CZ13490U1 - Data transmission system within wireless networks by making use of general-purpose interface - Google Patents

Description

Systém přenosu dat v bezdrátových sítích s využitím univerzálního interfaceData transmission system in wireless networks using universal interface

Oblast technikyTechnical field

Základní myšlenkou navrženého užitného vzoru PMR Data je systém využívající univerzální interface pro propojení heterogenních bezdrátových přenosových sítí za účelem zvýšení bezpečnosti, kvality a spolehlivosti přenosu dat využívající komunikační protokol TCP/EP.The basic idea of the proposed utility model PMR Data is a system using a universal interface for interconnection of heterogeneous wireless transmission networks in order to increase the security, quality and reliability of data transmission using the TCP / EP communication protocol.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současnosti existují ve světě desítky systémů pro realizaci bezdrátových radiových sítí, pracující na různých frekvencích, s různými protokoly a funkcemi, jako jsou hlas, fax, data, textové a multimediální zprávy atp. Nejznámější aplikací jsou veřejné sítě evropského systému GSM. Jednotícím prvkem těchto systémů, často označovaných souhrnným názvem softwarově konfigurovatelné rádio, je platforma TCP/IP, známá především z aplikací ve světové síti INTERNET.Today, there are dozens of wireless radio networking systems operating on different frequencies, with different protocols and features such as voice, fax, data, text and multimedia messages, and so on. The best known applications are the public networks of the European GSM system. The unifying element of these systems, often referred to by the collective name of software configurable radio, is the TCP / IP platform, known mainly from applications in the INTERNET world network.

Parametry a vlastnosti této platformy lze s výhodou využít i v případě komunikačního prostředí s datovými službami u systémů PMR (Private Mobile Rádio), neboli systémů digitálních privátních radiových sítí určených pro branně bezpečnostní aplikace (policie, armáda, zpravodajské služby. V čistě vojenských komunikačních systémech se stále používají většinou analogové systémy VHF a UHF s datovými modemy). Systémy PMR, které vznikly jako první aplikace digitálních bezdrátových sítí v počátku 90.1et, se vyznačují vysokou spolehlivostí, odolnosti vůči vlivům prostředí (teplota, vlhkost, prach) a vysoce sofistikovaným šifrováním provozu, avšak s ohledem na stav technologie v době vývoje nejsou vhodné pro přenos větších objemů dat, které jsou v moderních branně bezpečnostních systémech nezbytné pro zajištění přenosu obrazových, grafických i databázových souborů. Běžné rychlosti PMR systémů se pohybují v šifrovaném provozu kolem 4,8 kb/s.The parameters and features of this platform can also be advantageously used in a communication environment with data services for PMR (Private Mobile Radio) systems, or systems of digital private radio networks intended for military security applications (police, military, intelligence services). are still used mostly analog systems VHF and UHF with data modems). Developed as the first digital wireless network applications in the early 90.1s, PMR systems are characterized by high reliability, environmental resistance (temperature, humidity, dust) and highly sophisticated traffic encryption, but are not suitable for transmission of larger volumes of data, which are necessary in modern gateway security systems to ensure the transmission of image, graphic and database files. Typical PMR speeds are around 4.8 kbps in encrypted traffic.

