Authentifizierungsschlüssels Ki abhängig. Ki wird niemals übertragen und verlässt niemals AUC/HLR. Außerdem schützt das SIM Ki vollständig gegen Lesen. Da der mathematische Algorithmus A3 nur in eine Richtung arbeitet (Ein-Weg-Falltürfunktion) ist es unmöglich, den Schlüssel Ki aus den übertragenen RAND-SRES-Paaren abzuleiten. Weiter ist der Authentifizierungsalgorithmus A3 selbst ein geheimer Algorithmus, der selbst in den GSM-Spezifikationen nicht zu finden ist. Die Spezifikationen erfordern lediglich, dass die Berechnung von Ki bei Kenntnis von RAND und SRES, so komplex wie möglich ist. Das Komplexitätsniveau bestimmt das erreichte Sicherheitsniveau. Über diese Anforderung hinaus besteht die einzige Beschränkung, die dem A3 auferlegt ist, in der Größe der Eingabeparameter (RAND ist 128 Bits lang) und der Größe der Ausgabeparameter (SRES muss 32 Bits lang sein). Ki kann in Format und Länge beliebig sein, wenn es im AUC/HLR gespeichert wird, lediglich falls Ki im Netzwerk übertragen werden sollte, wäre es auf eine maximale Länge von 128 Bits beschränkt. Tatsächlich machen es die Wahlmöglichkeiten für den Entwurf im GSM sowohl hinsichtlich der Mobilstation als auch hinsichtlich der Infrastruktur für die Betreiber möglich, den A3 für ihre eigenen Teilnehmer unabhängig von anderen Betreibern auszuwählen.
  • EP-A-0 675 615 offenbart die Authentifizierung eines Telekommunikationsendgerätes, das sich mehrere Nutzer teilen. US-A-5 319 710 offenbart ein Verschlüsselungsverfahren für eine Authentifizierungsmeldung in einem Datenübertragungssystem.
  • In den Vereinigten Staaten von Amerika befindet sich ein digitales zellulares System, das persönliches Kommunikationssystem (PCS) genannt wird, in der Entwicklung. Das US-PCS basiert im großen Umfang auf dem GSM-System, insbesondere so weit es die Netzwerkarchitektur und Protokolle betrifft, einschließlich der Sicherheitsfunktionen. Jedoch wurden einige kleine Veränderungen in verschiedenen Teilen des Systems vorgenommen. Eine potenzielle Veränderung mag darin liegen, dass der Authentifizierungsalgorithmus A3, der im GSM-System verwendet wird, im US-PCS durch einen CAVE-Algorithmus ersetzt ist, da der CAVE-Algorithmus in den USA entwickelt worden ist und bereits in analogen AMPS-Netzwerken (Advanced Mobile Phone Service) verwendet wird. Der CAVE-Algorithmus, der für die Verwendung zur Authentifizierung in den PCS-Systemen geeignet sein mag, würde einen aus einer Anzahl verketteter Informationsfeldern bestehend 152-Bit-Eingabeparameter und einem 18-Bit-Ausgabeparameter besitzen, wobei der A3-Algorithmus im GSM die 128-Bit-Parameter Ki und RAND als Eingabeparameter und den 32-Bit-Parameter SRES als einen Ausgabeparameter besitzt. Daher ist ein Austausch des A3 durch den CAVE-Algorithmus in einem GSM-basierenden mobilen Kommunikationssystem nicht ohne weitere Veränderungen möglich. Jedoch können sich Veränderungen leicht auf die verschiedenen Protokolle, Funktionen, Meldungen und Datenstrukturen im gesamten System auswirken und dadurch den CAVE-Algorithmus technisch und ökonomisch unattraktiv machen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Kompatibilität mit dem GSM-System verloren geht und als Folge davon beispielsweise SIM-Roaming zwischen dem GSM und den US-PCS-Systemen nicht mehr möglich sein wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verwendung des CAVE-Algorithmus sowie des A3-Algorithmus im GSM-System oder in einem GSM-basierenden mobilen Kommunikationsnetzwerk ohne erforderliche Veränderungen an den GSM-Authentifizierungsparametern zu ermöglichen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verwendung des CAVE-Algorithmus sowie des A3-Algorithmus im GSM-System oder in einem GSM- basierenden mobilen Kommunikationsnetzwerk ohne Veränderungen an der Datenstruktur des GSM-Triplets zu ermöglichen.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verwendung des CAVE-Algorithmus sowie des A3-Algorithmus im GSM-System oder in einem GSM-basierenden mobilen Kommunikationsnetzwerk zu ermöglichen, aber andererseits die Sicherheitsfunktionen des Standard-GSM-Systems beizubehalten.
  • Diese Aufgaben werden mit den Verfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen gelöst.
