EP1726181A1 - Protokollerweiterung einer signalisierungsnachricht - Google Patents

Protokollerweiterung einer signalisierungsnachricht

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Publication number
EP1726181A1
EP1726181A1 EP05717032A EP05717032A EP1726181A1 EP 1726181 A1 EP1726181 A1 EP 1726181A1 EP 05717032 A EP05717032 A EP 05717032A EP 05717032 A EP05717032 A EP 05717032A EP 1726181 A1 EP1726181 A1 EP 1726181A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
communication terminal
signaling message
sgsn
network
message
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05717032A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Zaus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1726181A1 publication Critical patent/EP1726181A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/12—Detection or prevention of fraud
    • H04W12/121—Wireless intrusion detection systems [WIDS]; Wireless intrusion prevention systems [WIPS]
    • H04W12/122—Counter-measures against attacks; Protection against rogue devices

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting a change in a signaling message sent from a network unit to a communication terminal.
  • SGSN Serving GPRS Support Node
  • UDP User Datagram Protocol
  • IP Internet protocol
  • From document D3 (2004/0037320 AI) are techniques for transmitting packets from a transmission unit over a wireless communication system to a receiver unit known. Data frames contained in a packet are received. One or more headers are generated for the package for one or more protocols in the protocol field. RTP, UDP, IP, PPP, RLP and variants can be used as protocols.
  • Document D4 discloses a method for transmitting a message to a plurality of terminals in a network using a group call service (multicast service).
  • the group call message is encrypted and sent to several end devices at the same time. Since the radio interface between a base station and communication terminal or mobile device basically offers many possibilities for attackers, an attacker with a so-called "wrong base station" can position himself between the communication terminal and the real base station. The wrong base station behaves like a base station towards the communication terminal, like a communication terminal towards the real base station. By falsifying the messages that are exchanged between the communication terminal and network units, the wrong base station can e.g.
  • a method for protecting against deletion of messages is in the UMTS network according to 3GPP TS 33.102, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); 3G security; Security architecture, Release 5.3.0 (2003-10-03), Chapter 6.3 implemented.
  • UMTS Universal Mobile Telecommunications System
  • 3G security 3G security
  • Security architecture Release 5.3.0 (2003-10-03), Chapter 6.3 implemented.
  • an authentication procedure is carried out in which the Mobile device authenticated to the communication network and a secret temporary key IK is agreed between the mobile device and the communication network.
  • a signed response (signed response) is created in the communication network or mobile radio network in a special network unit, the authentication center (AuC), from the subscriber's secret key Ki and a random number RAND with the aid of a function f2K (RAND, Ki) ) (SRES) and with the help of another function f4K (RAND, Ki) a temporary secret key IK is calculated.
  • RAND, SRES and IK are then sent to the switching unit MSC or to the service GPRS support unit SGSN to which the mobile radio device is currently connected.
  • the MSC or SGSN finally sends with a message
  • Authentication request the random number RAND to the mobile device.
  • the RAND and the secret key Ki with the help of the functions f2K (RAND, Ki) and f4K (RAND, Ki) the signed response (signed response) ( SRES) and the temporary secret key IK is calculated.
  • the mobile device then sends the value SRES back to the communication network with an authentication response message.
  • the MSC or SGSN compares this value with the value calculated by the AuC authentication center. If both match, the mobile device is considered successfully authenticated.
  • the mobile radio device and communication network have generated a temporary secret key IK using this procedure.
  • the sender of the message calculates a test value hash (message, IK) with the aid of the secret key IK.
  • the check value hash (message, IK) is generated using the temporary key IK calculates because the secret key Ki may never leave the authentication center Authentication Center ia.
  • the test message is then transmitted with the message and checked by the mobile radio device. If the message was changed by an incorrect base station, the mobile radio device will usually recognize this from the fact that the test value is no longer correct, since the wrong base station does not know the secret key IK and therefore cannot calculate the test value for the changed message.
  • Authentication request message must not change, because otherwise the mobile device wrong SRES value calculated and the authentication procedure does not exist.
  • a specially defined bit sequence is entered in the first 32 bits of the RAND parameter, which indicates to the mobile radio device that certain information is transmitted in the following n bits of the RAND parameter.
  • Standardization contribution S3-030463 specifically suggests coding in the next 8 bits which GSM cipher algorithms are permitted in the network and which are not. This is to prevent the wrong base station on the radio interface from sending messages to the mobile radio device can manipulate in such a way that a cryptographically weaker cipher algorithm is selected.
  • the special bit sequence is required because this protocol extension is not supported by all networks from the start. The longer the special bit sequence, the less likely it is that a
  • Communication network that does not yet support the protocol extension, randomly selects the special bit sequence when selecting RAND parameters, and the mobile radio device then mistakenly interprets the other bits in the RAND parameter as information. For 32 bits, this probability is, for example, 1: 2 32 «l: 4xl0 9 .
  • a protocol extension should support a
  • Protocol extension also supports tampering with the authentication request message.
  • the communication terminal or the mobile radio device should also function in old networks (GSM networks, etc.) which do not yet support the protocol extension. Naturally, the communication terminal or the mobile radio device cannot then detect message falsifications.
  • the communication terminal or the mobile radio device must be able to recognize whether it is in an old or a new network, in particular also when a wrong base station tries to simulate an "old network" for it.
  • n + 1 of the protocol is protected.
