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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationssystem und ein Verfahren
zur Bereitstellung von sicherer Kommunikation hierfür.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
einem zellularen Mobilkommunikationssystem, wie z. B. dem Globalen
System für
Mobilkommunikation (GSM) oder dem Universal Mobile Telecommunication
System (UMTS), kommuniziert jedes der entfernten Endgeräte üblicherweise
mit einer festen Basisstation. Bei einem entfernten Endgerät handelt
es sich üblicherweise
um ein Mobiltelefon, es kann sich aber um jedes Endgerät handeln,
das auf das Kommunikationssystem zugreift. Eine Kommunikation von
dem entfernten Endgerät
zu der Basisstation ist als Uplink bekannt und eine Kommunikation
von der Basisstation zu dem entfernten Endgerät ist als Downlink bekannt.
Der gesamte Versorgungsbereich des Systems ist in eine Anzahl von
separaten Zellen geteilt, von denen jede von einer einzelnen Basisstation
versorgt wird. Üblicherweise
sind die Zellen geographisch verschieden mit einem überlappenden
Versorgungsbereich mit benachbarten Zellen. Indem sich ein entferntes
Endgerät
von dem Versorgungsbereich einer Zelle zu dem Versorgungsbereich
einer anderen Zelle bewegt, ändert sich
die Kommunikationsverbindung von einer zwischen dem entfernten Endgerät und der
Basisstation der ersten Zelle in eine zwischen dem entfernten Endgerät und der
Basisstation der zweiten Zelle. Das ist als ein Handover bekannt.
Insbesondere können einige
Zellen vollständig
innerhalb der Versorgung anderer größerer Zellen liegen.
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Alle
Basisstationen sind durch ein Netz verbunden. Dieses Netz umfasst
Kommunikationsleitungen, Router, Switches, Schnittstellen zu anderen Kommunikationsnetzen,
verschiedene Controller, die erforderlich sind, um das Netz und
die Basisstationen selbst zu betreiben. Ein Ruf von einem entfernten Endgerät wird durch
das Netz zu dem für
diesen Ruf spezifischen Ziel weitergeleitet. Falls der Ruf zwischen
zwei entfernten Endgeräten
desselben Kommunikationssystems erfolgt, wird der Ruf durch das Netz
zu der Basisstation der Zelle, in der sich das andere entfernte
Endgerät
gegenwärtig
befindet, weitergeleitet. Somit wird durch das Netz eine Verbindung
zwischen den zwei versorgenden Zellen hergestellt. Alternativ wird
der Ruf, falls der Ruf zwischen einem entfernten Endgerät und einem
mit dem öffentlichen
Fernsprechnetz (PSTN) verbundenen Telefon erfolgt, von der versorgenden
Basisstation zu der Schnittstelle zwischen dem zellularen Mobilkommunikationssystem und
dem PSTN weitergeleitet. Dann wird er durch das PSTN von der Schnittstelle
zu dem Telefon weitergeleitet. Auf eine ähnliche Art und Weise kann
ein Ruf durch andere Netze, wie z. B. lokale Netze oder das Internet,
zu einem Ziel weitergeleitet werden.
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In
einigen Kommunikationssystemen, wie z. B. dem gegenwärtig in
Entwicklung befindlichen Universal Mobile Telecommunication System
(UMTS), wird das Netz in ein Kernnetz und ein Zugangsnetz geteilt.
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Das
Kernnetz ist für
ein Authentifizieren des mobilen Zugriffs, ein Einrichten von Sicherheitsschutzmaßnahmen
für den
Funkzugriff, ein Makromobilitätsmanagement,
ein Sitzungs- oder Rufmanagement und ein Zwischennetz ("Internetworking") mit anderen Netzen,
wie z. B. dem PLMN (öffentlichen
landgestützten
Mobilfunknetz), Internet oder PSTN, zuständig.