  • Gemäß der Erfindung werden Parameteranpassungsfunktionen zwischen dem Eingabeparameter des CAVE-Algorithmus und den GSM-typischen Eingabeparametern, nämlich der Zufallszahl RAND und dem Authentifizierungsschlüssel Ki, sowie zwischen dem Ausgabeparameter des CAVE-Algorithmus und dem GSM-Ausgabeparameter, nämlich der signierten Antwort SRES, zur Verfügung gestellt. Im Ergebnis werden weder Veränderungen an dem CAVE-Algorithmus selbst benötigt, noch ist es notwendig, von den GSM-typischen Sicherheitsfunktionen an anderer Stelle als bei der Berechnung der SRES im Authentifizierungszentrum AUC/HLR und in der Mobilstation MS abzuweichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
  • 1 ein Blockdiagramm ist, welches ein GSM-basierendes zellulares Mobilfunksystem darstellt,
  • 2 ein funktionales Blockdiagramm der Authentifizierungs- und Chiffrierungs-Parameterverarbeitungseinheit im Authentifizierungszentrum AUC im Stand der Technik zeigt,
  • 3 ein funktionales Blockdiagramm der Authentifizierungs- und Chiffrierungs-Parameterverarbeitungseinheit in der Mobilstation MS des Standes der Technik ist,
  • 4 ein funktionales Blockdiagramm der Authentifizierungs- und Chiffrierungs-Parameterverarbeitungseinheit im MSC/VLR ist,
  • 5 die Signalisierung bezüglich der Erzeugung, Übertragung und Verwendung der Authentifizierungs- und Chiffrierungs-Parameter darstellt,
  • 6 ein funktionelles Blockdiagramm der Authentifizierungs- und Parameterverarbeitungseinheit gemäß der Erfindung im Authentifizierungszentrum AUC ist;
  • 7 ein funktionelles Blockdiagramm der Authentifizierungs- und Chiffrierungs-Parameterverarbeitungseinheit gemäß der Erfindung in der Mobilstation MS ist.
  • Bevorzugte Ausführungsbeisgiele der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung kann im paneuropäischen digitalen Mobilfunksystem GSM oder in jedem beliebigen GSM-basierenden Mobilfunksystem, wie beispielsweise dem digitalen Kommunikationssystem DCS1800 und dem als persönliches Kommunikationssystem (PCS) bezeichneten U. S. digitalen zellulären System, verwendet werden. Obwohl im Folgenden das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung als Anwendung in einem Standard-GSM-System beschrieben wird, besteht das primäre Anwendungsgebiet offensichtlich im PCS-System in den USA. Der Aufbau und der Betrieb des GSM-Systems sind für den Fachmann gut bekannt und in den vom European Telecommunications Standards Institute ETSI herausgegebenen GSM-Spezifikationen definiert. Außerdem wird Bezug genommen auf "The GSM system for a mobile communications", M. Mouly & M. Pautet, Palaiseau, Frankreich, 1992; ISBN2-9507190-0-7.
  • Der Grundaufbau eines GSM-Systems ist in der 1 gezeigt.
  • Der GSM-Aufbau besteht aus zwei Teilen: dem Basisstationsuntersystem (BSS) und dem Netzwerkuntersystem (NSS). Das BSS und die Mobilstationen MS kommunizieren über Funkverbindungen. Im BSS wird jede Zelle durch eine Basis-Sende-/Empfangsstation (BTS) versorgt. Eine Gruppe von BTS ist mit einer Basisstationssteuerung (BSC) verbunden, deren Funktion darin besteht, die Funkfrequenzen und -kanäle, die durch die BTS verwendet werden, zu verwalten. Die BSCs sind mit einer Mobilvermittlungsstelle (MSC) verbunden. Die MSC wird zum Vermitteln von Anrufen, an denen wenigstens eine Mobilstation MS beteiligt ist, verwendet. Bestimmte MSCs sind mit anderen Telekommunikationsnetzwerken, wie beispielsweise dem öffentlichen leitungsgebundenen Telefonnetzwerk (PSTN), verbunden und enthalten Übergangsfunktionen zum Behandeln von Anrufen zu und aus diesen Netzwerken. Diese MSCs sind als Übergangs-MSCs bzw. Gateway-MSC (GMSCs) bekannt.
  • Es gibt zwei Hauptarten von Datenbanken, die das Routing von Anrufen betreffen. Es gibt eine Heimatdatei (HLR), die die Teilnehmerdaten von allen Teilnehmern des Netzwerks auf einer dauerhaften oder semi-dauerhaften Basis speichert, einschließlich den Informationen über die Dienste, zu denen der Teilnehmer Zugriff haben darf, und den aktuellen Aufenthaltsort des Teilnehmers. Die zweite Art von Datei ist die Besucherdatei (VLR). Die VLR ist im Allgemeinen an ein MSC angefügt, aber es ist jedoch auch möglich, dass sie verschiedene MSCs versorgt. Es ist übliche Praxis, dass die VLR in die MSC integriert ist. Dieses integrierte Netzwerkelement ist als Besucher-MSC (VMSC) bekannt. Wann immer eine Mobilstation MS aktiv ist (eingeloggt und befähigt, Anrufe zu durchzuführen oder anzunehmen), werden die meisten der mobilen Teilnehmerdaten über eine Mobilstation MS, die in der HLR gehalten werden, auf die VLR des MSC, in dessen Bereich sich die mobile MS aufhält, heruntergeladen (bzw. kopiert).