  • the new version "n + 1" should be backwards compatible with the previous version "n".
  • a possible falsification by an incorrect base station could, for example, be that the new message elements are simply omitted.
  • the mobile radio device then assumes that it is in a network with protocol version "n".
  • the object of the invention is to be seen in proposing a possibility for an efficient and simple detection of a change in a signaling message.
  • the object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claims. Developments of the invention are specified in the subclaims.
  • a core of the invention is to be seen in that, in order to detect a change in a signaling message sent from a network unit to a communication terminal, a bit sequence known to a network unit and the communication terminal indicates in a sent signaling message (authentication request) that in a
  • Signaling message (Authentication Request; further message) a check value is included.
  • the signaling message that contains the check value can be an authentication request message or a subsequent message or
  • the test value received by the communication terminal is compared with a test value calculated by the communication terminal.
  • the communication terminal which is, for example, a mobile radio terminal, a mobile computer, a mobile organizer, etc., then defines a signaling message (Authentication Request; further message) as unchanged if the bit sequence was received in a signaling message (Authentication Request) and the comparison of the both test values delivers a positive result.
  • the special bit sequence itself is suitably protected during the transmission, so that changes by an incorrect base station are noticed by the communication terminal or by the network unit.
  • the special bit sequence is contained in the RAND parameter. Due to the special bit sequence in the RAND parameter, the communication terminal can handle large Detect security whether the communication network supports the protocol extension of the signaling message. If the wrong base station changes the RAND parameter in order to simulate an "old" network for the communication terminal, this is noticed by the network unit, in particular by a switching unit MSC or by a service GPRS support unit SGSN, because the
  • Authentication procedure fails. Another advantage is that by using your own test equipment, the amount of information that can be protected is no longer restricted from the outset. If new message elements are added to the signaling message, these can be automatically taken into account when calculating the test. New message elements can also be added in later ones
  • Protocol versions are added.
  • the authentication function f2K (RAND, Ki) is weakened less because only the bit sequence in the signaling message is embedded in the RAND parameter, but not the other message elements to be protected.
  • the variation options for the RAND parameter remain greater.
  • all of the following signaling messages can also be protected by a test value. This leads to more efficient protection against possible attackers with "wrong base stations".
  • FIG. 1 shows a network architecture with a “wrong base station
  • FIG. 2 shows a simplified network architecture for performing the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a communication terminal for receiving a signaling message from a network unit
  • Figure 4 is a simplified representation of a network unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a network architecture of a mobile radio network with a “wrong base station” f-BSS, which is positioned between a communication terminal or mobile radio device MS and a base station BSS.
  • the wrong base station behaves with respect to the mobile radio device MS like a base station BSS with respect to the real one Base station BSS like a mobile radio device MS.
  • the wrong base station f-BSS can, for example, ensure that a mobile radio call is encrypted using a cryptographically weaker method and is therefore easier to listen to can be a network unit
  • MSC / SGSN can be a switching unit MSC or a service GPRS support unit SGSN.
  • FIG. 2 shows a simplified illustration for carrying out the method according to the invention.
  • the communication network here a mobile radio network
  • the authentication center AuC in a special network unit, the authentication center AuC, a "signed response" (using the function f2K (RAND, Ki) is made from the subscriber's secret key Ki and a random number RAND ( SRES) and with the help of another
  • Function f4K calculates a temporary secret key IK.
  • RAND, -SRES and IK are then, depending on the mobile network used (GSM network, UMTS network etc.), sent to the network unit MSC / SGSN (switching unit MSC or service GPRS support unit SGSN) with which the mobile radio MS is currently connected is.
  • the switching unit MSC or the service GPRS support unit SGSN finally sends the random number parameter RAND, a test value created by the network unit MSC / SGSN and further parameters to the mobile radio device MS with a signaling message “Authentication Request” (Authentication Request).
  • the RAND - Parameter contains a special bit sequence that both the Mobile radio device as well as the network unit MSC / SGSN is known and is protected against change, for example by a "wrong base station".
  • the protection consists in that the communication terminal MS changes the bit sequence by an attacker with "wrong"
  • the authentication center AuC could also consist of at least two Bit sequences, which are known both to the network unit MSC / SGSN and to the communication terminal MS, select and use a bit sequence for sending between the network unit MSC / SGSN and the communication terminal MS
  • Bit sequences may generally only be generated by the authentication center AuC if it is known that the communication network in which the communication terminal MS or the mobile radio device MS is currently supporting the protocol extension, i.e. if the network unit MSC / SGSN in the It is able to calculate the test value and send it along with the authentication request message.
  • S3-030463 3GPP TSG SA WG3 Security, Cipher key Separation for A / Gb security enhancements, 15 - 18 July 2003, San Francisco, USA, Agenda Unige 7.5, Source: Vodafone
  • this can be done for the roaming case - That means if "the subscriber is not in his home communication network - can be solved by the authentication center AuC identifying the mobile network (or the switching unit MSC or the
  • the test value “hash” f (message, IK) is determined by the network unit MSC / SGSN from the content of the signaling message and the key IK.
  • the "signed response" (SRES) and the temporary secret key IK are calculated from the RAND parameter and the secret key Ki using the functions f2K (RAND, Ki) and f4K (RAND, Ki).
  • the special 5 bit sequence in the RAND parameter of the signaling message "Authentication request" indicates to the mobile radio device MS that a test value "hash” f (message, IK) must be contained in the signaling message.