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Das
Kernnetz umfasst deshalb die erforderlichen Routing- und/oder Switching-Elemente,
Schnittstellen zu Dienstnetzen, wie z. B. dem PSTN, dem Internet,
anderen zellularen Systemen (z. B. zwischen GSM und UMTS), Mobilstationsregistereinheiten (wie
z. B. das Heimatregister und das Besucherregister, die in GSM verwendet
werden). Im Idealfall würde das
Kernnetz keine Kenntnis der in dem Zugangsnetz verwendeten Technologie
(z. B. Funkschnittstelle) erfordern.
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In
dem Falle eines zellularen Mobilkommunikationssystems umfasst das
Zugangsnetz diejenigen Elemente, die spezifisch sind für eine bestimmte Funkschnittstelle,
z. B. Mobilstationen, die zu einem Übertragen und Empfangen der
Funksignale von den entfernten Endgeräten verwendeten Basisstationen und
die Controller, die verwendet werden, um die Rufe zwischen Basisstationen
und dem Kernnetz weiterzuleiten. Das Zugangsnetz umfasst üblicherweise
eine Mehrzahl von Zugangssystemen mit unterschiedlichen Zugangsknoten.
Ein Zugangssystem umfasst üblicherweise
einen Zugangscontroller, der eine Anzahl von Zugangsknoten steuert,
wobei jeder Zugangsknoten eine oder mehrere Basisstationen und möglicherweise
einen oder mehrere Stationscontroller umfasst, die eine Anzahl von
Basisstationen steuern.
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1 stellt
ein Beispiel für
ein paketvermitteltes UMTS-Kommunikationssystem 100 dar.
Ein erstes Netz 101 umfasst ein Kernnetz 103 und
zwei Funkzugangsnetze (RAN) 105, 107. Das erste
RAN 105 umfasst einen Funkknotencontroller 109 (RNC) und
eine Basisstation 111 (der Einfachheit halber wird die
beschriebene Basisstation als sowohl das UMTS-Element, bekannt als ein Knoten B, wie
auch das Basisstationselement umfassend erachtet). Ein UMTS-Fernendgerät 113 kommuniziert über eine Funkschnittstelle
mit der Basisstation. Andere entfernte Endgeräte 115 können anderen
Basisstationen 117, die andere Zellen versorgen, zugeordnet sein,
und üblicherweise
ist eine Anzahl von Basisstationen 111, 117 mit
demselben RNC 109 verbunden.
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Der
RNC 109 ist mit einem Serving GPRS Support Node 119 (SGSN)-Netzelement
in dem Kernnetz 103 verbunden. Der SGSN ist für ein Verfolgen
des Mobilgerätstandorts,
ein Durchführen
einer Authentifizierung und Schlüsselvereinbarung
und ein Routing von Paketen zwischen dem Kernnetz und Funkzugangsnetzen
zuständig.
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Der
SGSN 119 ist mit einem Gateway GPRS Support Node 123 (GGSN)
verbunden, der für
eine Kopplung zwischen dem Kernnetz und anderen externen Netzen,
wie z. B. PSTN-Netzen oder dem Internet, zuständig ist. Der GGSN stellt darüber hinaus weitere
Funktionen, wobei eine Routing- und Paket-Relay-Funktion im Falle eines Roamings
eines entfernten Endgeräts
umfasst wird, zur Verfügung.
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Andere
RNCs oder andere RANs 107 können mit anderen SGSNs 121 verbunden
sein.
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Unterschiedliche
UMTS-Betreiber betreiben ihr eigenes Netz und die unterschiedlichen
Netze sind verbunden, um zum Beispiel eine Kommunikation von einem
entfernten Endgerät,
das mit einem Netz verbunden ist, zu einem entfernten Endgerät, das mit
einem anderen Netz verbunden ist, zu unterstützen. Das wird in 1 dargestellt,
wo der GGSN 123 mit einem SGSN 125 eines zweiten
Kernnetzes 127 eines zweiten UMTS-Netzes 129,
das durch einen anderen Betreiber betrieben wird, verbunden ist. Das
zweite Netz 129 ist in diesem Fall dem ersten Netz ähnlich und
umfasst Netzelemente, wobei ein GGSN 131 und ein RAN 133 umfasst
werden, die ein oder mehrere entfernte Endgeräte 135 unterstützen.