  • Wie oben angemerkt, muss bei dem mobilen Funkdienst große Sorgfalt aufgewendet werden, um unautorisierte Anrufversuche und Eindringen oder Abhören durch Dritte zu verhindern. Schutzmechanismen im GSM-System authentifizieren die rufende bzw. gerufene Mobilstation und verwenden Chiffrierungsschlüssel, um Sprache und Daten auf den Verkehrskanälen zu verschlüsseln.
  • Der Mechanismus im Stand der Technik gemäß den GSM-Spezifikationen zum Bereitstellen der Authentifizierung und Chiffrierungsschlüssel wird nun unter Bezugnahme auf die 2, 3, 4 und 5 beschrieben.
  • Zum Zeitpunkt der Anmeldung wird eine geheime Zahl, die als ein Teilnehmerauthentifizierungsschlüssel (Ki) bezeichnet wird, dem mobilen Teilnehmer zusammen mit einer internationalen Mobilteilnehmerkennung (IMSI) zugewiesen. Wie in der 2 gezeigt, besteht das Authentifizierungszentrum AUC aus einer Datenbank 20, welche den Authentifizierungsschlüssel Ki für jeden mobilen Teilnehmer im GSM-Netzwerk speichert. Ki des mobilen Teilnehmers kann aus der Datenbank 20 geladen werden, wobei die IMSI des mobilen Teilnehmers als Index verwendet wird. Das AUC weist weiter einen Chiftrierungsalgorithmus A8, einen Authentifizierungsalgorithmus A3 und einen Zufallszahlengenerator 21 auf. Der Zufallszahlengenerator 21 stellt Zufallszahlen RAND bereit, welche eine Länge von 128 Bit aufweisen. Der Schlüssel Ki, der aus der Datenbank 20 abgefragt wurde und die Zufallszahl RAND vom Zufallszahlengenerator 21 werden als Eingabeparameter für den Authentifizierungsalgorithmus A3 verwendet, um die signierte Antwort SRES zu berechnen und als Eingabeparameter für den Chiffrierungsalgorithmus A8 verwendet, um den Chiffrierungsschlüssel Kc für die Verkehrskanalverschlüsselung zu berechnen. Die drei Parameter RAND, SRES und Kc bilden ein Triplet für einen mobilen Teilnehmer.
  • Die Triplets werden weiter an die Besucher-MSC/VLR übertragen, um, wie im Folgenden in größerem Detail erklärt wird, zur Authentifizierung und Chiffrierung verwendet zu werden.
  • Ein Triplet wird nur ein einziges Mal für eine Kommunikation verwendet und dann vernichtet. Um zu vermeiden, dass jedes Mal die Berechnung und Übertragung eines Triplets nötig ist, werden mehrere Triplets im Vorhinein für jeden mobilen Teilnehmer durch AUC/HLR berechnet und auf Anforderung an das Besucher-MSC/VLR, wo sie dann gespeichert werden, geliefert.
  • Das Besucher-MSC/VLR speichert als Vorrat einige solcher Triplets pro Teilnehmer, welche bei Bedarf abgefragt werden. Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Beispiel für eine Sicherheitsparameterdatei 40, die im Besucher-MSC/VLR gehalten wird, gezeigt. Die Datei 40 enthält n Triplets 1 ... n für jede(n) IMSI (Teilnehmer).
  • Diese Reserve in der Sicherheitsparameterdatei 40 wird zum ersten Mal erstellt, wenn der mobile Teilnehmer sich zum ersten Mal bei dem Besucher-MSC/VLR registriert: Sie ist Teil der Teilnehmerdaten, die von der HLR in der „INSERT SUBSCRIBER DATA"-Meldung heruntergeladen werden. Wenn ein Teilnehmer alle seine verfügbaren Triplets aufgebraucht hat, wird das AUC/HLR anschließend aufgefordert, eine neue Serie zu berechnen und zurückzusenden. Unter Bezugnahme auf 5 besteht diese Triplet-Wiederauffüllung aus zwei Meldungen: Der "SEND PARAMETERS"-Meldung und ihrer Antwort, der "SEND PARAMETERS RESULT"-Meldung. Die erstere Meldung enthält die IMSI des mobilen Teilnehmers, die verwendet wird, um den Ki zur Berechnung der Triplets abzufragen, wie oben unter Bezug auf 2 beschrieben worden ist. Die berechneten Triplets werden an das MSC/VLR in der "SEND PARAMETERS RESULT"-Meldung geliefert und in der VLR gespeichert.
