Segurança de Rede Sem Fio

Transcrição

1 Segurança de Rede Sem Fio Dilson Catói Felipe Boeira João Cancelli Marcelo Dieder Rafael Dreher Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS 23 de Agosto de 2011

2 GSM Índice 2

3 Um pouco de História... Nos anos 80, os sistemas de celulares analógicos foram experimentados na Europa. Onde, cada país desenvolveu seu próprio sistema, o que se tornou um problema para os Europeus, que não eram compatíveis entre si. Gerando uma situação indesejável, pois não somente o equipamento ficou limitado, mas também o Mercado. Nesta mesma época os Europeus criaram um grupo de estudos para desenvolver um sistema móvel PanEuropeu afim de padronizar o sistema na Europa. 3

4 O que é GSM? Foi criado pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Atualmente - Global System for Mobile Communications Na década de 80 - Groupe Special Mobile É o padrão mais popular para telefones celulares do mundo. Tinha a intenção de que o assinante pudesse deslocar-se por toda a Europa levando um telefone que pudesse fazer e receber ligações telefônicas em qualquer localidade sem que fosse necessário digitar os códigos referentes aos países. 4

5 GSM O grupo desenvolveu em 1982 as primeiras versões do padrão GSM. O primeiro protótipo do GSM foi ao ar em 1989 e primeira rede GSM comercial em 1991, na Finlândia. Recentemente a tecnologia GSM completou 20 anos. First GSM call on July 1, 1991 marked start of a new era in global digital communications 5

6 Frequências Inicialmente o GSM disponibilizava as bandas de 900 MHz (GSM900), mas com o crescimento rápido de usuários na rede foi necessário expandir a banda agregando o range de 1800 MHz (GSM1800) também. Hoje podemos ver que além desses ranges o GSM disponibiliza também da banda de 1900 MHz. 6

7 Rede GSM: Fases do Desenvolvimento O processo de desenvolvimento da tecnologia foi dividido em 3 fases: Phase I Serviços básicos de Telefonia: Voz, Roaming Internacional, Serviços básicos de dados, bloqueio de chamada, encaminhamento de chamadas e Short Message (SMS); Phase II Serviços novos: Aviso de cobrança, chamada retida, identificador de chamadas, chamada em espera, conferência, grupos fechados de usuários e comunicação de dados adicional (GPRS - General Packet Radio Service). Phase II+ Serviços de Perfil: de Multi-Serviços e Plano de números Privados e serviços fax foram incorporados a tecnologia, além de iniciar a utilização da banda de 1800 MHz. 7

8 Como funciona? O sistema GSM 900 utiliza dois conjuntos de frequências na banda dos 900 Mhz, o primeiro nos Mhz, utilizado para as transmissões do terminal e o segundo nos Mhz, para as transmissões da rede. O método utilizado pelo GSM para gerir as frequências é uma combinação de duas tecnologias: o TDMA ( Time Division Multiple Access ) e o FDMA ( Frequency Division Multiple Access ). O FDMA divide os 25Mhz disponíveis de frequência em 124 canais com uma largura e uma capacidade de transmissão de dados na ordem dos 270Kbps. Uma ou mais destas frequências é atribuída a cada estação base e dividida novamente, em termos de tempo, utilizando o TDMA, em oito espaços de tempo ( timeslots ). 8

9 Como funciona? O terminal utiliza um timeslot para recepção e outro para transmissão. Eles encontram-se separados temporalmente para que o celular não se encontre no tempo de receber e transmitir ao mesmo tempo. Esta divisão de tempo também é chamada de full rate. As redes também podem dividir as frequências em 16 espaços, processo designado de half-rate, mas a qualidade da transmissão é inferior. A voz é codificada de uma forma complexa, de forma a que erros na transmissão possam ser detectados e corrigidos. De seguida é enviada nos timeslots, cada um com uma duração de 577 milisegundos e uma capacidade de 116 bits codificados. Cada mesmo tempo, um celular verifica outros canais para determinar se o sinal é mais forte e mudar a transmissão para os mesmos, caso a resposta seja afirmativa. 9