  • the special bit sequence could also be contained in another parameter if it is ensured that the mobile radio device MS or the network unit MSC / SGSN can recognize a change in this parameter due to an incorrect base station.
  • the communication terminal MS or the mobile radio device MS calculates its own test value “hash” (message, IK), which is calculated from the content of the message and the temporary secret key IK, and compares the calculated test value with the test contained in the signaling message.
  • FIG. 3 shows a representation of a communication terminal MS for receiving a signaling message from a network unit MSC / SGSN.
  • the communication terminal MS has for mobile communication, in particular for mobile communication with a mobile radio network, a receiving unit E and a transmitting unit S.
  • a processing unit V can use a special bit sequence in the signaling message, in particular in the RAND parameter, to recognize that the signaling message must contain a test value “hash” f (message, IK).
  • the communication terminal MS or the mobile radio device MS calculates one own test value "hash" (message, IK), which is calculated from the content of the message and the temporary secret key IK and compares the calculated test value with the test value contained in the signaling message.
  • the communication terminal MS defines the signaling message as unchanged only if the comparison of the two test values delivers a positive result. It is considered a positive result that the two test values are identical.
  • the special bit sequence signals that in the communication network in which the communication network is currently also all subsequent messages from the
  • Communication network or sent from the network unit MSC / SGSN to the communication terminal MS must contain a test value.
  • FIG. 4 shows a simplified illustration of a network unit MSC / SGSN according to the invention.
  • the network unit MSC / SGSN has a receiving unit EE and a transmitting unit SE for mobile communication, in particular for mobile communication with a mobile radio network.
  • processing work VE receives parameters from an authentication center AuC and determines a test value “hash” f (message, IK), which it (VE) sends together with further parameters to a connected communication terminal MS in a signaling message.

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen einer Änderung in einer von einer Netzeinheit (MSC/SGSN) zu einem Kommunikationsendgerät (MS) gesandten Signalisierungsnachricht. Erfindungsgemäß gibt eine einer Netzeinheit (MSC/SGSN) und dem Kommunikationsendgerät (MS) bekannte Bitfolge in einer gesandten Signalisierungsnachricht (Authentication Request) dem Kommunikationsendgerät (MS) an, dass in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) ein Prüfwert enthalten ist. Des Weiteren wird der vom Kommunikationsendgerät (MS) empfangene Prüfwert mit einem vom Kommunikationsendgerät (MS) berechneten Prüfwert verglichen und das Kommunikationsendgerät (MS) definiert eine Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) nur dann als unverändert, falls die Bitfolge in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request) empfangen wurde und der vergleich der beiden Prüfwerte ein positives Ergebnis liefert.

Description

Beschreibung
Protokollerweiterung einer Signalisierungsnachricht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen einer Änderung in einer von einer Netzeinheit zu einem Kommunikationsendgerät gesandten Signalisierungsnachricht .
In einem Kommunikationsnetz, insbesondere einem
Mobilfunksystem der zweiten und dritten Generation wie einem GSM-Netz und einem UMTS-Netz tauschen die Netzeinheiten (Vermittlungseinheit = Mobile Service Switching Center [MSC] oder Dienst-GPRS-Unterstützungseinheit = Serving GPRS Support Node [SGSN] ) mit dem Kommunikationsendgerät Signalisierungs- nachrichten aus .
Aus Ala-Laurila, J., u. a.: ireless LAN access network arσhitecture or mobile Operators : IEEE Communications Magazine, Volume 39, Issue 11, Nov. 2001, S. 82-89 ist eine neue kabellose LA -Architektur zur Kombination der WLAN Zugangsnetz-Technologie, der SIM-basierten-Nutzer-Management- Funktionen und der Roaming Infrastruktur der Netzbetreiber bekannt. In dem beschriebenen System wird der WLAN-Zugang über eine GSM-SIM-Karte authentifiziert und vergebührt.
Postel, J. : RFC 768: User Datagram Protocol: Internet Engineering Task Force (IETF) , 28.August 1980 (Im Internet: URL:http: //www. ietf.org/r c/rfc768. txt) beschreibt ein Nutzer Datagramm Protokoll (UDP = User Datagram Protocol) für eine paketvermittelnde Computer-Kommunikation in einem Computer- Netz. Dem UDP-Protokoll liegt das Internet-Protokoll (IP) zugrunde und sieht eine Prozedur für Applikationen zum Senden von Nachrichten an andere Programme mit minimalen Protokoll- Mechanismen vor.
Aus Dokument D3 (2004/0037320 AI) sind Techniken zum Übertragen von Paketen von einer Übertragungseinheit über ein kabelloses Kommunikationssystem zu einer Empfänger-Einheit bekannt. Dabei werden Daten-Rahmen, die in einem Paket enthalten sind, empfangen. Eine oder mehrere Kopfzeilen werden für das Paket für ein oder mehrere Protokolle im Protokoll-Feld generiert. Als Protokolle können dabei RTP, UDP, IP, PPP, RLP und Varianten gelten.
