DE60114789T2 - Authentifizierung in einem paketdatennetz - Google Patents

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DE60114789T2
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Antti Kuikka
Nadarajah Asokan
Patrick Slykt
Juha Ala-Laurila
Jyri Rinnemaa
Timo TAKAMÄKI
Raimo Vuonnala
Jan-Erik Ekberg
Tommi Mikkonen
Petri Aalto
Seppo Honkanen
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf Mobilpaketnetze und insbesondere aber nicht notwendigerweise auf die Authentifizierung eins Mobilknotens, der eine Verbindung zu einem Mobil-IP-(Internet Protokoll)-Netz herstellt.
  • Bei der Mobil-IP-Vernetzung stellt ein Endgerät, wie ein Laptop-Computer, der einen damit verbundenen Wireless Local Area Network (WLAN) Adapter aufweist, mit seinem Heimatagenten über einen fremden Agenten eine Verbindung her. Funktionell ausgedrückt wirkt das Endgerät als ein Mobilknoten im Netz. Die Ausdrücke Mobilknoten, Heimatagent und fremder Agent sind in der Veröffentlichung Request For Comments 2002 folgendermaßen erläutert:
    Mobilknoten (MT): Ein Host oder Router, der seinen Anknüpfungspunkt von einem Netz oder einem Unternetz zu einem anderen ändert. Ein Mobilknoten kann seinen Standort wechseln, ohne seine IP-Adresse zu ändern; er kann weiter mit anderen Internet-Knoten an jedem Standort unter Verwendung seiner (konstanten) IP-Adresse kommunizieren, vorausgesetzt dass die Sicherungsschichtkonnektivität (link layer connectivity) zu einem Anknüpfungspunkt verfügbar ist.
    Heimatagent (HA): Ein Mobilknoten gehört zu einem Heimatnetz, zu dem ein Heimatagent des Mobilknoten gehört. Der HA ist ein Router auf einem Mobilknotenheimatnetz, der Datagramme für eine Lieferung an den Mobilknoten tunnelt, wenn er sich entfernt von der Heimat befindet, und der aktuelle Standortinformation für den Mobilknoten bewahrt.
    Fremder Agent: ein Router auf einen Netz, das vom Mobilknoten besucht wird, der Lenkdienste für den Mobilknoten liefert, während er registriert wird. Der fremde Agent enttunnelt und liefert Datagramme an den Mobilknoten, die durch den Heimatagenten des Mobilknoten getunnelt wurden. Für Datagramme, die durch einen Mobilknoten gesendet werden, kann der fremde Agent als ein Standardrouter für mobile Knoten, die bei ihm registriert sind, dienen.
    Mobilitätsagent: Entweder ein Heimatagent oder ein fremder Agent.
  • In der Veröffentlichung RFC2002 ist weiter erläutert, dass einem Mobilknoten eine lange IP-Adresse oder Heimatadresse in seinem Heimatnetz gegeben wird. Diese Heimatadresse wird in derselben Weise wie eine "permanente" IP-Adresse, die einem stationären Host geliefert wird, verwaltet. Wenn er sich entfernt von seinem Heimatnetzwerk befindet, so wird durch den Heimatagenten eine "Sorgeadresse (care-of address)" mit dem Mobilknoten verbunden und sie zeigt den aktuellen Anknüpfungspunkt des Mobilknotens an. Der Mobilknoten kann seine Heimatadresse als Quelladresse der IP-Datagramme, die er sendet, verwenden.
