Kommunikationssysteme Teil 1.2 - Mobilkommunikation Stephan Rupp Informatik Masterstudium

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Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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Informatik Master, PM2001.1, 2013

Inhaltsübersicht Was steckt hinter meinem Händi? • Funk und Funkzellen • Szenarien: Anrufen und angerufen werden • Authentisierung • Roaming und Hand-Over • GSM-Netzarchitektur (2. Generation Mobilfunk) • Datendienste der 2. Generation Mobilfunk • Mobilfunk der 3. Generation (UMTS)

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Funk und Funkzellen Die letze Meile per Funk

• • • • •

Echos Interferenzen keine Sichtverbindung Uplink-Kapazität Downlink-Kapazität

Quelle: Gerd Siegmund (1)

Ein Fall für die Funkspezialisten und für die Regulierung. Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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Zellulare Netzstruktur Funken auf der gleichen Frequenz gibt Ärger?

Muster wiederkehrender Frequenzen Basisstation Quelle: Gerd Siegmund (1)

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Die Größe

The size of a cell depends on the power of the base station. The size is adjusted to the traffic density, which corresponds to the density of the population. In anFunkzellen urban area, we should expect der variert ... smaller cells than in a rural area. In GSM, cell sizes may vary between a diameter of 250 m and 35 km (with 6 to 8 km on average).

... mit der Teilnehmerdichte.

Motorway Autobahn

Rural Land Area

Warum?

Suburban Vorstadt Area City Stadt Quelle: Gerd Siegmund (1)

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Figure 1-35 shows cells covering an urban area, a suburban area, as well as

Was ein Mobilnetz können muss Szenarien: (1) Anrufen aus dem Mobilnetz

A Datenbank

(2) Angerufen werden im Mobilnetz

B Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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Anforderungen an das Mobilnetz Anrufen (Outgoing Call) • Allokieren von Funkresourcen … • … aber nur für Kunden (autorisierte Nutzer) • Sonst nichts neues. Authentisierung und Autorisierung

Angerufen werden (Incoming Call) • Wo bin ich? – Das Netz muss meinen Standort ständig mitführen, wenn ich erreichbar sein möchte. • Erfordert neue Funktion: Location Updates bzw. Roaming Mobilitätsverwaltung

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Zur Definition der Begriffe Authentisierung und Autorisierung: Zugang nur für Kunden • authentisch: Identität ist überprüft • autorisiert: Zugang ist erlaubt • Diskussion: Identitätsdiebstahl, falsche Rechnungen, Abstreitbarkeit; wie implementiert man so etwas? Mobilitätsverwaltung: • Roaming: Ankommen, Händi einschalten, erreichbar sein • Hand-Over: Ich bewege mich während eines Anrufes zwischen den Funkzelle, die Verbindung soll erhalten werden. • Diskussion: wie implementiert man denn so etwas? Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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the Radio Subsystem (RSS), which represents the base station controllers, bas stations and the radio cells on the left of Figure 1-36. Fig. 1-36 GSM Netzarchitektur

Structure of a GSM Network

Signalling Channels with Mobile Applicaton Protocols

Radio Cell BSS

Home Register BTS Authentication Authority

BSC Gateway MSC

Equipment Reg. Tepehone Network

Visitor Register

MSC

Signalling Channels with Mobile Applications Part and ISDN Applications Protocols

Home Register Authentication Authority Equipment Reg.

Visitor Register

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Quelle: Gerd Siegmund (1)

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The Network Subsystem connects the mobile network to public telephone

Fig. 1-37 GSM Components

GSM Netzelemente BSS

NSS

SMS-C AC HLR OMC BTS MSC

BSC digital radion transmission

A-Interface

BTS

MS

VLR

EIR Abis-Interface

Air-Interface

Voice Mail System Quelle: Gerd Siegmund (1) AC: Authentication Center BSS: Base Station Subsystem BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver Station EIR: Equipment Identification Register HLR: Home Location Register

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MSC: Mobile Switching Center MS: Mobile Station NSS: Network Subsystem OMC: Operation and Maintenance Center SMS-C: Short Message Service Controller VLR: Visitor Location Register

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The mobile set, which today is a rather small device of less than 100 grams

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GSM Netzelemente

• Mobiltelefon (Mobile Station, MS, dt. Händi) • Basistation (Base Transceiver Station, BTS): Modem zur •

MS Vermittlunsanlage (Mobile Switching Centre, MSC): kombiniert mit Care-of-Postamt 1 ( VLR, Visited Location Register)

• Home-Location Register, HLR: Care-of-Postamt 2, kombiniert mit Authentication Centre (AuC)

• Zusatzdienste: • • •

Voice Mail Server SMS Server Equipment Register

• Operation & Maintenance Centre (Administration der Teilnehmer und der Netzinfrastuktur)

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Hand-Over: Von Station zu Station

Feldstärke 1

2

•

Das Mobiltelefon möchte während des laufenden Telefongesprächs zur stärkeren Station wechseln und beantragt den Wechsel beim Netz.