Aus Dokument D4 (WO 03/036908 AI) ist ein Verfahren zum Übertragen einer Nachricht zu einer Mehrzahl von Endgeräten in einem Netz durch Verwendung eines Gruppenruf-Dienstes (Multicast Service) bekannt. Dabei wird die Gruppenruf- Nachricht verschlüsselt und gleichzeitig an mehrere Endgeräte gesendet . Da die Funkschnittstelle zwischen einer BasisStation und Kommunikationsendgerät bzw. Mobil unkgerät grundsätzlich viele Möglichkeiten für Angreifer bietet, kann sich ein Angreifer mit einer so genannten "falschen Basisstation" zwischen Kommunikationsendgerät und echter Basisstation positionieren. Die falsche Basisstation verhält sich dabei gegenüber dem Kommunikationsendgerät wie eine Basisstation, gegenüber der echten Basisstation wie ein Kommunikationsendgerät. Durch Verfälschen der Nachrichten, die zwischen Kommunikationsendgerät und Netzeinheiten ausgetauscht werden, kann die falsche Basisstation z.B. dafür sorgen, dass ein Mobilfunkgespräch mit einem kryptographisch ?.schwächeren Verfahren verschlüsselt wird und damit leichter abgehört werden kann. Ein Verfahren zum Schutz vor Ver lschungen von Nachrichten ist im UMTS-Netz gemäß 3GPP TS 33.102, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);3G security; Security architecture, Release 5.3.0 (2003-10-03), Kapitel 6.3 realisiert.
Wenn sich das Mobilfunkgerät zum ersten Mal im Kommunikationsnetz anmeldet, wird eine Authentisierungsprozedur durchgeführt, bei der sich das Mobilfunkgerät gegenüber dem Kommunikationsnetz authentisiert und zwischen Mobilfunkgerät und Kommunikationsnetz ein geheimer temporärer Schlüssel IK vereinbart wird.
Dazu wird im Kommunikationsnetz bzw. Mobilfunknetz in einer speziellen Netzeinheit, dem Authentifizierungs-Center = Authentication Center (AuC) , aus dem geheimen Schlüssel Ki des Teilnehmers und einer Zufallszahl RAND mit Hilfe einer Funktion f2K (RAND, Ki) eine signierte Antwort (signed response) (SRES) und mit Hilfe einer weiteren Funktion f4K (RAND, Ki) ein temporärer geheimer Schlüssel IK berechnet. RAND, SRES und IK werden dann an die Vermittlungseinheit MSC oder an die Dienst-GPRS-Unterstützungseinheit SGSN gesendet, mit denen das Mobilfunkgerät gerade verbunden ist. Die MSC bzw. die SGSN sendet schließlich mit einer Nachricht
„Authentifizierungsanfrage" (Authentication Request) die Zufallszahl RAND an das Mobilfunkgerät. Im Mobilfunkgerät werden aus dem RAND und dem geheimen Schlüssel Ki mit Hilfe der Funktionen f2K (RAND, Ki) und f4K (RAND, Ki) die signierte Antwort (signed response) (SRES) und der temporäre geheime Schlüssel IK berechnet.
Anschließend sendet das Mobilfunkgerät den Wert SRES mit einer Authentifizierungsantwort-Nachricht (Authentication Response) an das Kommunikationsnetz zurück. Die MSC bzw. die SGSN vergleicht diesen Wert mit dem vom Authentifizierungs- Center AuC berechneten Wert. Wenn beide übereinstimmen, gilt das Mobilfunkgerät als erfolgreich authentisiert. Gleichzeitig haben Mobilfunkgerät und Kommunikationsnetz mit dieser Prozedur einen temporären geheimen Schlüssel IK generiert .
Für alle Signalisierungsnachrichten, die nach der Authentisierungsprozedur zwischen Mobilfunkgerät und Kommunikationsnetz ausgetauscht werden, berechnet der Absender der Nachricht jeweils mit Hilfe des geheimen Schlüssels IK einen Prüfwert Hash (Message, IK) . Der Prüfwert Hash (Message, IK) wird mit Hilfe des temporären Schlüssels IK berechnet, weil der geheime Schlüssel Ki das Authentifizierungs-Center Authentication Center i.a. niemals verlassen darf. Danach wird der Prüf ert mit der Nachricht übertragen und vom Mobilfunkgerät überprüft. Wenn die Nachricht durch eine falsche Basisstation verändert wurde, wird das Mobilfunkgerät dies in der Regel daran erkennen, dass der Prüfwert nicht mehr stimmt, da die falsche Basisstation den geheimen Schlüssel IK nicht kennt und daher den Prüf ert für die geänderte Nachricht nicht berechnen kann .
Für ein UMTS-Netz wurde dieses Verfahren allerdings von Anfang an, dass heißt von der ersten Protokollversion an eingeführt. Das Mobil unkgerät weiß daher, dass die Nachrichten einen Prüfwert enthalten müssen. Eine
Unterscheidung, ob sich das Mobilfunkgerät in einem "alten Netz" (Nachricht enthält keinen Prüf ert) oder in einem "neuen Netz" (Nachricht muss Prüfwert enthalten) aufhält, ist daher nicht notwendig.