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Die
Verbindung zwischen den Netzen kann durch eine dedizierte proprietäre Verbindung
zwischen spezifischen Netzelementen erfolgen, ist aber typischer
eine logische Verbindung unter Verwendung von offenen Verbindungen
und kann zum Beispiel das öffentliche
SS7 (Signalisierungsdienst 7)-Netz
verwenden oder ein Internet Protocol (IP)-Netz verwenden.
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Ein
Nachteil bei einer Verwendung von offenen Verbindungen liegt darin,
dass sie nicht so sicher wie dedizierte Verbindungen und deshalb
anfälliger für Angriffe
sind. Diese Angriffe umfassen:
- 1. Lauschen,
was bedeutet, dass Angreifer die Nachrichten während deren Transports abhören, ohne
dass die Quelle oder das Ziel davon wissen.
- 2. Manipulieren bedeutet, dass Angreifer die Nachrichten beim
Transport verändern,
ohne dass es von dem Empfänger
bemerkt wird.
- 3. Imitieren gilt als stattfindend, wenn eine böswillige
Partei vorgibt, der rechtmäßige Sender
der Nachricht zu sein, und den Empfänger täuscht, so dass er sie behandelt,
als sei sie von dem rechtmäßigen Sender.
- 4. Replay-Angriff umfasst ein Abfangen einer Nachricht und ihr
Wiedergeben zu späterer
Zeit, ohne dass der Empfänger
erkennt, dass sie mehr als einmal empfangen worden ist.
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Um
diesen Angriffen vorzubeugen, werden Sicherheitsmittel eingesetzt
und bei der Kommunikation zwischen Netzelementen eingeführt. Auch
wenn diese Sicherheitsmittel in ein einziges Netzwerk implementiert
werden können,
ist es problematisch, diese über
mehrere unabhängigen
Netzwerke oder untergeordneten Netzwerke zu implementieren. Dies liegt
daran, dass Attacken wahrscheinlicher in einer Zwischennetzumgebung
gestartet werden und die Schlüsselverteilung
aufgrund einer ungesicherten Zwischennetzkommunikation schwieriger
ist. Diejenigen Schlüssel
werden gleichmäßig durch
die zwei Kommunikationsparteien verwendet und sind in dem symmetrischen
Sicherheitsschutz identisch.
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Die
europäische
Patentanmeldung EP-A-0 658 021 beschreibt Beispiele für eine Sicherheit
innerhalb eines einzelnen Netzes vom drahtlosen LAN-Typ.
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Für UMTS wurde
vorgeschlagen, dass ein symmetrischer Sicherheitsschutz verwendet
wird, was bedeutet, dass beide kommunizierende Parteien identische
Schlüssel
verwenden. Die Sicherheitsschlüssel
werden in einem zweistufigen Prozess, in dem Schlüssel zunächst zwischen
einem zentralen Schlüsselverwaltungszentrum
(KAC) in dem ersten Netz und einem KAC in dem zweiten Netz eingerichtet
werden, verteilt. Anschließend
werden die Schlüssel
an die verbundenen Netzelemente (SGSN und GGSN unterschiedlicher
Netze), die unter Verwendung der Schlüssel kommunizieren, verteilt.
Ein Sicherheitsschlüssel
ist ein Identifikationsschlüssel, der
auf eine empfangene Nachricht angewendet wird, um zu verifizieren,
dass sie von dem vermeintlichen Sender übertragen wurde, oder um die
Nachrichten aus Privatsphärengründen zu
verschlüsseln und
entschlüsseln.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass diese Ansätze zu einer
Bereitstellung von sicherer Kommunikation zwischen Netzen brüchig sind
und keine ausreichende Sicherheit zur Verfügung stellen. Die Erfinder
haben insbesondere erkannt, dass ein bloßes verteilen von Sicherheitsschlüsseln wie
für UMTS
vorgesehen unzureichend ist und zu Sicherheitsbrüchen führen kann. Zum Beispiel stellt
ein bloßes
Verteilen eines Sicherheitsschlüssels
nicht ausreichend Information darüber zur Verfügung, ob
eine Nachricht vorher übertragen
worden ist, und deshalb ist dieser Ansatz für Replay-Angriffe anfällig, was
als eine erhebliche Gefahr erachtet wird.