  • Es ist für einen Mobilknoten oft wünschenswert, dass er auf der Verbindung zu einem IP-Netz authentifiziert wird. Ein Weg für ein IP-Netz, einen Mobilknoten zu erkennen, besteht in der Verwendung eines gemeinsamen Geheimschlüssels, der dem IP-Netz und dem Mobilknoten bekannt ist. Das gemeinsame Geheimnis ist als der kryptographische Schlüssel zu verwenden. Das gemeinsame Geheimnis kann zuerst dem IP-Netz bekannt sein und dann in einem Mobilknoten gespeichert werden, wenn die Verwaltung des IP-Netzes einen sicheren Zugang zum Mobilknoten erhält. Im Interesse der Sicherheit sollte das gemeinsame Geheimnis nicht über ein Netz gesendet werden, das abgehört werden kann. Somit sollte der Mobilknoten an die Verwaltung des IP-Netzes geliefert werden. In der Zukunft gibt es wahrscheinlich viele verschiedene IP-Netze. Gemäß der vorliegenden Anordnung würde ein Mobilknoten mit einer Datenbank von geheimen Schlüsseln versehen werden müssen, um einen für jedes der verschiedenen IP-Netze, mit denen er verbunden werden könnte, zu haben.
  • Die WO00/02406 beschreibt ein Authentifizierungsverfahren für ein Telekommunikationsnetz, insbesondere für ein IP-Netz. Von einem Endgerät im Netz wird eine erste Nachricht, die eine Authentikator und eine Dateneinheit enthält, an das Netz übertragen, wobei die Dateneinheit Information in Bezug auf die Art, wie die Authentifizierung gebildet ist, enthält. Für das Ausführen der Authentifizierung im Netz wird die Dateneinheit, die in der ersten Nachricht enthalten ist, für das Bestimmen eines Prüfwerts, der mit dem Authentikator verglichen wird, verwendet. Um es für das Endgerät unnötig zu machen, irgend einen komplizierten und umfangreichen Austausch von Nachrichten durchzuführen, wenn es sich an das Netz anknüpft und dennoch die gewünschten Sicherheitseigenschaften für den Gebrauch zu behalten, wird eine solche Identifizierungseinheit im Endgerät verwendet, die als ein Eingangssignal eine Challenge empfängt, aus der eine Antwort und ein Schlüssel im wesentlichen in derselben Weise wie im Teilnehmeridentitätsmodul eines bekannten Mobilkommunikationssystems bestimmt werden kann, wobei ein Satz von Authentifizierungsblöcken in das Netz erzeugt wird, von denen jeder eine Challenge, eine Antwort und einen Schlüssel enthält, wodurch die Erzeugung in derselben Weise wie in diesem Mobilkommunikationssystem durchgeführt wird, wobei mindestens einige der Challenges, die in den Authentifizierungsblöcken enthalten sind, an das Endgerät übertragen werden:
    Eine der Challenges wird für eine Verwendung am Endgerät ausgewählt und auf ihrer Basis werden eine Antwort und ein Schlüssel für die Verwendung mit der Hilfe der Endgerätidentifizierungseinheit bestimmt, wobei in der ersten Nachricht dem Netz mit Hilfe der Dateneinheit mitgeteilt wird, welcher Schlüssel, der welcher Challenge entspricht, ausgewählt wurde, und wobei die Authentifizierung der ersten Nachricht und der Prüfwert mit der Hilfe des gewählten Schlüssels bestimmt werden.