  • Nun wird Bezug auf 4 genommen, in der die Mobilstation MS eine Zugriffsanfrage an das MSC/VLR sendet. Das MSC/VLR frägt eines der reservierten Triplets für den Teilnehmer der Mobilstation MS aus der Sicherheitsparameterdatei unter Verwendung der IMSI als Index ab. Das MSC/VLR überträgt einerseits den Wert von Kc zur Kanaleinrichtung in der BSC für die Verwendung bei der Verkehrskanalchiffrierung und andererseits den Wert der RAND zur MS in der "AUTHENTICATION REQUEST"-Meldung, wie durch Block 41 in 4 gezeigt. Auf Basis der RAND berechnet die Mobilstation MS die anderen Werte des Triplets (SRES und Kc).
  • Nun wird Bezug auf 3 genommen, in der die MS eine Kopie des Chiffrierungsschlüssels Ki des mobilen Teilnehmers sowie den Chiffrierungsalgorithmus A8 und den Authentifizierungsalgorithmus A3 speichert. Nach Empfang der "AUTHENTICATION REQUEST"-Meldung für das MSC/VLR, entnimmt die MS der Meldung die RAND und gibt die RAND und den gespeicherten Ki in die Algorithmen A3 und A8 ein. Zur Berechnung der signierten Antwort SRES bzw. des Chiffrierungsschlüssels Kc wird die berechnete SRES zu der MSC/VLR in der "AUTHENTICATION RESULT"-Meldung zur Vervollständigung der Authentifizierung, wie in den 4 und 5 gezeigt, übertragen.
  • Nun wird sich auf 4 bezogen, in der die MSC/VLR den Wert der SRES aus der "AUTHENTICATION RESULT"-Meldung (Block 42) entnimmt und den gespeicherten Wert der SRES aus der Datei 40 (Block 43) abfrägt. Anschließend "authentifiziert" das MSC/VLR für diese Kommunikation vor jeder anderen Verarbeitung den mobilen Teilnehmer durch Überprüfung, ob die in der AUC/HLR berechnete SRES mit der in der MS (Block 44) berechneten SRES identisch ist. Falls die beiden Werte identisch sind, wird der Zugriff gewährt (Block 45). Falls die beiden Werte nicht identisch sind, wird der Zugriff verweigert (Block 46).
  • Die Chiffrierungsprozedur ist für die vorliegende Erfindung nicht relevant und wird hier nicht in größerem Detail beschrieben werden.
  • Wie im Zusammenhang mit dem Hintergrund der Erfindung angemerkt, könnte ein Bedarf darin bestehen, den CAVE-Algorithmus als den Authentifizierungsalgorithmus A3 im digitalen zellularen System der USA, welches persönliches Kommunikationssystem (PCS) genannt wird, oder in anderen zellularen Systemen, die auf dem GSM-System im weitesten Sinne basieren, insbesondere so weit es die Netzwerkarchitektur und Protokolle, einschließlich der Sicherheitsfunktionen betrifft, zu verwenden. Der CAVE-Algorithmus wurde in den USA entwickelt und die Verfügbarkeit der Informationen über den CAVE-Algorithmus ist unter ITAR (US International Traftic and Arms Regulation) geregelt. Jedoch kommt der CAVE bereits in analogen AMPS-Netzwerken (Advanced Mobile Phone Service) zur Anwendung und seine Eingabe-/Ausgabe-Parameter sind im EIA/TIA-Standard IS-54 spezifiziert. Der CAVE-Algorithmus besitzt einen 152-Bit-Eingabeparameter, der aus einer Anzahl von verketteten Informationsfeldern besteht, und einen 18-Bit-Ausgabeparameter. Man stößt jedoch bei der praktischen Implementierung aufgrund der Tatsache, dass der A3-Algorithmus im GSM-System als Eingabeparameter den 128-Bit-Ki und die 128-Bit-RAND und als Ausgabeparameter die 32-Bit-SRES besitzt, auf Probleme.
  • Diese Probleme werden überwunden, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anpassung der Parameter bezüglich der Eingabe und Ausgabe des CAVE- Algorithmus durchgeführt wird. Im Ergebnis ist weder eine Veränderung am CAVE-Algorithmus selbst erforderlich, noch ist es notwendig, außer bei der Berechnung von SRES im AUC/HLR und in der MS von den GSM-Spezifikationen abzuweichen.
  • Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Parameteranpassung gemäß der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben.
  • Nun wird sich auf die 6 bezogen, in der das Authentifizierungszentrum AUC gemäß der Erfindung eine Datenbank 60 und einen Zufallszahlengenerator 61 aufweist, die ähnlich zur Datenbank 20 und zum Generator 21, der in 2 gezeigt ist, sind. Die Datenbank 60 speichert den 128-Bit-Authentifizierungsschlüssel Ki entsprechend den GSM-Spezifikationen für alle mobilen Teilnehmer des GSM-Netzwerkes, indiziert mittels der IMSIs, ab. Die IMSI, durch welche der Ki für die weitere Berechnung ausgewählt wird, wird von einer Signalisierungsschnittstelle 67 empfangen, die sie von der HLR oder VLR, beispielsweise in der "SEND PARAMETERS"-Meldung, empfängt. Der Zufallszahlengenerator 61 stellt die 128-Bit-Zufallszahlen RAND gemäß den GSM-Spezifikationen bereit.