•

Wenn der Antrag genehmigt wird, darf das Händi wechseln und die laufende Verbindung wird im Netz nachgeführt. Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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Fig. 1-41 Sequence of an outgoing mobile call

Mit dem Händi anrufen (1) BSS

VMSC/VLR

GMSC

Exchange

Random Access

Establish a Signalling Link

Service Request (MS-No.,Service type ...) Authentication (RAND/SRES)

Encryption (Cipher Mode Setting)

SETUP (B-Number, Bearer Service, Tele Service...)

Quelle: Gerd Siegmund (1)

Allocate User Channel

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Fig. 1-41 Sequence of an outgoing mobile call

Encryption Mit dem Händi anrufen (2) (Cipher Mode Setting)

BSS SETUP

...

VMSC/VLR

GMSC

Exchange

...

...

...

(B-Number, Bearer Service, Tele Service...) Random Access

...

Allocate User Channel Establish a Signalling Link IAM Service Request

(B-Number, Bearer Service, Tele Service...)

(MS-No.,Service type ...) Authentication

ACM

(RAND/SRES)

(B-User available, Ringing) ALERT Encryption (Cipher Mode Setting)

ANS CONN

(establish connection)

SETUP (B-Number, Bearer Service, Tele Service...)

Connection (Verbindung) Cennection

Kommunikationssysteme,Allocate Teil 1.2, S. Rupp User Channel

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Quelle: Gerd Siegmund (1)

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Aus dem Mobilnetz anrufen Sequenzdiagramm zur Darstellung des Ablaufs Die einzelnen Schritte: • Kanal beantragen • Authentisierung • Verschlüsselung vorbereiten

• Verbindung aufbauen

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Speziell für den Mobilfunk

Wie beim Telefonnetz

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7.2 Part Two (Complete Book)

Authentisierung The Mobile Network Operator has a view of the true identities of users and Verhandlung zwischen Netz Händi procedure in GSM. devices.The figure below descibes the und authentication GSM Network (HLR/AuC)

Mobile Set (SIM card)

Generator

Ki

Random Number

private

Ki

Challenge

private

(Challenge)

A3

A3

Response

Response

= equal?

Question 7: Explain procedure Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S.the Rupp against potential attacks.

and it provides 16 discuss the protection Informatik Master, PM2001.1, 2013

Authentisierung - Fragen

•

Beim Login in einen Server reichen doch auch User-ID und Passwort – warum macht man das bei GSM nicht genau so?

•

Die GSM – Authentisierung beruht auf einem Geheimnis, das auf der SIM-Karte und im HLR/AuC abgelegt ist (dem geheimen Schlüssel Ki). Warum wird der geheime Schlüssel bei GSM bei der Authentisierung nie über das Netz übertragen?

•

Wie funktioniert die in der Abbildung auf der letzten Folie gezeigte Authentisierung?

•

Die SIM-Karte ist weg, was tun? Brauche ich jetzt eine neue Telefonnummer?

•

Sicherheitslücke SIM-Karte: Wer SIM-Karten herstellt oder fälscht oder gefälschte SIM-Karten in Umlauf bringt …?

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gister is handling the subscriber? This is achieved by a procedure called Location Update. Location updates take place if the mobile set is switched on, whenever itUpdates is moving into a different location. They also take place, when a moLocation bile set is switched on in a new place (e.g. following arrival at an airport or railway station). Figure 1-43 shows the procedure.

keep track of mobile users?

Roaming:

Erreichbarkeit unterwegs

Fig. 1-43 Location Updates

Aufenthaltsort (Care of Adresse)

Aufenthaltsort (Care of Postamt)

new BSS

VMSC/VLR

Random Access

Establish Signalling Connection Request Location Update

HLR

t ein h c i n a d Hätte ügt? n e g s i n Verzeich Update Location Insert Subscriber Data Subscriber Data Insertion Ack.