10 GSM utiliza os seguintes conceitos... MSISDN - Mobile Service ISDN Number - Representa o número discado associado ao assinante. É provido para o assinante pela operadora na hora da compra e é gravado no SIM card. O MSISDN tem o seguinte formato: MSISDN = CC + NDC + SN Onde: CC = Country Code (código do país); NDC = National Destination Code (código nacional); SN = Subscriber Number (número de assinante). Ex: MSISDN = 55(CC) + 11(NDC) (SN), ou

11 GSM utiliza os seguintes conceitos... IMSI - International Mobile Subscriber Identity Quando um usuário assina o serviço de uma operadora uma identificação única de assinante é fornecida, essa identificação é gravada no SIM card do assinante e também no HLR (Base de dados de assinantes na operadora). O IMSI tem o seguinte formato: IMSI = MCC + MNC + MSIN Onde: MCC = Mobile Country Code (código do país do celular); MNC = Mobile Network Code (código da rede celular); MSIN = Mobile Station Identification Number (número de identificação do celular). EX: IMSI = 311(MCC) + 030(MNC) (MSIN), ou

12 GSM utiliza os seguintes conceitos... IMEI - International Mobile Equipment Identity É um número de série único alocado no hardware do móvel. É registrado pela operadora e opcionalmente gravado na AUC ( Central de Autenticação da rede ) para propósito de validação. GT Global Title Todo equipamento na rede GSM recebe uma identificação única internacional, para possa ser identificado por qualquer operadora GSM no mundo. Funciona como um endereço IP, através desse GT que uma operadora consegue comunicação entre equipamentos dentro da rede e comunicação com outras operadoras também. 12

13 Estrutura da Rede A tecnologia GSM utiliza uma estrutura dividida em células (o que explica o termo rede célula ); A célula é o ponto chave da rede. Uma célula é composta de uma antena transmissora e uma Estação Rádio Base (Base Transceiver Station BTS); Existem dois tipos de células: Omnidirecional: possui este nome porque a área de cobertura desta célula é direcionada a um raio de 360º em relação o ponto inicial de propagação. Setorizada: concentra sua cobertura em um único setor (60º), o que possibilita a cobertura de não somente uma célula e sim três como mostra a imagem abaixo. 13

14 Arquitetura da rede GSM Área de Localização (Location Area LA) Por se tratar de uma rede móvel, o GSM precisa ter uma arquitetura bem definida para a localização de usuários. Por isso a organização estrutural é dividida por hierarquia. Uma LA (Location Area) é um conjunto de células em um determinado setor dentro da rede. Uma operadora GSM pode possuir nº LA s em sua rede e cada uma delas recebe uma identificação chamada de LAC (Location Area Code). 14

15 Arquitetura da rede GSM Área de Serviço da MSC As LA s são controladas por uma MSC (Mobile Switching Center), que é a central de comutação de chamadas. Uma operadora pode ter nº MSC s em sua rede dependendo do tamanho da cobertura. Uma MSC controla uma ou mais LA s como pode ser observado na figura abaixo. Todas as informações sobre os usuários presentes em determinada LA são enviadas para a MSC. 15

16 Arquitetura da rede GSM Rede PLMN Uma PLMN (Public Land Mobile Network) é um conjunto de LA s, ou seja, é a área total de cobertura da operadora. Cada operadora possui uma PLMN. Desta forma, pode-se entender que o termo rede PLMN refere-se à rede móvel (ou celular) de uma operadora. Rede GSM É o conjunto de PLMN s espalhadas no mundo, ou seja, é a área total no Globo onde existe cobertura GSM. Desta forma, pode-se dizer que todas as PLMN s juntas formam a rede GSM. 16

17 Arquitetura da rede GSM 17

18 Arquitetura da rede GSM A rede GSM é subdividida em duas camadas: Switching System (SS), ou CORE network (núcleo da rede), e Base Station System (BSS), ou access network (rede de acesso). 18

19 Arquitetura da rede GSM Base Station System (BSS) A BSS é a camada que cuida do acesso do usuário à rede. É através dessa camada que o usuário se conecta para poder realizar a comutação de voz ou dados (ligação telefônica). Os nós que compõem a BSS são responsáveis pela conectividade entre a central e o terminal móvel (celular). São eles: a Base Transceiver Station (BTS) e a Base Station Controller (BSC). Base Transceiver Station (BTS) A função da BTS é prover a conexão de rádio para a estação móvel (celular). É composta basicamente de rádios transmissores e receptores TRX, Processador de Sinal, Equipamentos de Controle, Antenas e Feeder Cables. 19

