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Bereich der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft codierte Kommunikation, einschließlich kabelloser
Schnittstelltenkommunikation mit sicheren Kommunikationssystemen,
ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Hintergrund der Erfindung
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Codierte
Sprach- und Datensysteme sind allgemein bekannt. Viele dieser Systeme
liefern sichere Kommunikation zwischen zwei oder mehr Anwendern
durch Teilen einer Information zwischen den Anwendern, was es nur
denjenigen Anwendern erlaubt, die Nachricht zu angemessen decodieren,
welche sie kennen. Diese Information ist als Codierungsschlüsselvariable,
oder kurz Schlüssel,
bekannt. Das Laden dieses Schlüssels
in die tatsächliche
Codierungsvorrichtung in der sicheren Kommunikationseinheit ist
eine grundlegende Anforderung, welche das Stattfinden einer sicheren
Kommunikation erlaubt. Zur Aufrechterhaltung der Sicherheit über einen
langen Zeitraum werden die Schlüssel
periodisch geändert,
typischerweise wöchentlich oder
monatlich.
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Die
Codierung wird bekannterweise auf einer Ende-zu-Ende-Basis innerhalb
eines Kommunikationssystems durchgeführt, d.h. Codierung einer Nachricht
an der Ursprungs-Kommunikationseinheit (auch als Mobilstation bekannt),
transparente Weiterleitung (d.h. ohne Decodierung) durch eine beliebige
Anzahl von Kanälen
und/oder Infrastruktur-Teilen zur Kommunikationseinheit des Endanwenders,
welche die Nachricht decodiert.
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Der
TETRA-Kommunikationsstandard (TETRA = Terrestrial Trunked Radio,
Terrestrischer Bündelfunk)
wird gegenwärtig
in Europa verwendet, wobei anderswo Expansionspotential besteht.
Der TETRA-Standard benötigt
eine kabellose Schnittstelle, auch als kabelloser Verkehr, oder
Codierung über
Luft, bekannt. Die kabellose Schnittstellen-Codierung schützt Informationen
auf der kabellosen Schnittstelle zwischen der Infrastruktur und
dem mobilen Abonnenten. Der TETRA-Standard benötigt ein Authentifizierungszentrum,
auch bekannt als Schlüsselverwaltungseinrichtung,
oder Schlüsselverwaltungszentrum,
zur Erzeugung, Verteilung und Authentifizierung von Codierungsschlüsseln und
Anwendern. Der TETRA-Standard spezifiziert jedoch nicht, wie ein
Authentifizierungszentrum realisiert werden soll, noch wie Schlüsselmaterial
nach Systemvorrichtungen oder Mobilstationen erzeugt, verteilt und
authentifiziert werden soll, damit Informationen die Infrastruktur
oder SwMI (Switching and Management Infrastructure, Schalt- und
Verwaltungs-Infrastruktur), wie sie im TETRA-Standard bezeichnet
wird, passieren können.
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Der
TETRA-Standard liefert keine Definition zur Minimierung der Last
für Rufverarbeitung
und Bandbreite, Codierung und Authentifizierung in einer Weise,
welche Einrichtungsfehler toleriert, Fernkommunikation unterstützt und
Schlüssel
für alle
Kommunikationseinheiten ohne unangemessene Speicherlast an lokalen Stellen
speichert.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf für
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer sicheren
Infrastruktur für
ein Kommunikationssystem, welches kabellose Schnittstellencodierung
verwendet und Codierungsschlüssel
und Anwender erzeugt, verteilt und authentifiziert, ohne eine unangemessene
Last für
die Rufverarbeitung, Bandbreite, Sicherheit und Speicherung zu verursachen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines sicheren Kommunikationssystems in Übereinstimmung
mit der Erfindung;
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches Schlüssel-Verteilungspools
in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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3 und 4 sind
Blockdiagramme, welche Schlüssel-Speicherung
innerhalb eines Kommunikationssystems in Übereinstimmung mit der Erfindung
zeigen;
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5 ist
ein Diagramm, welches Schlüsselspeicherung
und Authentifizierungs-Informationsverteilung innerhalb eines Kommunikationssystems
in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, welches Authentifizierungs-Informationsspeicherung
und Authentifizierungs-Entscheindungstreffung innerhalb eines Kommunikationssystems
in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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7 ist
ein Diagramm, welches Authentifizierung einer Mobilstation durch
ein Authentifizierungszentrum in Übereinstimmung mit dem TETRA-Standard
zeigt;
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8 ist
ein Diagramm, welches Authentifizierung eines Authentifizierungszentrums
durch eine Mobilstation in Übereinstimmung
mit dem TETRA-Standard zeigt;
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9 ist
ein Diagramm, welches Schlüsselspeicherung
und Authentifizierungs-Informationsverteilung zwischen einem Kommunikationssystem
und einer Mobilstation in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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10 ist
ein Diagramm, welches einen Schlüsselzug
innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems
zeigt;
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11 ist
ein Diagramm, welches einen Schlüsselschub
innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems
zeigt;
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12 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines statischen Codierungsschlüssels an
eine Basisstation innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zeigt;
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13 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines statischen Codierungsschlüssels an
eine Mobilstation innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zeigt;
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14 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines gemeinsamen Codierungsschlüssels an
eine Mobilstation und eine Basisstation innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems
zeigt;
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15 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines Gruppen-Codierungsschlüssels an
eine Basisstation innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zeigt;
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16 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines Gruppen-Codierungsschlüssels an
eine Mobilstation innerhalb eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zeigt;
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17 ist
ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren der Schlüsselerhaltung
an einer Position in einem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem zeigt.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Nachfolgend
wird eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Breitstellung einer sicheren
Infrastruktur für
ein Kommunikationssystem beschrieben, welches eine kabellose Schnittstellencodierung
verwendet und Codierungsschlüssel
und Anwender erzeugt, verteilt und authentifiziert, ohne eine unangemessene
Last für die
Rufverarbeitung, Bandbreite, Sicherheit und Speicherung zu verursachen.
Systemvorrichtungen werden in Gruppen oder Pools aufgeteilt, und
Codierungsschlüssel
werden definiert, um die sichere Übertragung von Schlüsselmaterial
zwischen den Systemvorrichtungen zu liefern.
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Ein
Blockdiagramm eines sicheren Kommunikationssystems, welches sich
aus einer Vielzahl von Zonen zusammensetzt, ist in 1 gezeigt.
Das sichere Kommunikationssystem besteht aus einer Vielzahl von Systemvorrichtungen,
welche die Infrastruktur des Systems einschließen. Eine KMF (Key Management
Facility, Schlüsselverwaltungseinrichtung) 101 überträgt Sicherheitsdaten,
wie beispielsweise Sitzungs-Authentifizierungsinformationen und
Codierungsschlüssel,
an einen UCS (User Configuration Server, Anwenderkonfigurationsserver) 103,
welcher die Informationen und Daten an die entsprechende Zone basierend
auf Kommunikationsdaten innerhalb des UCS 103 überträgt. Kommunikationen
für eine
erste Zone werden durch eine Vielzahl von Systemvorrichtungen bereitgestellt,
einschließlich
eines ZM (Zone Manager, Zonenverwalter) 105, einer ZC (Zone
Controller, Zonenregelung) 107, welche ein HLR (Home Location
Register, Heimpositionsregister) 109 und ein VLR (Visited/Visitor/Visitors' Location Register,
Aufenthaltsregister) 111 aufweist, eines ATR (Air Traffic
Router, Luftverkehrsrouter) 113 sowie einer Vielzahl von
BSs (Base Stations, Basisstationen) 115 und 117,
welche an einer Vielzahl von Kommunikationsstellen innerhalb der
ersten Zone angeordnet sind.
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Kommunikationen
für eine
zweite Zone sind durch eine Vielzahl von Systemvorrichtungen einschließlich eines
ZM 119, einer ZC 121, welche ein HLR 123 und
ein VLR 125 einschließt,
eines ATR 127 und einer Vielzahl von BSs 129 und 131 bereitgestellt,
welche an einer Vielzahl von Kommunikationsstellen innerhalb der
zweiten Zone angeordnet sind. Die BSs 115, 117, 129 und 131 kommunizieren
mit einer Vielzahl von Mobilstationen (s. 4). Die
ZCs 107 und 121 kommunizieren über ein Netzwerk 133,
wie beispielsweise ein lokales Netz oder ein globales Netz, wie
beispielsweise ein IP-Netz (IP = Internet Protocol, Internetprotokoll). Nur
zwei Zonen und ihre zugeordneten Systemvorrichtungen sind aus Gründen der
Einfachheit gezeigt, obgleich eine beliebige Anzahl von Zonen erfolgreich
in das sichere Kommunikationssystem eingebaut werden kann.
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Aus
Gründen
der Einfachheit werden nicht alle Systemvorrichtungen in jeder Zeichnung
gezeigt, sondern vielmehr wird ein repräsentativer Satz von Systemvorrichtungen
bereitgestellt, welcher ein bestimmtes Konzept darstellt. Auf ähnliche
Weise ist aus Platzgründen
nicht das gesamte Schlüsselmaterial
gezeigt, welches in jeder Systemvorrichtung gespeichert ist. Jede
Nachricht, welche einen Schlüssel,
Schlüsselmaterial, Konfigurations-
oder andere Informationen enthält,
wird mit einer zugehörigen
ID (Identity, Identität) übertragen,
wie beispielsweise ITSI oder GTSI, obgleich die ID im Allgemeinen
in den Zeichnungen aus Platzgründen nicht
gezeigt ist.
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Die
KMF 101 ist eine sichere Einheit, welche den Authentifizierungsschlüssel (K)
für jede
MS (Mobile Station, Mobilstation) oder Kommunikationseinheit speichert,
wie beispielsweise ein tragbares oder mobiles Zweiwege-Funkgerät, einen
DMO-Gateway (DMO = Direct Mode Operation, Direktbetriebsweise),
Empfänger, Scanner
oder Transmitter (s. bspw. Vorrichtungen 401, 403 und 405 in 4).
Die KMF 101 stellt einen RS (Random Seed, zufälliger Seed)
sowie zugehörige
KS/KS' (Session
Authentication Keys, Sitzungs-Authentifizierungsschlüssel) für jede dem
sicheren Kommunikationssystem zugehörige Mobilstation bereit. Die
KMF 101 importiert/erzeugt auch unterschiedliche kabellose
Schnittstellenschlüssel,
wie beispielsweise SCK (Static Cipher Key, Statischer Codierungsschlüssel), GCK
(Group Cipher Key, Gruppencodierungsschlüssel) und CCK (Common Cipher
Key, gemeinsamer Codierungsschlüssel)
zur Verteilung in dem System. Die KMF 101 fungiert als
AuC (Authentification Center, Authentifizierungszentrum), wie im
TETRA-Standard bezeichnet, im System. Typischerweise liegt nur ein
KMF-Server pro System vor, obgleich einer oder mehrere KMF-Clients pro
System vorliegen können.
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Der
UCS 103 ist ein einzelner Eingangspunkt für die Konfigurationsdaten
in das System. In der bevorzugten Ausführungsform speichert der UCS 103 Sitzungs-Authentifizierungsinformationen,
wie beispielsweise RS, KS und KS',
und verteilt diese an die geeignete Heimzone im System. Der UCS 103 fungiert
als Nicht-Echtzeit-Verteilungspunkt
für Sitzungs-Authentifizierungsinformationen
im System.
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Der
ZM 105 oder 119 ist eine Verwaltungsdatenbank
für eine
Zone. In der bevorzugten Ausführungsform
speichert der ZM 105 oder 119 Sitzungs-Authentifizierungsinformationen,
wie beispielsweise RS, KS und KS',
für die
durch den jeweiligen ZM 105 oder 119 verwaltete
Zone. Der ZM fungiert als Nicht-Echtzeit-Speichereinrichtung für Authentifizierungsinformationen
in der Zone.
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Die
ZC 107 oder 121 führt Echtzeit-Authentifizierung
für die
Mobilstationen in ihrer Zone durch. Die ZC verwendet die Sitzungs-Authentifizierungsinformationen,
wie beispielsweise RS, KS und KS',
zur Durchführung
von Echtzeit-Authentifizierung. Das HLR 109 oder 123 speichert
Sitzungs-Authentifizierungsinformationen für jede MS, welche das HLR 109 bzw. 123 zum
Heim hat. Das VLR 111 oder 125 speichert Sitzungs-Authentifizierungsinformationen
für jede
MS, welche die Zone des VLR 111 bzw. 125 besucht.
Die ZC 107 oder 121 führt eine Echtzeit-Verteilung
der Sitzungs-Authentifizierungsinformationen ihrer Heim-Mobilstationen durch,
wenn die MS außerhalb
ihrer Heimzone arbeitet. In der bevorzugten Ausführungsform bilden ein HLR 109 oder 123 und ein
VLR 111 oder 125 einen Teil jeder Zonenregelung
und arbeiten für
dieselbe Zone, für welche
die Zonenregelung zugeordnet ist. Das HLR 109 oder 123 und
das VLR 111 oder 125 können Teil anderer Systemvorrichtungen
sein oder können
eigenständige
Vorrichtungen sein. Der DCK (Derived Cipher Key, abgeleiteter Codierungsschlüssel) wird
während
der Authentifizierung erzeugt. Die ZC 107 oder 121 erzeugt
und verteilt den DCK für
die MS an die BSs 115, 117, 129 und 131,
welche den DCK für
sichere Kommunikationen benötigen.
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Der
ATR 113 oder 127 ist der Durchgang, welcher durch
die KMF 101 verwendet wird, um Neuverschlüsselungsnachrichten
oder Schlüsselaktualisierungen
an eine MS zu senden, wie beispielsweise SCK und GCK. Die KMF 101 sendet
Schlüsselaktualisierungen
für Mobilstationen
an den Heimzonen-ATR 113 oder 127 zur Verteilung.
Alle ACKs (Acknowledgements, Bestätigungen) zur Neuverschlüsselung,
egal ob sie aus der Infrastruktur oder der MS stammen, passieren
den ATR 113 oder 127 zur KMF 101.