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Daher
ist ein verbessertes System für
ein Bereitstellen von sicheren Verbindungen zwischen unabhängigen Netzen
oder Subnetzen erwünscht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sucht ein System, das eine verbesserte Sicherheit
für Verbindungen zwischen
Netzen oder Subnetzen aufweist, zur Verfügung zu stellen.
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Demgemäß wird ein
UMTS-Kommunikationssystem nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie die Sicherheit
von Kommunikationen zwischen Netzen verbessert, da zwischen Sicherheitscontrollern
unterschiedlicher Netze nicht nur Sicherheitsschlüssel, sondern
auch Sicherheitsmechanismen eingerichtet und an die Netzelemente
verteilt werden. Somit können
spezifische Mechanismen, die darauf gerichtet sind, einen Schutz
vor unterschiedlichen Angriffsformen zur Verfügung zu stellen, eingerichtet
werden. Der Mechanismus kann zum Beispiel die Verteilung eines Kommunikationsfensters,
während
dessen die Nachricht gesendet und empfangen werden muss, zur Verfügung stellen,
wodurch ein Schutz vor Replay-Angriffen wesentlich verbessert wird.
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Die
Kommunikation zwischen dem ersten Netzelement und dem zweiten Netzelement
erfolgt vorzugsweise über
eine Internet Protocol-Verbindung und der Sicherheitsmechanismus
umfasst gemäß einem
Merkmal der Erfindung zumindest einen Anti-Replay-Mechanismus.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zu einem Bereitstellen
von sicherer Kommunikation in einem UMTS-Kommunikationssystem nach
Anspruch 10 zur Verfügung
gestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nur
als Beispiel wird unten eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben – und
zwar mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Darstellung eines UMTS-Kommunikationssystems gemäß dem Stand der Technik ist;
und
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2 eine
Darstellung einer Ausführungsform
eines Kommunikationssystems gemäß der Erfindung
ist.
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Ausführliche
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform Die folgende Beschreibung konzentriert
sich auf eine Ausführungsform
gemäß dem aktuellen
Ansatz für
die Standardisierung von UMTS.
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2 stellt
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines UMTS-Kommunikationssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar. Das System ist dem Kommunikationssystem von 1,
das schon beschrieben worden ist, ähnlich, umfasst darüber hinaus
aber einen ersten Sicherheitscontroller 201 in dem ersten
Netz und einen zweiten Sicherheitscontroller 203 in dem
zweiten Netz.
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In
der Ausführungsform
besitzt und betreibt ein erster Betreiber das erste Netz, wohingegen
ein zweiter Betreiber das zweite Netz besitzt und betreibt. In dem
Beispiel ist ein erstes Netzelement 119 des ersten Netzes
mit einem zweiten Netzelement 125 des zweiten Netzes verbunden.
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Die
Netzelemente können
ein GGSN und ein SGSN wie für
paketbasierte Dienste für
UMTS vorgesehen sein, können
aber im Prinzip jegliches Netzelement sein, wobei sowohl paketvermittelte
als auch netzvermittelte Netzelemente umfasst werden. Die Verbindung
zwischen den Netzelementen wird vorzugsweise durch ein öffentliches
SS7-Netz oder IP-Netze und unter Verwendung des MAP-Protokolls hergestellt.
Bei dem MAP-Protokoll handelt es sich um ein Kernnetzsignalisierungsprotokoll,
das durch leitungsvermittelten GSM- und UMTS-Modus verwendet wird.
Es basiert auf dem SS7-Signalisierungssystem. Es versteht sich für einen
Fachmann, dass jegliche physikalische oder virtuelle Verbindung verwendet
werden kann, ohne die Erfindung zu beeinträchtigen.