20 Arquitetura da rede GSM Pode-se dizer que uma BTS é uma célula dentro da estrutura geográfica da rede. Entretanto, podem ser encontrados exemplos em que uma BTS é na verdade um conjunto de três células diferentes, como descrito anteriormente na apresentação da célula setorizada. 20

21 Arquitetura da rede GSM Base Station Controller (BSC) A BSC é a controladora das BTS s, e sua função é alocar um canal para a duração da chamada, monitorar as chamadas visando qualidade e potência transmitida pela BTS ou a estação móvel, e garantir o handover para outra célula, quando requerido. A BSC controla uma ou mais áreas de localização (LA s), dependendo de sua capacidade. Então é comum encontrarmos redes em que o número de BSC s seja grande. Switching System (SS) A SS é a camada da rede que cuida da comutação de chamadas, do encaminhamento de mensagens e da sinalização. Os nós que a compõem são: Mobile Switching System (MSC), Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Authentication Center (AUC), Equipment Identity Register (EIR) e Gatway Mobile Switching Center (GMSC). 21

22 Arquitetura da rede GSM Mobile Switching System (MSC) A MSC é a central de comutação da rede GSM. Ela é responsável por encaminhar e comutar as chamadas e mensagens de cada estação móvel (celular) e equipamento da rede. A MSC provê a conexão entre os assinantes da rede, e conexão da rede GSM com a rede PSTN (rede fixa). Ela coordena os processos de Location Update e Handover na rede, gerencia os recursos de rádio (BSC s) e gerencia a informação de bilhetagem para os assinantes. A MSC é uma controladora de BSC s, e isso faz com que ela seja o centro da rede GSM. Ela recebe todas as informações da rede e, assim, todas as chamadas e mensagens originadas vão para a MSC para serem comutadas aos destinos correspondentes. 22

23 Arquitetura da rede GSM Mobile Switching System (MSC) 23

24 Arquitetura da rede GSM Home Location Register (HLR) O HLR é a base de dados de assinantes na rede. Nele estão armazenadas informações como número do assinante (MSISDN), identificação do assinante na rede (IMSI), tipo de plano assinado pelo usuário e serviços suplementares do assinante. A ativação e a desativação de serviços é feita no HLR. Isso significa que a operadora GSM usa o HLR para ativar e desativar os serviços fornecidos aos seus usuários. Para o assinante se registrar na rede, o HLR é consultado para verificar se o assinante tem ou não permissão para usar os serviços oferecidos pela operadora. A MSC mantém um canal de sinalização com o HLR para verificação e identificação do usuário, como pode ser observado na figura a seguir. 24

25 Arquitetura da rede GSM Home Location Register (HLR) 25

26 Arquitetura da rede GSM Visitor Location Register (VLR) O VLR é uma base de dados temporária de usuários visitantes, sendo geralmente montada no mesmo equipamento da Central (MSC). No entanto, dependendo do tamanho da rede e número de assinantes, pode também ser alocada em um equipamento dedicado. Entende-se por visitante todo assinante que não está registrado na MSC responsável por aquela área. Isso pode ocorrer também dentro de uma mesma rede (dentro da mesma PLMN), isso se a operadora possuir mais de uma MSC. Nesse caso, pode-se imaginar o seguinte cenário: um usuário da operadora XYZ está registrado na MSC1 e, portanto, seus dados estão armazenados no HLR1. Se ele estiver em Roaming (visita) na área da MSC2 dessa mesma operadora, para que ele possa se conectar a rede o VLR da MSC2 precisa ter suas informações. 26

27 Arquitetura da rede GSM Visitor Location Register (VLR) Então, a MSC2 solicita uma cópia dos dados desse usuário para o HLR1 e grava no VLR2, a fim de poder autorizar a conexão desse usuário. Assim que o usuário sair da área de cobertura da MSC2, esta irá apagar seus dados no VLR2. 27