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Jede
BS 115, 117, 129 und 131 empfängt und überträgt Authentifizierungsnachrichten über die
kabellose Schnittstelle. Jede BS 115, 117, 129 und 131 agiert
als Transmitter für
ihre zugehörige
ZC 107 oder 121 und als Empfänger für die MS im System. Die BS 115, 117, 129 oder 131 verwendet
den DCK zur kabellosen Schnittstellencodierung mit der MS. Die BSs 115, 117, 129 und 131 sind
verantwortlich für
die Sendung von Schlüsselmaterial
an die MSs 401, 403, 405 und 407.
Das Ergebnis einiger dieser Operationen (SCK, GCK) wird zurück an die
KMF 101 gesendet. Da jede Basisposition sich im Wesentlichen
aus einer oder mehreren Basisstationen zusammensetzt, werden die
Begriffe Basisposition (oder Position) und Basisstation hierin austauschbar
verwendet wobei für
beide die Abkürzung
BS verwendet wird. In der bevorzugten Ausführungsform verbindet eine TSC
(TETRA Site Controller, TETRA-Positionsregelung) alle Basisstationen
an einer Position, speichert Schlüsselmaterial und verteilt Schlüsselmaterial
an die Basisstationen je nach Bedarf, wodurch Schlüssel allen
Basisstationen an einer Position zur Verfügung gestellt werden.
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Wenn
somit ein Schlüssel
an einer Basisstation oder einer Basisposition als gespeichert gilt,
so liefert in der bevorzugten Ausführungsform die TSC tatsächlich Speicherung
für die
Basisstation für
Schlüsselmaterial.
Da Schlüsselspeicherung
und Verteilung und andere Funktionen im Zusammenhang mit Schlüsseln in
einer Basisposition, Basisstation oder TSC, durchgeführt werden
können,
werden diese Begriffe für
die Zwecke dieses Dokuments als austauschbar betrachtet.
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Die
MS authentifiziert das System und/oder wird durch das System mit
Hilfe eines Abfrage-Erwiderungsprotokolls authentifiziert. Jede
MS verfügt über ihren
eigenen Schlüssel
K zur Verwendung während
der Authentifizierung. Jede MS wird einem HLR zugewiesen, welches
typischerweise gleich bleibt. Jede MS ist ebenfalls einem VLR in
der Zone zugehörig,
in welcher die MS sich gegenwärtig
befindet. Eine MS wird nicht in einem System registriert, ehe die
MS aktiv ist und die Authentifizierung durchlaufen hat.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches Schlüssel-Verteilungspools
zeigt. Die Verwendung eines einzelnen KEK (Key Encryption Key, Schlüssel-Codierungsschlüssel) zur
Codierung von Schlüsseln
für systemweite Verteilung
ist eine angemessene Wahl, obgleich ein einzelner KEK zu einer verschlechterten
Sicherheit aufgrund der größeren Wahrscheinlichkeit
führen
würde,
dass der KEK infrage gestellt würde
und der sich ergebende Kompromiss das gesamte System betreffen würde. Die
Verwendung eines anderen KEK für
jede Systemvorrichtung wäre
sicherer, würde
jedoch die Speicherung innerhalb von Systemvorrichtung belasten
und unnötige
Verzögerungen
zur Rufverarbeitung hinzufügen. 2 zeigt
ein System zur Verwendung von KEKs, welches sicherer ist als ein
einzelner systemweiter Schlüssel,
jedoch nicht so belastend wie ein anderer KEK für jede Systemvorrichtung. Zwei
Arten von KEKs werden zugewiesen, um Schlüsselmaterial (wie beispielsweise
kabellose Schnittstellenschlüssel,
Sitzungs-Authentifizierungsinformationen, Daten zur Erzeugung von Codierungsschlüsseln und
anderes Material im Zusammenhang mit Schlüsseln) vertraulich an die Systemvorrichtungen
der Infrastruktur eines Systems zu ver teilen: interne Schlüssel und
Zwischenschlüssel.
KEKs weisen in der bevorzugte Ausführungsform 80 Bit auf.
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Die
erste Art von KEK ist ein interner Schlüssel, auch als interner Poolschlüssel oder
interner Zonenschlüssel,
KEKZ, bezeichnet. Die Systemvorrichtungen
sind in Pools oder Gruppen 201, 203, 205 und 207 aufgeteilt.
Jedem Pool wird sein eigener einmaliger interner Schlüssel KEKZ zugewiesen. In der bevorzugten Ausführungsform
entspricht jeder Vorrichtungspool einer Zone in dem Kommunikationssystem,
und jeder Pool weist eine gegenseitig exklusive Sammlung von Systemvorrichtungen
auf, d.h. jede Systemvorrichtung gehört nur zu einem Pool. Der erste
Pool 201 verwendet KEKZ1 zur Codierung
von Schlüsselmaterial,
wie beispielsweise Codierungsschlüssel und/oder Sitzungs-Authentifizierungsinformationen,
zur Übertragung
innerhalb des ersten Pools (oder der ersten Zone in der bevorzugten
Ausführungsform)
und weist die erste Zonenregelung ZC1 107 und ihre zugehörigen BSs 115, 117 und 211 auf.
Der zweite Pool 203 verwendet KEKZ2 zur
Codierung von Schlüsselmaterial
zur Übertragung
innerhalb des zweiten Pools (oder der zweiten Zone in der bevorzugten
Ausführungsform)
und weist die zweite Zonenregelung ZC2 121 und ihre zugehörigen BSs 129, 131 und 213 auf.
Der dritte Pool 205 verwendet KEKZ3 zur
Codierung von Schlüsselmaterial
zur Übertragung
innerhalb des dritten Pools (oder der dritten Zone in der bevorzugten
Ausführungsform)
und weist die dritte Zonenregelung ZC3 223 und ihre zugehörigen BSs 225, 227 und 229 auf.
Der vierte Pool 207 verwendet KEKZ4 zur
Codierung von Schlüsselmaterial
zur Übertragung
innerhalb des vierten Pools (oder der vierten Zone in der bevorzugten
Ausführungsform)
und weist die vierte Zonenregelung ZC4 215 und ihre zugehörigen BSs 217, 219 und 221 auf.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird der interne Schlüssel
durch eine Zonenregelung verwendet, um Schlüsselmaterial an Basispositionen/Basisstationen
innerhalb ihrer Zone zu verteilen. KEKZ wird
auch durch die KMF 101 zur Verteilung des SCK verwendet.
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Die
zweite Art von KEK ist ein Zwischenschlüssel, KEKM,
welcher auch als Zwischenpoolschlüssel oder Zwischenzonenschlüssel bezeichnet
wird. Der Zwischenschlüssel
wird zur Codierung von Schlüsselmaterial
verwendet, welches zwischen Pools oder Zonen in der bevorzugten
Ausführungsform
gesendet wird, oder aber innerhalb einer bestimmten Gruppe 209 von
Systemvorrichtungen, insbesondere von der KMF 101. In der
bevorzugten Ausführungsform
wird der Zwischenschlüssel
durch die KMF 101 verwendet, um den GCK und individuelle
Authentifizierungsinformationen an die Infrastruktur zu verteilen.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird der Zwischenschlüssel
in einer Systemvorrichtung in jeder Zone gespeichert, in jeder Zonenregelung 107 und 121,
und wird ebenfalls in der KMF 101 gespeichert. Die zwischen
der KMF 101 und den Zonenregelungen 107, 121, 215 und 223 gezeigten
Verbindungen sind virtuelle Verbindungen in der bevorzugten Ausführungsform,
dahingehend dass andere Vorrichtungen, wie beispielsweise der UCS 103 und
die ZMs 105 und 119 physikalisch zwischen der
KMF 101 und den Zonenregelungen 107, 121, 215 und 223 angeordnet sind.
Der UCS 103 und die ZMs 105 und 119 leiten
codierte Schlüsselinformationen
auf transparente Weise zwischen der KMF 101 und den Zonenregelungen 107, 121, 215 und 223,
d.h. der UCS 103 und die ZMs 105 und 119 decodieren
oder codieren die Informationen nicht, somit ist keine Speicherung
eines KEK an dem UCS 103 und den ZMs 105 und 119 erforderlich,
obgleich Schlüsselmaterial
in codierter Form am UCS 103 und den ZMs 105 und 119 gespeichert
sein kann.
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Bevorzugt
wird eine Nachricht entweder durch einen internen Schlüssel oder
einen Zwischenschlüssel codiert,
typischerweise mit Hilfe von TA31 (decodiert mit Hilfe von TA32),
basierend auf einer Systemvorrichtung, an welche die Nachricht weitergeleitet
wird. Wenn beispielsweise die Nachricht für eine Systemvorrichtung in
einer anderen Zone als der Zone gedacht ist, welche die Sendevorrichtung
enthält,
wird der Zwischenschlüssel
verwendet. Wenn die Nachricht für
eine Systemvorrichtung in derselben Zone gedacht ist wie die Zone,
welche die Sendevorrichtung enthält,
wird der interne Schlüssel
verwendet. In der bevorzugten Aus führungsform verwendet, wenn
die KMF 101 Schlüsselmaterial,
wie beispielsweise SCK, CCK, SAI und GCK, beispielsweise mit dem
Zwischenschlüssel
oder dem internen Schlüssel
codiert, die KMF 101 TA31.
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Von
Zeit zu Zeit wird beispielsweise Schlüsselmaterial vom HLR zu einem
VLR und dann zu Basispositionen innerhalb der Zone des VLR verteilt.
In diesem Fall wird das Schlüsselmaterial
durch KEKM codiert und transparent vom HLR
zum VLR transportiert. Das Ziel-VLR decodiert das Schlüsselmaterial
mit Hilfe seines KEKM und codiert es erneut
mit dem KEKZ der Zone zur Verteilung an
Positionen innerhalb der Zone.
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Jede
Systemvorrichtung, welche einen Infrastruktur-KEK enthält, weist
ihren eigenen einmaligen Infrastruktur- oder Schutzschlüssel, KI,
in der bevorzugten Ausführungsform
auf. Der Schutzschlüssel
wird nur zur Codierung/Decodierung von KEKs verwendet, welche durch
die KMF 101 an die Infrastruktur-Systemvorrichtungen gesendet
wurden. Bevorzugt kann der KI nur durch eine Schlüsselvariablen-Ladevorrichtung
geladen werden und kann nicht mit Hilfe eines OTAR-Betriebs (OTAR
= Over-the-Air Rekey, kabellose Neuverschlüsselung) aktualisiert werden.
Zusätzlich
zur Verteilung durch die KMF 101 können die KEKs auch manuell mit
einer Schlüsselvariablen-Ladevorrichtung
versehen werden. Der KI ist in der bevorzugten Ausführungsform
128 Bit lang.
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Wie
in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt, wird KEKM lediglich
durch die Zonenregelungsvorrichtungen 107 und 121 sowie
die KMF 101 gespeichert. Der interne Schlüssel KEKZ wird lediglich durch die KMF 101,
Basisstationen/-positionen und Zonenregelvorrichtungen 107 und 121 innerhalb
jeder Zone gehalten. Jede Zone weist einen einmaligen KEKZ auf. Jede Systemvorrichtung weist ihren
eigenen KI auf.
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Die
Verwendung von internen Schlüsseln
und Zwischenschlüsseln
trifft einen einmaligen Kompromiss zwischen Sicherheit und Komplexität der Schlüsselverwaltung
sowie der Geschwindigkeit der Rufverarbeitung. Die KMF 101 muss
lediglich einen Zwischenschlüssel
plus einen internen Schlüssel
für jeden
Pool oder jede Zone in dem System behalten. Wird ein KEKZ infrage gestellt, so ist die Auswirkung
und Erwiderung auf diese Zone beschränkt, anstatt auf das gesamte
System überzugreifen,
und der KI bleibt intakt, um einen neuen KEKZ an
diese Zone zu verteilen. KEKM wird nur an
der KMF 101 sowie dem HLR 109 und 123 und
dem VLR 111 und 125 in jeder Zone gespeichert,
welche Vorrichtungen typischerweise physikalischer vor einem Angriff geschützt sind.
Wird KEKM infrage gestellt, so ändert die
KMF 101 KEKM in den ZCs 107 und 121,
wobei die Positionen nicht betroffen sind.
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Fünf grundlegende
Arten von Schnittstellenschlüsseln
werden zur Codierung von kabellosem Schnittstellenverkehr in dem
sicheren Kommunikationssystem verwendet: SCK (Static Cipher Key,
statischer Codierungsschlüssel),
CCK (Common Cipher Key, gemeinsamer Codierungsschlüssel), GCK
(Group Cipher Key, Gruppencodierungsschlüssel), DCK (Derived Cipher
Key, abgeleiteter Codierungsschlüssel)
und MGCK (Modified Group Cipher Key, modifizierter Gruppencodierungsschlüssel). Drei
grundlegende Arten von Schlüsseln werden
zwischen den Systemvorrichtungen verwendet: KI (Infrastructure Key,
Infrastrukturschlüssel),
auch als Schutzschlüssel
bekannt, Zwischenzonen- oder Zwischenpool-Schlüsselcodierungsschlüssel, auch
als KEKM oder Zwischenschlüssel bekannt,
und interner Zonen- oder interner Pool-Schlüsselcodierungsschlüssel, auch als
KEKZ oder interner Schüssel bekannt.
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Der
SCK ist der grundlegendste der kabellosen Schnittstellenschlüssel und
wird zur Codierung von eingehender (MS an Infrastruktur) und ausgehender
(Infrastruktur an MS) Information verwendet, wenn Authentifizierung
und/oder dynamische kabellose Schnittstellencodierung nicht verfügbar ist.
Somit weist die Erzeugung und Verteilung dieses Schlüssels keinen
Bezug zur Authentifizierung auf.
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Der
DCK ist ein Sitzungsschlüssel,
welcher innerhalb der Authentifizierungsprozedur abgeleitet wird. Der
DCK ändert
sich jedes Mal, wenn eine Authentifizierung mit der MS und der Infrastruktur
durchgeführt
wird, auch als SwMI im TETRA-Standard bezeichnet. Der DCK wird für eingehende
Verkehrscodierung verwendet. Der DCK wird auch für ausgehenden individuell adressierten
Verkehr an die MS verwendet. Der DCK wird bei Verwendung eines dynamischen
kabellosen Schnittstellen-Codierungsbetriebs im TETRA-Standard Sicherheitsklasse
3 verwendet.
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Dieser
CCK ist ein Gruppenschlüssel
in dem Sinne, dass eine Vielzahl von MSs denselben CCK aufweisen.
