Ротенштейн И. В. Сети. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303. 65 Информационная безопасность автоматизированных систем
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
WirelessMAN-SCа использует модуляцию одной несущей - это «низкочастотная» вариация Wireless MAN-SC (с рядом дополнительных механизмов); радиоинтерфейс WMAN-OFDM - ортогональную частотную модуляцию (OFDM- Orthogonal Frequency Division Multiplexing) с быстрым преобразованием Фурье на 256 точек; радиоинтерфейс WMAN-OFDMA использует OFDM-модуляцию сигнала и множественный доступ с ортогональным частотным разделением и быстрым преобразованием Фурье на 2048 точек. Последним является радиоинтерфейс WirelessHUMAN (High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network). Фактически речь идет об адаптации СиСПИ ЛК-17 БШД. OFDM. 4 описанных методов в полосе частот порядка 5-6 ГГц. Основные отличия WirelessHUMAN — это использование только временного дуплексирования, режим динамического распределения частот (DFS - dynamic frequency selection) и механизм сквозной нумерации каналов. В скором времени можно ожидать утверждения стандартов 802.16f (Full Mobile WiMAX), который включает в себя алгоритмы обхода препятствий и оптимизацию сотовой топологии покрытия между базовыми станциями и 802.16m, который должен поднять скорость передачи данных со стационарным клиентским оборудованием до 1 Гбит/с и с мобильным клиентским оборудованием - до 100 Мбит/с. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением). При OFDM-модуляции осуществляется разделение потока данных на N подпотоков, каждый из которых выполняет модуляцию своей поднесущей, выделенной в общей полосе частот. Структура сигнала при OFDM-модуляции При модуляции данных посредством ортоганальных несущих в частотном канале выделяется N поднесущих так, что k c f f k f , k-целое число из диапазона [ / 2, / 2] N N ( 0 k ). Упрощенная схема OFDM-модулятора с применением QАМ-модуляции поднесущих. Низкоскоростной поток 1 Высокоскоростной поток данных 1 Дем ульти п ле к со р 1 0 1 + Низкоскоростной поток 2 Радио сигнал QAM f 1нес QAM f 2нес QAM f nнес Низкоскоростной поток n 1 1 1 1 СиСПИ ЛК-17 БШД. OFDM. 5 Расстояние между ортогональными несущими 1/ b f T , где b T - длительность передачи данных. При этом возможны различные способы модуляции поднесущих- QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом OFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков, длительность символа в параллельных потоках оказывается существенно больше, чем в последовательном потоке данных. Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным. Данный временной промежуток получил название «защитный интервал». Защитный интервал обеспечивает уменьшение влияния многолучевого распространения, и передается в OFDM-символе вместе с данными. Таким образом, общая длительность OFDM-символа s b g T T T , где g T -длительность защитного интервала, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, b T -длительность передачи данных (промежуток времени в течение которого в декодере принимается решение о значении принятого символа). Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от b T OFDM-модуляция основана на двух основных принципах: разбиение одного канала с переменными параметрами на параллельные гауссовы каналы с различными отношениями сигнал/шум и точное измерение характеристик канала. В соответствии с первым принципом OFDM каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Общий сигнал вычисляется посредством обратного быстрого преобразование Фурье (ОБПФ): / 2 2 ( ) 2 / 2 ( ) Re (0 ) g c N i k f t T i f t k s k N s t e c e t T , где k c - комплексное представление символа квадратурной модуляции (QAM- символа). Поскольку генерация радиосигнала происходит посредством квадратурного модулятора, удобно комплексное представление в соответствии с выражением: ( ) cos(2 ) sin(2 ) k k c k c s t I f Q f где и k k I Q - синфазное и квадратурное (целое и мнимое) значения комплексного символа соответственно. Для работы алгоритмов БПФ/ОБПФ удобно, чтобы число точек преобразования соответствовало 2 m . Поэтому число несущих выбирают равным минимальному числу 2 m FFT N , превосходящему N. В режиме OFDM стандарта IEEE 802.16 N=200, соответственно 256 FFT N . Из них 55 (k = -128…-101 и 101…127) образуют защитный интервал на границах частотного диапазона канала. Центральная частота канала (k = 0) и частоты защитных интервалов не используются (т.