Tóm tắt luận văn Thạc sỹ Kĩ thuật viễn thông: Nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật cho mạng thông tin di động 4G-LTE

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

Thêm vào BST

Báo xấu

463
lượt xem 116
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt luận văn Thạc sỹ Kĩ thuật viễn thông: Nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật cho mạng thông tin di động 4G-LTE I giới thiệu tổng quan về LTE và sự tiến hóa lên mạng 4G, nghiên cứu về kiến trúc mạng và các giao thức của mạng 4G-LTE, nghiên cứu các giải pháp bảo mật cho mạng 4G-LTE.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận văn Thạc sỹ Kĩ thuật viễn thông: Nghiên cứu xây dựng giải pháp bảo mật cho mạng thông tin di động 4G-LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Nguyễn Danh Sơn NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP BẢO MẬT CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G -LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013
Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG Phản biện 1: …………………………………………………………………………… biện 2: ………………………………………………………………………….. Phản ản biện 1: …………………………………………………………………………… Ph Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ăm ............... Vào lúc: văn....... giờ ....... ngày ....... thángđồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công Luận sẽ được bảo vệ trước Hội ....... .. n nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1 LỜI MỞ ĐẦU Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn thông di động. Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó. Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp với các mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp rất nhiều vấn đề do tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít,… Chương I giới thiệu tổng quan về LTE và sự tiến hóa lên mạng 4G. Chương II nghiên cứu về kiến trúc mạng và các giao thức của mạng 4G-LTE. Chương III nghiên cứu các giải pháp bảo mật cho mạng 4G-LTE.
2 CHƯƠNG 1: LTE VÀ SỰ TIẾN HÓA LÊN 4G 1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Hình 1.1 Tiến trình phát triển của thông tin di động
3 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đ ồng thời được chia ra cho nhiều người dùng (bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi khu vực phục vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lư ợng của hệ thống xa hơn nữa. Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC). GSM đạt được thành công nhất và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G. 1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã đư ợc triển khai trên toàn thế giới. Để đảm
4 bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. 1.3 Kết luận chương 1 Do nhu cầu, cùng sự phát triển về công nghệ. Sự tiến hóa lên mạng LTE là xu hướng tất yếu. Đây là một hệ thống có thể tích hợp được nhiều dịch vụ, cho dung lượng truyền tải lớn. An toàn hơn cho người dùng.
5 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ GIAO THỨC CỦA 4G-LTE 2.1 Kiến trúc mạng LTE Nhiều các mục tiêu với ngụ ý rằng một kiến trúc phẳng sẽ cần được phát triển. Kiến trúc phẳng với ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất. Phát triển theo hướng này đã được bắt đầu từ phiên bản 7. Nơi ý tưởng đường hầm trực tiếp cho phép mặt phẳng người dùng (UP) bỏ qua SGSN. -------- Mặt phẳng điều khiển Mặt phẳng người dùng Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn
6 2.1.1. Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống Hình 2.2 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có một E- UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE) ; UTRAN phát triển(E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển(EPC); và các vùng dịch vụ. Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E- UTRAN