Confirm Location Update

Update Location Ack.

Quelle: Gerd Siegmund (1)

Kommunikationssysteme, Teil 1.2, Rupp In S.GSM,

18 Informatik PM2001.1, a location update is always activated byMaster, the mobile set.2013 If the mo-

Fig. 1-38 Basic Sequence of a Mobile Terminating Call

Sequenz eines Anrufs ins Mobilnetz HLR

Location Area 7 3

6

7

Telephone Network

Home Register

GatewayMobile SC

Mobile SC

6

2

4

1

8 7 5 6

6 Visitor Register

VLR

2b 2a

Radio Cell Quelle: Gerd Siegmund (1)

Radio Base Station

What happens, when In order to show how the co operate, we2013 will Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 19different network components Informatik Master, PM2001.1, you get a call? follow the sequence of an incoming call from a fixed line to a mobile subcri-

Fig. 1-42 Sequence of an incoming mobile call

Anruf ins Mobilnetz (1) BSS

VMSC/VLR

HLR

GMSC MAP: Send Routing Info

MAP: Provide Roaming Number

(B-Number Tele Service ) HLR Request

Exchange IAM (B-Number, Tele Service)

(IMSI/LMSI) Check authorisation and requested services

MAP: Result

MAP: Result

(MSRN)

(MSRN) IAM (B-Number, Tele Service)

Read subscriber data from VLR Paging (IMSI/TMSI)

Random Access

Quelle: Gerd Siegmund (1)

Set up

Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp Signalling Connection

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from VLR Paging (IMSI/TMSI) Anruf insRandom Mobilnetz (2) Access Set up Signalling Connection Response to Paging (MS-No./CKSN/MS-Classmark) Connection Resolution Authentification

Cipher Mode Setting

Call Setup (BC/Facility) Assign Channel (TCM Assignment) ALERT

ACM (B available, Ringing)

CONN

ANS (establish connection) Connection

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Quelle: Gerd Siegmund (1)

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Anruf ins Mobilnetz - Ablauf Sequenzdiagramm zur Darstellung des Ablaufs Die einzelnen Schritte: • Verbindungswunsch signalisieren an Gateway-MSC • •

Aufenthaltsort des gewünschten Teilnehmers nachschlagen in HLR und VLR Verbindungswunsch weiter signalisieren an Visited MSC

•

Mobiltelefon wird in der Location Area ausrufen (Paging)

• Ausgerufenes Mobiltelefon meldet sich • Ablauf wie beim Anruf vom Händi aus (Kanal beantragen, Authentisieren, Verbindung aufnehmen)

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changed. In this section, we will have a look at interfaces and protocols. Figure 1-39 shows the corresponding view of Figure 1-37.

Beziehungen im Schichtenmodell

gleiche Niveaus korrespondieren miteinander

Mobile Set CC

SMS

Fig. 1-39 Interfaces and Protocols

BTS

BSC

MSC

Anwendungen (Call Ctrl, SMS, …)

SS

CC

Mobility Management (MM)

MM

RR

RR

SMS

MM

RR

Radio Resource Management (RR)

BSSAP

BSSAP

Layer 3 SCCP + MTP

Layer 3 SCCP + MTP

Layer 2 LAPDm

Layer 2 LAPDm

Layer 2 LAPD

Layer 2 LAPD

Layer 2 MTP

Layer 2 MTP

Layer 1

Layer 1

Layer 1

Layer 1

Layer 1

Layer 1

Um Air Interface

Abis

A

Interface

Interface Quelle: Gerd Siegmund (1)

SS: Supplementary Services Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

SS

The interfaces shown in Figure 1-39 are:

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Behind the curtain

cells which belong to the same base station controller. In more difficult cases, the cells belong to different base station controllers or different MSCs. Figure Hand-over & Roaming 1-44 shows those scenarios.

Ganz unterschiedliche Dinge: MSC

Hand-over Cells

MSC

Location Area

Location Area

Zelle

BTS

BTS

BSA

BSA

Base Station Area (BSA)

BSA

BSA

Handover

Handover

Location Update

• Roaming:InNetz führtthe Aufenthaltsort nach (sofern Händi by eingeschaltet) any case, request for a hand-over is triggered the base station subsystem based on measurements of the quality of reception. The MSC, which • Hand-over: Nachführen der laufenden Verbindung ohne Unterbrechung is handling the active connection, arranges for the hand-over of a base station • siehe auch: http://www.youtube.com/watch?v=UyWy4UBXadQ subsystem with better quality of reception. In the scenarios shown inQuelle: Fig.Gerd 1- Siegmund (1) 44, this arrangement may either include own base station subsystems of the2013 Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 24 Informatik Master, PM2001.1, MSC, or base station subsystems of another MSC. In any case, call control

subscriber location for a mobile terminating call (i.e. a call that terminates in the mobile network). The number of messages which are exchanged between the network elements depend on the type of scenario. Transaktionen an HLR und VLR (1) ...