е. амплитуды соответствующих им сигналов равны нулю). СиСПИ ЛК-17 БШД. OFDM. 6 Оставшиеся 200 несущих - информационные. В соответствии со вторым принципом OFDM для точного определения параметров канала необходимы так называемые пилотные несущие частоты, метод модуляции и передаваемый сигнал в которых хорошо известен всем станциям в сети. В методе OFDM предусмотрено использование восьми пилотных частот (с индексами ±88, ±63, ±38, ±13). Остальные 192 несущие разбиты на 16 подканалов по 12 несущих в каждом, причем в одном подканале частоты расположены не подряд. Например, подканал 1 составляют несущие с индексами - 100, -99, -98, -37, -36, -35, 1, 2, 3, 64, 65, 66. Деление на подканалы необходимо, поскольку в режиме WirelessMAN-OFDM предусмотрена возможность работы не во всех 16, а в одном, двух, четырех и восьми подканалах. Для этого каждый подканал и каждая группа подканалов имеет свой индекс (от 0 до 31). Таким образом, в общем случае, OFDM-сигнал содержит поднесущие, используемые для передачи данных, пилот-сигналы, и защитные интервалы. Рисунок 4. Структура OFDM-сигнала в частотной области. Преимущество OFDM модуляции заключается в следующем: во-первых, используемый защитный интервал позволяет эффективно бороться с МСИ, вызванной переотражениями сигналов. Действительно, поскольку скорость символов мала (длительность символа велика), то переотраженный сигнал в приемнике ―накладывается‖ на прямо распространяющийся сигнал в интервале одного символа, а не следующего, попадая в защитный интервал; во-вторых, применение ―обучающих‖ OFDM сигналов и пилот сигналов мы получаем информацию о передаточной функции канала и, следовательно, можем скомпенсировать амплитудные замирания на поднесущих при приеме сигнала, а также оптимизировать мощность и скорость передачи сигналов (посредством выбора вида модуляции и степени сверточного кодирования) в интересах максимизации пропускной способности в общем канале и верности передачи сигналов. в-третьих, так как пакет данных передается в N независимых подканалах, то потеря информации в некоторых подканалах приводит к появлению небольшого числа независимых ошибок (так как скорость субпотока мала по сравнению с основным), которые можно исправить при декодировании в сверточном декодере. СиСПИ ЛК-18 Сети сотовой подвижной связи. Безопасность технологий GSM и GPRS. 1 Сети стандарта GSM В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов. Частоты передачи ПС и приѐма БС (восходящий поток) 890-915 МГц Частоты передачи БС и приѐма ПС (нисходящий поток) 935-960 МГц Дуплексный разнос частот приѐма и передачи 45 МГц Ширина полосы канала связи 200 кГц Максимальное количество каналов связи 124 Скорость передачи в радиотракте 270,833 кбит/с Скорость преобразования речевого кодера 13 кбит/с Количество скачков по частоте в секунду 217 Максимальный радиус соты 35 км Основу сети GSM, объединяющую совокупность сот, составляют: коммута- ционный центр КЦ (SS), базовые БС (BSS) и подвижные станции ПС (MS). Функциональная структура сети GSM Коммутационный центр обеспечивает коммутацию и реализацию процесса обслуживания вызовов, как и на стационарных АТС, а так же реализует дополни- тельные функции, обусловленные использованием радиоканалов. Закрепление радиоканалов осуществляется за вызовами, а не за абонентами, поэтому во избежание несанкционированного