Für das GSM-System wurde ein ähnlicher Vorschlag gemacht: dabei sollte als neues Nachrichtenelement ein Prüfwert zu der Authentifizierungsanfrage-Nachricht (Authentication Request) hinzugefügt werden. Eine falsche (betrügerische) Basisstation kann die Nachricht allerdings (z. B. zu Abhörzwecken) so verfälschen, daß sie den Prüfwert entfernt und die Nachricht im alten Format an das Mobilfunkgerät weiterleitet. Das n Problem, wie das Mobilfunkgerät erkennen kann, dass es sich in einem neuen Netz befindet, wurde durch diesen Vorschlag nicht gelöst. Ein weiterer Vorschlag (3GPP TSG SA WG3 Security, Cipher key Separation for A/Gb security enhancements, Datei S3-030463, 15 - 18 July 2003, San Francisco, USA, Agenda Tagespunkt 7.5, Source : Vodafone) für das GSM-System beruht darauf, dass die falsche Basisstation den Wert des RAND-Parameters in der
Authentifizierungsanfrage-Nachricht (Authentication Request) nicht verändern darf, weil sonst das Mobilfunkgerät einen falschen SRES-Wert berechnet und die Authentisierungsprozedur nicht besteht.
Gemäß diesem Vorschlag wird in den ersten 32 Bits des RAND- Parameters eine speziell festgelegte Bitfolge eingetragen, die dem Mobilfunkgerät anzeigt, dass in den folgenden n Bits des RAND-Parameters eine bestimmte Information übertragen wird. (In dem Standardisierungsbeitrag S3-030463 wird konkret vorgeschlagen, in den nächsten 8 Bit zu kodieren, welche GSM Cipher Algorithmen in dem Netz zulässig sind und welche nicht. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass die falsche Basisstation auf der Funkschnittstelle zum Mobilfunkgerät hin Nachrichten so manipulieren kann, dass ein kryptographisch schwächerer Cipher Algorithmus ausgewählt wird.)
Die spezielle Bitfolge wird benötigt, weil diese Protokollerweiterung nicht von Anfang an von allen Netzen unterstützt wird. Je länger die spezielle Bitfolge ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein
Kommunikationsnetz, das die Protokollerweiterung noch nicht unterstützt, bei der Auswahl von RAND-Parameter zufällig die spezielle Bitfolge wählt und das Mobilf nkgerät dann irrtümlich die weiteren Bits im RAND-Parameter als Information interpretiert. Für 32 Bit beträgt diese Wahrscheinlichkeit zum Beispiel 1:232 « l:4xl09.
Allgemein müssen folgende Anforderungen für eine
Problemlösung erfüllt sein:
i) In neuen Netzen (UMTS-Netzen, etc.), welche die
Protokollerweiterung unterstützen, soll ein
Kommunikationsendgerät bzw. ein Mobilfunkgerät, das die
Protokollerweiterung ebenfalls unterstützt, eine Verfälschung der Authentifizierungs-anfrage-Nachricht. (Authentication
Request) bemerken.
ii) Das Kommunikationsendgerät bzw. das Mobilfunkgerät soll aber auch in alten Netzen (GSM-Netzen, etc.), welche die Protokollerweiterung noch nicht unterstützen, funktionieren. Naturgemäß kann das Kommunikationsendgerät bzw. das Mobilfunkgerät dann Nachrichtenverfälschungen nicht erkennen.
iii) Das Kommunikationsendgerät bzw. das Mobilfunkgerät muss erkennen können, ob es sich in einem alten oder neuen Netz aufhält, insbesondere auch dann, wenn eine falsche Basisstation ihm ein "altes Netz" vorzutäuschen versucht.
Der Begriff "nachträgliche Protokollerweiterung" ist so zu verstehen, dass in einer Version "n" des Signalisierungsprotokolls die Nachricht noch nicht gegen Verfälschungen geschützt ist, während sie ab der Version
"n+1" des Protokolls geschützt ist. Die neue Version "n+1" soll dabei zur Vorgängerversion "n" abwärtskompatibel sein. Eine mögliche Verfälschung durch eine falsche Basisstation könnte zum Beispiel sein, dass die neuen Nachrichtenelemente einfach weggelassen werden. Das Mobilfunkgerät nimmt dann an, sich in einem Netz mit Protokollversion "n" zu befinden.
Ein Problem bei der in S3-030463 (3GPP TSG SA WG3 Security, Cipher key Separation for A/Gb security enhancements, 15 - 18 July 2003, San Francisco, USA, Agenda Tagespunkt 7.5, Source: Vodafone) vorgeschlagenen Methode besteht darin, dass die zu schützende Information in den RAND-Parametern eingebettet ist, dass heißt je mehr solche Informationen im Laufe der Zeit hinzukommen, desto weniger Bit können vom Kommunikationsnetz tatsächlich zufällig gewählt werden. Tendenziell wird damit die Authentisierungsfunktion f2K (RAND, Ki) geschwächt. Außerdem ist durch die Länge des RAND- Parameters (16 Byte im GSM- und UMTS-Netz) eine Obergrenze für die Informationsmenge vorgegeben, die auf diese Weise geschützt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Möglichkeit für ein effizientes und einfaches Erkennen einer Änderung einer Signalisierungsnachricht vorzuschlagen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Ein Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass zum Erkennen einer Änderung in einer von einer Netzeinheit zu einem Kommunikationsendgerät gesandten Signalisierungsnachricht eine einer Netzeinheit und dem Kommunikationsendgerät bekannte Bitfolge in einer gesandten Signalisierungsnachricht (Authentication Request) angibt, dass in einer
Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) ein Prüfwert enthalten ist. Die Signalisierungsnachricht, die den Prüfwert enthält, kann dabei eine Authentifizierungsanfrage-Nachricht oder eine darauf folgende weitere Nachricht bzw.