BSS

VMSC/VLR

GMSC

HLR

Transaction Request

Request

Exchange call set up

Send Routing Info

Provide Roaming Number

Response Provide Roaming Number

Response Send Routing Info

call set up

paging

Question 2.1: Calculate the total number of transactions in the network: total Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. of Rupp 25 second Informatik Master, PM2001.1, 2013 number transactions per

Transaktionen an HLR und VLR (2) Szenario: • 50 Mio. Teilnehmer • 4 Transaktionen pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • 50 ms Verarbeitungszeit für Look-up (HLR und VLR) • 80% der Teilnehmer werden bereits im HLR gefunden • 200 Bytes pro Nachricht

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Transaktionen an HLR und VLR (3) Fragen: • Transaktionen pro Sekunde insgesamt? • Throughput (bits/s) an HLR und VLR • Round-Trip Delay pro Transaktion? • Welchen Vorteil hätte ein kombiniertes HLR/VLR?

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Inhaltsübersicht Was steckt hinter meinem Händi? • Funk und Funkzellen • Szenarien: Anrufen und angerufen werden • Authentisierung • Roaming und Hand-Over • GSM-Netzarchitektur (2. Generation Mobilfunk) • Datendienste der 2. Generation Mobilfunk • Mobilfunk der 3. Generation (UMTS)

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mation. Plain GSM phones or PC-cards will not be able to use GPRS, but most mobile sets which went on the market after 2001 support the standard.

Fig. 1-45GPRS tecture

– Der Datendienst in GSM

ISDN

GSM U mInterface

VLR BTS

MSC

FDMA/TDMA

A-Interface

MS-GSM Air-Interface

BSC

HLR/(GR)

Gb-Interface

64 kbit/s

SGSN

GGSN

Packet Network GPRS The – GSM Packet Radio Servicesupports a new interface for the packet based Base Station Controller SGSN – Serving GPRS Service Node (Access Control) data: the Gb interface. The interface to the MSC (the A-interface) remains un-

changed. The network element, that (Übergang connects tozum the Gb interface of the BSC is GGSN – Gateway GPRS Service Node Internet)

the SGSN, the Serving GPRS Support Node. Quelle: Gerd Siegmund (1) So what is the "serving" part of this entity? The mobile set needs to register Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 29 Informatik Master, PM2001.1, 2013 at the SGSN (to do this, a Packet Temporary Mobile Subscriber Identity, or P-

Gateway GPRS Support Node. It interconnects the IP-Domain of the mobile network operator to the Internet.

Beziehungsgeflecht für GPRS MS

Doppelt genäht hält besser?

GGSN

Applicat. Network Layer

SGSN Relay SNDCP GTP

IP SNDCP

Data Link Layer

Physical Layer

Comm cols i

IP over IP?

RLC

BSS Relay RLC BSSGP

MAC

MAC

PLL

PLL

RFL

RFL

LLC

Um

LLC BSSGP

IP GTP

TCP/UDP

TCP/UDP

IP

IP

NS

NS

Data Link

Data Link

RFL

RFL

RFL

RFL

Gb

SNDCP: Subnetwork Dependent Convergence Protocol LLC: Logical Link Control RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control PLL: Physical Link Control RFL: Physical RF Layer

Gn

Gi

BSSGP: BSS GPRS Application Protocol GTP: GPRS Tunneling Protocol TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol IP: Inernet Protocol NS: Network Service Quelle: Gerd Siegmund (1)

30 in GPRS for the Informatik Master, PM2001.1, Set, 2013 Figure 1-46 shows the protocols used chain of Mobile

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UMTS - die 3. Generation Mobilfunk other mobile or fixed Networks

Fig. 1-48 Basic UMTS Architecture

CN Core Network Transport user data, Roaming, User data bases, Services

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Radio interface and radio specific funktions (Radio Resource Management)

MS Mobile Station

Nochmals angebaut.