  • Die Ki und RAND sind Eingaben in den Chiftrierungsalgorithmus A8, der den 64-Bit-Chiffrierungsschlüssel Kc gemäß den GSM-Spezifikationen berechnet. Mit anderen Worten, die Berechnung von Kc ist identisch zu der, die unter Bezugnahme auf 2, beschrieben worden ist.
  • Die 128-Bit-RAND ist außerdem eine Eingabe für eine Abschneide- bzw. Verkürzungseinheit 62, welche die RAND auf eine abgeschnittene bzw. verkürzte 24-Bit-RAND (TRAND) abschneidet bzw. verkürzt. Die TRAND kann beispielsweise die 24 höherwertigen Bits der RAND enthalten. Es ist jedoch anerkannt, dass die hier verwendete Verkürzungsoperation darauf abzielt, jegliches Verfahren zum Ableiten einer 24-Bit-Zufallszahl TRAND aus der 128-Bit-Zufallszahl RAND zu erfassen. Es sei angemerkt, dass, obwohl die Länge von Ki im bevorzugten Ausführungsbeispiel 128-Bit beträgt, sie eine beliebige Länge von N Bit aufweisen kann, wobei N eine ganze Zahl kleiner oder gleich 128 ist. Folgerichtig hängt die Länge M der TRAND von N ab, wobei M = 152 – N Bit ist.
  • Die 24-Bit-TRAND wird anschließend in eine Kombinationseinheit 63 eingegeben, wobei die andere Eingabe der Einheit 63 aus dem 128-Bit-Authentifizierungsschlüssel Ki besteht. Die Ausgabe der Kombinationseinheit 63 ist eine 152-Bit-Kombination COMP von Ki und TRAND. Die 128 höherwertigen Bits der COMP können den Ki enthalten und die 24 niederwertigen Bits können die TRAND enthalten. Es ist jedoch anerkannt, dass die hier verwendete Kombinationsoperation darauf abzielt, jedes Verfahren, beispielsweise eine logische Operation zum Ableiten des 152-Bit-Werts durch Kombination von Ki und TRAND zu erfassen.
  • Der 152-Bit-COMP-Parameter erfüllt die Voraussetzungen, die an den Eingabeparameter des CAVE-Algorithmus in der Berechnungseinheit 65 gestellt werden. Daher leitet die Parameteranpassung gemäß der Erfindung einen zum CAVE kompatiblen Eingabeparameter aus den zum GSM kompatiblen Eingabeparametern Ki und RAND ab. Als Ergebnis der Berechnung gibt die CAVE-Berechnungseinheit 65 einen 18-Bit-Ausgabeparameter aus.
  • Der 18-Bit-Ausgabeparameter der CAVE wird dann in die Auffülleinheit 64 eingegeben, in der 14 Stopf-Bits bzw. Füll-Bits eingesetzt werden, sodass ein 32-Bit-Wert erhalten wird. Die 14 Stopf-Bits können beispielsweise die 14 niederwertigen Bits des 32-Bit-Parameters darstellen, wobei die 18 höherwertigen Bits die 18-Bit-Ausgabe aus dem CAVE 65 enthalten. Es ist jedoch anerkannt, dass die hier verwendete Auffülloperation darauf abzielt, alle Verfahren zum Erhalten von 32 Bits, beispielsweise eine logische Operation zur Verlängerung des 18-Bit-CAVE-Ausgabeparameter um 14 Bits, zu erfassen.
  • Der resultierende 32-Bit-Ausgabeparameter wird anschließend als die signierte Antwort SRES gemäß den GSM-Spezifikationen verwendet. Damit leitet die Parameteranpassung gemäß der Erfindung einen GSM-kompatiblen Ausgabeparameter aus einem CAVE-kompatiblen Ausgabeparameter ab.
  • Die drei GSM-kompatiblen Sicherheitsparameter SRES, Kc und RAND werden in eine Triplet-Erzeugungseinheit 66 eingegeben, in der ein Standard-GSM-Triplet gebildet wird. Das Triplet wird zur HLR oder VLR über die Signalisierungsschnitt stelle 67 übertragen. Damit wird die SRES übertragen und im GSM-Netzwerk in einer ähnlichen Weise wie die Standard-SRES verarbeitet.