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Öffentliche
Netze und insbesondere SS7- und IP-Netze sind nicht sicher und deshalb
sollte eine Kommunikation zwischen dem ersten Netzelement und dem
zweiten Netzelement Sicherheitsfunktionen umfassen, die gewährleisten,
dass die Kommunikation Angriffen standhält. Die Komplexität der Netzelemente
wird allerdings auf die zusätzliche
erforderliche Funktionalität
erhöht,
falls diese Sicherheitsfunktionen direkt zwischen den kommunizierenden
Netzelementen eingerichtet werden. Da jedes Netz üblicherweise
eine hohe Anzahl an Netzelementen umfasst, führt das zu einer erheblichen
Erhöhung
der Gesamtkomplexität
des Netzes.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird
das dadurch erreicht, dass der erste Sicherheitscontroller und der
zweite Sicherheitscontroller sowohl einen Sicherheitsschlüssel als
auch einen Sicherheitsmechanismus einrichten und diese an das erste
Netzelement und das zweite Netzelement kommunizieren. Das erste
Netzelement und das zweite Netzelement kommunizieren unter Verwendung
des Sicherheitsschlüssels
und Sicherheitsmechanismus miteinander.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Kommunikation zwischen dem ersten Netzelement und dem
zweiten Netzelement durch ein IP-Netz. Durch die Internet Engineering
Task Force (IETF) ist ein als IPsec bekanntes Sicherheitsframework
für IP-Netze
standardisiert worden. Es wird ein Framework genannt, weil es verschiedene
Protokoll- und Algorithmusoptionen für eine Verschlüsselung, Integritätsprüfung und
Authentifizierung umfasst. Diese IPSec-Sicher heitsmechanismen verwenden symmetrische
Sicherheitsschlüsseltechnologien, was
bedeutet, dass beide Kommunikationsparteien einen gemeinsamen geheimen
Schlüssel
für eine Verschlüsselung,
Integritätsprüfung und
Paketauthentifizierung verwenden, obwohl jeder Dienst einen eigenen
Schlüssel
verwendet.
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IPSec
spezifiziert viele Alternativen und Optionen und deshalb sollten
zwei kommunizierende Parteien einen gemeinsamen Satz an Sicherheitsmechanismen,
die Sicherheitsprotokolle und -algorithmen umfassen, einrichten,
um sicher zu kommunizieren. Darüber
hinaus ist der Sicherheitsschlüssel so
eingerichtet, dass er bei Verwendung mit den Mechanismen eine sichere
Kommunikation zur Verfügung
stellt. Die eingerichteten Schlüssel
zusammen mit den Vereinbarungssicherheitsmechanismen werden eine
IPSec-Sicherheitsassoziation (oder englisch: Security Association)
(SA) genannt.
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Damit
das erste Netzelement und das zweite Netzelement sicher kommunizieren,
wird nicht nur der Sicherheitsschlüssel, sondern auch der Sicherheitsmechanismus
durch die zentralen Sicherheitscontroller eingerichtet und an die
Netzelemente verteilt. Die gesamte IPSec-Sicherheitsassoziation
wird somit wie in dem Folgenden beschrieben an die Netzelemente
verteilt.
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Jedes
Netz oder alternativ jedes unabhängige
Subnetz weist einen zentralisierten Sicherheitscontroller 201, 203 auf.
Wenn das erste Netzelement 123 mit dem zweiten Netzelement 125 kommunizieren
muss, kommunizieren der erste Sicherheitscontroller 201 und
der zweite Sicherheitscontroller 203, um eine vollständige IPSec-Sicherheitsassoziation einzurichten.
Es ist offensichtlich, dass das erste Netzelement und das zweite
Netzelement durch eine dedizierte Verbindung, eine virtuelle Verbindung
durch ein Netz oder jegliche andere Verbindung, die es ermöglicht,
dass Daten zwischen den Einheiten ausgetauscht werden, kommunizieren
können.