Anders als GCK weist der CCK jedoch keinen Bezug zu einer bestimmten
TG (Talk Group, Sprachgruppe) auf. Der CCK ist geographisch bestimmt,
d.h. der CCK dient allen Einheiten innerhalb eines bestimmten Positionsgebiets.
Das Positionsgebiet gemäß Definition
im TETRA-Standard kann so klein sein wie eine Position oder so groß wie ein
gesamtes System. Jede Einheit innerhalb eines Positionsgebiets verwendet
denselben CCK. Gruppenkommunikationen in ausgehende Richtung verwenden
CCK, wenn für
diesen Gruppenanruf kein GCK/MGCK zur Verfügung steht. Der CCK wird nur
für die
Codierung von ausgehendem Gruppenverkehr und Identitäten verwendet.
Eingehende Identitäten
werden mit dem CCK codiert, wenn der DCK verwendet wird.
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Indirekt
wird der GCK zur Codierung von ausgehenden Sprachgruppen-Anrufen
verwendet. In der bevorzugten Ausführungsform ist ein GCK für jede Sprachgruppe
in dem System definiert. Tatsächlich
wird der GCK nur indirekt zur Codierung von Verkehrsinfor mationen
verwendet; der MGCK, welcher eine Ableitung des GCK ist, wird direkt
zur Verkehrscodierung verwendet. Der GCK wird niemals zur tatsächlichen
Codierung von Verkehr verwendet, da er als langfristiger Schlüssel betrachtet
wird.
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Der
MGCK wird zur Codierung von ausgehendem Sprachgruppen-Rufverkehr
verwendet. Der MGCK wird durch Kombination des GCK und CCK gebildet.
Jeder GCK weist einen entsprechenden MGCK auf, welcher für ein Positionsgebiet
definiert ist.
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Jedes
Infrastrukturelement weist einen Infrastruktur- oder Schutzschlüssel KI
auf, welcher als Codierungsschlüssel
für alle
Infrastrukturschlüsselcodierungs-Schlüsselaktualisierungen
verwendet wird. KI ähnelt in
seiner Funktion dem Authentifizierungsschlüssel K in einer Mobilstation.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird KI nur durch eine Bedingungsvorrichtung, wie beispielsweise
eine Schlüsselvariablen-Ladevorrichtung,
aktualisiert. In der bevorzugten Ausführungsform können Infrastruktur-KEK-Aktualisierungen
nicht ohne diesen Schlüssel
durchgeführt
werden.
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Jede
Zonenregelungsvorrichtung weist einen Zwischenschlüssel, KEKM, auf, welcher auch als Zwischenzonen- oder
Zwischenpool-Schlüssel bezeichnet
wird und zur Codierung allen Schlüsselverkehrs verwendet wird,
welcher zwischen der KMF und jeder Zone hin- und hergeleitet wird.
KEKM wird auch durch die Zonenregelungsvorrichtung
verwendet, um GCK, CCK und DCK sowie Sitzungs-Authentifizierungsinformationen
zwischen Zonen hin- und herzuleiten. In der bevorzugten Ausführungsform
liegt ein KEKM in der KMF und jeder der
Zonenregelungsvorrichtungen in jedem System vor.
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Jede
Zone weist ihren eigenen internen Schlüssel, KEKZ,
auf, auch als interner Zonen- oder interner Poolschlüssel bezeichnet.
Der interne Schlüssel
wird zur Codierung allen Schlüsselverkehrs
innerhalb der Zone, zwischen der Zonenregelungsvorrichtung und jeder
der Positionen innerhalb der Zonen verwendet. Jede Basis position
und Zonenregelungsvorrichtung weist denselben KEKZ in
einer Zone auf. Die KMF speichert den KEKZ für jede Zone
in dem System.
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Ein
Verfahren der vorliegenden Erfindung richtet eine erwartete Lebensdauer,
oder ein Neuverschlüsselungsintervall,
für einen
Codierungsschlüssel
ein. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt beispielhafte Neuverschlüsselungsintervalle
für jeden
in dem sicheren Kommunikationssystem gespeicherten Schlüssel. Wenn
die erwartete Lebensdauer für
einen Codierungsschlüssel
abläuft,
d.h. wenn das Neuverschlüsselungsintervall auftritt,
wird der Codierungsschlüssel
ersetzt.
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Eine
Reihe von Speicherpositionen für
jede Art von Systemvorrichtung innerhalb eines Kommunikationssystems
wird bestimmt. Beispielsweise eine KMF 101, ein UCS 103,
ein ZM 105 oder 119 pro Zone, eine Zonenregelungsvorrichtung 107 oder 121 pro
Zone, ein HLR 109 oder 123 pro Zone, ein VLR 111 oder 125 pro
Zone und eine Reihe von Positionen und entsprechenden Basisstationen
pro Position in Abhängigkeit
von den Anforderungen für
jede Zone. Basierend auf der erwarteten Lebensdauer für jeden
Codierungsschlüssel und
der Anzahl von Speicherpositionen für jede Systemvorrichtung wird
eine Art von Systemvorrichtung zur Speicherung jedes Codierungsschlüssels zugewiesen,
und die Codierungsschlüssel
werden in der Systemvorrichtung der zugewiesenen Art gespeichert.
Beispielsweise werden abgeleitete Codierungsschlüssel in Basisstationen und
im HLR/VLR gespeichert, gemeinsame Codierungsschlüssel werden
in Basisstationen gespeichert, modifizierte Gruppencodierungsschlüssel werden
in Basisstationen gespeichert und Gruppencodierungsschlüssel werden
in HLRs und VLRs gespeichert.
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Tabelle
2 zeigt das Ziel (Anwender) jedes Schlüssels und das Neuverschlüsselungsintervall,
d.h. die Zeit zwischen Änderungen
oder Aktualisierungen des jeweiligen Schlüssels in einer bevorzugten
Ausführungsform.
Beispielsweise wird der MGCK, welcher eine Kombination aus CCK und
GCK darstellt, immer dann aktuali siert, wenn der CCK geändert wird,
und immer dann, wenn der GCK geändert
wird. Tabelle 2 kann durch den KMF-Betreiber geändert werden.
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PC-
oder personalcomputerbasierte Softwareprogramme liegen vor, welche
sowohl Mobilstationen als auch Infrastruktur-Systemvorrichtungen
mit Schlüsseln
versorgen. Ein sichereres Verfahren verwendet die Kapazitäten der
KVL (Key Variable Loader, Schlüsselvariablenladevorrichtung,
oder kurz Schlüsselladevorrichtung)
zum Laden von Schlüsseln
in die Infrastrukturvorrichtungen sowie die MS. Die KVL weist eine
hardwarebasierte Codierungsvorrichtung zur Sicherung von innerhalb
der Vorrichtung gespeicherten Schlüsseln auf. Die KVL kann Schlüssel direkt
von der KMF erhalten, wobei sie als ein Speicher und Weiterleitungsagent agiert,
um die Schlüsselcodierungsschlüssel an
die unterschiedlichen Vorrichtungen zu verteilen.
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Obgleich
eine KVL ein sehr sicherer Weg ist, Schlüssel bereitzustellen, ist es
ein sehr zeitintensives Verfahren, eine oder mehrere KVLs zu verwenden,
um Schlüssel
an jeder Systemvorrichtung und MS zur Verfügung zu stellen. Ein Verfahren
der Schlüsselverwaltung
ist zur Speicherung und Verteilung der KEKs und anderen Schlüsselmaterials
an Systemvorrichtungen nötig,
wie beispielsweise ZCs und Basispositionen.
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Die
KMF 101 ist verantwortlich für die Erzeugung, Schlüsselverteilung
und Nachspürung
der meisten der kabellosen Schnittstellenschlüssel (nicht DCK oder MGCK)
in dem System. Die Basispositionen 115 und 117 sowie
jede ZC 107 dienen als Stellvertreter für die KMF 101 für die Schlüsselverteilung.
Die KMF 101 verteilt Schlüsselmaterial an die Zonen durch
den UCS 103, die ZMs 105 und 119 und/oder
die ATRs 113 und 127, je nachdem welcher Schlüssel verteilt
wird. Die KMF 101 verarbeitet Bestätigungsinformationen von dem ATR 113 und 127,
um eine Aktualität
der Systemvorrichtungen und MSs 401, 403, 405 und 407 aufrechtzuerhalten. 3 und 4 zeigen
Schlüsselmaterialspeicherung
innerhalb des Kommunikationssystems.
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Wie
in 3 gezeigt, speichert die KMF 101 einen
Schutzschlüssel
und zugehörige
KEK(s) für
jede Systemvorrichtung. Die KMF 101 speichert einen Schutz(infrastuktur)schlüssel, einen
Zwischenschlüssel
und einen internen Schlüssel
für jede
ZC. Beispielsweise steht die erste ZC 107 im Zusammenhang
mit den Schlüsseln
KIZC1, KEKM und
KEKZ1. Die KMF 101 speichert diese
Schlüssel
codiert durch einen Hardwareschlüssel,
und die erste ZC 107 speichert K2ZC1 sowie
die codierten KEKM und KEKZ1.
Die KMF 101 speichert einen Schutzschlüssel und internen Schlüssel, wobei
beide durch einen Hardwareschlüssel
geschützt
sind, für jede
BS. Beispielsweise speichern sowohl die KMF 101 als auch
die erste BS 115 den Schutzschlüssel KIBS1 und
den Zwischenschlüssel
KEKZ1. In der bevorzugten Ausführungsform
speichert die KMF 101 Schlüssel, welche durch einen Hardwareschlüssel codiert/geschützt sind.
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Vor
der Verteilung eines KEK in der bevorzugten Ausführungsform codiert die KMF 101 die
KEKs mit dem Schutzschlüssel
KI und durch die Verwendung von Codierungsalgorithmen TA41 und TA51, ähnlich wie der
in 10 gezeigte mit dem Titel "Distribution of SCK to an individual
by an authentication centre" (Verteilung
von SCK an einen einzelnen durch ein Authentifizierungszentrum)
sowie seinen zugehörigen
Text in TETRA; Voice plus Data (V+D); Teil 7: Security, EN 300 392-7
V2.1.1, 2000-12 (hierin als "TETRA-Standard" bezeichnet).
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Die
KMF 101 speichert einen Codierungsvorgang 301,
welcher RSO und die jeweiligen KEK, KEKN und KEK-VN unter Verwendung
von Codierungsalgorithmen TA41 303 und TA51 305 kombiniert,
wobei sich SKEK ergibt, was eine versiegelte Version des KEK ist.
RSO, SKEK, KEKN und KEK-VN werden an die Ziel-Systemvorrichtung
weitergeleitet. Geschweifte Klammern {} gefolgt von einem Schlüsselnamen
zeigen an, dass das Material innerhalb der geschweiften Klammern
mit Hilfe von TA41 und TA51 sowie dem Schlüsselnamen nach den Klammern
erzeugt wurde.
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Beispielsweise
soll KEKZ1 an die erste ZC 107 und
BS1 115 übertragen
werden. RSO, KEKZ1, KEKZ1-VN
und KEKZ1N sowie KIZC1 werden
mit Hilfe der Codierungsalgorithmen TA41 und TA51 codiert, was SKEKZ1 ergibt. Die Schlüsselmaterialien RSO, SKEKZ1, KEKZ1-VN und
KEKZ1N werden transparent durch ZM1 105 an
die erste ZC 107 weitergeleitet, welche dieses Schlüsselmaterial
mit KIZC1 kombiniert, wobei TA41 und TA52
(gemäß Beschreibung
im TETRA-Standard) verwendet werden, was KEKZ1 ergibt,
welcher bei ZC1 107 gespeichert wird. RSO, KEKZ1,
KEKZ1-VN und KEKZ1N
sowie KIBS1 werden mit Hilfe der Codierungsalgorithmen TA41
und TA51 kombiniert, was SKEKZ1 ergibt.
Die Schlüsselmaterialien
RSO, SKEKZ1, KEKZ1-VN
und KEKZ1N werden transparent durch ZM1 105 zur
BS1 115 übertragen,
welche dieses Schlüsselmaterial
mit KIBS1 kombiniert, und zwar mit Hilfe
von TA41 und TA52, was KEKZ1 ergibt, welches
bei BS1 115 gespeichert wird. In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine uncodierte Bestätigung
des erfolgreichen Empfangs jedes Schlüssels an die KMF 101 über den
ATR 113 zurückgesandt.
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Ein
Blockdiagramm, welches die Schlüsselspeicherung
innerhalb eines Kommunikationssystems zeigt, ist in 4 gezeigt.
Insbesondere wird die Speicherung von Sitzungs-Authentifizierungsinformationen im
gesamten Kommunikationssystem gezeigt. In der bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet die Sitzungs-Authentifizierungsinformation einen zufälligen Seed,
RS, sowie zwei Sitzungsschlüssel
KS zur Authentifizierung einer MS, und KS' zur Authentifizierung der Infrastruktur,
für jede
MS 401, 403 und 405 (aufgrund von Platzmangel
sind nur drei gezeigt, obgleich eine Vielzahl von MSs Teil des Systems
bilden). Die SAI (Session Authentication Information, Sitzungs-Authentifizierungsinformationen)
werden zur Erzeugung eines DCK für
jede MS 401 verwendet.
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Für jede Ms 401, 403 und 405 speichert
die KMF 101 eine ITSI (Individual TETRA Subscriber Identity, Individuelle
TETRA-Abonnenten-Identität),
eine TEI (TETRA Equipment Identity, TETRA-Einrichtungsidentität) und einen
MS-Authentifizierungsschlüssel
("MS-Schlüssel"), welcher einmalig
ist und innerhalb jeder MS 401, 403 und 405 gespeichert
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
werden die kabellosen Schnittstellenschlüssel und die MS-Schlüssel in
hardwarecodierter Weise mit Hilfe eines Hardwareschlüssels KH innerhalb der KMF 101 gespeichert.
Der DVI-XL-Algorithmus, welcher von Motorola Inc. angeboten wird,
wird zur Codierung der Schlüssel
zur Speicherung in der KMF 101 in der bevorzugten Ausführungsform
verwendet. Eckige Klammern [] gefolgt von einem Schlüsselnamen
zeigen an, dass das Material innerhalb der eckigen Klammern durch
diesen Schlüssel
codiert wurde.