V důsledku rychlého rozvoje mobilních celulární ch sítí 2. a 2,5. generace, představovaného v Evropě sítěmi GSM, je možno zajistit dostatečnou iychlost bezdrátového přenosu v těchto sítích, a to až do teoretických 170 kb/s. Tyto sítě však až na výjimky nejsou v branně bezpečnostních systémech používány s ohledem na oprávněnou obavu o narušení přenosu, především pak pro možnost jeho záznamu a eventuelní rozkódování. I když toto ohrožení spolehlivosti přenosu citlivých a tajných informací je technicky velice obtížné a nákladné, nelze je vyloučit, a to ani při dodatečném zašifrování přenášených dat. Vždy může nastat situace, že narušitel má k dispozici kompletní soubory dat, které šifru obsahují v sobě.Due to the rapid development of mobile cellular networks 2nd and 2.5. Generation, represented in Europe by GSM networks, can ensure a sufficient speed of wireless transmission in these networks, up to the theoretical 170 kb / s. However, these networks are not used, exceptionally, in the gateway security systems due to a justified concern about transmission disruption, especially for the possibility of its recording and eventual decoding. Although this threat to the reliability of the transmission of sensitive and secret information is technically very difficult and costly, it cannot be excluded, even with the additional encryption of the transmitted data. It can always happen that the intruder has complete sets of data that contain the cipher.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Vzhledem k charakteru zpracovávaných a přenášených informací je nezbytné při realizaci branně bezpečnostních systémů zajistit odpovídající stupeň zabezpečení, který je pro systémy celostátního významu i přesně definován zákonem ě. 148/1998 Sb. Aby bylo možno při návrhu bezpečnostních procedur s výhodou skloubit technologické a systémové přednosti vysokorychlostních bezdrátových sítí typu GSM s výhodami systémů PMR, bylo navrženo využití TCP/IP interface pro tvorbu systému zajišťujícího realizaci zabezpečených a zároveň dostatečně rychlých přenosů dat.With regard to the nature of processed and transmitted information, it is necessary to ensure an adequate level of security in the implementation of military security systems, which is strictly defined by law for systems of national importance. 148/1998 Coll. In order to combine the technological and system advantages of GSM high-speed wireless networks with the advantages of PMR systems in the design of security procedures, the use of TCP / IP interface to create a system ensuring secure and fast enough data transfers was proposed.

Efektivnost systému PMR Data je dána kompatibilitou podporovaných přenosových protokolů u prostředku sítí GSM a systémů PMR.PMR Data Efficiency Data is determined by the compatibility of supported transmission protocols for GSM network and PMR systems.

Při přenosu dat mobilními rádiovými spoji se tak získá propustnost využívaných spojů i začlenění kryptografíckých metod ochrany dat. Z tohoto důvodu je navrženo použití symetrických kryptografických algoritmů. Vysoká rychlost při šifrování či dešifrování dat oproti algoritmům s veřejným klíčem s sebou přináší nutnost řešit správu distribuce tajných klíčů. Problematika distribuce klíčů vyvstává do popředí zejména v případech systémů (sítí) s větším počtem uživatelů nebo při nutnosti vytvářet oddělené skupiny uživatelů v rámci jedné sítě.The transmission of data through mobile radio links thus results in the throughput of the used links and the integration of cryptographic methods of data protection. For this reason, it is proposed to use symmetric cryptographic algorithms. The high speed of data encryption or decryption compared to public key algorithms entails the need to address secret key distribution management. The issue of key distribution arises especially in the case of systems (networks) with a larger number of users or when it is necessary to create separate groups of users within one network.

-1 CZ 13490 Ul-1 CZ 13490 Ul

Podstatné je zabezpečit předávání klíčů jednotlivým uživatelům systému tak, aby nedošlo k jejich vyzrazení. Klíče se z tohoto důvodu předávají jinými kanály (např. prostřednictvím kurýrů) nebojsou distribuovány v odlišně zašifrovaném tvaru.It is essential to ensure that keys are passed on to individual users of the system so that they are not compromised. For this reason, the keys are passed through other channels (eg through couriers) or distributed in a differently encrypted form.

Pro zajištění přístupu předávání tajných klíčů pro symetrické algoritmy šifrování přenášených dat je možné s výhodou použít šifrové ochrany systémů PMR. (Využití šifrové ochrany systému PMR přímo k šifrování informací při datové komunikaci s sebou nese určité obtíže spojené s nízkou přenosovou rychlostí datových spojů).To provide secret key forwarding access for symmetric data encryption algorithms, encryption protection of PMR systems can be advantageously used. (Utilizing the PMR encryption protection directly to encrypt information in data communication poses some difficulties associated with low data link transfer rates).

Systémy PMR zajišťuji následující funkce:PMR systems provide the following functions:

- poskytují široký rozsah hovorových a datových služeb, které uživatelům umožňují zvýšit jejich operační schopnosti v dané oblasti,- Provide a wide range of voice and data services that enable users to enhance their operational capabilities in the area

- disponují pružnou architekturou, schopnou přizpůsobit se každé administrativní struktuře a umožňující progresivní rozvoj sítě,- have a flexible architecture capable of adapting to any administrative structure and allowing the progressive development of the network,

- optimalizují používání rádiových zdrojů (přidělených kmitočtů).- optimize the use of radio resources (allocated frequencies).

