Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы построения защищенных инфокоммуникационных систем. Учебно-методическое пособие
.pdf
в которой t
– время взлома (информационной стойкости) n-го СИЗ.
сиз n
Хотя вопрос расчета предполагаемого времени взлома по (2.13) очевиден, тем не менее имеется проблема с определением значений времени инфор-
мационной стойкости n-го СИЗ t
, которая связана со значительной не-
сиз n
определенностью.
2.3. Оптимизация характеристик защиты информации в ЗИКС
На рис. 2.2 представлен обощенный алгоритм оптимизации характеристик функционирования ИКС [10], который может быть использован для оптимизации характеристик информационной защиты ЗИКС.
Рисунок 2.2 – Обобщенный алгоритм оптимизации
В соответствии с данным алгоритмом суть процесса оптимизации состоит в определении наилучшего варианта построения ЗИКС. На рис. 2.2 блоки
ИД1…ИДk – блоки исходных данных, соответствующих вариантам построения
СМС Вар
1
…
Вар
, которые включают в себя этапы выполнения расчета по
k
(2.1)-(2.13) показателей эффективности для соответствующих вариантов орга-
низации системы обеспечения информационной защиты (СОИЗ).
Таким образом, в общем виде задача определения оптимального варианта построения ИКС выглядит так: для ряда полос частот, которые могут
использоваться в стандарте ИКС, рассчитываются значения показателей
21
Вариант
построения ЗТС
Э
ч
Э
э
Э
и
Э
с
Э0 Э
н
Э
эрг
Э
оикс
1
2 ….
k
Вариант
построения ЗТС
δЭч
δЭэ
δЭи
δЭс
δЭ0 δЭн
δЭ
эрг
Э
сиз
Э
из
1
2
….
k
Вариант
построения ЗТС
Э
отс
Э
из
Э
1
2
….
k
Э
; Ээ; Эи;
ч
Э
; Э и заносятся в таблицы (см. табл. 2.1а, табл. 2.1б, табл. 2.1в).
из
; Э0; Эн; Э
Эc
эрг
; Э
; δЭн; δЭч; δЭэ; δЭи; δЭc; δЭ0; δЭн; Э
оикс
Таблица 2.1а
Таблица 2.1б
сиз
;
Таблица 2.1в
Табл. 2.1а-2.1в фактически представляют одну таблицу, которая для
удобства делится на три части. Необходимость использования табличных
форм состоит в том, что такой способ позволяет лаконичное представление результатов количественной оценки большого числа характеристик функционирования СМС и максимальное акцентирование внимания на ключевых моментах.
Оптимальным будет тот вариант, которому соответствует наибольшее
значение Э в табл. 2.1в. Отметим, что значения эффективностей Э
(т.е. Э
; Ээ; Эи;
ч
; Эн; Э
Эc
; δЭн; δЭч; δЭэ; δЭи; δЭc; δЭ0; δЭ
эрг
и δЭ
i
) являются
н
вспомогательными и позволяют контролировать их значения на соответствие
возможным ограничениям.
2.4. Стандарты информационной защиты в ИКС
i
22
Разработка и применение стандартов вообще имеет свей целью безусловное повышение эффективности функционирования любого объекта, в
том числе ИКС. Особенно важно применение стандартов технологий связи,
включая технологии информационной защиты, поскольку современные ИКС
являются весьма сложными объектами. Ниже кратко рассмотрены основные
стандарты информационной защиты, которые используются в существующих
ИКС, а также служат основой для разработки более совершенных их вариантов.
Стандарт информационной защиты включает в себя: стандарт/протокол
аутентификации; стандарт/протокол шифрования и протокол конфиденциальности и целостности (специальный или совмещенный).
Основные современные стандарты информационной защиты реализуются в форме следующих протоколов [5; 8; 11; 12]:
- протокол WEP (Wired Equivalent Privacy – безопасность, эквивалентная
проводной);
- протокол WPA (Wireless Protected Access);
- протокол WPA2 (улучшенный протокол WPA);
Основные стандартные протоколы аутентификации достаточно полно
- протокол VPN (Virtual Private Net).
описаны в [5; 11; 12], и их список представлен ниже:
- протокол 802.1Х;
- протокол EAP (Extensible Authentication Protocol);
- протокол PSK (Pre-Shared Key);
- протокол RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Server).
Распространенные протоколы обеспечения конфиденциальности и целостности данных [5; 11; 12]:
- протокол в составе WEP;
- протокол TKIP (Temporal Key Integrity Protocol);
- протокол CCMP (Counter-Mode CBC MAC Protocol);
- протокол MIC (Message Integrity Check).