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Die
KMF 101 erzeugt SAI für
jede MS 401, 403 und 405, welche SAI
wenigstens teilweise codiert ist und in Nicht-Echtzeit an den UCS 103 zur
Speicherung weitergeleitet wird. Für jede MS 401, 403 und 405 speichert
der UCS 103 die ITSI, TEI und ID des HLR im Zusammenhang
mit jeder MS, sowie die SAI. In der bevorzugten Ausführungsform
werden KS und KS' codiert
durch den Zwischen schlüssel
(wie von der KMF 101 empfangen) am UCS 103 für schnellen
und einfachen Transport gespeichert, und der RS wird uncodiert gespeichert.
Der UCS 103 ist in der bevorzugten Ausführungsform eine transparente
Vorrichtung, somit führt
er keine Codierungs- oder Decodierungsfunktionen durch. Zur Eliminierung
eines potentiellen Doppeleintrags von Informationen empfängt die
KMF 101 Konfigurationsinformationen vom UCS 103.
Beispiele für
Konfigurationen sind: ITSI, GTSI (Group TETRA Subscriber Identity,
Gruppen-TETRA-Abonnenten-Identität),
Heimzone und Zonenverwaltungen. Die KMF verwendet eine Nachschlagetabelle,
wie beispielsweise einen DNS-Nachschlagetabelle (DNS = Domain Name
Server, Domainnamen-Server), um die Adressen des ATR 113 und 127 zu
erhalten. Die Verteilung jeder der unterschiedlichen Schlüsselarten
weist unterschiedliche Konfigurationsanforderungen auf, wie hierin
beschrieben.
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Der
UCS 103 leitet die geeigneten SAI an jeden ZM 105 in
Nicht-Echtzeit weiter,
und zwar basierend auf der HLR-ID im Zusammenhang mit jeder MS 401.
Der ZM 105 ist, wie auch der UCS 103, eine transparente Vorrichtung
und führt
keine Codierungs- oder Decodierungsfunktionen durch. Der ZM 105 speichert
für jede MS
mit dem HLR 109 als Heimatposition ITSI, TEI und SAI. In
der bevorzugten Ausführungsform
werden KS und KS' codiert
durch den Zwischenschlüssel
(wie vom UCS 103 empfangen) am ZM 105 oder 119 für einen schnellen
und einfachen Transport gespeichert, und der RS wird uncodiert gespeichert.
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Der
ZM 105 leitet die SAI an das HLR 109 in Nicht-Echtzeit
weiter. Das HLR 109 speichert eine ITSI und die SAI für jede MS 401, 403 und 405.
In der bevorzugten Ausführungsform
werden KS und KS' codiert durch
den Zwischenschlüssel
(wie vom ZM 103 empfangen) am HLR 109 gespeichert,
und der RS wird uncodiert gespeichert. In der bevorzugten Ausführungsform
werden RS, KS und KS' uncodiert
am VLR 111 für
eine schnellere Authentifizierung gespeichert. In einer alternativen
Ausführungsform
können
KS und KS' uncodiert am
HLR 109 für
eine schnellere Authentifizierung gespeichert werden.
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Wenn
eine MS 401 an der Zone authentifiziert wird, wird ein
neuer DCK für
die MS 401 durch das VLR 111 an der ZC 107 aus
der SAI in Echtzeit erzeugt, nachdem jede beliebige codierte SAI
aufgrund der Übertragung
der SAI von dem HLR 109 decodiert wurde. (ITSI, SAI und
vorheriger DCK im Zusammenhang mit dieser MS 401 werden
an das VLR 111 in Echtzeit weitergeleitet, ehe der neue
DCK erzeugt wird.) ITSI, SAI und der neue DCK werden an das HLR 109 in
Echtzeit zur Speicherung weitergeleitet. In der bevorzugten Ausführungsform
kommen ITSI, SAI und DCK vom HLR für die MS 401, somit
kann diese Information aus einer anderen Zone kommen, falls die
MS 401 nicht das HLR 109 als sein Heim verwendet.
Wenn SAI/DCK aus einer anderen Zone kommen, codiert/decodiert diese
Zone die Information, wie nötig,
mit dem Zwischenschlüssel
zum Transport in die entsprechende Zone, wodurch auch eine geeignete
Codierung/Decodierung innerhalb der Zone geliefert wird. Der DCK
wird codiert durch den internen Schlüssel KEKZ für die Zone,
in welcher er gespeichert wird, für einen einfachen und schnellen
Transport zur lokalen BS 115 oder 117 gespeichert.
In dem in 4 gezeigten Beispiel wird jeder
DCK codiert durch KEKZ1 gespeichert. In
der bevorzugten Ausführungsform
werden KS und KS' stets
mit dem Zwischenschlüssel
KEKM für
einen schnellen und einfachen Transport während des Authentifizierungsprozesses
gespeichert, selbst wenn die Übertragung
innerhalb derselben Zone stattfindet.
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Während des
Authentifizierungsvorgangs empfängt
die BS 115, welche mit der MS 401 kommuniziert, von
der ZC1 107 in Echtzeit den DCK der MS 401, welcher
durch den internen Schlüssel
KEKZ1 codiert ist. Die BS 115 speichert
ITSI und DCK uncodiert für
eine sofortige Verwendung, während
die MS 401 sich im Deckungsbereich der BS 115 befindet.
Man betrachte 17 und den zugehörigen Text
für Informationen
bezüglich
der Schlüsselerhaltung
an jeder Position.
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Jede
MS 401, 403 und 405 speichert ihre eigenen
ITSI, TEI und DCK in uncodierter Form, und K wird in verschlüsselter
oder codierter Form gespeichert. Jede MS 401, 403 und 405 speichert
auch in uncodierter Form relevante CCKs, GCKs, MGCKs und SCKs wie
sie empfangen werden. Diese Schlüssel
können
codiert in der Infrastruktur in einer alternativen Ausführungsform
gespeichert werden.
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Die
ZC 107 ist verantwortlich für die Echtzeitverteilung von
Schlüsseln
und die Mobilitätsverwaltung davon.
Sie behält
Schlüssel
bei, welche möglicherweise
während
des Betriebs in Echtzeitweise verteilt werden müssen. Der GCK ist ein Element
in jedem Sprachgruppenspeicher und wird im Sprachgruppen-HLR gehalten.
Der CCK ist ein zonen- oder positionsspezifischer Schlüssel und
wird ebenfalls in der ZC gehalten. Die ZC ist verantwortlich für die Erzeugung
des MGCK (basierend auf GCK und CCK) und die Verteilung an die Positionen.
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Da
Schlüssel
in der Sprachgruppe und im individuellen HLR 109 vorliegen,
ist die ZC 107 nicht transparent im Hinblick auf die Codierung
von Schlüsselmaterial.
Die ZC 107 behält
einen Schutzschlüssel
KI bei, sowie zwei Infrastrukturschlüssel-Codierungsschlüssel, Zwischenschlüssel KEKM und internen Schlüssel KEKZ,
zur Verteilung von Schlüsselmaterial.
KI wird zur Versiegelung (Codierung) von KEKM und
KEKZ verwendet, wenn sie von der KMF 101 gesendet
werden. Der größte Teil
der Schlüsselinformation
wird durch die KMF 101 mit dem Zwischenschlüssel KEKM codiert. Die ZC 107 decodiert
das Schlüsselmaterial
mit Hilfe von KEKM und codiert dieselbe
Information mit Hilfe von KEKZ wieder, wenn
sie die Information an eine Position innerhalb der Zone sendet.
Somit weist die ZC 107 die TETRA-Algorithmen auf, welche
für die
Codierung/Decodierung von Infrastrukturschlüsseln verwendet werden (wie
beispielsweise TA41 und TA52 sowie TA31 und TA32) wie hierin beschrieben.
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Die
ZC sendet ACKs von Infrastruktur-Neuverschlüsselungsoperationen an die
KMF 101 über
den ATR 113. Wenn eine ZC 107 oder ein HLR 109 eine
Schlüsselaktualisierung
empfängt,
decodiert die Vorrichtung zunächst
die Schlüsselaktualisierung
und sucht nach Unregelmäßigkeiten
durch Verifizierung der Integrität
der Daten und sendet das Ergebnis dieser Operation an die KMF 101 über den
ATR 113 in Farm einer ACK.
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Die
Position ist ein Endpunkt für
kabellose Schnittstellencodierung. Audio auf der kabellosen Schnittstelle
zwischen der BS 115 und der MS 401 wird codiert.
Audio innerhalb der Infrastruktur wird nicht codiert. Ausgehender
Verkehr wird mit Algorithmen unter Verwendung von MGCK, CCK und
SCK oder DCK für
individuelle Anrufe codiert. Aller eingehender Verkehr wird mit
Algorithmen unter Verwendung von DCK oder SCK codiert. Die Position
behält
die Verkehrsalgorithmen und Schlüsselspeicherung
für SCK,
CCK und MGCK sowie DCK bei. Da die Basisposition Verkehrsschlüsselspeicherung
aufweist, ist die Basisposition nicht transparent im Hinblick auf
die Codierung von Schlüsselmaterial.
Alles an die Basisposition verteilte Schlüsselmaterial wird durch den
internen Schlüssel
KEKZ codiert. Somit behält die Basisposition einen
Schutzschlüssel
KI sowie einen Zwischenschlüssel
KEKZ bei. Somit weisen die Basispositionen
die TETRA-Algorithmen auf, welche für die Codierung/Decodierung
von Infrastrukturschlüsseln
(wie beispielsweise TA41 und TA52 sowie TA31 und TA32) wie hierin
beschrieben verwendet werden.
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Die
MS ist der andere Endpunkt für
die kabellose Schnittstellencodierung. Ausgehender Verkehr wird mit
Algorithmen unter Verwendung von MGCK, CCK und SCK oder DCK, wenn
individuell adressiert, codiert. Aller eingehender Verkehr wird
mit Algorithmen unter Verwendung von DCK oder SCK codiert, und Identitäten können mit
SCK oder CCK codiert werden. Die MS behält die Verkehrsalgorithmen
und Schlüsselspeicherung für SCK, CCK,
GCK und MGCK sowie DCK bei.
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Die
folgenden Zeichnungen liefern Beispiele für die Rolle der ZC 107 oder 121 in
einigen ihrer Schlüsselerzeugungs-,
Schlüsselverteilungs-
und Authentifizierungsfunktionen, sowie die Basispositions-/Basisstations-
und MS-Operationen bei Schlüsselerzeugungs-,
Schlüsselverteilungs-
und Authentifizierungsvorgängen.
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Ein
Diagramm, welches ein Beispiel für
Schlüsselspeicherung
und Authentifizierungsinformationsverteilung innerhalb eines Kommunikationssystems
zeigt, ist in 5 gezeigt. SAI (RS, KS und KS') sind nötig zur
Vereinfachung der Echtzeitauthentifizierung der MS 401 durch
die ZC 107 und Echtzeitauthentifizierung des Systems durch
die MS, sowie gegenseitige Authentifizierung. Auslöser für die Übertragung
von SAI können
eine manuelle Initiierung durch den KMF-Betreiber, eine automatische
Fehlerauslösung
von dem System oder eine periodische Änderung der SAI durch die KMF 101 sein.
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5 zeigt
die Übertragung
von SAI von zwei Mobilstationen, ITS1 401 und ITSI2 403 (beide
nicht gezeigt). Die KMF 101 codiert mindestens einen Teil
der SAI (z.B. KS und KS')
mit dem Zwischenschlüssel KEKM für
das System und leitet ITS1, ITSI2, RS sowie KS und KS' codiert durch KEKM an den UCS 103. Der UCS 103 speichert
eine Kopie und leitet sie an den Heim-ZM 105 oder 119 für jede ITSI
weiter. Unterbrochene Linien innerhalb einer Systemvorrichtung zeigen
die transparente Weiterleitung von Informationen durch die Systemvorrichtung
an. Der ZM 105 oder 119 speichert auch eine Kopie
und leitet sie an seine ZC 107 oder 121, insbesondere
das HLR 107 oder 123, weiter. Die ZC 107 oder 121 speichert
KS und KS' codiert
zusammen mit RS im HLR 107 oder 123. Wenn das
HLR 109 oder 123 einmal die SAI empfängt, wird
eine uncodierte ACK, wenn die Codierung mit Hilfe von KEKM fehlschlägt, zurück an die KMF 101 über den
ATR 113 oder 127 von der Zone gesendet, in welcher
das HLR 109 oder 123 sich befindet. Falls ein
VLR 111 für
die MS 403 existiert, wie beispielsweise ITSI2, sendet
die ZC 121 KS und KS' codiert
mit dem Zwischenschlüssel
KEKM an das VLR 111. Eine Koordination
zwischen einer vorherigen Authentifizierungssitzungsinformation
und einer neuen Authentifizierungssitzungsinformation ist nicht
erforderlich. Das HLR 109 oder 123 benötigt lediglich
eine Kopie der SAI pro registrierter ITSI. Der UCS 103 und
der ZM 105 oder 119 speichern Kopien von Authentifizierungssitzungsinformationen,
um eine Erholung von Systemwartung oder Fehlern zu liefern.
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Durch
Bereitstellung von Speicherung und Weiterleitung von SAI und Schlüsseln in
Nicht-Echtzeit (d.h. ohne Zeitbegrenzungen) zwischen Systemvorrichtungen
des ersten Niveaus und in Echtzeit (d.h. auf Anforderung) zwischen
Systemvorrichtungen des zweiten Niveaus wie vorstehend beschrieben
liefert das Authentifizierungssystem ein fehlertolerantes System,
welches auch eine schnelle Fehlererholung erlaubt. Falls die KMF 101,
der UCS 103 und/oder die ZMs 105 und 119 versagen
oder vom Rest des Systems getrennt werden, kann eine vollständige Authentifizierung
dennoch ohne Unterbrechung auf Echtzeitbasis mit den SAI durchgeführt werden,
beispielsweise für
die MS2 403, gespeichert am HLR 123 und VLR 111.
Ein Versagen an einer beliebigen dieser Vorrichtungen 101, 103, 105 und 119 ist
nicht fatal, da die gespeicherten Daten von einer beliebigen der
anderen Vorrichtungen, welche die Informationen speichern, heruntergeladen
werden können. Falls
eine ZC 107, das HLR 109 und/oder das VLR 111 einen
Fehler oder ein Versagen erleiden, kann die SAI unverzüglich vom
ZM 105 an der Zone heruntergeladen werden. Durch Eliminierung
der Notwendigkeit, dass die KMF 101 in Echtzeit am Authentifizierungsprozess
teilnimmt, wird die KMF 101 weniger belastet, und allgemein
besteht weniger Verkehr auf den Kommunikationsleitungen zwischen
den Systemvorrichtungen der Infrastruktur.