Plošná infrastruktura a plně digitální technologie umožňuje uživateli PMR systému využívat výhod, vyplývajících z integrace hlasových a datových služeb, celostátně dostupných vestavěných bezpečnostních funkcí a možnosti úplného roamingu.The desktop infrastructure and fully digital technology enable the PMR system user to take advantage of voice and data integration, nationwide built-in security features and full roaming capability.

Strukturu sítě popisuje několik vzájemně propojených vrstev:The network structure is described by several interconnected layers:

- Rádiová vrstva - buňková (i simulcast -synchronní provozní režim) rádiová architektura je definována v souladu s provozními požadavky a dostupností frekvencí.- Radio Layer - cellular (also simulcast -synchronous operation mode) radio architecture is defined in accordance with operational requirements and availability of frequencies.

- Spojovací vrstva - spojovací vrstva zabezpečuje propojení mezi buňkami sítě a používá se pro směrování volání, řízení mobilních funkcí a umožňuje propojení hlasové a datové komunikace mimo tuto síť.- Link layer - The link layer secures the connection between the cells of the network and is used for call routing, control of mobile functions, and allows voice and data communication to be connected outside the network.

- Vrstva síťového řízení - nástroje pro řízení sítě umožňuji konfiguraci zařízení a dohled nad činností sítě.- Network management layer - Network management tools allow device configuration and network activity supervision.

Systémy PMR jsou plně digitální. Přenášená informace (hlas, data a signalizace) zůstává mezi vysílacím a přijímacím terminálem digitálně zakódovaná. Je vysílána ve formě datového balíčku přes všechny vysílací linky a prochází přes digitální zařízení (terminály, základnové stanice, ústředny).PMR systems are fully digital. The transmitted information (voice, data and signaling) remains digitally encrypted between the transmitting and receiving terminal. It is transmitted in the form of a data package over all transmission lines and passes through digital devices (terminals, base stations, exchanges).

Funkce systému PMR j sou následuj ící:PMR functions are as follows:

- Kodér hlasu použitý v systému, založený na Code-Excited Linear Prediction (CELP) technologii, nabízí mnohem vyšší kvalitu hlasu než u analogových síti s užšími kanály (12,5 kHz). Poskytuje kvalitní přenos hlasu i v nadměrně hlučném prostředí.- The voice encoder used in the system, based on Code-Excited Linear Prediction (CELP) technology, offers much higher voice quality than analog networks with narrower channels (12.5 kHz). Provides high-quality voice transmission even in extremely noisy environments.

- Digitální modulace - klíčování Gaussovým minimálním posuvem (GMSK), kterou systém používá, nabízí vnitřní ochranu proti odposlechu. Navíc GMSK poskytuje vysokou odolnost proti interferencím a tím i efektivní opětovné použití frekvencí v sousedních buňkách. Tento typ modulace spolu se souvislou demodulací umožňuje získat velmi vysokou citlivost přijímače.- Digital Modulation - Gauss Minimum Shift Keying (GMSK) used by the system offers internal eavesdropping protection. In addition, GMSK provides high interference immunity and thus efficient reuse of frequencies in neighboring cells. This type of modulation together with continuous demodulation allows to obtain very high receiver sensitivity.

- Díky plné digitalizaci systému jsou data i hlas zpracovávány stejným způsobem. Shodný terminál vysílá hlas i data. Systém umožňuje optimální pohodlný poslech se šifrováním i bez něho.- Thanks to the full digitization of the system, data and voice are processed in the same way. The same terminal sends both voice and data. The system provides optimal comfortable listening with or without encryption.

V rámci systémů PMR jsou uživatelská data chráněna šifrováním typu konec-konec, které je řešeno již na úrovni terminálu, popř. na vnějším rozhraní rádiové sítě. Z hlediska realizace bezpečnostních opatření je důležité, že architektura sítí PMR obsahuje středisko klíčového hospodářství, které zajišťuje automatickou distribuci šifrovacích klíčů pro každou regionální síť. Pro správu a zavádění šifrovacích klíčů do terminálů je též k dispozici zařízení pro vkládání klíčů.Within PMR systems, user data is protected by end-to-end encryption, which is already solved at the terminal level, resp. on the external interface of the radio network. In terms of implementing security measures, it is important that the PMR network architecture includes a key management center that provides automatic distribution of encryption keys for each regional network. A key entry device is also available for managing and loading encryption keys into the terminals.