Особый интерес представляет протокол RADIUS, основанный на модели
ААА [5]. Его можно определить как протокол безопасности, в котором для
аутентификации удаленных пользователей используется модель клиентсервер, реализующаяся в виде серии запросов и ответов, которые клиент передает от сервера доступа к сети до конечного пользователя. Во время аутентификации обмен данными шифруется с помощью общего секретного кода.
Поддерживает процедуры аутентификации по различным протоколам.
2.5. Контрольные вопросы по разделу 2
1. Что такое эффективность ИКС?
2. Что такое частная эффективность ИКС?
3. Назовите виды частных эффективностей ИКС.
23
4. Что такое оптимизация?
5. Что такое критерий оптимизации?
6. Как реализуется процедура оптимизации ИКС?
7. Назовите параметры энергетической защиты информации в ИКС.
8. Чем определяется эффективность информационной защиты?
9. Что понимается под стандартом информационной защиты?
10. Назовите основные стандарты информационной защиты в ИКС
общего назначения.
11. Что такое WEP?
12. Что такое WРA?
13. Что такое WPА2?
14. Что такое TKIP?
15. Каково назначение протокола 802.1Х.
16. Назовите назначение и основные особенности протокола RADIUS.
3. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В СУЩЕСТВУЮЩИХ ИКС
3.1. Защита информации в беспроводной ИКС стандарта GSM
Первые системы мобильной связи были слабо защищены от прослушивания и несанкционированного доступа. В стандарте GSM применяются эффективные методы защиты. Идеи этих методов применяются во всех современных системах связи. Это достигается путём введения специальных ключей,
паролей, применения алгоритмов шифрования и назначения новых номеров
абонентам. При этом при каждом вызове меняются пароли, алгоритмы шифрования и номера.
Аутентификация
Каждый абонент мобильной сети идентифицируется в сети с помощью
двух идентификаторов MSISDN (международный ISDN-номер мобильного
абонента) и IMSI (международный идентификационный номер мобильного
абонента). Каждый из этих номеров полностью идентифицирует абонента. И
если идентификатор MSISDN открытый (помещается на визитных карточках и
сообщаем друзьям), то второй идентификатор IMSI – международный идентификатор мобильного абонента – используется только внутри сети. Этот идентификатор (номер) абонент получает при покупке SIM-карты (модуль идентификации абонента). Он записывается в SIM-карте, в опорном регистре местоположения абонента HLR и в центре аутентификации AUC. Из соображений
защиты от прослушивания стараются, чтобы этот номер как можно реже звучал по радиоканалу – его заменяют TMSI. Тем не менее, IMSI передается в
эфире: при первом подключении в сеть или в тех случаях, когда существуют
проблемы с идентификацией TMSI. Поэтому параллельно с IMSI абоненту
назначают специальный идентификационный ключ (номер) Ki. Этот ключ записывается в SIM-карту и в центр аутентификации AUC и никогда никуда не
передаётся: ни по радиоканалу, ни внутри сети.
24
Процедура аутентификация (проверка подлинности абонента) проис-
ходит следующим образом. При запросе доступа в сеть мобильная станция передаёт номер IMSI (при первом подключении) или номер TMSI (временный
идентификационный номер мобильного абонента), используемый при последующих подключениях. Этот номер поступает на VLR (гостевой регистр местоположения) той сети, где в данный момент находится абонент. Если приходящий номер является временным номером TMSI, то на VLR есть информация
об истинном (постоянном, а не временном) номере абонента IMSI. Из анализа
номера IMSI регистр местоположения визитёра VLR определяет HLR, где постоянно прописан абонент, и посылает на HLR запрос паролей для аутентификации. Пароли вырабатывает центр аутентификации AUC. Пароль RAND
(случайное число) создаёт датчик случайных чисел. Этот пароль и персональный для данного абонента ключ Ki поступают на алгоритм А3 формирования
откликов SRES (Signed Response) - подписанный отклик (ответ)
A3 (RAND, K
) = SRES . (3.1)
i
Параллельно по алгоритму А8 вырабатывается ключ шифрования Кс
(об этом ниже). RAND и SRES используются один раз и затем стираются.
Полученная тройка чисел – пароль RAND, отклик на пароль SRES и номер ключа шифрования Кс (эта тройка чисел называется триплетом) поступают на HLR, а от него на VLR. VLR передаёт IMSI (или TMSI в зависимости
от того, какой номер пришел от мобильной станции) и RAND на БС. По радиоканалу передаётся для номера IMSI пароль RAND. В SIM-карте по тому же
алгоритму А3, используя как параметры пароль RAND и ключ Ki, вырабатывается отклик SRES. Этот отклик по радиоканалу посылается на VLR, где происходит сравнения двух откликов: полученного из триплета от центра аутентификации AUC и вычисленного в SIM-карте. В случае совпадения
(ОКей = ОК) мобильная станция получает доступ в сеть.