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Ein
Diagramm, welches die Authentifizierungsinformationsspeicherung
und die Authentifizierungsentscheidungsfindung innerhalb eines Kommunikationssystems
zeigt, ist in 6 gezeigt. Vier Mobilstationen sind
innerhalb eines Systems gezeigt, wobei drei MS 401, 403 und 405 das
HLR1 109 der ersten ZC 107 verwenden, eine MS 407 das
HLR2 123 der zweiten ZC 121 verwendet, zwei MS 401 und 403 das
VLR1 111 verwenden und zwei Mobilstationen 405 und 407 das
VLR2 125 verwenden. Die Speicherung der SAI ist durch alle
Systemvorrichtungen gezeigt. Ebenfalls gezeigt sind Basisstationsentscheidungen,
ob eine MS bei einem bestimmten Auslöser authentifiziert werden
soll oder nicht. Beispielsweise erfordern Selbsttestnachrichten,
ob sie codiert sind oder nicht, Authentifizierung. Jede klar (d.h.
uncodiert) gesendete Nach richt erfordert Authentifizierung. Codierte
Roamnachrichten können
implizit authentifiziert sein, d.h. der Frage-und-Antwort-Mechanismus kann
umgangen werden, falls die codierte Roamnachricht erfolgreich durch
die BS 131 decodiert wird. Selbsttestnachrichten, Roamnachrichten,
Positionsaktualisierungen und andere Arten von Nachrichten werden
als Anfragen zur Kommunikation innerhalb des Kommunikationssystems
betrachtet. Wenn Authentifizierung erforderlich ist, sendet die
BS 115, 117, 129 oder 131 eine
Anforderung nach Authentifizierung der MS an die Infrastruktur (an
eine ZC in der bevorzugten Ausführungsform).
Für den
Fall, dass die Infrastrukturvorrichtung, an welche die Authentifizierungsanforderungen
gesendet werden, nicht mehr zur Verfügung steht, d.h. die Vorrichtung
versagt, gewartet wird, oder die Kommunikationsleitung zu der Vorrichtung
nicht betriebsbereit ist, speichert die BS Authentifizierungsanforderungen
während
der Zeitdauer, wenn die Infrastrukturvorrichtung nicht zur Verfügung steht.
Wenn die Infrastrukturvorrichtung wieder zur Verfügung steht,
wenn also beispielsweise die Vorrichtung nach einem Versagen oder
nach der Wartung wieder in Dienst gestellt wird, oder wenn die Kommunikationsleitung
wieder funktioniert, leitet die BS die gespeicherten Authentifizierungsanforderungen
an die Infrastrukturvorrichtung weiter.
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In
einer in 6 gezeigten Situation sendet
eine erste MS 401 eine klare (uncodierte) Selbsttestnachricht
an die erste BS 115. In der bevorzugten Ausführungsform
ist in dieser Situation eine Authentifizierung der MS 401 erforderlich.
Da die MS 401 das HLR 109 in der Zone verwendet,
in welcher die BS 115 positioniert ist, wird die SAI1 für die MS 401 vom
HLR 109 zum VLR 111 an der Zone zum Abschluss
des Authentifizierungsprozesses weitergeleitet.
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Die
zweite MS 403 wechselt von BS1 115 auf BS2 117 und
sendet eine klare (uncodierte) Roamnachricht an die zweite BS 117.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist in dieser Situation eine Authentifizierung der MS 403 erforderlich.
Da die MS 403 das HLR 109 in der Zone verwendet,
in welcher die BS 115 positioniert ist, und da die MS 403 von
einer Position aus wechselt, welche durch dasselbe VLR bedient wird
wie die neue Position, befindet sich die SAI2 für die MS 403 bereits
in dem VLR 111 in der Zone zum Abschluss des Authentifizierungsprozesses.
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Die
dritte MS 405 sendet eine codierte Selbsttestnachricht
an die dritte BS 129. In der bevorzugten Ausführungsform
ist in dieser Situation eine Authentifizierung der MS 405 erforderlich.
Da die MS 405 das HLR 123 in der Zone verwendet,
in welcher die BS 129 positioniert ist, wird die SAI3 für die MS 405 vom
HLR 123 an das VLR 125 in der Zone zum Abschluss
des Authentifizierungsprozesses weitergeleitet.
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Die
vierte MS 407 wechselt von BS2 117 zu BS4 131 und
sendet eine codierte Roamnachricht an die vierte BS 131.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist eine (vollständige)
Authentifizierung der MS 403 in dieser Situation nicht
erforderlich. Vielmehr wird die MS 407 implizit authentifiziert,
d.h. der Frage-und-Antwort-Mechanismus
wird umgangen, falls die codierte Roamnachricht durch die BS 131 erfolgreich
decodiert wird. Da die MS 407 das HLR 109 in einer
anderen Zone als der Zone verwendet, in welcher die BS 131 positioniert
ist, müssen
der Codierungsschlüssel
(und falls nötig
die SAI4) für
die MS 407 von diesem HLR 109 an das VLR 125 weitergeleitet
werden, zu welchem die MS 407 gewechselt hat, um den Authentifizierungsprozess
abzuschließen.
Typischerweise wird mindestens ein Teil der SAI durch den Zwischenschlüssel vor
der Übertragung
in eine andere Zone codiert. Falls die implizite Authentifizierung
nicht erfolgreich ist, wird dann eine vollständige Authentifizierung der
MS 407 durchgeführt.
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Ein
Diagramm, welches den Frage-und-Antwort-Prozess zur Authentifizierung
einer Mobilstation durch ein Authentifizierungszentrum in Übereinstimmung
mit dem TETRA-Standard zeigt, ist in 7 gezeigt. Bei
der Authentifizierung einer MS 707 kombiniert ein Authentifizierungszentrum 701,
wie beispielsweise eine KMF 101 den mobilen Authentifizierungsschlüssel K mit
einem RS unter Verwendung des Codierungsalgorithmus TA11 gemäß Definition im
TETRA-Standard. Das Ausgangssignal des TA11-Prozesses 703 ist
KS, welches zusammen mit RAND1 (einer Zufallszahl) in den Codierungsalgorithmus
TA12 gemäß Definition
im TETRA-Standard eingegeben wird. Der TA12-Prozess 705 gibt
XRES1, eine erwartete Antwort, und DCK1, einen abgeleiteten Codierungsschlüssel für die Mobilstation,
aus. RAND1 und RS werden an die MS 707 geliefert. Die MS 707 durchläuft einen ähnlichen
Prozess durch Kombination ihres mobilen Authentifizierungsschlüssels K
mit dem vom AuC 701 empfangenen RS unter Verwendung des
TA11-Prozesses 703. Der TA11-Prozess 703 gibt
KS aus, welches zusammen mit RAND1 in den TA12-Prozess 705 eingegeben
wird. Der TA12-Prozess 705 in der MS 707 gibt
RES1 aus, eine Antwort auf die Frage, und DCK1, den abgeleiteten
Codierungsschlüssel
für die
Mobilstation. Die MS 707 leitet RES1 an das AuC 701 weiter.
Falls XRES1 und RES1 übereinstimmen,
sendet das AuC 701 eine Authentifizierungs-Weiterleitungsnachricht
an die MS 707, und die Kommunikation über die kabellose Schnittstelle
mit dem neu erzeugten DCK1 kann beginnen. Stimmen XRES1 und RES
nicht überein,
so sendet das AuC 701 eine Authentifizierungs-Fehlernachricht
an die MS 707, und die Kommunikation über die kabellose Schnittstelle
mit dem neu erzeugten DCK1 wird verhindert, obgleich der alte DCK1
bei einem Authentifizierungsversagen verwendet werden kann.
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Ein
Diagramm, welches den Frage-und-Antwort-Prozess zur Authentifizierung
eines AuC durch eine MS in Übereinstimmung
mit dem TETRA-Standard zeigt, ist in 8 gezeigt.
Bei der Authentifizierung eines AuC 701, wie beispielsweise
einer KMF 101, kombiniert eine MS 707 den mobilen
Authentifizierungsschüssel K
mit RS unter Verwendung des Codierungsalgorithmus TA21 gemäß Definition
im TETRA-Standard. Der TA21-Prozess 801 gibt KS' aus, welches zusammen
mit RAND2 (einer Zufallszahl) in den Codierungsalgorithmus TA22
gemäß Definition
im TETRA-Standard eingegeben wird. Der TA22-Prozess 803 gibt
XRES2 aus, eine erwartete Antwort, sowie DCK2, einen abgeleiteten
Codierungsschlüssel
für die
Mobilstation 707. RAND2 wird an das AuC 701 geliefert.
Das AuC 701 durchläuft
einen ähnlichen
Prozess durch Kombination des mobilen Authentifizierungsschlüssels K
für die
MS 707 mit RS unter Verwendung des TA21-Prozesses 801.
Der TA21-Prozess 801 des AuC 701 gibt KS' aus, welches zusammen
mit RAND2 in den TA22-Prozess 803 eingegeben wird. Das
Ausgangssignal des TA22-Prozesses 803 im
AuC 701 ist RES2, eine Antwort auf die Frage, und DCK1,
der abgeleitete Codierungsschlüssel
für die
Mobilstation. Das AuC 701 leitet RES und RS an die MS 707 weiter.
Stimmen XRES und RES überein,
so sendet die MS 707 eine Authentifizierungs-Weiterleitungsnachricht
an das AuC 701, und die Kommunikation über die kabellose Schnittstelle
mit dem neu erzeugten DCK1 kann beginnen. Stimmen XRES und RES nicht überein,
so sendet die MS 707 eine Authentifizierungs-Fehlernachricht
an das AuC 701, und eine Kommunikation über die kabellose Schnittstelle
mit dem neu erzeugten DCK1 findet nicht statt.
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Ein
Diagramm, welches die SAI-Verteilung und den Authentifizierungsprozess
zwischen einem Kommunikationssystem und einer Mobilstation in Echtzeit
in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt, ist in 9 gezeigt. 9 zeigt
eine Realisierung des Authentifizierungsprozesses des TETRA-Standards
einschließlich der
Funktion unterschiedlicher Systemvorrichtungen innerhalb der Infrastruktur
innerhalb des Authentifizierungsprozesses. 9 zeigt
die Funktion der ZC 107, einschließlich des HLR 109 und
VLR 111, sowie der BS 115 als Stellvertreter,
oder Authentifizierungsagenten, für die KMF 101 im Authentifizierungsprozess.
In Nicht-Echtzeit werden KS und KS', welche durch den Zwischenschlüssel codiert
sind, sowie RS von der KMF 101 an den UCS 103,
an den ersten ZM 105 und an das HLR 109 der ersten
ZC 107 weitergeleitet.
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Nachdem
die BS 115 eine Authentifizierungsinformation der MS 401 an
die ZC 107 gesendet hat, erzeugt das VLR 111 RAND1
und verwendet KS und RAND1 im TA12-Prozess zur Erzeugung von XRES1
und DCK1 in Übereinstimmung
mit 7 hierin, und leitet RAND1 und RS an die BS 115 weiter,
welche RAND1 und RS kabellos an die MS 401 weiterleitet.
Die MS 401 kombiniert ihren eigenen K und RS im TA11-Prozess, um
KS zu erzeugen, kombiniert dann RAND1 und KS in Übereinstimmung mit 7 hierin,
wobei sich RES1 und DCK1 ergeben, und leitet RES1 an die BS 115 weiter,
welche RES1 an das VLR1 111 an der ZC 107 weiterleitet.
Das VLR 111 vergleicht RES1 und XRES1, und das Ergebnis
ist R1. Wenn RES1 und XRES1 übereinstimmen,
werden DCK1 und die SAI für
die MS 401 im VLR 111 und HLR 109 gespeichert
sowie DCK1 (codiert durch den Zwischenschlüssel). In der bevorzugten Ausführungsform
wird DCK1 mit dem internen Schlüssel
für die
erste Zone codiert, ehe er an die BS 115 gesendet wird.
R1 wird an die BS 115 weitergeleitet als Bestätigung,
dass die Authentifizierung erfolgreich abgeschlossen ist, und die
BS 115 speichert DCK1 und sendet R1 an die MS 401,
wodurch angezeigt wird, dass die Authentifizierung erfolgreich abgeschlossen
ist. Wenn RES1 und XRES1 nicht übereinstimmen,
verwirft das VLR 111 den neu erzeugten DCK1, ohne ihn zu speichern
oder an die BS 115 weiterzuleiten, und leitet R1, eine
negative Bestätigung
des Authentifizierungsprozesses, an die BS 115 weiter,
und die BS 115 sendet R1 an die MS 401, wodurch
angezeigt wird, dass die Authentifizierung fehlerhaft war.
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Zur
Anforderung von Authentifizierung der Infrastruktur sendet die MS 403 RAND2
an die BS 129, welche RAND2 an das VLR 125 in
der ZC 121 weiterleitet. Das VLR 125 schlägt RS und
KS' nach und erzeugt RES2
und DCK2 mit Hilfe des TA22-Prozesses in Übereinstimmung mit 8 hierin,
und leitet RES2 und RS an die BS 129 weiter, welche RES2
und RS kabellos an die MS 403 weiterleitet. Die MS 403 kombiniert
RS und ihren eigenen K im Prozess TA21, wodurch sich KS' ergibt, welches
dann mit RAND2 im TA22-Prozess in Übereinstimmung mit 8 hierin
kombiniert wird, wodurch sich XRES2 und DCK2 ergeben. Die MS 403 vergleicht
RES2 und XRES2. Wenn RES2 und XRES2 übereinstimmen, sendet die MS 403 die
Nachricht R2 an die BS 129 als Bestätigung, dass die Authentifizierung
erfolgreich abgeschlossen wurde, die BS 129 sendet R2 an
die ZC 121, und das VLR 125 veranlasst, dass DCK2
und die SAI für
die Mobilstation 403 im VLR 125 und dem HLR 123 für die MS 403 gespeichert
werden, und leitet DCK2 an die BS 129 weiter, welche DCK2 speichert.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird DCK2 mit dem internen Schlüssel
für die
zweite Zone codiert, ehe er an die BS 129 gesendet wird.