использования сети GSM необхо- дима аутентификация абонента. Кроме того, необходимо не только аутентифици- ровать абонента, но и идентифицировать оборудование ПС. УКПС - узел коммутации подвижных станций (MSC Mobile Services Switching Centre), непосредственно осуществляет коммутацию, управление процессом обслуживания вызовов с модификацией данных о местонахождении СиСПИ ЛК-18 Сети сотовой подвижной связи. Безопасность технологий GSM и GPRS. 2 ПС и переключение вызова из одной зоны обслуживания в другую, а также та- рификацию; ТУКПС - транзитный узел коммутации подвижных станций (GMSC Gateway MSC), являющийся шлюзом для выхода на другие сети электросвязи; АРПС - адресный регистр подвижных станций (HLR Home Location Register), представляющий собой единую базу абонентских данных для кон- кретной сотовой телефонной сети, обеспечивающий хранение абонентских данных ПС, а также данных о том, в каком ВРПС зарегистрирована каждая из ПС в конкретный момент времени; ВРПС - временный регистр подвижных станций (VLR Visitor Location Register), содержащий абонентские данные ПС, находящихся в данный момент в зоне обслуживания конкретного УКПС. Необходимые данные ВРПС получа- ет из АРПС; ЦА - центр аутентификации абонентов (AUC authentication Centre), обеспе- чивающий защиту сети от несанкционированного доступа; РИО - регистр идентификации оборудования, (EIR – Equipment Identity Register), который соединен с УКПС и позволяет идентифицировать ПС. В сотовых телефонных сетях ПС включается не в конкретный УКПС, а непо- средственно в сеть, которая может содержать несколько узлов коммутации под- вижных станций (УКПС), а каждый УКПС несколько БС, и абонент может сво- бодно перемещаться между зонами обслуживания различных БС и УКПС. Следо- вательно, необходимо, иметь единую базу абонентских данных для всей сети, а каждый УКПС должен иметь абонентские данные о ПС, находящихся в данный момент времени в зоне его обслуживания, получая их по мере необходимости из единой базы данных. Базовая станция, как функциональная единица сети GSM, разделена на два функциональных блока: приемо-передающая станция ПБС (BTS Base Transcelv- er Station) и контроллер базовой станции КБС (BSC - Base Station Controller). Приемо-передающая станция обеспечивает только радиообмен между БС и ПС. Контроллер БС осуществляет предварительную обработку информации для УКПС, т.е. реализует транскодирование, контролирует уровень сигналов радио- каналов (перемещение абонента), передачу вещательного вызова для поиска кон- кретной ПС и т.д. При этом один КБС может управлять одной или несколькими ПБС. Безопасность сети GSM Безопасность мобильного телефона складывается из двух составляющих: SIM-карты (Subscriber Identity Module) и самого телефона. В SIM-карте содержит- ся информация о сервисах, предоставляемых абоненту, независимая от типа ис- пользуемого мобильного оборудования. Эта карта может вставляться в любой другой GSM терминал, при этом абонент получает возможность использовать этот терминал для получения всех сервисов системы, на которые он подписан. SIM-карта отвечает за идентификацию абонента и аутентификацию мобильного СиСПИ ЛК-18 Сети сотовой подвижной связи. Безопасность технологий GSM и GPRS. 3 телефона в сети GSM и GPRS. Она содержит идентификатор IMSI, индивидуаль- ный ключ аутентификации абонента длиной 128 бит K i , алгоритм генерации клю- чей шифрования A8, алгоритм аутентификации A3, и PIN-код (Personal Identification Number), после 3-х неправильных попыток ввода которого, SIM- карта блокируется. Каждый абонент в сети имеет уникальный международный идентификатор мобильного абонента (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), который со- стоит из 3 элементов: трехразрядный код страны (для России - 250) двухразрядный код сети ( для МТС - 01, для Билайн - 99, для СМАРТС - 07 и т.