28 Arquitetura da rede GSM Authentication Center (AUC) A AUC é o nó de rede que cuida da segurança para os assinantes, sendo responsável por autenticar os usuários da rede a fim de prevenir fraudes como a Clonagem. Seu sistema de autenticação é simples e eficaz, utilizando chaves e algoritmos de autenticação. O pacote utilizado para a Autenticação do assinante é chamado de Triplex. O triplex é gerado na AUC utilizando o IMSI do usuário. A AUC possui um gerador RAND (gerador randômico), que é parte integrante das informações que completam o Triplex. O RAND é gerado e utilizado juntamente com o IMSI e a Chave de Autenticação Ki para gerar o SRES (Signed Response). Essas três informações RAND, IMSI e a Chave Ki passam pelo algoritmo de autenticação A3 e formam o SRES. 28

29 Arquitetura da rede GSM Authentication Center (AUC) A mesma coisa é feita com o algoritmo A8 para gerar a Chave Kc. As três informações geradas RAND, SRES e Kc formam o Triplex. A estação móvel (celular) faz a mesma coisa no SIM card e envia o Triplex para a AUC. Os dois Triplex gerados são comparados e, se forem iguais, a autenticação está completa e o usuário poderá se conectar a rede. 29

30 Arquitetura da rede GSM Equipment Identity Register (EIR) O EIR é a Base de dados que armazena o IMEI. O IMEI é o numero de série da estação móvel (celular), gerado na fabrica do hardware. Esse IMEI é enviado para a operadora assim que o usuário adquire o aparelho na loja. O IMEI é basicamente utilizado para a segurança contra furto do aparelho móvel (celular). Isso significa que nenhum individuo que não seja o comprador do aparelho possa utilizá-lo, uma vez que o IMSI é atrelado ao IMEI. Assim, nenhum outro SIM card que não seja o original será aceito na operadora, fazendo com que o aparelho seja bloqueado. 30

31 Arquitetura da rede GSM Gateway Mobile Switching Center (GMSC) O GMSC é o portão de entrada e saída para outras redes. É através dele que a operadora se comunica com outras redes, sejam elas redes móveis (PLMN) ou redes fixas (PSTN). Um usuário que esteja em Roaming em outra rede poderá se comunicar com a sua rede Home ou rede de origem através do GMSC. O GMSC tem a função de obter informações do HLR sobre usuários presentes na rede para assim poder re-routear as chamadas. 31

32 Outros Procedimentos Registro Quando o assinante desliga o celular a central recebe uma mensagem de detached (desligado) para saber que aquele usuário não pode receber novas chamadas. Assim que o celular for ligado novamente pelo assinante, o terminal celular precisará fazer um registro na central (MSC) para atualizar sua localização e poder utilizar os serviços oferecidos pela operadora. Uma mensagem com as informações de assinante é então enviada para a central que, por sua vez, irá atualizar seus dados no VLR. 32

33 Outros Procedimentos Location Update O sistema precisa saber onde os assinantes estão localizados (qual célula). Para isso o celular do usuário (assinante) precisa atualizar a rede sempre que se mover. Ele envia uma mensagem de update com as informações de assinante para a central, que, desta forma, atualiza seus dados de localização no VLR. Paging Outra situação é quando o sistema não sabe onde se encontra um determinado usuário. Para localizá-lo, a rede utilizará o recurso de Paging. Ela enviará uma mensagem de Paging para a BSC controladora da ultima área informada por esse assinante. Assim, a BSC irá enviar mensagens de Paging para todos os terminais móveis (celulares) localizados naquela área no momento. 33

34 Paging Utilizando o IMSI do assinante, a BSC irá perguntar a todos os terminais móveis (celulares) qual deles possui o IMSI em questão. O terminal móvel (celular) que responder é o procurado. O Paging é usado também quando um terminal móvel (celular) recebe uma chamada. A BSC então envia o Paging para poder alocar um canal de controle. 34