Celý tento bezpečnostní systém umožní efektivně realizovat nejen distribuci klíčů pro ochranu hlasového signálu, ale též pro možný přenos zašifrovaných tajných klíčů symetrických šifrovacích algoritmů k ochraně dat.This entire security system will enable to efficiently realize not only the distribution of keys for protection of voice signal, but also for possible transmission of encrypted secret keys of symmetric encryption algorithms to protect data.

-2CZ 13490 Ul-2EN 13490 Ul

Toto je zajištěno implementací kryptografického modulu určeného k ochraně přenášených informací v mobilním radiovém systému do navrženého TCP/IP interface. Jádrem tohoto kryptografického modulu je symetrický šifrovací algoritmus. V souladu s odbornými pracemi v oblasti kryptografie a vzhledem k předpokládanému charakteru přenášených dat se ukazuje jako efektivní realizovat šifrovou ochranu na bázi šifrového standardu AES (Advanced Encryptión Standard). Tento standard je postaven na symetrickém šifrovacím algoritmu Rijndael a v spučasné době byl již přijat jako základ významných bezpečnostních projektů. K šifrování dat využívá algoritmus minimálně 128-bitové tajné klíče, které jsou pro potřeby ochrany dat v mobilním radiovém systému plně vyhovující.This is ensured by the implementation of a cryptographic module designed to protect the transmitted information in the mobile radio system into the designed TCP / IP interface. The core of this cryptographic module is a symmetric encryption algorithm. In accordance with expert work in the field of cryptography and considering the expected nature of the transmitted data, it seems to be effective to implement encryption protection based on the AES (Advanced Encryptión Standard) encryption standard. This standard is based on the Rijndael symmetric encryption algorithm and has recently been adopted as the basis for major security projects. To encrypt data, the algorithm uses at least 128-bit secret keys that are fully compliant for data protection needs in a mobile radio system.

Vygenerované klíče v centru bezpečnostního systému je třeba distribuovat jednotlivým uživatelům. Pro přenos klíčů daným uživatelům bude využit chráněný rádiový spoj systému PMR.The generated keys in the security system center must be distributed to individual users. A protected radio link of the PMR system will be used to transfer the keys to the users.

Pomocí tajných klíčů pak je realizováno šifrové spojení pro přenos chráněné datové informace na přenosové síti umožňující vyšší rychlosti přenosu dat. Typickým, avšak nikoliv jediným příkladem jsou sítě 2,5. generace GSM, pracující v režimu GPRS. V současnosti běžné systémy Class 10 umožňují rychlosti přenosu dat cca 50 kb/s.By means of secret keys, an encrypted connection for transmitting the protected data information on the transmission network allowing higher data transmission speeds is then realized. A typical, but not the only, example is 2.5 networks. Generation GSM, working in GPRS mode. The current Class 10 systems allow data rates of approximately 50 kbps.

Přenášená data jsou šifrována v režimu konec-konec. Distribuce klíčů pro šifrování dat je řešena s využitím bezpečnostní struktury systému PMR tak, aby přenos klíčů k jednotlivým uživatelům splňoval požadované parametry na ochranu těchto klíčů před neoprávněným přístupem. Z tohoto důvodu jsou klíče přenášeny v zašifrovaném tvaru.The transmitted data is encrypted in end-to-end mode. Key encryption for data encryption is handled using the security structure of the PMR system so that the transmission of keys to individual users meets the required parameters to protect these keys from unauthorized access. For this reason, the keys are transmitted in encrypted form.

V textu jsou požity užité zkratky vyskytující se v odborné literatuře, jejichž význam podávají tyto vysvětlivky: ‘The abbreviations used in the literature are used in the text and their explanations are as follows: ‘

PMR - Private Mobile Rádio - privátní digitální radiová síť. -GSM - Groupe Systeme Mobile - bezdrátové celulámí sítě 2.generace. ’’PMR - Private Mobile Radio - private digital radio network. -GSM - Groupe Systeme Mobile - 2nd generation wireless cellular networks. ’’

GPRS - General Packet Rádio Service - paketový datový systém pro GSM, síť 2,5. generace. TCP/IP - Protokol sítě Internet.GPRS - General Packet Radio Service - packet data system for GSM, network 2.5. generation. TCP / IP - Internet protocol.