д .) десятиразрядный код абонента (Mobile Subscriber Identity Number, MSIN). Алгоритм A8 отвечает за генерацию ключей шифрования передаваемых данных, который, используя случайное число, передаваемое на мобильный терминал в момент соединения с сетью, и ключ Ki генерирует 64-битный ключ шифрования трафика К С . Алгоритм A3, отвечающий за аутентификацию абонента, похож на алгоритм A8 и также использует случайное число, получаемое в момент подклю- чения к сети и индивидуальный ключ абонента. Аутентификация происхо- дит при запросе ПС доступа к сети. УКПС (ВРПС) передает ПС случайное число RAND из конкретной триплеты. ПС, полу- чив число RAND и используя хранящийся у нее абонентский ключ К i , вычисляет маркирован- ный отклик SRES. Случайное число RAND и К i являются исходными данными для вычисления К С и SRES. При этом используются два различных алгоритма вычисления. Получив SRES, ПС пе- редает его в УКПС (ВРПС), где происходит сравнение принятого SRES с храня- щимся в ЦА из соответствующей триплеты. При совпадении кодовых слов – ПС разрешается доступ к сети. Процедура аутентификации осуществляется при реги- страции ПС, попытке установления соединения, обновлении данных. Закрытие пользовательской информации, передаваемой по радиоканалу, осуществляется в ПБС и ПС, где применяются одни и те же алгоритмы. Для за- крытия пользовательской информации используются номер цикла доступа и ключ закрытия информации К С . В ПБС используется К С триплеты, а в ПС он вычисля- ется на основании полученного случайного числа RAND и абонентского ключа К i , но эти К С идентичны. СиСПИ ЛК-18 Сети сотовой подвижной связи. Безопасность технологий GSM и GPRS. 4 Безопасность технологии GPRS GPRS (General Packet Radio Service) - это технология, позволяющая рабо- тать в сети Internet, используя обычный мобильный телефон. Основное достоин- ство GPRS-сетей состоит в том, что пользователь оплачивает только объем пере- даваемой информации, а не время нахождения в сети. Во время пауз ресурсы сети предоставляются в распоряжение других абонентов. В GPRS максимально воз- можная скорость передачи данных составляет 171,2 кбит/с, однако реальные ско- рости передачи составляют 30÷40 кбит/с. Мобильная станция MS (mobile station) в зависимости от класса оборудо- вания и возможностей сети может работать в одном из 3-х режимов: Класс A - позволяет мобильной станции в одно и то же время передавать как данные, так и голос, т.е. одновременно работать в GSM- и GPRS-сетях. Класс B - позволяет мобильной станции передавать и данные и голос, но в разные моменты времени. Класс C - позволяет мобильной станции работать только в режиме GPRS. При подключении к сети GPRS, мобильная станция получает IP-адрес, который не меняется до момента отключения мобильного терминала. Мобильная станция ус- танавливает соединение с узлом обслуживания абонентов GPRS. Безопасность самого телефона, обеспечивается двумя механизмами: алгоритмом шифрования A5, который обеспечивает защиту данных, цирку- лируемых между мобильной станцией и узлом обслуживания абонентов GPRS – SGSN (serving GPRS support node), который по своей сути, аналоги- чен центру коммутации MSC в GSM, но в отличие от последнего, он ком- мутирует пакеты, а не каналы. Уникальным международным идентификатором аппаратуры мобильной связи (International Mobile Equipment Identity, IMEI), который однозначно идентифицирует телефон. Чтобы узнать этот номер достаточно набрать на телефоне комбинацию *#06#. Именно эти номера хранятся в реестре обору- дования EIR. Данный реестр ведет три типа списков IMEI: o "белый" список, содержит идентификаторы всех разрешенных аппаратов. o "черный" список, содержит идентификаторы всех запрещенных аппара- тов. o "серый" список, содержит идентификаторы всех незапрещенных аппара- тов, но имеющих определѐнные ограничения. Идентификаторы IMEI и IMSI - независимы между собой и решают различные за- дачи: IMEI идентифицирует мобильный терминал, а IMSI - абонента. |