Die Sicherheitscontroller können
jedes bekannte Verfahren zu einem Einrichten einer Sicherheitsassoziation
zwischen zwei kommunizierenden Einheiten verwenden. Die eingerichtete
Sicherheitsassoziation umfasst symmetrische Schlüssel und die Sicherheitsmechanismen,
die alle erforderlichen Protokolle und Algorithmen umfassen.
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Die
ganze Sicherheitsassoziation wird anschließend auf das erste Netzelement
und das zweite Netzelement herunter geladen. Diese fahren dann fort,
die gewünschte
Kommunikation unter Verwendung der gesamten Sicherheitsassoziation,
die sowohl Sicherheitsmechanismen als auch Sicherheitsschlüssel umfasst,
aufzubauen und auszuführen. Wenn
die Kommunikation endet, wird der Sicherheitscontroller informiert
und die Sicherheitsassoziation kann beendet werden, wodurch Ressourcen
freigesetzt werden.
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Da
die Sicherheitsassoziation zentral zwischen Sicherheitscontrollern
eingerichtet wird, kann die Schlüsselmanagement-
und Sicherheitsmechanismuseinrichtung aus den Netzelementen, wie
z. B. GGSNs oder SGSNs, entladen werden. Das reduziert die Komplexität und Kosten
dieser Netzelemente, und da ein typisches Netz viele solcher Netzelemente
umfasst, wird eine erhebliche Reduzierung der Gesamtkomplexität erreicht.
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Da
die gesamte Sicherheitsassoziation eingerichtet und an die Netzelemente
verteilt wird, ist darüber
hinaus die Sicherheit der Verbindung zwischen den zwei Elementen
identisch mit jener, die zwischen zwei Netzelementen, welche eine
Sicherheitsassoziation direkt zwischen ihnen einrichten, erzielt
werden kann.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Sicherheitsassoziation als ein Beispiel ein Definieren
eines Wiedergabesicherheitsmechanismus. Dieser Mechanismus arbeitet,
indem er einen Sequenznummernzähler
(SNC) sowohl in dem ersten Netzelement als auch dem zweiten Netzelement unabhängig laufen
lässt.
Die SNCs sind durch die von den Sicherheitscontrollern empfangenen
Sicherheitsassoziationen zu vorgegebenen Zeitpunkten auf dieselbe
Sequenznummer gesetzt. Das übertragende
Netzelement umfasst die aktuelle Sequenznummer und das empfangende
Netzelement vergleicht diese Sequenznummer nach Empfang mit dem
Wert seines eigenen SNC. Das empfangende Netzelement akzeptiert
die Kommunikation dann nur, falls die empfangene Sequenznummer in
ein Anti-Replay-Fenster passt. Dadurch, dass dieser Mechanismus,
der eine Sequenznummer und ein Anti-Replay-Fenster innerhalb der
Sicherheitsassoziation umfasst, eingerichtet wird, sind die zwei
Netzelemente im Stande, diesen Anti-Replay-Mechanismus zur Verfügung zu
stellen. Falls nur Sicherheitsschlüssel verteilt wären, würde das
demgegenüber
nur die Verifizierung ermöglichen,
dass die Kommunikation von der richtigen Quelle stammt, jedoch keinen
Anti-Replay-Schutz
zur Verfügung
stellen.
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Die
vorliegende Erörterung
hat spezifisch ein paketvermitteltes UMTS-Netz, das SGSN- und GGSN-Netzelemente
umfasst, berücksichtigt.
Es versteht sich allerdings für
einen Fachmann, dass die Erfindung auf eine große Anzahl von Netzen anwendbar
ist. Ähnlich
ist die Erfindung ebenso auf leitungsvermittelte Netze anwendbar.
Die Erfindung kann somit auf die leitungsvermittelten Elemente eines
UMTS-Netzes angewendet werden und insbesondere kann es sich bei
dem ersten Netzelement und dem zweiten Netzelement zum Beispiel
um Basisstationen, Basisstationscontroller, Master Switch-Zentren, Heimatregister
oder Besucherregister handeln.