35 Estabelecendo uma Chamada 35

36 Estabelecendo uma Chamada 1 - O assinante PSTN tecla o número de telefone (MSISDN) do terminal móvel (celular). O MSISDN é analisado na PSTN, que identifica que esta é uma chamada para um assinante da rede celular. Uma conexão é estabelecida para o GMSC de origem do terminal móvel. 2 - O GMSC analisa o MSISDN para determinar em qual HLR está registrado o terminal móvel (celular), e consulta o HLR para obter a informação sobre como rotear a chamada para o MSC/VLR servidor 3 - O HLR traduz o MSISDN para IMSI, e determina qual MSC/VLR está servindo a MS (celular) no momento. O HLR também verifica se o serviço Direcionamento de chamada para o número de C foi ativado. Nesse caso, a chamada é roteada pelo GMSC para aquele número. 36

37 Estabelecendo uma Chamada 4 - O HLR requisita um GT (Global Title) do MSC/VLR servidor. 5 - O MSC/VLR retorna um GT via HLR ao GMSC. 6 - O GMSC analisa o GT e roteia a chamada para o MSC/VLR. 7 - O MSC/VLR sabe qual LA (área de localização) a MS (celular) está localizada. Uma mensagem de paging é enviada ao BSC que está controlando a LA. 8 - O BSC distribui a mensagem de paging para a BTS na LA desejada. A BTS transmite a mensagem através da interface de ar, para encontrar o terminal móvel (celular). 9 - Quando o terminal móvel (celular) detecta a mensagem de paging, ele envia uma requisição de canal de controle. 37

38 Estabelecendo uma Chamada 10 - O BSC provê o canal O canal de controle é usado para os procedimentos de estabelecimento de chamada. Através do canal de controle ocorre toda a sinalização precedente a uma chamada. Isso inclui: Marcação do móvel como ativo no VLR; O procedimento de autenticação; Inicio de cifragem; Identificação do equipamento O MSC/VLR instrui o BSC para alocar um canal de trafego livre. A BTS e o terminal móvel (celular) são sintonizadas no canal de trafego. O telefone móvel (celular) toca. Se o assinante atende, a conexão é estabelecida. 38

39 Arquitetura GSM 39

40 Uso Global 40

41 Uso Global 41

42 Primeiros Celulares 42

43 Antena 43

44 EDGE Sigla para Enhanced Data rates for GSM Evolution que designa uma tecnologia de transmissaõ de dados por pacotes para sistemas celulares. Esta tecnologia e tambeḿ conhecida como E-GPRS (Enhanced GPRS) ou IMT-SC (Single Carrier). É uma evoluc aõ da tecnologia GPRS dentro da linha de desenvolvimento GSM. Pode ser usada para qualquer troca de pacotes como uma conexão com a internet. Dados em baixa-velocidade e serviços como streaming de vídeos, rádios ao vivo, transferência de arquivos são possíveis em aparelhos celulares compatíveis. 44

45 EDGE É uma atualização de rede eficiente e relativamente simples para a maioria de operadoras GSM. As implementações EDGE normalmente requerem apenas software e cartões para canais adicionais na infra-estrutura existente. Não requer a aquisição de espectro adicional pelas operadoras. Em vez disso, a tecnologia pode ser implementada nas bandas mais comuns, entre os quais 850, 900, 1800 e 1900 MHz. Embora seja tecnicamente uma tecnologia da 3ª geração, geralmente é classificada como um padrão 2,75G, já que é uma melhoria feita nas redes 2,5G (GPRS) e não a criação de um sistema propriamente dito. EDGE foi introduzido nas redes GSM no mundo por volta de 2003, inicialmente na América do Norte. Simplicidade: EDGE é simples e tem um investimento relativamente baixo em construção de redes. 45

46 GPRS GPRS (General Packet Radio Service) é um pacote de serviço de comunicação para dispositivos móveis que permite que dados sejam enviados e recebidos através de uma rede de telefonia móvel. GPRS é um passo para a 3G e é muitas vezes referido como 2.5G. Velocidade - O GPRS permite o transporte de dados por pacotes (Comutação por pacotes). Sendo assim, o GPRS oferece uma taxa de transferência de dados muito mais elevada que as taxas de transferência das tecnologias anteriores, que usavam comutação por circuito, que eram em torno de 12kbps. Já o GPRS, em situações ideais, pode ultrapassar a marca dos 170kbps. No entanto na prática, essa taxa está em torno dos 40 a 50 kbps. 46