Radio interface, Service execution User interface

Kernnetz: von GSM/GPRS Mitbenutzung zum eigenen IP-Kernnetz

USIM UMTS Subscriber Identity Module User specific data authentification for network access

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Quelle: Gerd Siegmund (1)

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are now called Node B, the base station controller is called RNC (Radio Network Controller)

Kernnetz - Mitbenutzung 2G

Um

GSM BSS

BTS BTS

Abis

A

BSC

TRAU

Fig. 1-50 UMTS of GSM Phase 1

IWF/TC

A

GMSC

ISDN

Abis Gb

CSE

UTRAN

Node B Uu

MSC/VLR

PSTN

Node B

Iub

RNC

Node B

AC

2G Kernnetz

SGSN

Gn

GGSN

Gi

X.25 IP

Iur

Node B

HLR

Iu(CS) Iu(PS)

Iub

EIR

Iub

GSM Phase 2+ Core Network

RNC

Iub

3G (UMTS) Funknetz

AC: Authentication Center BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver Station (GSM) CSE: CAMEL Service Environment (GSM SSF und GSM SCF) EIR: Equipment Identification Register GGSN: Gateway GPRS Support Node GMSC: Gateway MSC

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HLR: Home Location Register IWF/TC: Interworking Function/Transcoder MSC: Mobile services Switching Center PSTN: Public Switched Telephone Network RNC: Radio Network Controller SGSN: Service GPRS Support Node TRAU: Transcoding and Rate Adaption Unit VLR: Visitor Location Register

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UMTS also supports voice channels, which connect from the circuit swit-

MPLS).

UMTS - IP basiertes Kernnetz

F UMTS Release chitecture

Call Control Level MSC Server GERAN UTRAN

A

Iu

Nc

Mc

Mc

CS-MGW

GSMC Server

Nb

CS-MGW

Bearer Level

Im Kernnetz: • MSC-Server für die Steuerung von Transaktionen (Verbindungen) Figure 1-51 shows(MGW) the architecture of Release 4. The packet switched part für den Datenverkehr • Media-Gateways

(SGSN and GGSN) remain unchanged and are not shown in Figure 1-51. However, the MSCs have been replaced by an MSC Server (which contains the control functions), and MSC Gateways (Which actually handle the payload traffic). This bringsTeilmore to communication protocols (e.g.Master, the conKommunikationssysteme, 1.2, S.diversity Rupp 33 Informatik PM2001.1, 2013 trol protocols between controllers and gateways).

Vom Vermittlunssystem ... ... zu Call Server und Media Gateway: Call Server (MSC Server, Gateway Controller)

Prozessor Trunks

…

Koppelnetz

IP Netz

Line Cards

…

Gateway (Media Gateway)

Lines (Teilnehmeranschlussleitungen)

Vermittlungssystem (MSC: Mobile Switching Centre)

Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

…

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Lines

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Anschaltung des GSM Zugangsnetzes Gemeinsames Kernnetz für 2G (GSM/GPRS) und 3G (UMTS)

Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp

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1-52 Net-

Zuletzt: IP basiertes Kernnetz IN and Application Servers CSE

WAP

...

UTRAN Node B

Iub

CSCF

Node B

IP-Backbone

Iur

Node B Node B

R

R

Iub

Iub

MG

RNC HLR

Uu

PSTN

MGC

RNC

Iub

Iu(PS)

R

R

R SGSN

ISDN

GGSN

Gi

X.25 IP

All IP Core Network MG: Media-Gateway MGC: Media-Gateway-Controller CSCF: Call State Control Function R: IP-Router/IP-Switch

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Die wichtigsten Funktionen im Netz AAA: • • •

Authentisierung (ich bins), Autorisierung (ich darfs), Accounting (ich zahle)

Netzelemente: • • • •

BTS bzw. Node B: Basisstation

• •

Media Gateway: Teilnehmeranschlüsse (Line Cards) und Medientransport

BSC bzw, RNC: Controller für die Basisstation SGSN: Zugangskontrolle im Paketnetz AAA/HLR/HSS: Zugangskontrolle und Aufenthaltsverwaltung (Care-of Postamt) Media Gateway Controller bzw. Call Server: Verbindungen und Konferenzen steuern; IMS-CSCF: Call State Controller, verallgemeinerter Call Server, hält Sessions zusammen

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Kommunikationssysteme

ENDE Teil 1.2 Mobilkommunikation

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