  • Nun wird sich auf 7 bezogen, in der die Mobilstation MS gemäß der Erfindung eine Kopie des Chiffrierungsschlüssels Ki des mobilen Teilnehmers in einem Speicher 75 speichert. Die MS besitzt außerdem eine Berechnungseinheit 76, welche den Chiftrierungsalgorithmus A8 ausführt und eine Berechnungseinheit 77, welche den CAVE-Algorithmus zur Authentifizierung ausführt. Nach Empfang der "AUTHENTICATION REQUEST"-Meldung von der MSC/VLR, entnimmt die mobile Ausrüstung 78 der MS, welche die für die Funkschnittstelle spezifische Hardware und Software enthält, die RAND aus der Meldung und gibt die RAND und den gespeicherten Ki in die A8-Berechnungseinheit 76 zum Berechnen des Chiffrierungsschlüssels Kc ein. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle funktionalen Blöcke mit der Ausnahme 78 in dem Teilnehmererkennungsmodul oder SIM der MS angeordnet.
  • Die 128-Bit-RAND ist außerdem eine Eingabe für eine Abschneideinheit 72, welche die RAND in eine 24-Bit-TRAND abschneidet. Die Abschneideinheit 72 ist identisch zu der Abschneideinheit 72, die in 6 gezeigt ist.
  • Die 24-Bit-TRAND wird dann in eine Kombinationseinheit 73 zusammen mit dem 128-Bit-Ki eingegeben. Die Ausgabe der Kombinationseinheit 73 ist ein 152-Bit-COMP. Die Kombinationseinheit 73 ist zu der Kombinationseinheit 63, die in 6 gezeigt ist, identisch.
  • Der 152-Bit-COMP wird anschließend in die CAVE-Berechnungseinheit 77 eingegeben, welche einen 18-Bit-Ausgabeparameter ausgibt.
  • Der 18-Bit-Ausgabeparameter der CAVE 77 wird in eine Auftülleinheit 74 eingegeben, in der 14 Stopf-Bits angefügt werden, sodass ein 32-Bit-Wert zur Verfügung gestellt wird. Die Auffülleinheit 74 ist mit der Auffülleinheit 64, die in 6 gezeigt ist, identisch.
  • Der resultierende 32-Bit-Ausgabeparameter wird anschließend als der SRES-Parameter gemäß den GSM-Spezifikationen verwendet. Der SRES wird an das mobile Betriebsmittel 78 zurückgegeben und weiter an das MSC/VLR in der "AUTHENTICATION RESULT"-Meldung gesendet und in dem MSC/VLR wie in dem Standard-GSM-System verarbeitet.
  • Ein Beispiel für alternative Ausführungsbeispiele zum Ableiten des 152-Bit-CAVE-Eingabeparameters aus dem N-Bit-Ki- und N-Bit -RAND-Parametern ist in der 8 gezeigt. In den folgenden Beispielen ist N = 128, aber es kann eine beliebige positive ganze Zahl in diesen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Ki wird in zwei Teile zerteilt: 104 Bits von Ki, beispielsweise 104 LSB-Bits, werden in den Eingang einer logischen Einheit 81 eingegeben. Die verbleibenden 24 Bits von Ki werden in eine Kombinationseinrichtung 82 eingegeben. In ähnlicher Weise wird RAND in zwei Teile geteilt: 104 Bits von RAND, beispielsweise 104 MSB-Bits, werden in die logische Einheit 81 eingegeben. Die verbleibenden 24 Bits von RAND werden in einen anderen Eingang der Kombinationseinrichtung 82 eingegeben. Eine logische Operation, wie beispielsweise AND, OR oder ein Exklusiv-OR (XOR) wird zwischen den beiden 104-Bit-Eingaben durchgeführt und eine einzelne 104-Bit-Ausgabe wird bereitgestellt. Die 104-Bit-Ausgabe der logischen Einheit 81 wird in die Kombinationseinrichtung 82 eingegeben. Die Kombinationseinrichtung 82 setzt die zwei 24-Bit-Eingaben und die 104-Bit-Eingabe zu einen 152-Bit-Parameter zusammen, der in den CAVE-Algorithmus einzugeben ist. Für eine Anwendung im Authentifizierungszentrum der 6 und in der Mobilstation der 7 werden die logische Einheit 81 und die Kombinationseinrichtung 82 durch die Verkürzungseinheit 62, 72 bzw. die Kombinationseinrichtung 63, 73 ersetzt.
  • Als eine weitere Veränderung am Ausführungsbeispiel der 8 können die 104 Bits von Ki und die 104 Bits von RAND in eine gleiche Anzahl von Unterblöcken unterteilt werden und verschiedene logische Operationen können zwischen verschiedenen Unterblöcken durchgeführt werden. Beispielsweise kann es vier Unterblöcke mit 26 Bits geben.