7 2.1.2. Thiết bị người dùng (UE) 2.1.3. E-UTRAN NodeB (eNodeB) 2.1.4. Thực thể quản lý tính di động (MME) 2.1.5. Cổng phục vụ (S-GW) 2.1.6. Cổng mạng dữ liệu gói(P-GW) 2.1.7. Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF) 2.1.8. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 2.2 Các giao diện và giao thức trong cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống Giao diện Giao thức Đặc tả kỹ thuật CP:RRC/PDCP/RLC/MAC /PHY LTE-Uu 36.300 UP:PDCP/RLC/MAC/PHY CP: X2AP/SCTP/IP 36.423 X2 UP: GTP-U/UDP/IP 29.274 S1-MME S1AP/SCTP/UDP/IP 36.413 S1-U GTP-U/UDP/IP 29.274
8 S10 GTP-C/UDP/IP 29.274 S11 GTP-C/UDP/IP 29.274 S5/S8 GTP/UDP/IP 29.274 (GTP) CP: PMIP/IP S5/S8 29.275 (PMIP) UP: GRE/IP IP (also Diameter & SGi 29.061 Radius) S6a Diameter/SCTP/IP 29.272 Gx Diameter/SCTP/IP 29.212 Gxc Diameter/SCTP/IP 29.212 Rx Diameter/SCTP/IP 29.214 UE-MME EMM, ESM 24.301 Bảng 2.1 Các giao thức và giao diện LTE 2.3 Truy nhập vô tuyến trong LTE 2.3.1 Các chế độ truyền tải và băng tần LTE phải hỗ trợ thị trường không dây quốc tế, các quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn có. Để đạt được điều này các thông số kỹ thuật bao
9 gồm băng thông kênh biến đổi có thể lựa chọn từ 1,4 tới 20MHz. Với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz. Nếu eMBMS mới được sử dụng, cũng có thể khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz. Khoảng cách giữa các sóng mang con là một hằng số và nó không phụ thuộc vào băng thông của kênh. 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của LTE là băng thông không thể biết, nó cho phép giao diện vô tuyến thích ứng với băng thông kênh khác nhau với ảnh hưởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống. 2.3.2 Các chế độ truyền tải hướng xuống OFDMA 2.3.2.1 OFDM Hình 2.11 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM
10 2.3.2.2 Các tham số OFDMA 2.3.2.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống 2.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC- FDMA Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE. Đó là, khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng thu được. Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên hiệu quả công suất càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy. 3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE. SC-FDMA được chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, như GSM và CDMA, với khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.
11 2.3.3.1. SC-FDMA 2.3.3.2 Các tham số SC-FDMA Cấu hình Số các ký Độ dài tiền tốĐộ dĐộ dài tiền hiệu NUL vòng trong các tố vòng mẫu thử trong µs Tiền tố 5,2µs cho ký 160 cho ký hiệu vòng thông hiệu đầu tiên 7 đầu tiên 144 cho thường 4,7µs cho các các ký hiệu khác ∆f=15kHz ký hiệu khác Tiền tố vòng mở 6 512 16,7µs rộng ∆f=15kHz Bảng 2.2 Các tham số cấu trúc khung đường lên (FDD&TDD) 2.3.3.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên 2.3.3.4. So sánh OFDMA và SC-FDMA Một sự so sánh giữa OFDMA và SC-FDMA được thể hiện như trong hình 2.23. Với ví dụ này, chỉ sử dụng bốn (M) sóng mang con trong hai chu kỳ ký hiệu với dữ liệu tải trọng được biểu diễn bởi điều chế khóa dịch pha cầu phương (QPSK). Như đã mô tả, các tín hiệu LTE được cấp phát trong các đơn vị của
12 12 sóng mang con lân cận. Hình 2.23 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK 2.4 Kết luận chương 2 Chương 2 đã trình bày cơ b ản về cấu trúc mạng LTE bao gồm UE,eNodeB, EPS. Một số ưu điểm và khả năng ứng dụng dụng của 4G-LTE cũng như các giao thức được sử dụng trong mạng cũng như các chế độ truyền, kỹ thuật đa truyền. Chương 3 của luận văn sẽ trình bầy về các giải pháp bảo mật cho mạng LTE.