Рисунок 3.1 - Схема аутентификации
Так как VLR и HLR в случае роуминга разнесены, чтобы сократить число
обменов между ними, то HLR посылает в VLR сразу группу триплетов
(рис. 3.1, где показано пять триплетов). Количество триплетов зависит от
фирмы-производителя оборудования и определяется исходя из роумингового
25
соглашения между операторами. На рис. 3.1 использованы следующие
обозначения: IMSI – международный идентификационный номер мобильного
абонента; Ki – ключ аутентификации абонента; MS – мобильная станция;
RAND – случайное число; SIM – модуль идентификации абонента;
SRES – отклик на RAND; VLR – гостевой регистр местоположения;
AUC – центр аутентификации; HLR – опорный регистр местоположения
абонента; Kc – ключ шифрования.
Шифрование
После успешного прохождения процедуры аутентификации по команде
BSC (контроллера базовых станций) МС и БС переходят в режим шифрования.
Для этого на МС по полученному по радиоканалу случайному числу и записанному в SIM-карте ключу Ki по алгоритму А8 вычисляется ключ шифрования Кс
A8 (RAND, Ki) = Кс. (3.2)
На БС ключ шифрования Кс поступает от VLR из очередного триплета.
На БС и МС шифруется вся дальнейшая передаваемая информация: речь (данные), команды управления. В частности, в зашифрованном виде передаётся
номер TMSI, который МС будет использовать при следующем обращении в
сеть (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 - Алгоритм формирования команд на начало шифрования
Ключ шифрования используется один раз, а затем стирается. Однако некоторые операторы используют один и тот же ключ шифрования для нескольких транзакций. Шифрование происходит по алгоритму А5 с использованием
ключа шифрования Кс и номера кадра TDMA.
Суть алгоритма шифрования А5 заключается в перетасовке этих 57 бит.
Количество различных перестановок из 57 элементов гигантское: 57! (т.е. 57
факториал, равный произведению всех натуральных чисел от 1 до 57). Однако,
в алгоритме А5 используются не все перестановки из 57 элементов, а только
такие, в которых происходит существенная перетасовка бит. Такое большое
количество возможных способов перетасовки приводит к тому, что расшифровать (вернуться к порядку, изображенному на рис. 3.2) без знания ключа шиф-
26
рования практически невозможно. А ключ шифрования определяется по ключу, закрытому Ki. Поэтому защита ключа Ki, а фактически SIM-карты, от несанкционированного доступа является первоочередной задачей тех абонентов,
которые опасаются, что информация, которую они передают, может попасть в
чужие руки.
3.2. Защита информации в беспроводной ИКС стандарта UMTS
Алгоритмы шифрования
Основные механизмы шифрования в UMTS были перенесены из механизмов шифрования сетей GSM. Однако в стандарт были введены некоторые
усовершенствования: взаимная аутентификация (теперь не только абонент
аутентифицируется сетью, но и клиент аутентифицирует сеть, чтобы устранить возможность атаки с использованием ложной базовой станции); защита
целостности (введены усовершенствованные алгоритмы и ключи для обеспечения целостности данных); сетевая безопасность (обеспечивает шифрование
внутри и между различными сетями); безопасность сервисов и приложений
(усовершенствованные механизмы обеспечения надежности для сервисов и
приложений); взаимодействие между сетями и роуминг.
Аутентификация
Перед началом обмена информацией каждая сторона должна убедиться в
том, что общается именно с тем, кто ей нужен, а не со злоумышленником,
имитирующим собеседника с целью перехвата этой информации. В случае канала радиосвязи мобильных сетей такими сторонами являются Абонент (User
Equipment конечного пользователя) и Сеть (передаточный узел провайдера
мобильной связи). Главным заметным новшеством является алгоритм аутентификации и согласования ключей, приведённый вкратце ниже.
Рисунок 3.3 - Аутентификация абонента в сети UMTS
Аутентификация и выработка ключа
Аутентификационный центр (AuC) и USIM хранят по копии основного
ключа абонента, с помощью которого происходит общение абонента с сетью.
По запросу обслуживающей сети AuC создает таблицу из n (обычно n=5)
пятикомпонентных аутентификационных векторов. Компонентами данных
27
векторов являются: случайное число RAND; K – мастер ключ (128 бит);
ожидаемый ответ XRES; ключ шифрования CK; ключ целостности IK;
маркер аутентификации AUTN, причем последние четыре компоненты получаются из RAND и K и порядкового номера вектора SQN.