  • Die Zeichnung und die zugeordnete Beschreibung ist lediglich darauf gerichtet, die vorliegende Erfindung darzustellen. Änderungen und Modifikationen sind für den Fachmann offensichtlich, ohne dabei vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (7)

  1. Authentifizierungszentrum (AUC) für ein mobiles Kommunikationsnetz vom GSM-Typ, mit einer Datenbank (60), in der ein Authentifizierungsschlüssel (Ki) für jeden Teilnehmer des mobilen Kommunikationsnetzes gespeichert ist, wobei der Authentifizierungsschlüssel (Ki) ein Eingabeparameter ist für die Berechnung eines Chiffrierschlüssels (Kc) und eines Authentifizierungsantwortparameters (SRES) und ein für eine mit einem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatible Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ erforderliches Format aufweist, einer Quelle (61) für eine Zufallszahl (RAND), wobei die Zufallszahl ein weiterer Eingabeparameter für die Berechnung eines Chiffrierschlüssels (Kc) und eines Authentifizierungsantwortparameters (SRES) ist und ein für eine mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatible Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ erforderliches Format aufweist, eine Verschlüsselungsschlüsselberechnungseinheit (A8), die den Authentifizierungsschlüssel (Ki) von der Datenbank (60) und eine Zufallszahl (RAND) von der Quelle (61) für Zufallszahlen als Eingabeparameter aufweist und einen Chiffrierschlüssel (Ki) in einem der Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ entsprechenden Format ausgibt, gekennzeichnet durch eine Authentifizierungsantwortparameter-Berechnungseinheit (65) mit CAVE-Algorithmusmittel, die einen einzelnen Eingangsparameter erfordert und einen Authentifizierungsantwortparameter in einem Format ausgibt, das von dem Format des Authentifizierungsantwortparameters gemäß der mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ abweicht, eine erste Adaptionseinheit (62, 63), die auf den Authentifizierungsschlüssel (Ki) und die Zufallszahl (RAND) als Eingabeparameter anspricht, zum Bereitstellen des einzelnen Eingabeparameters (COMB) für die Authentifizierungsantwort-Berechnungseinheit (65), eine zweite Adaptionseinheit (64), die auf den von der Authentifizie rungsantwortparameter-Berechnungseinheit (65) ausgegebenen Authentifizierungsantwortparameter anspricht, zum Bereitstellen des Authentifizierungsantwortparameters (SRES) gemäß der mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ.
  2. Authentifizierungsparameter-Verarbeitungseinheit in einer Mobilstation für ein mobiles Kommunikationsnetz vom GSM-Typ, mit einem Speicher (75), in dem ein Authentifizierungsschlüssel (Ki) für einen die Mobilstation verwendenden mobilen Teilnehmer gespeichert ist, wobei der Authentifizierungsschlüssel (Ki) ein Eingabeparameter ist zum Berechnen eines Chiffrierschlüssels (Kc) und eines Authentifizierungsantwortparameters (SRES) und ein für eine mit einem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatible Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ erforderliches Format aufweist, einer Quelle (78) für eine Zufallszahl, wobei die Zufallszahl ein weiterer Eingabeparameter ist zum Berechnen eines Chiffrierschlüssels (Kc) und eines Authentifizierungsantwortparameters (SRES) und ein für die mit dem A3-Authentifizie-rungsalgorithmus kompatible Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ erforderliches Format aufweist, einer Verschlüsselungsschlüssel-Berechnungseinheit (A8), die den Authentifizierungsschlüssel (Ki) von dem Speicher (75) und eine Zufallszahl (RAND) von der Quelle (78) für Zufallszahlen als Eingabeparameter aufweist und einen Chiffrierschlüssel (Kc) in einem Format entsprechend der mit dem A3-Authentifi-zierungsalgorithmus kompatiblen Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ ausgibt, gekennzeichnet durch eine Authentifizierungsantwortparameter-Berechnungseinheit (A8) mit einer CAVE-Algorithmusmittel, die einen einzelnen Eingabeparameter erfordert und einen Authentifizierungsantwortparameter ausgibt in einem von dem Format des Authentifizierungsantwortparameters (SRES) gemäß der mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ abweichenden Format, eine erste Adaptionseinheit (72, 73), die auf den Authentifizierungs schlüssel (Ki) und die Zufallszahl (RAND) als Eingabeparameter anspricht, zum Bereitstellen des einzelnen Eingabeparameters (COMB) für die Authentifizierungsantwort-Berechnungseinheit (77), eine zweite Adaptionseinheit (74), die auf den von der Authentifizierungsantwortparameter-Berechnungseinheit (77) ausgegebenen Authentifizierungsantwortparameter anspricht, zum Bereitstellen des Authentifizierungsantwortparameters (SRES) gemäß der mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen Authentifizierungsprozedur vom GSM-Typ.