Wenn RES2 und XRES2 nicht übereinstimmen,
sendet die MS 403 die Nachricht R2 an die BS 129,
welche anzeigt, dass die Authentifizierung fehlgeschlagen ist, die
BS 129 sendet R2 an die ZC 121, und das VLR 125 verwirft
den neu erzeugten DCK2, ohne ihn an die BS 129 zu senden.
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In
jedem der Authentifizierungsprozesse erhält, falls das VLR 111 in
der Zone, in welcher die MS 401 oder 403 sich
gegenwärtig
befindet, keine SAI für
die MS 401 oder 403 gespeichert hat, das VLR 111 die
SAI von dem HLR für
die MS 401 oder 403. Wenn das HLR 109 für die MS 401 oder 403 sich
in derselben Zone befindet, wird die SAI einfach innerhalb der ZC 107 an
das VLR 111 weitergeleitet. Wenn das HLR 109 für die MS 401 oder 403 sich
in einer anderen Zone befindet, wird die Zone für das Heim-HLR aus einer Heimzonen-Kartierungstabelle
bestimmt, welches die ITSI ihrer Heimzone zuordnet, und die SAI
wird an die ZC 107 an das VLR 111 weitergeleitet.
In der bevorzugten Ausführungsform
werden, wenn das Schlüsselmaterial
vom HLR für
die MS 41 oder 403 an das VLR 111 weitergeleitet
wird, mindestens ein Teil der SAI, insbesondere KS und KS', mit dem Zwischenschlüssel codiert.
Wenn DCK innerhalb einer Zone übertragen
wird, wird DCK mit KEKZ codiert. Auf ähnliche
Weise werden, falls die Zone, in welcher eine Authentifizierung
stattfindet, nicht die Heimzone für die MS 401 oder 403 ist,
aktualisierte SAI und DCK-Informationen mindestens teilweise zwischenschlüsselcodiert
und an das entsprechende VLR weitergeleitet, Bei der Weiterleitung
von Schlüsseln zwischen
Vorrichtungen, welche einen unterschiedlichen Codierungsschlüssel erfordern,
empfängt
eine Vorrichtung eine Nachricht, decodiert sie mit einem Schlüssel, und
codiert das Ergebnis erneut mit einem anderen Schlüssel für die nächste Vorrichtung.
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Eine
gegenseitige Authentifizierung, wenn die MS und die Infrastruktur
sich gegenseitig authentifizieren, wird mit Bezug auf 3 mit
dem Titel "Mutual
authentication initiated by SwMI" (Gegenseitige
Authentifizierung auf Veranlassung von SwMI) und 4 mit
dem Titel "Mutual
authentication initiated by MS" (Gegenseitige
Authentifizierung auf Veranlassung der MS) und ihren zugehörigen Text
im TETRA-Standard beschrieben. Die resultierenden DCKs (DCK1 und
DCK2) jedes Prozesses werden mit Hilfe des TB4-Codierungsalgorithmus
kombiniert, und der sich ergebende DCK wird zur Kommunikation verwendet.
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Ein
Diagramm, welches einen Schlüsselzug
innerhalb eines Kommunikationssystems zeigt, ist in 10 gezeigt.
Die Schlüsselzugprozedur
wird zur Weiterleitung eines kabellosen Schnittstellenschlüssels, typischerweise
des DCK, verwendet, obgleich der Prozess auch für GCK/MGCK verwendet werden
könnte, wobei
die Weiterleitung in eine BS erfolgt, welche nicht über den
DCK für
eine MS verfügt.
Diese Situation kann dann auftreten, wenn eine MS die Position umschaltet,
während
sie nicht in Betrieb ist oder ein Fehler auftritt. 10 zeigt
die MS1 401, welche von Position 1 zu Position 2 innerhalb
von Zone 1 wechselt, und die MS2 403, welche von Zone 2
zu Zone 1 wechselt. Obgleich KS, KS' und DCK in der bevorzugten Ausführungsform codiert
am HLR gespeichert sind und der DCK codiert am HLR und VLR gespeichert
ist, sind sie in 10 aus Gründen der Einfachheit uncodiert
gezeigt.
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Die
MS1 401 hat von Position 1 zu Position 2 in Zone 1 gewechselt.
Die Zugprozedur wird durch die BS 117 initiiert, wenn sie
erkennt, dass sie nicht über
den DCK für
die MS 401 verfügt,
welche eine codierte Nachricht gesendet hat, so beispielsweise eine
DCK-codierte Positionsaktualisierungsnachricht. Die BS 117 kann
optional eine Empfangsbestätigung
der codierten Nachricht an die MS 401 senden. Die Identität, ITSI1, der
MS 401 ist mit dem CCK codiert, also ist die BS 117 in
der Lage, zu bestimmen, welche MS die Nachricht gesendet hat, obgleich
sie nicht über
den DCK1 für
die MS 401 verfügt.
Die BS 117 fordert den DCK1 von der ZC 107 an.
Die ZC 107 bestimmt, ob sie den DCK1 aus einer anderen
Zone anfordern muss. In diesem Fall wird, da die MS1 401 innerhalb
derselben Zone wechselt, der DCK1 im VLR 111 gefunden,
und die ZC 107 sendet den DCK1 an die BS 117 codiert
mit dem internen Schlüssel
KEKZ1. Die BS 117 verwendet den
DCK1 zur Decodierung der Positionsaktualisierungsnachricht für die MS1 401 sowie
jegliche anschließende(n)
Nachricht(en) von der MS 401, und leitet die Positionsaktualisierung
an die ZC 107 weiter. In der bevorzugten Ausführungsform
wird das VLR 111 für
die MS 401 nicht mit der MS-Position aktualisiert, ehe
die MS nicht implizit authentifiziert oder eine vollständige Authentifizierung
durchgeführt
wurde. Der Empfang einer korrekt decodierten Positionsaktualisierungsnachricht
wird als implizite Authentifizierung betrachtet, zu welchem Zeitpunkt das
VLR 111 aktualisiert würde.
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Die
MS2 403 ist von Zone 2 in Zone 1 gewechselt. Die Zugprozedur
wird durch die BS 115 initiiert, wenn sie erkennt, dass
sie nicht über
den DCK für
die MS 403 verfügt,
welche eine codierte Nachricht gesendet hat, beispielsweise eine
DCK-codierte Positionsaktualisierungsnachricht. Die BS 115 kann
optional eine Empfangsbestätigung
der codierten Nachricht an die MS 403 weiterleiten. Die
Identität,
ITSI2, der MS 403 wird mit CCK codiert, somit ist die BS 115 in
der Lage, zu bestimmen, welche MS die Nachricht gesandt hat, obgleich
sie nicht über
den DCK2 für
die MS 403 verfügt.
Die BS 115 fordert den DCK2 von der ZC 107 an.
Die ZC 107 bestimmt, ob sie den DCK2 von einer anderen
Zone anfordern muss, was in diesem Fall nötig ist, da die MS2 403 aus
einer anderen Zone, Zone 2, wechselt, und das HLR 123 für die MS 403 sich
in Zone 2 befindet. Die ZC 107 bestimmt, welche Zone über das
nötige
Schlüsselmaterial
verfügt,
und sendet eine Anforderung über
das Schlüsselmaterial
an diese Zielzone. In dem Beispiel wird der DCK2 im HLR 123 für Zone 2 entdeckt,
welche die Zielzone ist, und der DCK2 wird an die ZC 107 vom
HLR 123 dieser Zone aus gesendet, nachdem er mit dem Zwischenschlüssel KEKM verschlüsselt
wurde. Die ZC 107 sendet den DCK2 an die BS 115,
codiert mit dem internen Schlüssel
KEKZ1. Die BS 115 verwendet den
DCK2 zur Codierung der Positionsaktualisierungsnachricht für die MS2 403 und
jegliche anschließende(n)
Nachricht(en) von der MS 403, und leitet die Positionsaktualisierung
an die ZC 107 weiter. RS, KS, KS' werden zu einem späteren Zeitpunkt von dem HLR 123 angefordert,
so dass eine vollständige
Authentifizierung wie nötig
durchgeführt
werden kann.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird das VLR 111 für
die MS 403 nicht mit der MS-Position aktualisiert, bis
die MS implizit authentifiziert oder eine vollständige Authentifizierung durchgeführt wird.
Der Empfang einer korrekt decodierten Positionsaktualisierungsnachricht
wird als implizite Authentifizierung betrachtet, zu welchem Zeitpunkt
das VLR 111 aktualisiert werden würde.
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In
der Situation, in welcher der Zug eines GCK/MGCK erwünscht sein
könnte,
ist der Prozess derselbe wie vorstehend mit Bezug auf den DCK beschrieben,
mit der Ausnahme, dass das VLR 111 den GCK erhält, ihn
mit einem CCK kombiniert, wie nachfolgend in 15 und
dem zugehörigen
Text beschrieben, und den sich ergebenden MGCK codiert mit dem internen
Schlüssel
KEKZ1 an die BS 115 oder 117 sendet.
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Ein
Diagramm, welches einen Schlüsselschub
innerhalb eines Kommunikationssystems darstellt, ist in 11 gezeigt.
Die Schlüsselschubprozedur
wird zur Weiterleitung eines Schlüssels, wie beispielsweise des
DCK oder GCK/MGCK, an eine Weiterleitungsposition verwendet, wenn
eine MS die Positionen von ihrer momentanen Position auf die Weiterleitungsposition
schaltet. Dieser Prozess liefert somit einen Mechanismus, damit
ein Schlüssel
an eine Position weitergeleitet wird, und zwar vor Ankunft der MS 401 oder 403,
so dass übergangslose
codierte Übergaben
und Wechsel stattfinden können. 11 zeigt
ein Beispiel einer Weiterleitung des DCK2 zwischen Zonen sowie eine
Weiterleitung des DCK1 innerhalb einer Zone. Die MS initiiert die Prozedur.
Obgleich KS, KS' und
DCK codiert am HLR gespeichert sind und DCK codiert am HLR und VLR
in der bevorzugten Ausführungsform
gespeichert ist, sind sie in 11 aus
Gründen
der Einfachheit uncodiert gezeigt.
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Die
MS1 401 beginnt den Prozess des Wechsels von BS1 115 mit
LAID1 (LAID = Location Area Identification, Positionsgebietsidentifikation)
an Position 1 nach BS2 117 mit LAID2 an Position 2 in Zone
1. Die MS 401 sendet BS1 115 eine Nachricht, welche anzeigt,
dass MS1 nach Position 2 wechselt. In der bevorzugten Ausführungsform
ist diese Nachricht eine OTAR-Vorbereitungsnachricht. Die BS 115 spielt
diese Nachricht auf ZC 107. Die ZC 107 bestimmt,
ob der DCK in eine andere Zone übertragen
werden muss oder nicht, indem sie bestimmt, ob die Position, an
welche die MS 401 wechselt, sich in ihrer Zone befindet
oder nicht. In diesem Beispiel wird Position 2 ebenfalls durch die
ZC 107 bedient, somit besteht keine Notwendigkeit, den
DCK in eine andere Zone zu übertragen.
Da der DCK innerhalb der Zone übertragen
wird, antwortet die ZC 107 der BS 115 mit einer
Nachricht Verwende Kurze Verzögerung.
In diesem Fall hält
die BS 115 die MS 401 von der Schaltung auf Position
2 durch eine Verzögerungsentsprechung
der kurzen Verzögerung
auf, welche Verzögerung
in etwa der Zeit entspricht, die die Weiterleitung des DCK an die
nächste
Position von dem VLR 111 in derselben Zone in Anspruch
nehmen wird. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die kurze
Verzögerung weniger
als 50 ms. Die MS 401 wartet auf ein Ok von der BS 115 ehe
sie an der neuen Position in Betrieb geht, d.h. mit Wechsel, Positionsumschaltung
oder Kommunikation, und die BS 115 sendet des Ok nach Ablauf
der kurzen Verzögerungsdauer.
Während
der Verzögerungsdauer
codiert das VLR 111 an der ZC1 107 den DCK1 mit
dem internen Schlüssel
und leitet ihn an die BS2 117 an Position 2, wo die MS 401 und
die BS2 117 in der Lage sein werden, codierte Nachrichten
mit Hilfe des DCK1 auszutauschen. In der bevorzugten Ausführungsform
wird das VLR 111 für
die MS 401 nicht mit der MS-Position aktualisiert, ehe
die MS 401 nicht implizit authentifiziert oder eine vollständige Authentifikation
durchgeführt
wird.
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Die
MS2 403 beginnt den Wechselvorgang von der BS3 129 mit
LAID3 an Position 3 in Zone 2 zur BS1 115 mit LAID1 an
Position 1 in Zone 1. Die MS 403 sendet der BS3 129 eine
Nachricht, welche anzeigt, dass die MS2 zu Position 1 wechselt.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist diese Nachricht eine OTAR-Vorbereitungsnachricht. Die BS 129 spielt
diese Nachricht auf ZC 121. Die ZC 121 bestimmt,
ob der DCK in eine andere Zone übertragen
werden muss oder nicht, indem sie bestimmt, ob die Position, an
welche die MS 401 wechselt, sich in ihrer Zone befindet
oder nicht. In diesem Beispiel wird Position 1 nicht durch die ZC 121 bedient,
somit besteht die Notwendigkeit der Übertragung des DCK in eine
andere Zone. Da der DCK in eine andere Zone übertragen wird, antwortet die
ZC 121 der BS 129 mit einer Nachricht Verwende
Lange Verzögerung.
In diesem Fall hält
die BS 129 die MS 403 vom Umschalten auf Position
1 durch eine Verzögerungsentsprechung
der langen Verzögerung
auf, welche Verzögerung
in etwa der Zeit entspricht, welche die Weiterleitung des DCK vom
VLR 111 an die Position in der nächsten Zone in Anspruch nehmen
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die lange Verzögerung
größer als
oder gleich 50 ms. Die MS 403 wartet auf ein Ok von der
BS 129 ehe sie die Position umschaltet, und die BS 129 sendet
das Ok nach Ablauf der langen Verzögerungsdauer. Während der
Verzögerungsdauer
codiert das VLR 125 an der ZC1 121 den DCK2 mit
dem Zwischenschlüssel
und leitet ihn an die ZC1 107 weiter, welche ihn mit dem
Zwischenschlüssel
decodiert, ihn mit dem internen Schlüssel KEKZ1 codiert
und das Ergebnis an die BS1 115 an Position 1 weiterleitet,
wo die MS 403 und die BS2 115 in der Lage sein
werden, codierte Nachrichten mit Hilfe des DCK2 auszutauschen. In
der bevorzugten Ausführungsform
wird das VLR 111 für
die MS 403 nicht mit der MS-Position aktualisiert, ehe
die MS 403 nicht implizit authentifiziert oder eine vollständige Authentifizierung
durchgeführt
wird, zu welchem Zeitpunkt das VLR 125 für die MS2
in ZC2 121 eliminiert wird. RS, KS und KS' werden zu einem
späteren
Zeitpunkt vom HLR an der ZC3 223 (dem Heimzonen-HLR für die MS 403)
angefordert, so dass eine vollständige Authentifizierung
je nach Notwendigkeit durchgeführt
werden kann.