47 GPRS Custo - O GPRS desenvolveu um novo modelo de tarifação, que pode ser realizado com base na quantidade de dados transmitidos e não no tempo total de comunicação da seção. Durante uma seção GPRS, serviços baseados em comutação por circuito (voz) podem ser inicializados e utilizados. Da mesma forma, é possível enviar e receber dados GPRS durante uma chamada telefônica. O uso paralelo destes serviços ocorre para os serviços do tipo Ponto-a-Ponto e Ponto-a-Multiponto. Conexão - GPRS facilita conexões instantâneas pois a informação pode ser enviada ou recebida imediatamente conforme a necessidade do usuário. Não há necessidade de conexões dial-up através de modems. Algumas vezes, dizse que os usuários de GPRS estão sempre conectados. 47

48 GPRS Conectividade a Internet - De início, GPRS permite uma funcionalidade completa no que se refere a Internet Móvel por disponibilizar interoperabilidade entre a Internet existente e as novas redes GPRS. Qualquer serviço atualmente utilizado na Internet - FTP, navegação na Web, chat, , telnet - estará disponível através da rede móvel com o GPRS. 48

49 GPRS 49

50 HSDPA High-Speed Downlink Packet Access ou HSDPA é um protocolo de telefonia móvel, também chamado 3.5G. O HSDPA é um serviço de transmissão de pacotes de dados que opera dentro do W-CDMA, no enlace direto (downlink), permitindo a transmissão de dados até 14,4Mbit/s em uma banda de 5MHz. Nesse sentido, abre novas possibilidades de serviços multimídia que utilizam a transmissão em banda larga em telefones móveis. Seu problema é que funciona bem apenas a distâncias relativamente curtas, por isso os aparelhos chaveiam automaticamente para o WCDMA nas áreas de menor cobertura, fazendo com que a taxa de transmissão seja reduzida. Outra limitação é o aumento apenas da taxa de download, sem fazer nada com relação ao upload, que continua sendo de apenas 384 kbits. 50

51 HSDPA HSDPA é considerado um protocolo 3.5G e (na maioria dos aparelhos) é possível verificar qual sistema está sendo usado simplesmente olhando o ícone da conexão. Um "3.5G" indica que está sendo usado o HSDPA, um "3G" que está em uso o WCDMA, um "E" que está sendo usado o EDGE e um "G" que você está em uma área em que apenas o velho GPRS está disponível. 51

52 LTE LTE - Long Term Evolution Começou no Japão em 2004 Sucessor padrões GSM/EDGE e UMTS/HSPA Compatível com os padrões acima Desenvolvido pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP). A nomeclatura 4G é oferecido no mercado em conjunto com soluções como Wimax, LTE e HSPA+. 52

53 LTE Utiliza MIMO - Multiple In Multiple Out Baixo custo por Bit OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access para DOWNLINK Single Carrier FDMA para uplink para melhor utilização do espectro disponível e consumo de energia. Motivo do SC-FDMA: consumo de bateria do móvel 53

54 OFDMA LTE 54

55 OFDMA SC-FDMA LTE 55

56 LTE Pode ser utilizado em frequências de 1,4 MHz a 20 MHz. Utiliza uma arquitetura baseada em EPC EPC - Evolved Packet Core arquitetura baseada no protocolo TCP/IP MultiBand 700 e 1700 MHz na América do Norte 900, 1800, 2600 MHz na Europa 1800 and 2600 MHz na Asia 1800 MHz na Australia 56

57 LTE Pode ser utilizado em frequências de 1,4 MHz a 20 MHz. Utiliza uma arquitetura baseada em EPC EPC - Evolved Packet Core arquitetura baseada no protocolo TCP/IP MultiBand 700 e 1700 MHz na América do Norte 900, 1800, 2600 MHz na Europa 1800 and 2600 MHz na Asia 1800 MHz na Australia 57

58 Utilizam alto MIMO LTE - Avançado Liga multiplos clientes em um mesmo fluxo 4G Real Velocidade teórica de 1Gbit 58

59 LTE vs Outras Tecnologias 59

60 Esquema de Evolução das Redes 60

61 Bibliografia _2.asp de-gsm.html