13 CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP BẢO MẬT CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G-LTE 3.1 Bảo mật cho EPS 3.1.1 Cấu trúc bảo mật EPS 3.1.1.1.Tổng quan Hệ thống gói cải tiến (EPS) đưa hai thành phần chính vào môi trường dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP): Đa truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường (E- UTRAN) với một giao diện vô tuyến mới, và các giao thức Internet (IP) dựa trên mạng lõi gói cải tiến (EPC). Các chức năng và cơ chế bảo mật là một phần hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) và cấu trúc bảo mật 3G chủ yếu dựa trên thiết kế và nguyên tắc chung và có thể sử dụng trong nhiều môi trường khác. Nhưng cả hai mạng GSM và cấu trúc bảo mật 3G có kết nối chặt chẽ với các chức năng và các cơ chế khác trong các hệ thống này, các chức năng bảo mật đã đư ợc lồng vào trong kiến trúc tổng thể một cách tối ưu và hiệu quả.Thiết kế của cấu trúc bảo mật EPS sau nguyên tắc tối đa hóa, từ quan điểm hệ thống, sự phối hợp giữa các chức năng bảo mật và các chức năng khác.Thực tế:
14 GSM và cơ chế bảo mật 3G cung cấp một cơ sở tốt cho cấu trúc bảo mật EPS, nhưng Ở một mức độ nhất định, mỗi cơ chế GSM hoặc 3G, nếu tái sử dụng, cần phải được chuyển thể như và nhúng vào kiến trúc EPS. EPS cũng phải có khả năng ảnh hưởng lẫn nhau với hệ thống kế thừa, do đó, những thích nghi cần phải được thực hiện một cách tương thích ngược. Ngoài ra với sự thích nghi từ chức năng bảo mật đã tồn tại trong hệ thống kế thừa, nhiều phần mở rộng và cải tiến mới đã được giới thiệu trong cấu trúc bảo mật EPS. Trong phần tiếp theo tính năng bảo mật chính phù hợp với kiến trúc EPS. Điều này được minh họa bằng hình 3.1. Sau khi các thiết bị người dùng (UE) đã đư ợc xác định, các đơn vị quản lý di động (MME - được mô tả trong chương 2) trong mạng lưới phục vụ nạp dữ liệu xác thực từ mạng gia đình. Sau đó, MME kích ho ạt xác thực vàgiao thức thỏa thuận quan trọng (AKA) với UE. Sau khi giao thức này đã được hoàn thành, MME và UE chia sẻ một khóa bí mật, KASME, nơi mà các từ viết tắt ASME dùng để truy cập thực thể
15 quản lý an ninh. Trong EPS, MME sẽ đóng vai trò của tiêu chuẩn quản lý thực thể truy nhập. Hình 3.1 Kiến trúc bảo mật EPS 3.1.1.2 Sự cần thiết của chuẩn bảo mật 3.1.1.3 Các yêu cầu và tính năng của bảo mật EPS 3.1.1.4 Tính năng bảo mật EPS: - Bảo mật của người dùng và thiết bị nhận dạng - Xác thực giữa UE và Mạng - Bảo mật của người dùng và dữ liệu báo hiệu - Tính toàn vẹn của dữ liệu báo hiệu - Nền tảng bảo mật của các eNodeB - Ảnh hưởng lẫn an ninh - Bảo mật miền mạng (NDS)
16 - Bảo mật IMS cho thoại trên nền LTE 3.1.2 Nhận thực và khóa mã cho EPS 3.1.2.1 Xác thực • Xác thực người dùng. • Nhận dạng thiết bị đầu cuối 3.1.2.1.1 Nhận dạng bảo mật người dùng 3.1.2.1.2 Nhận dạng bảo mật thiết bị đầu cuối 3.1.2.2 Khóa mã cho EPS 3.1.2.2.1 Mục tiêu và điều kiện tiên quyết của EPS AKA 3.1.2.2.2 Phân phối vector xác thực EPS từ HSS để MME Thế hệ của Vectors xác thực trong HSS
17 Hình 3.4 Thế hệ vectors xác thực của UMTS và EPS. AMF sử dụng cho Xác thực vector nhận dạng EPS AKA Độ dài của các tham số xác thực
18 3.1.2.2.3 Chứng thực và thiết lập khóa dùng chung giữa mạng dịch vụ và UE Xác thực trong USIM Phản hồi xác thực 3.1.2.2.4 Phân bố xác thực dữ liệu bên trong và giữa của mạng dịch vụ 3.1.2.2.5 Nguồn gốc khóa Hình 3.7 Phân cấp khóa EPS