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12 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines statischen Codierungsschlüssels an
eine BS innerhalb eines Kommunikationssystems zeigt. Der SCK ist
ein systemweiter Sprachverkehrsschlüssel, welcher zur Codierung
von Sprache, Daten, ESI (Encrypted Short Identity, Codierte Kurzidentität) verwendet
wird und Verkehr signalisiert, wenn eine Authentifizierung nicht
verfügbar
ist. SCKs werden durch SCKN und SCK-VN identifiziert und werden
in der KMF 101 codiert durch einen Hardwareschlüssel und
in den ZMs 105 und 110 codiert durch TA31 gespeichert.
In der bevorzugten Ausführungsform
können
bis zu 32 bestimmte SCKs im gesamten System vorliegen. Jede BS speichert
einen SCK, welcher durch SCKN (SCK Number, SCK-Nummer) identifiziert
werden, wobei jeder eine SCK-VN (SCK Version Number, SCK-Versionsnummer) aufweist,
obgleich der SCK eine Vielzahl von Versionen aufweisen kann, welche
in dem System verwendet werden oder wurden. Jede SCKN verfügt über eine
Versionsnummer SCK-VN, und in der bevorzugten Ausführungsform
werden zwei Versionsnummern, d.h. zwei Schlüssel, für jede SCKN gespeichert. Die
MS muss in der Lage sein, 32 SCKs für eine SCK-VN zu speichern,
und zwar zusätzlich
zu 32 SCKs für
eine weitere SCK-VN. Die 31 zusätzlichen
SCKs in der MS sind für
den direkten Betrieb zwischen Mobilstationen definiert. Ein neuer
SCK ersetzt die älteste
SCK-VN. Der SCK kann an BSs und MSs auf eine Vielzahl von Arten
geliefert werden, einschließlich
einer KVL, über
Computersoftware, wie beispielsweise RSS Software, welche von Motorola,
Inc. erhältlich
ist, oder über
OTAR (Over-the-Air Rekeying, kabellose Neuverschlüsselung) über die Heimzone
ATR der MS. Obgleich in der Zeichnung aus Platzgründen nicht
gezeigt, werden SCKN und SCK-VN zusammen mit SCK zu Identifikationszwecken
gesendet.
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Ein
Verfahren zur Übertragung
eines SCK an jede BS in dem System ist in 12 gezeigt.
Wenn die KMF 101 bestimmt, dass eine SCK-Aktualisierung
ansteht, erzeugt die KMF 101 einen neuen SCK. Zur Bestimmung
der Heimzone einer BS verwendet die KMF 101 in der bevorzugten
Ausführungsform
die BS-Heim-ZC-Karte des UCS 103 und eine Nachschlagetabelle
basierend auf der Zone, um die Adresse für den ATR in der Zone zu erhalten.
Die KMF 101 codiert den SCK mit dem internen Schlüssel, KEKZ, für
die Zone, in welcher die BS positioniert ist, und sendet den codierten
Schlüssel
an den ZM für
diese BS. Der ZM speichert eine Kopie und leitet sie an die vorgesehene
BS weiter. Eine nicht codierte ACK wird von der BS an die ZC und
an die KMF 101 über
den ATR in der Zone, in welcher die BS positioniert ist, gesendet.
Die ACK stellt dar, dass der SCK in der BS korrekt empfangen wurde.
-
Ein
spezifisches Beispiel einer SCK-Übermittlung
an die BS1 115 umfasst eine Übertragung von Positionsinformationen,
einschließlich
einer BS-Heimzonen-Regelungskarte, vom UCS 103 an die KMF 101.
Die KMF 101 verwendet die Karte zur Bestimmung, dass die
BS1 115 in Zone 1 positioniert ist. Die KMF 101 erzeugt
den SCK und codiert ihn mit dem internen Schlüssel, KEKZ1,
für Zone
1, in welcher die BS1 positioniert ist. Die KMF 101 leitet
den codierten SCK an den ZM 105 für Zone 1 weiter. Der ZM1 105 speichert
eine Kopie des codierten SCK und leitet ihn an die BS1 115 über eine
Drahtleitung weiter. Die BS1 115 decodiert den codierten
SCK mit Hilfe von KEKZ1 und speichert den
SCK uncodiert. Wenn der SCK korrekt durch die BS1 empfangen wird,
sendet die BS1 115 eine uncodierte ACK an die KMF 101 über die
ZC1 17 und den ATR 113 in Zone 1. Übertragungen
von SCK an BS3 und BS4 werden auf ähnliche Weise durchgeführt.
-
Ein
Diagramm, welches die Verteilung eines SCK an eine MS innerhalb
eines Kommunikationssystems zeigt, ist in 13 gezeigt.
Wenn die KMF 101 bestimmt, dass eine SCK-Aktualisierung
für eine
MS 401 ansteht, erzeugt die KMF 101 neues SCK-Schlüsselmaterial
für die
MS 401 gemäß 10 mit
dem Titel "Distribution
of SCK to an individual by an authentication center" (Verteilung von
SCK an einen einzelnen durch ein Authentifizierungszentrum) und
ihren zugehörigen
Text im TETRA-Standard. Der SCK-Erzeugungsprozess ergibt das Schlüsselmaterial
SSCK (Sealed SCK, versiegelter SCK), SCKN, SCK-VN und RSO (der im
Prozess verwendete zufällige
Seed). Zur Bestimmung des ATR für
die Heimzone der MS 401 verwendet in der bevorzugten Ausführungsform
die KMF 101 die ITSI-Heim-ZC-Karte
des UCS 13 und eine Nachschlagetabelle basierend auf der
Zone zum Erhalt der Adresse des ATR für die Heimzone. In dem Beispiel
aus 13 ist die Heimzone für die MS1 401 Zone
2. Die KMF 101 leitet SSCK, SCKN, SCK-VN und RSO an den
ATR 127 der Heimzone (2) für die MS 401 weiter.
Falls die MS 401 sich nicht im System befindet, sendet
der ATR 127 eine negative Bestätigung NACK zurück an die
KMF 101. Falls die MS 401 sich im System befindet,
wird der SCK an die MS 401 über die Zone ausge liefert,
in welcher die MS 401 momentan positioniert ist. In der
bevorzugten Ausführungsform
werden die SCK-Schlüsselmaterialien
(z.B. SSCK, SCKN, SCK-VN und RSO) für die Übertragung unter Systemvorrichtungen
nicht codiert. Das SCK-Schlüsselmaterial
kann optional für
die Übertragung
unter Systemvorrichtungen codiert werden.
-
Wenn
die MS 401 nicht in ihrer Heimzone positioniert ist, bestimmt
die Heimzonenregelung 121 von Zone 2, in welcher Zone die
MS 401 gegenwärtig
positioniert ist (Zone 1 in 12), indem
sie sie im HLR 123 von Zone 2 nachschlägt. Die ZC2 121 leitet
SSCK, SCKN, SCK-VN und RSO an die Zonenregelung 107 der Zone
weiter, in welcher die MS 401 gegenwärtig positioniert ist. Die
ZC1 107 leitet SSCK, SCKN, SCK-VN und RSO an die BS 115 weiter,
an welcher die MS 401 positioniert ist. Die BS 115 decodiert
SSCK, SCK-VN und RSO mit dem internen Schlüssel, KEKZ1,
und leitet das Ergebnis an die MS 401 weiter. Eine uncodierte
ACK wird von der MS 401 an die BS 115 und die
ZC 107 sowie die KMF 101 über den ATR 113 in
der Zone gesendet, in welcher die BS 115 positioniert ist.
Die ACK stellt dar, dass der SCK in der MS korrekt empfangen und die
Versiegelung gelöst
wurde (der Prozess der Lösung
der Versiegelung ist im TETRA-Standard beschrieben).
-
Wenn
die MS 401 in ihrer Heimzone positioniert ist (nicht gezeigt,
doch zu Zwecken dieses Beispiels an BS3 129 angenommen)
leitet das VLR der Heimzonenregelung 121 SSCK, SCKN, SCK-VN
und RSO an die BS 129 weiter, an welcher die MS 401 positioniert
ist (nicht gezeigt, doch für
dieses Beispiel angenommen). Die BS 129 leitet SSCK, SCKN,
SCK-VN und RSO an die MS 401 weiter. Eine uncodierte ACK
wird von der MS 401 an die BS 129 und die ZC 121 sowie
die KMF 101 über
den ATR 127 in der Zone gesendet, in welcher die BS 115 positioniert
ist. Die ACK stellt dar, dass der SCK in der MS korrekt empfangen
und die Versiegelung gelöst
wurde (der Prozess der Lösung
der Versiegelung ist im TETRA-Standard
beschrieben).
-
14 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines CCK an eine MS und eine
BS innerhalb eines Kommunikationssystems zeigt. Der CCK ist ein
positionsgebietsbasierter Verkehrsschlüssel, welcher zur Codierung
von Sprache, Daten und Signalisierung innerhalb eines LA (Location
Area, Positionsgebiet) dient und lediglich für ausgehende Kommunikationen
verwendet wird. Der CCK dient zur Verwendung bei der Codierung von
Gruppenrufverkehr im TETRA-Standard. Der CCK wird auch zur Codierung
der Anwenderidentität
verwendet, welche die codierte Kurzidentität ESI erzeugt. Gruppenrufverkehr
innerhalb des LA verwendet den CCK, wenn kein GCK zur Verfügung steht
oder er ungültig
ist. Es existiert ein CCK pro LA. Ein LA kann nur eine Position
umfassen, somit könnten
so viele CCKs wie Positionen im System existieren. Es ist möglich, dass mehr
als ein LA über
denselben CCK verfügen.
Der CCK wird identifiziert durch CCK-ID (z.B. CCK1, CCK2 usw.) und
LAID. Zwei Kopien jedes CCK (die letzten beiden CCK-IDs) befinden sich
in der ZC und der BS, um eine allmähliche Neuverschlüsselung
der MS im System zu erlauben. Während
ein CCK verwendet wird, wird der nächste an die MS verteilt. In
der bevorzugten Ausführungsform
behält
jede Position einen CCK für
jede der Position benachbarte Position bei, was ungehinderten Übergängen zwischen
Positionen dient und eine kontinuierliche Mobilitätsverwaltung
vereinfacht. Wenn ein benachbarter CCK an eine MS übergeben
wird, werden die letzten beiden CCKs an die MS übertragen. Ein neuer CCK ersetzt
die älteste
CCK-ID. Eine langfristige Speicherung von CCKs findet in den ZMs 105 und 119 statt.
Der TETRA-Standard unterstützt
eine Reihe von Verfahren zur kabellosen Lieferung von CCK, und dieselbe
Anforderungs-/Lieferungs-Methodik wird für jeden der kabellosen Schnittstellenschlüssel verwendet
und erlaubt ebenfalls eine Schlüsselanforderung
unmittelbar nach Registrierung und Zellenwechsel durch die Mobilstation.
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Die
CCK-BS-Prozedur, welche in 14 dargestellt
wird, wird zur Übertragung
eines CCK von der KMF 101 an eine BS(-Position) 115 verwendet.
Die KMF 101 bestimmt den Zeitpunkt für die Aktualisierung des CCK
einer BS 215 und erzeugt den/die geeignete(n) CCK(s). In
der bevorzugten Ausführungsform
weist jedes LA seine eigene LAID auf. 14 zeigt
die Übertragung
von CCK1 und CCK2 in Zone 1 und die Übertragung von CCK3 in Zone
2. Die CCKs werden mit dem internen Schlüssel, KEKZ,
für die
Zone codiert, in welcher das LA positioniert ist. Der UCS 103 liefert
eine Positions-Zonen-Karte und eine ZM-Zonen-Karte an die KMF 101. Die
KMF 101 verwendet diese Karten, um die Schlüssel direkt
an den entsprechenden ZM 105 oder 119 zu senden,
welcher den CCK speichert und den CCK an die ZC 107 oder 121 weiterleitet.
Der UCS 103 erhält
die Positionsparameter von den ZMs 105 und 119 zur
Erzeugung der Liste benachbarter Positionen, welche an die KMF 101 gesendet
und an die ZMs 105 und 119 weitergeleitet wird,
um wiederum an die ZCs 107 und 121 zur Verwendung
weitergeleitet zu werden. Befindet sich eine benachbarte Position
in einer unterschiedlichen Zone, so wird der Schlüssel zwischen
den involvierten ZCs übertragen.
Die ZC codiert den CCK mit dem Zwischenschlüssel, KEKM,
zur Übertragung
zwischen ZCs. Mit Hilfe der Liste benachbarter Positionen senden
die ZCs 107 und 121 die CCKs der benachbarten
Positionen an die entsprechenden Positionen. Somit verfügt jede Position
auf der Liste benachbarter Positionen über die CCKs für Positionen,
welche an diese Position angrenzen. Die benachbarten CCKs werden
derart verwendet, dass die MS den CCK für die benachbarte Position anfordern
kann, ehe die MS die Position umschaltet. Die BS 115 kann
ebenfalls CCKs an MSs weiterleiten, wenn neue CCKs an der BS 115 empfangen
werden. CCKs werden mit dem DCK für die jeweilige MS 401 vor der Übertragung
des codierten CCK an die MS 401 codiert. ACKs werden durch
die BS an die ZC gesendet und werden an die KMF 101 über den
ATR (an welchem die BS positioniert ist) zurückgesandt. Da die KMF 101 sich
der Angrenzung nicht bewusst ist, benötigt sie keine ACKs von angrenzenden
Verteilungen des CCK. Da die KMF 101 nachverfolgt, welche
BS einen CCK erhält,
verfolgt die BS die Gültigkeit
der CCKs, d.h. welche MS über
einen CCK für
ein bestimmtes LA verfügt,
und leitet ACKs weiter, wenn der CCK gültig ist.