Signalisierungsnachricht sein. Nach dem Empfang dieser Nachricht wird der vom Kommunikationsendgerät empfangene Prüfwert mit einem vom Kommunikationsendgerät berechneten Prüfwert verglichen. Das Kommunikationsendgerät, das zum Beispiel ein Mobilfunkendgerät, ein mobiler Computer, ein mobiler Organizer etc. ist, definiert daraufhin eine Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) als unverändert, falls die Bitfolge in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request) empfangen wurde und der Vergleich der beiden Prüfwerte ein positives Ergebnis liefert. Die spezielle Bitfolge selbst ist bei der Übertragung in geeigneter Weise geschützt, so dass Veränderungen durch eine falsche Basisstation vom Kommunikationsendgerät oder von der Netzeinheit bemerkt werden. Idealerweise ist die spezielle Bitfolge im RAND- Parameter enthalten. Durch die spezielle Bitfolge im RAND- Parameter kann das Kommunikationsendgerät mit großer Sicherheit erkennen, ob das Kommunikationsnetz die Protokollerweiterung der Signalisierungsnachricht unterstützt. Wenn die falsche Basisstation den RAND-Parameter verändert, um dem Kommunikationsendgerät ein "altes" Netz vorzutäuschen, wird dies von der Netzeinheit, insbesondere von einer Vermittlungseinheit MSC bzw. von einer Dienst-GPRS- Unterstützungseinheit SGSN bemerkt, weil die
Authentifizierungs-Prozedur fehlschlägt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung eines eigenen Prüf ertes die In ormationsmenge, die geschützt werden kann, nicht mehr von vornherein beschränkt ist. Wenn neue Nachrichtenelemente zu der Signalisierungsnachricht hinzugefügt werden, können diese automatisch bei der Berechnung des Prü ertes mitberücksichtigt werden. Neue Nachrichtenelemente können auch noch in späteren
Protokollversionen hinzugefügt werden. Außerdem wird die Authentifizierungsfunktion f2K (RAND, Ki) weniger stark geschwächt, weil nur die Bitfolge in der Signalisierungsnachricht im RAND-Parameter eingebettet wird, nicht aber die weiteren, zu schützenden Nachrichtenelemente. Die Variationsmöglichkeit beim RAND-Parameter bleibt dadurch größer. Wahlweise können auch alle folgenden Signalisierungsnachrichten durch einen Prüfwert geschützt werden. Dies führt zu einem effizienteren Schutz gegen etwaige Angreifer mit „falschen Basisstationen" .
Die Erfindung wird anhand eines i-n einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 eine Netzarchitektur mit einer „falschen Basisstation, Figur 2 eine vereinfachte Netzarchitektur zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 3 eine Darstellung eines Kommunikationsendgerätes zum Empfangen einer Signalisierungsnachricht von einer Netzeinheit, Figur 4 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Netzeinheit.
Figur 1 zeigt eine Netzarchitektur eines Mobilfunknetzes mit einer „falschen Basisstation" f-BSS, die zwischen einem Kommunikationsendgerät bzw. Mobilfunkgerät MS und einer Basisstation BSS positioniert ist. Die falsche Basisstation verhält sich dabei gegenüber dem Mobilfunkgerät MS wie eine Basisstation BSS, gegenüber der echten Basisstation BSS wie ein Mobilfunkgerät MS. Durch Verfälschen der Nachrichten, die zwischen Mobilfunkgerät MS und Netzeinheit MSC/SGSN ausgetauscht werden, kann die falsche Basisstation f-BSS zum Beispiel dafür sorgen, dass ein Mobilfunkgespräch mit einem kryptographisch schwächeren Verfahren verschlüsselt wird und damit leichter abgehört werden kann. Eine Netzeinheit
MSC/SGSN kann hier eine Vermittlungseinheit MSC oder eine Dienst-GPRS-Unterstützungseinheit SGSN sein.