  3. Authentifizierungsverfahren für ein mobiles Kommunikationsnetz vom GSM-Typ, mit einem Schritt des Verwendens einer zur Verwendung mit einem A3-Authentifizierungsalgorithmus beabsichtigten Authentifizierungsprozedur, gekennzeichnet durch Verwenden eines CAVE-Algorithmus (65, 77) anstelle des A3-Authentifi-zierungsalgorithmus, Bereitstellen eines mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen, aber mit dem CAVE-Algorithmus (65, 77) inkompatiblen Authentifizierungsschlüssels (Ki), für jeden Teilnehmer des mobilen Kommunikationsnetzes vom GSM-Typ, Erzeugen einer mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus kompatiblen, aber mit dem CAVE-Algorithmus (65, 77) inkompatiblen Zufallszahl (RAND), Ableiten eines mit dem CAVE-Algorithmus (65, 67) kompatiblen Eingabeparameters (COMB) aus dem Authentifizierungsschlüssel (Ki) und der Zufallszahl (RAND), Berechnen, durch den CAVE-Algorithmus (65, 67), einer Authentifizierungsantwort, die inkompatibel ist mit einem Authentifizierungsantwortformat der in dem mobilen Kommunikationsnetz vom GSM-Typ verwendeten Authentifizierungsprozedur, Modifizieren der Authentifizierungsantwort in ein mit dem Authentifizierungsantwortformat der Authentifizierungsprozedur kompatibles Format (SRES), Transferieren und Speichern der Authentifizierungsantwort in dem mobilen Kommunikationsnetz vom GSM-Typ in dem mit der Authentifizierungsprozedur kompatiblen Format (SRES).
  4. Authentifizierungsverfahren nach Anspruch 3, mit den Schritten des Verwendens einer GSM-basierten Authentifizierungsprozedur, die zur Verwendung mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus beabsichtigt ist, mit einer 128-Bit-Zufallszahl RAND und einem N-Bit-Authentifizierungsschlüssel (Ki) als Eingabeparameter und einer signierten 32-Bit-Antwort SRES als ein Ausgabeparameter, wobei N eine positive ganze Zahl ist, Verwendens des CAVE-Algorithmus anstelle des A3-Authentifizierungsalgorithmus, wobei der CAVE-Algorithmus einen 152-Bit-Eingabeparameter und einen 18-Bit-Ausgabeparameter aufweist, Bereitstellens eines einzigen Werts für den N-Bit-Ki für jeden Teilnehmer des mobilen Kommunikationsnetzes, Speichern des Werts von Ki in einer Datenbank (60) in einem Authentifizierungszentrum, Empfangen einer Anfrage zur Bereitstellung des SRES für einen der mobilen Teilnehmer, Auffinden des N-Bit-Ki des einen der mobilen Teilnehmer aus der Datenbank (60), Erzeugen (81) der 128-Bit-RAND, Ableiten (62, 63) des 152-Bit-Eingabeparameters aus dem N-Bit-Ki und der 128-Bit-RAND, Berechnen (65) des 18-Bit-Ausgabeparameters mittels des CAVE-Algorithmus, Auffüllen von 14 zusätzlichen Bits (64) in den 18-Bit-Ausgabeparameter zum Erhalten des 32-Bit-SRES, Transferieren und Speichern des 32-Bit-SRES in dem GSM-basierten mobilen Kommunikationsnetz gemäß der GSM-basierten Authentifizierungsprozedur.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Ableitens die Schritte umfasst Verkürzen (62) der 128-Bit-RAND in eine (152 – N)-Bit verkürzte RAND, wobei N eine ganze Zahl kleiner oder gleich 128 ist, Kombinieren (83) der (152 – N)-Bit verkürzten RAND mit dem N-Bit-Ki zum Erhalten des 152-Bit-Eingabeparameters.
  6. Authentifizierungsverfahren nach Anspruch 3, mit den Schritten des Verwendens einer GSM-basierten Authentifizierungsprozedur, die zur Verwendung mit dem A3-Authentifizierungsalgorithmus mit 128-Bit-Zufallszahl RAND und N-Bit-Authentifizierungsschlüssel Ki als Eingabeparameter und einer 32-Bit-signierten Antwort SRES als ein Ausgabeparameter beabsichtigt ist, wobei N eine positive ganze Zahl ist, Verwendens des CAVE-Algorithmus anstelle des A3-Authentifizierungsalgorithmus, wobei der CAVE-Algorithmus einen 152-Bit-Eingabeparameter und einen 18-Bit-Ausgabeparameter aufweist, Speicherns eines für einen mobilen Teilnehmer bereitgestellten einzigen Werts des N-Bit-Ki in einem Speicher (75) einer Mobilstation, Empfangens einer die 128-Bit-RAND enthaltenden Authentifizierungsanfrage von einer Basisstation durch die Mobilstation (78), Aufwendens des N-Bit-Ki aus dem Speicher (75), Ableitens (72, 73) des 152-Bit-Eingabeparameters aus dem N-Bit-Ki und der 128-Bit-RAND, Berechnens des 18-Bit-Ausgabeparameters durch den CAVE-Algorithmus, Auffüllens von 14 zusätzlichen Bits (74) in den 18-Bit-Ausgabeparameter zum Erhalten des 32-Bit-SRES, Übertragens der 32-Bit-SRES zu der Basisstation.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Ableitens die Schritte umfasst Verkürzen (72) der 128-Bit-RAND in eine verkürzte (152 – N)-Bit-RAND, wobei N eine ganze Zahl kleiner oder gleich 128 ist, Kombinieren (73) der verkürzten (152 – N)-Bit-RAND mit dem N-Bit-Ki zum Erhalten des 152-Bit-Eingabeparameters.
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