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Da
der MGCK eine Kombination aus CCK und GCK darstellt, erzeugt die
ZC vier MGCKs unter Verwendung der letzten beiden CCK-IDs und der
letzten beiden GCK-VNs und verteilt sie entsprechend (s. 15 und 16).
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Der
CCK ist ein zonenspezifischer Parameter, und so besteht keine Notwendigkeit,
den UCS 103 zu durchlaufen. Somit sendet die KMF 101 die
CCK-Informationen direkt an den entsprechenden ZM 105 oder 119,
was sich von der Neuverschlüsselungsmethodik
anderer kabelloser Schnittstellenschlüssel unterscheidet. Der UCS 103 erhält die Positionsinformationen
von den ZMs 105 oder 119, um die Liste benachbarter
Positionen zu erzeugen. Durch Anordnung der CCKs an benachbarten
Positionen wird eine Echtzeitverarbeitung der CCKs reduziert, d.h.
die BS muss die ZC nicht nach dem CCK für eine benachbarte BS befragen,
wenn eine MS einen CCK für
eine angrenzende Position anfordert, somit muss die MS keinen CCK
verarbeiten, wenn die MS die Position umschaltet.
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15 ist
ein Diagramm, welches die Verteilung eines GCK an eine BS innerhalb
eines Kommunikationssystems zeigt. Der GCK wird durch GTSI gemäß dem TETRA-Standard
und GCK-VN identifiziert. In der bevorzugten Ausführungsform
ist GCKN eine logische Entsprechung von GTSI aus einer Schlüsselverwaltungsperspektive.
Eine langfristige Speicherung von GCK findet im UCS und ZM statt.
Der MGCK, welcher eine Kombination aus GCK und CCK darstellt, wird
durch GTSI (oder GCKN), CCK-ID (mit LAID) und GCK-VN identifiziert.
Vier MGCKs pro Sprachgruppe (GTSI) werden durch die letzten beiden
CCK-IDs und die letzten beiden GCK-VNs identifiziert. MGCKs werden
nicht in einer ZC 107 oder 121 gespeichert, sondern
werden durch eine ZC 107 oder 121 erzeugt und
an die BS 115 gesendet, vorausgesetzt es befindet sich
eine mit dieser GTSI verbundene MS an der Position der BS 115,
welche den GCK nicht empfängt,
da er ein langfristiger Schlüssel
ist. Obgleich in der Zeichnung aus Platzgründen nicht gezeigt, wird die
GCK-VN zusammen mit dem GCK und MGCK zu Identifikationszwecken gesendet.
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Die
Prozedur zur Aktualisierung eines GCK für einen Sprachgruppenspeicher
weist zwei Teile auf. Der erste Teil umfasst die Aktualisierung
des tatsächlichen
GCK für
die Sprachgruppe, der zweite Teil umfasst die Erzeugung des resultierenden
MGCK als Ergebnis der Aktualisierung und Verteilung des MGCK an
die Positionen.
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Die
Prozedur aus 15 überträgt einen GCK von der KMF 101 an
das Sprachgruppen-HLR in der ZC an der Heimzone für die Sprachgruppe.
Wenn die KMF 101 bestimmt, dass eine Aktualisierung des
GCK ansteht, erzeugt die KMF 101 einen GCK für jede Sprachgruppe
und behält
eine GTSI-GCK-Tabelle bei. Die GCKs werden hardwarecodiert an der
KMF 101 gespeichert. Die KMF 101 weiß nicht,
welche ZC über
das HLR für
die GTSI verfügt,
also sendet die KMF 101 den GCK codiert mit dem Zwischenschlüssel, KEKM, an den UCS 103. Der UCS 103 speichert
das Schlüsselmaterial
und leitet es an die Heimzone 105 oder 119 für die Sprachgruppe
(GTSI) weiter, welche dem GCK zugehörig ist. Der ZM 105 oder 119 leitet
das Schlüsselmaterial
an seine ZC 107 oder 121 weiter, welche das Schlüsselmaterial
im Gruppen-HLR für
GTSI codiert durch KEKM speichert. Die ZC 107 stellt
sicher, dass das Schlüsselmaterial
korrekt decodiert werden kann, und sendet eine ACK zurück an die
KMF 101 über
den ATR 113, an welchem das Gruppen-HLR 109 für die GTSI
positioniert ist. Die ACK spiegelt wider, dass das HLR 109 eine
korrekte codierte Kopie des GCK enthält. Die ZC 107 decodiert
das Schlüsselmaterial
mit KEKM und codiert es erneut mit dem internen
Schlüssel,
KEKZ, zur Speicherung im VLR 111.
Jegliche andere VLRs, wie beispielsweise das VLR2 125,
außerhalb
der Heimzone, welche der GTSI zugehörig ist, verfügen über den
mit dem KEKM codierten GCK, welcher zu ihnen
weitergeleitet wurde. 15 zeigt sowohl die Fälle zwischen
den Zonen als auch innerhalb der Zonen.
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Da
der MGCK eine Kombination aus GCK und CCK darstellt, welche durch
eine ZC mit Hilfe des TA71-Algorithmus 1501, 1503 oder 1505 erzeugt
wird, muss sich bei einer Änderung
des GCK oder CCK auch der MGCS entsprechend ändern. Die vier MGCKs werden
an alle Positionen mit einer Sprachgruppenverbindung gesendet, welche
mit der GTSI für
GCK übereinstimmt.
Da die letzten beiden CCK-IDs
und die letzten beiden GCK-VNs gespeichert sind, müssen vier
Versionen des MGCK an die BS gesendet werden.
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Wie
in anderen Fällen
muss der MGCK, wenn er an eine Position gesendet wird, mit dem internen Schlüssel KEKZ codiert werden. Der GCK wird vom VLR-Sprachgruppenspeicher
erhalten und mit dem internen Schlüssel, KEKZ,
decodiert und mit dem CCK kombiniert, um den MGCK zu erzeugen. Der
resultierende MGCK wird mit Hilfe des internen Schlüssels, KEKZ, codiert und an die entsprechenden Positionen
gesendet.
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Die Übertragung
eines MGCK an eine BS kann durch eine Vielzahl von Ereignissen ausgelöst werden. Beispiele
für Auslöser sind
unter anderem eine MS, welche dem GCK für den MGCK zugehörig ist,
der an der BS positioniert ist, wenn entweder GCK oder CCK erzeugt
werden; eine MS, welche an der BS eintrifft, wenn keine vorherige
Sprachgruppenverbindung an dieser BS aufgetreten war; und eine MS,
welche die Sprachgruppenverbindung ändert, während sie an der BS positioniert
ist, und zwar zu einer Sprachgruppe, welche vorher der BS nicht
zugehörig
war.
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Ein
Diagramm, welches die Verteilung eines GCK an eine MS innerhalb
eines Kommunikationssystems zeigt, ist in 16 gezeigt.
wenn die KMF 101 bestimmt, dass eine GCK-Aktualisierung
für eine
MS 401 ansteht, erzeugt die KMF 101 neues GCK-Schlüsselmaterial
für die
MS 401 entsprechend 8 mit dem
Titel "Distribution
of a group cipher key to an individual" (Verteilung eines Gruppencodierungsschlüssels an
einen einzelnen) und ihren zugehörigen
Text im TETRA-Standard. Der GCK-Erzeugungsprozess ergibt das Schlüsselmaterial
SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO (den im Prozess verwendeten zufälligen Seed).
Zur Bestimmung des ATR für
die Heimzone der MS 401 verwendet in der bevorzugten Ausführungsform
die KMF 101 die ITSI-Heim-ZC-Karte des UCS 103 und
eine Nachschlagetabelle basierend auf der Zone, um die Adresse des ATR für die Heimzone
zu erhalten. In dem Beispiel aus 6 ist die
Heimzone für
die MS1 401 die Zone 2. Die KMF 101 leitet SGCK,
GCKN, GCK-VN und RSO an den ATR 127 der Heimzone (2) für die MS 401 weiter. Befindet
sich die MS 401 nicht im System, so sendet der ATR 127 eine
NACK zurück
zur KMF 101. Befindet sich die MS 401 im System,
so wird der GCK an die MS 401 über die Zone geliefert, in
welcher die MS 401 gegenwärtig positioniert ist. In der
bevorzugten Ausführungsform
wird das GCK-Schlüsselmaterial
(z.B. SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO) für die Übertragung unter Systemvorrichtungen
nicht codiert. Das GCK-Schlüsselmaterial
kann optional für
die Übertragung
unter Systemvorrichtungen codiert werden.
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Wenn
die MS 401 nicht in ihrer Heimzone positioniert ist, bestimmt
die Heim-ZC 121 der Zone 2, in welcher Zone die MS 401 gegenwärtig positioniert
ist (Zone 1 in 16), indem sie sie im HLR 123 von
Zone 2 nachschlägt.
Die ZC2 121 leitet SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO an die ZC 107 der
Zone weiter, in welcher die MS 401 gegenwärtig positioniert
ist. Die ZC1 107 leitet SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO an die
BS 115 weiter, an welcher die MS 401 positioniert
ist. Die BS 115 leitet SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO an die
MS 401 weiter. Eine uncodierte ACK wird von der MS 401 an
die BS 115 und die ZC 107 sowie die KMF 101 über den
ATR 113 in der Zone gesendet, in welcher die BS 115 positioniert
ist. Die ACK stellt dar, dass der GCK in der MS korrekt empfangen
und die Versiegelung gelöst
wurde (der Prozess der Lösung
der Versiegelung ist im TETRA-Standard beschrieben).
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Wenn
die MS 401 in ihrer Heimzone positioniert ist (nicht gezeigt,
doch für
dieses Beispiel an BS3 129 angenommen), leitet die Heim-ZC 121 SGCK,
GCKN, GCK-VN und RSO an die BS 129 weiter, an welcher die BS 401 positioniert
ist (nicht gezeigt, doch für
dieses Beispiel angenommen). Die BS 129 leitet SGCK, GCKN, GCK-VN und RSO an die
MS 401 weiter. Eine uncodierte ACK wird von der MS 401 an
die BS 129 und die ZC 121 sowie die KMF 101 über den
ATR 127 in der Zone gesendet, in welcher die BS 115 positioniert
ist. Die ACK stellt dar, dass der GCK in der MS korrekt empfangen
und die Versiegelung gelöst
wurde (der Prozess der Lösung
der Versiegelung ist im TETRA-Standard beschrieben).
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17 ist
ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren einer Schlüsselerhaltung
an einer Position in einem Kommunikationssystem in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt. Schlüsselerhaltung
bezieht sich auf die Zeit, für
welche ein Schlüssel
an einer beliebigen Systemvorrichtung oder MS gespeichert bleibt.
Wird ein kabelloser Schnittstellenverkehrsschlüssel von einer Position gelöscht, wenn
die MS die Position verlässt, und
wird der Schlüssel
zu schnell entfernt, so kann die MS an die Position zurückkehren,
wobei der Schlüssel erneut
aufgestellt werden muss. Bewegt sich die MS für eine gewisse Zeitdauer zwischen
Zonengrenzen oder Zonenrandgebieten, so muss das Schlüsselmaterial
für die
MS möglicherweise
kontinuierlich aufgestellt werden, falls das Schlüsselmaterial
zu schnell aus einer Position gelöscht wird, wenn die MS die
Position verlässt. Wird
das Schlüsselmaterial
zu lange an einer Position belassen, so werden möglicherweise doppelte Schlüssel aufgestellt,
wodurch sich Mehrdeutigkeiten und die Wahrscheinlichkeit von Authentifizierungsfehlern,
insbesondere bei impliziter Authentifizierung, ergeben. Somit muss
die Schlüsselerhaltung
für jeden
Schlüssel angemessen
eingestellt werden, um derartige Probleme zu verhindern. In der
bevorzugten Ausführungsform basiert
die Erhaltungszeit auf einer erwarteten durchschnittlichen Authentifizierungsrate
im Kommunikationssystem, und bevorzugt ist die Erhaltungszeit geringer
als die erwartete durchschnittliche Authentifizierungsrate im Kommunikationssysstem.
Die erwartete durchschnittliche Authentifizierungsrate basiert auf
einer durchschnittlichen Anzahl von Authentifizierungen einer MS
innerhalb einer Zeitperiode.
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Bei
Schritt 1701 werden, wenn eine MS an einer Position eintrifft,
Schlüssel
und/oder Schlüsselmaterial
im Zusammenhang mit der MS 401 an der Position gespeichert.
Wird bei Schritt 1703 bestimmt, dass die MS die Position
verlassen hat, so wird ein Erhaltungszeitgeber bei Schritt 1705 eingestellt,
es sei denn er wurde bereits eingestellt oder zurückgesetzt,
in welchem Fall der Prozess einfach bei Schritt 1709 fortfährt. Wenn der
Zeitgeber bei Schritt 1707 abläuft, fährt der Prozess bei Schritt 1709 fort,
wo der/die Schlüssel
und/oder das Schlüsselmaterial
im Zusammenhang mit der MS 401 aus der Position gelöscht werden,
und der Prozess endet. Hat die MS 401 die Position bei
Schritt 1703 nicht verlassen, und ist eine Ersetzung des/der
Schlüssel(s) und/oder
des Schlüsselmaterials
bei Schritt 1711 fällig,
so wird/werden der/die Schlüssel
und/oder das Schlüsselmaterial
bei Schritt 1713 ersetzt und der Prozess fährt bei
Schritt 1703 fort. Schritt 1709 kann ebenfalls
erreicht werden (nicht gezeigt), falls eine Systemvorrichtung, wie
beispielsweise eine Zonenregelung, die Position anweist, (einen)
bestimmte(n) Schlüssel
und/oder Schlüsselmaterial
aus irgendeinem Grund zu löschen. Die
ZC bestimmt typischerweise, wann die MS eine Position verlässt basierend
auf HLR- und VLR-Aktualisierungen.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen realisiert
werden, ohne von ihrem grundlegenden Charakter abzuweichen. Die
beschriebenen Ausführungsformen
sollen in jeglicher Hinsicht nur als beispielhaft und nicht einschränkend betrachtet
werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher durch die anliegenden
Ansprüche
definiert, nicht durch die vorstehende Beschreibung. Alle Änderungen,
welche sich innerhalb der Bedeutung und des Entsprechungsbereichs
der Ansprüche
ergeben, sollen in ihren Schutzumfang aufgenommen sein.