Figur 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie bereits beschrieben, wird im Kommunikationsnetz, hier ein Mobilfunknetz, in einer speziellen Netzeinheit, dem Authentifizierungs-Center AuC, aus dem geheimen Schlüssel Ki des Teilnehmers und einer Zufallszahl RAND mit Hilfe einer Funktion f2K (RAND, Ki) ein "signed response" (SRES) und mit Hilfe einer weiteren
Funktion f4K (RAND, Ki) ein temporärer geheime Schlüssel IK berechnet . RAND, -SRES und IK werden dann, abhängig vom verwendeten Mobilfunknetz (GSM-Netz, UMTS-Netz etc.), an die Netzeinheit MSC/SGSN (Vermittlungseinheit MSC oder Dienst- GPRS-Unterstützungseinheit SGSN) gesendet, mit der das Mobilfunkgerät MS gerade verbunden ist. Die Vermittlungseinheit MSC bzw. die Dienst-GPRS- Unterstützungseinheit SGSN sendet schließlich mit einer Signalisierungsnachricht „Authenti izierungsanfrage" (Authentication Request) den Zufallszahl-Parameter RAND, einen von der Netzeinheit MSC/SGSN erstellten Prüfwert und weitere Parameter an das Mobilfunkgerät MS . Der RAND- Parameter enthält eine spezielle Bitfolge, die sowohl dem Mobilfunkgerät als auch der Netzeinheit MSC/SGSN bekannt ist und gegen Änderung zum Beispiel von einer „falschen Basisstation" geschützt ist. Der Schutz besteht insofern darin, dass das Kommunikationsendgerät MS bei einer Änderung der Bitfolge durch einen Angreifer mit „falscher
Basisstation" zu den in der Netzeinheit MSC/SGSN berechneten Werten (Prufwert, SRES, etc.) unterschiedliche Werte berechnet und dies zum Beispiel bei der Authentisierungsantwort von der Netzeinheit MSC/SGSN detektiert werden kann. Das Authentifizierungs-Center AuC könnte auch aus mindestens zwei Bitfolgen, die sowohl der Netzeinheit MSC/SGSN als auch dem Kommunikationsendgerät MS bekannt sind, eine Bitfolge für den Versand zwischen Netzeinheit MSC/SGSN und dem Kommunikationsendgerät MS auswählen und verwenden. RAND-Parameter mit spezieller
Bitfolge dürfen im allgemeinen vom Authentifizierungs-Center AuC nur dann erzeugt werden, wenn bekannt ist, dass das Kommunikationsnetz, in dem sich das Kommunikationsendgerät MS bzw. das Mobilfunkgerät MS gerade aufhält, die Protokollerweiterung unterstützt, dass heißt wenn die Netzeinheit MSC/SGSN in der Lage ist, den Prüfwert zu berechnen und mit der Authentifizierungsanfrage-Naσhricht mitzusenden. Wie in S3-030463 (3GPP TSG SA WG3 Security, Cipher key Separation for A/Gb security enhancements, 15 — 18 July 2003, San Francisco, USA, Agenda Tagespunkt 7.5, Source: Vodafone) vorgeschlagen, kann dies für den Roaming-Fall - dass heißt wenn" sich der Teilnehmer nicht in seinem Heimatkom unikationsnetz aufhält - dadurch gelöst werden, dass das Authentifizierungs-Center AuC die Identität des Mobilfunknetzes (bzw. der Vermittlungseinheit MSC oder der
Dienst-GPRS-Unterstützungseinheit SGSN) , an das die Parameter RAND, SRES und IK gesendet werden müssen, mit einer Liste vergleicht, in der verzeichnet ist, welche Kommunikationsnetze die Protokollerweiterung unterstützen. Der Prüfwert „Hash" f (Nachricht, IK) wird von der Netzeinheit MSC/SGSN aus dem Inhalt der Signalisierungsnachricht und dem Schlüssel IK bestimmt. Im Mobilfunkgerät MS wird aus dem RAND-Parameter und dem geheimen Schlüssel Ki mit Hilfe der Funktionen f2K (RAND, Ki) und f4K (RAND, Ki) der "signed response" (SRES) und der temporäre geheime Schlüssel IK berechnet. Durch die spezielle 5 Bitfolge im RAND-Parameter der Signalisierungsnachricht „Authentifizierungsanfrage" (Authentication Request) wird dem Mobilfunkgerät MS angezeigt, dass in der Signalisierungsnachricht ein Prüfwert „Hash" f (Nachricht, IK) enthalten sein muss. Selbstverständlich könnte die spezielle0 Bitfolge auch in einem anderen Parameter enthalten sein, wenn sichergestellt ist, dass das Mobilfunkgerät MS oder die Netzeinheit MSC/SGSN eine Veränderung dieses Parameters durch eine falsche Basisstation erkennen kann. Anschließend berechnet das Kommunikationsendgerät MS bzw. das5 Mobilfunkgerät MS einen eigenen Prüfwert „Hash" (Nachricht, IK) , der aus dem Inhalt der Nachricht und dem temporären geheimen Schlüssel IK berechnet wird und vergleicht den berechneten Prüfwert mit dem in der Signalisierungsnachricht enthaltenen Prüf ert. Wenn der Prüf ert fehlt, obwohl der 0 RAND-Parameter die spezielle Bitfolge enthält, oder wenn der mitgesendete Prüf ert nicht mit demjenigen übereinstimmt (Gleichheit der beiden Prüfwerte) , den das Mobilfunkgerät MS selbst berechnet, dann wird angenommen, dass die Nachricht auf dem Weg von der Netzeinheit MSC/SGSN zum Mobilfunkgerät5 MS verfälscht wurde. Beim Versand der Signalisierungsnachricht von der Netzeinheit MSC/SGSN zum •ft' Kommunikationsendgerät MS können auch mehrere it. Kommunikationsnetze beteiligt sein, wie zum Beispiel bei einem Inter-Kommunikationsnetz-Handover .0 Danach sendet das Mobilfunkgerät MS zum Abschluss der Authentifizierung die Signalisierungsnachricht „Authentifizierungsantwort" mit dem vom Mobilfunkgerät MS berechneten SRES-Parameter an die Netzeinheit MSC/SGSN.5- Figur 3 zeigt eine Darstellung eines Kommunikationsendgerätes MS zum Empfangen einer Signalisierungsnachricht von einer Netzeinheit MSC/SGSN. Das Kommunikationsendgerät MS besitzt zur mobilen Kommunikation, insbesondere zur mobilen Kommunikation mit einem Mobilfunknetz, eine Empfangseinheit E und eine Sendeeinheit S . Eine Verarbeitungseinheit V kann anhand einer speziellen Bitfolge in der Signalisierungsnachricht, insbesondere im RAND-Parameter, erkennen, dass in der Signalisierungsnachricht ein Prüfwert „Hash" f (Nachricht, IK) enthalten sein muss. Anschließend berechnet das Kommunikationsendgerät MS bzw. das Mobilfunkgerät MS einen eigenen Prüfwert „Hash" (Nachricht, IK) , der aus dem Inhalt der Nachricht und dem temporären geheimen Schlüssel IK berechnet wird und vergleicht den berechneten Prüfwert mit dem in der Signalisierungsnachricht enthaltenen Prüfwert. Das Kommunikationsendgerät MS definiert die Signalisierungsnachricht nur dann als unverändert, falls der Vergleich der beiden Prüfwerte ein positives Ergebnis liefert. Dabei wird als positives Ergebnis angesehen, dass die beiden Prüfwerte identisch sind. In einer Variante der Erfindung wird mit der speziellen Bitfolge signalisiert, dass in dem Kommunikationsnetz, in dem sich das Kommunikationsnetz gerade aufhält, auch alle folgenden Nachrichten, die vom