Обслуживающая сеть (а конкретно — её VLR) выбирает следующий
(k-й) аутентификационный вектор из упорядоченной таблицы и посылает
RAND(k) и AUTN(k) пользователю. USIM проверяет, производит ли AUTN(k)
валидный маркер аутентификации и, если да, генерирует и посылает ответ
RES(k), который обслуживающая сеть сравнивает с XRES(k), которые используются, соответственно, для шифрования и поддержки целостности потока
данных на уровне эфира.
Рисунок 3.4 – Алгоритм формирования аутентификационного вектора
Передача данных
Для передачи данных в стандарте UMTS были определены функции
шифрования f8 и f9, отвечающие соответственно за шифрование и целостность. С учётом специфики используемого канала и передаваемых данных, а
также технологических возможностей по производству обслуживающих схем,
для f8 и f9 были определены следующие требования: f8 должна представлять
собой поточный шифр; f9 должна быть функцией умножения/суммирования;
обе функции должны удовлетворительно считаться на небольших чипах с низким энергопотреблением; не должно быть ограничений по замене этих функций на терминалах (в абонентском оборудовании).
Алгоритм MISTY
Это алгоритм блочного шифрования с 128-битным ключом, 64-битными
блоками и варьируемым количеством итераций. Этот шифр оказался гораздо
более стойким, чем DES, и был использован в качестве ядра для f8.
Ключ в MISTY состоит из на 16 подключей: К0, ..., К7 и К8, ..., К15 – после каждой итерации подключи в группах циклически сдвигаются на единицу.
Первые восемь ключей получаются простым разбиением главного ключа, а
вторая группа получается путём зашифровывания первой группы с помощью
28
элементарной итерации MISTY: K0, зашифрованный на К1 даёт К8 и т.д. последовательно (рис. 3.5).
Рисунок 3.5 - Алгоритм формирования подключей
Обычно используются восемь фейстелевских раундов, через каждые два
раунда производится линейное преобразование выхода, зависящее, однако нелинейно от ключа. Для того чтобы ядро удовлетворяло вышеуказанным требованиям стандарта, его слегка модифицировали и был получен блочный шифр.
Поточная функция шифрования f8 в UMTS основана на принципе поточного шифра, в основе которого лежит алгоритм генерирования маски
(рис. 3.6).
Рисунок 3.6 – Алгоритм шифрования f8—KASUMI
Характеристики f8 общедоступны и базируются на блоковом шифре
KASUMI, преобразующем 64-битовый вход в 64-битовый выход под контролем
СК (128 бит). Шифр KASUMI включает восьмираундовую сеть Фестеля и построен на основе шифра MISTY.
Алгоритм проверки целостности данных f9
Функция f9 представляет собой последовательную функцию умножениянакопления с KASUMI в ядре (рис. 3.7).
29
Рисунок 3.7 – Структура алгоритма проверки целостности f9
К каждому отсылаемому сообщению прикрепляется MAC-I (32-битная
псевдослучайная строка — выход f9), и такая же строка вычисляется принимающей стороной. Дело в том, что выход функции f9 практически непредсказуемым образом зависит от входных параметров, так что только правильное
сочетание IK и счётчика гарантирует достоверность полученного сообщения.
В UMTS ключ безопасности (целостности) IK (Integrity Key) и промежу-
точный ключ AK вырабатываются в HSS и в открытом (незашифрованном)
виде передаются в сеть. Вектор безопасности в UMTS имеет вид [10]
RAND, XRES, CK, IK, AUTN.
Из рассмотренных аспектов безопасности UMTS следует, что в сетях поколения 3G решены наиболее острые проблемы, свойственные для самой распространенной системы мобильной связи в мире GSM и связанные с угрозами
несанкционированного доступа, низкой стойкости криптоалгоритмов шифрования данных, возможности создания ложных базовых станций и отсутствия
механизма защиты целостности служебного трафика и сигнализации. В то же
время безопасность в системах мобильной связи 3G не является абсолютной:
для системы UMTS также существует опасность атак на физический уровень с
помощью так называемых DoS атак, генерирующих «разрушающий» трафик; в
системе безопасности не предусмотрена проверка целостности пользовательских данных; передача некоторых ключей по опорной сети производится в
незащищённом виде.
3.3. Защита информации в беспроводной ИКС стандарта LTE
В стандарте GSM была предусмотрена аутентификация только мобильной станции (см. разд. 3.1). Это допускало возможность несанкционированного доступа с использованием ложной базовой станции. Поэтому уже в UMTS
была введена взаимная аутентификация: не только сеть аутентифицирует мобильную станцию, но и МС аутентифицирует сеть, чтобы устранить возмож-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]