Uvedené zkratky se v odborné literatuře vžily, takže se ani nerozepisují ani nepřekládají.These abbreviations have become established in the literature, so they are neither transcribed nor translated.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Technické řešení užitného vzoruje blíže osvětleno na výkresech, na kterých na obr. 1 je princip navrženého řešení a na obr. 2 příklad provedení s využitím sítě PMR a sítě GSM v režimu GPRS, a to s konkrétním TCP/IP interface InterSeal 2.0, jehož popis je uveden v Příloze.The technical solution of the utility model is illustrated in more detail in the drawings, in which Fig. 1 shows the principle of the proposed solution and Fig. 2 shows an example of implementation using the PMR network and GSM network in GPRS mode with a specific TCP / IP interface InterSeal 2.0. is given in the Annex.

Příklad provedeníExemplary embodiment

Na obr. 2 je nakreslen příklad provedení systému, a to pro odesílání zabezpečených datových zpráv mezi dvěma terminály PMR (i a 2), které jsou doplněny o TCP/IP interface realizovaný zařízením InterSeal (3 a 4). Pro zadávání a příjem zpráv jsou k terminálům prostřednictvím zařízení InterSeal připojeny palmtopy (5 a 6).Fig. 2 shows an exemplary embodiment of the system for sending secure data messages between two PMRs (i and 2), which are supplemented by a TCP / IP interface implemented by the InterSeal device (3 and 4). Palmtops (5 and 6) are connected to the terminals via InterSeal to enter and receive messages.

Přenos klíčů, které generují zařízení InterSeal je realizován prostřednictvím sítě PMR a přenos dat, které jsou těmito klíči zašifrovány pomocí sítě GSM.The keys generated by the InterSeal device are transmitted via the PMR network and the data is encrypted using the GSM network.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Navrženým řešením je možno sloučit výhody systémů PMR a moderních vysokorychlostních celulámích systémů 2. a vyšší generace a tak poskytnout systémové řešení pro širokou škálu komunikačních a informačních systémů, kde stupeň zabezpečení ochrany přenášených dat rozhoduje o kvalitě a tím i použitelnosti systému. Využití je vhodné specielně pro tvorbu komunikačních systémů u policie, armády, v záchranných systémech a ve státní správě.The proposed solution can combine the advantages of PMR systems and modern high-speed cellular systems of the second and higher generation and thus provide a system solution for a wide range of communication and information systems, where the security level of transmitted data decides on the quality and usability of the system. The application is suitable especially for creation of communication systems in police, army, rescue systems and in state administration.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS 1. Univerzální systém využívající TCP/IP interface pro realizaci síťového systému přenosu dat, vyznačující se tím, že obsahuje dva komunikační kanály, přičemž jeden z nich slouží k přenosu šifrovacích prvků, druhý pak k přenosu zašifrovaných dat.Universal system using a TCP / IP interface for realizing a network data transmission system, characterized in that it comprises two communication channels, one of which serves for the transmission of encryption elements, the other for the transmission of encrypted data. 55 2. Univerzální systém využívající TCP/IP interface podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro přenos šifrovacích prvků používá komunikační kanál digitálního systému PMR a pro přenos šifrovaných dat komunikační kanál sítě GSM v režimu GPRS.Universal system using TCP / IP interface according to claim 1, characterized in that it uses the communication channel of the digital PMR system for the transmission of encryption elements and the GSM network communication channel in the GPRS mode for the transmission of encrypted data. 3. Univerzální systém využívající TCP/IP interface podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro přenos šifrovacích prvků používá radiový komunikační kanál VHF a pro přenos ío šifrovaných dat komunikační kanál sítě GSM v režimu GPRS.The universal system using TCP / IP interface according to claim 1, characterized in that it uses the VHF radio communication channel for the transmission of encryption elements and the GSM network communication channel in GPRS mode for the transmission of encrypted data. 4. Univerzální systém využívající TCP/IP interface podle nároku 1, vyznačující se tím, že každému uskutečněnému přenosu dat je přidělena dvojice šifrovacích klíčů, jejíž platnost končí s ukončením přenosu.A universal system using the TCP / IP interface according to claim 1, characterized in that each data transmission carried out is assigned a pair of encryption keys, which expire at the end of the transmission.