Kommunikationsnetz bzw. von der Netzeinheit MSC/SGSN an das Kommunikationsendgerät MS gesendet werden, einen Prüfwert enthalten müssen.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Netzeinheit MSC/SGSN. Die Netzeinheit MSC/SGSN besitzt zur mobilen Kommunikation, insbesondere zur mobilen Kommunikation mit einem Mobilfunknetz, eine Empfangseinheit EE und eine Sendeeinheit SE. Eine Verarbeitungsarbeit VE erhält gemäß Figur 2 Parameter von einem Authentifizierungs-Center AuC und bestimmt einen Prüfwert „Hash" f (Nachricht, IK) , den sie (VE) zusammen mit weiteren Parametern an ein verbundenes Kommunikationsendgerät MS in einer Signalisierungsnachricht sendet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erkennen einer Änderung in einer von einer Netzeinheit (MSC/SGSN) zu einem Kommunikationsendgerät (MS) gesandten Signalisierungsnachricht, dadurch gekennzeichnet, dass eine einer Netzeinheit (MSC/SGSN) und dem Kommunikationsendgerät (MS) bekannte Bitfolge in einer gesandten Signalisierungsnachricht (Authentication Request) dem Kommunikationsendgerät (MS) angibt, dass in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) ein Prüfwert enthalten ist, dass der vom Kommunikationsendgerät (MS) empfangene Prüf ert mit einem vom Kommunikationsendgerät (MS) berechneten Prü wert verglichen wird und dass das Kommunikationsendgerät (MS) , falls die Bitfolge in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request) empfangen wurde, eine Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) nur dann als unverändert definiert, falls der Vergleich der beiden Prüfwerte ein positives Ergebnis liefert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitfolge in einer Authentifizierungsanfrage- Nachricht (Authentication Request) an das ?f Kommunikationsendgerät (MS) gesendet wird. »f
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitfolge in einem RAND-Parameter mit der Signalisierungsnachricht an das Kommunikationsendgerät (MS) gesendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitfolge gegen eine Änderung bei der Übertragung geschützt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfwert aus dem Signalisierungsnachrichteninhalt und einem Schlüsselwert bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitfolge und der Prüf ert in derselben Signalisierungsnachricht von einer Netzeinheit (MSC/SGSN) an das Kommunikationsendgerät (MS) gesendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bitfolge und der Prüfwert in mindestens zwei verschiedenen Signalisierungsnaσhrichten von einer Netzeinheit (MSC/SGSN) an das Kommunikationsendgerät (MS) gesendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als positives Ergebnis die Gleichheit der beiden Prüf erte angesehen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, .,: dass aus mindestens zwei verschiedenen Bitfolgen eine Bitfolge für den Versand in einer Signalisierungsnachricht zwischen einer Netzeinheit (MSC/SGSN) und dem Kommunikationsendgerät (MS) ausgewählt und verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Netzeinheit (MSC/SGSN) über mindestens ein Kommunikationsnetz an das Kommunikationsendgerät (MS) eine Signalisierungsnachricht sendet.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsnetz ein Mobilfunknetz ist.
12.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Netzeinheit (MSC/SGSN) eine Vermittlungseinheit (MSC) und/oder eine Dienst-GPRS-Unterstützungseinheit (SGSN) ist.
13.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kommunikationsendgerät (MS) ein Mobilfunkendgerät, ein mobiler Computer und/oder ein mobiler Organizer ist.
14.Kommunikationsendgerät zum Erkennen einer Änderung in einer von einer Netzeinheit (MSC/SGSN) gesandten Signalisierungsnachricht, mit einer Sendeeinheit (S) und einer Empfangseinheit (E) des Kommunikationsendgerätes (MS) zur Kommunikation über ein Kommunikationsnetz, mit einer Verarbeitungseinheit (V) zum Überprüfen, ob eine einer Netzeinheit (MSC/SGSN) und dem Kommunikationsendgerät (MS) bekannte Bitfolge in einer gesandten Signalisierungsnachricht (Authentication Request) enthalten ist, die angibt, dass in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) ein Prüfwert enthalten ist,
- mit einer Verarbeitungseinheit (V) zum Vergleichen des empfangenen Prüfwertes mit einem vom Kommunikationsendgerät (MS) berechneten Prü wert,
- mit einer Verarbeitungseinheit (V) zum Definieren einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request; weitere Nachricht) als unverändert, falls die Bitfolge in einer Signalisierungsnachricht (Authentication Request) empfangen wurde und der Vergleich der beiden Prüfwerte ein positives Ergebnis liefert.
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