  • Die WO00102407 betrifft eine Authentifizierung, die in einem Telekommunikationsnetz, insbesondere einem IP-Netz durchzuführen ist. Um eine einfache und glatte Authentifizierung der Benutzer eines IP-Netzes in einem geographisch großen Gebiet zu ermöglichen, verwendet das Endgerät (TE1) des IP-Netzes ein Teilnehmerkennungsmodul (SIM) wie es in einem getrennten Mobilkommunikationssystem (MN) verwendet wird, wodurch die Antwort aus der Challenge, die dem Kennungsmodul als Eingangssignal gegeben wird, bestimmt werden kann. Das IP-Netz umfasst auch einen Speziellen Sicherheitsserver (SS), an den eine Nachricht über einen neuen Benutzer übertragen wird, wenn ein Teilnehmer eine Anknüpfung an das IP-Netz vollzieht. Die Authentifizierungsinformation des Teilnehmers, die mindestens eine Challenge und eine Antwort enthält, wird aus dem Mobilkommunikationssystem zum IP-Netz ergriffen, und die Authentifizierung wird auf der Basis der Authentifizierungsinformation, die vom Mobilkommunikationssystem erhalten wird, durch das Übertragen der Challenge durch das IP-Netz zum Endgerät ausgeführt, durch das Erzeugen einer Antwort von der Challenge im Endgerätkennungsmodul und durch das Vergleichen der Antwort mit der Antwort, die vom Mobilkommunikationssystem erhalten wird. Eine solche Datenbank (DB) kann auch in einem System verwendet werden, wo die teilnehmerspezifische Authentifizierungsinformation im Vorhinein gespeichert wird, wodurch die in Frage stehende Information nicht vom Mobilkommunikationssystem ergriffen werden muss, wenn ein Teilnehmer eine Anknüpfung an das Netz vornimmt.
  • Dieses Dokument beschreibt das Senden eines Satzes von Challenges, wenn einige der Challenges mit den reservierten Sicherheitsparameterindexwerten (SPI-Werten) in Konflikt geraten würden, was eine Datenübertragungsbandbreite verschwendet und ein mögliches Sicherheitsrisiko darstellt, da es mehr Daten für das Ausspähen eines Geheimnisses des Mobilkommunikationssystems liefert, unter dessen Verwendung die teilnehmerspezifische Authentifizierungsinformation gebildet wird.
  • Sowohl in der WO00/02406 als auch der WO00/02407 muss das Endgerät die Antwort senden, ohne eine Versicherung, dass die Challenges frisch sind und von einem vertrauenswürdigen Netz empfangen werden. Somit ist das Endgerät nicht fähig, zu bestimmen, ob die Challenges Teil eines Replay-Angriffs (replay attack) sind.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Authentifizierungsverfahren für das Authentifizieren eines Mobilknotens (MT) an ein Paketdatennetz geliefert, das folgende Schritte umfasst:
    Empfangen einer Mobilknotenkennung und eine Schutzkodes von Mobilknoten durch das Paketdatennetz, wobei die Mobilknotenkennung einem gemeinsamen Geheimnis entspricht, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist und von einem Telekommunikationsnetz verwendet werden kann;
    wobei das Paketdatennetz Authentifizierungsinformation erhält, die durch das Telekommunikationsnetz verwendet werden kann, wobei die Authentifizierungsinformation eine Challenge und ein Sitzungsgeheimnis umfasst, die der Mobilknotenkennung entsprechen und unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses abgeleitet werden können;
    Ausbilden kryptographischer Information unter Verwendung von mindestens dem Schutzkode und dem Sitzungsgeheimnis;
    Senden der Challenge und der kryptographischen Information vom Paketdatennetz zum Mobilknoten;
    Empfangen einer ersten Antwort, die der Challenge entspricht und auf dem gemeinsamen Geheimnis basiert, durch das Paketdatennetz; und
    Verifizieren der ersten Antwort für das Authentifizieren des Mobilknotens.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner:
    Prüfen der Gültigkeit der kryptographischen Information unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses am Mobilknoten; und
    Erzeugen des Sitzungsgeheimnisses und der ersten Antwort, die der Challenge entsprechen, am Mobilknoten auf der Basis des gemeinsamen Geheimnisses.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter die folgenden Schritte:
    Versehen des Mobilknotens mit einer Teilnehmerkennung für das Telekommunikatiansnetz; und
    Ausbilden einer Netzzugangskennung aus der Teilnehmerkennung als Mobilknotenkennung durch den Mobilknoten.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt der Erkennung des Telekommunikationsnetzes am Paketdatennetz direkt aus der Mobilknotenkennung.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Versehens des Paketdatennetzes mit einem gemeinsamen Sitzungsschlüssel auf der Basis von mindestens einem Sitzungsgeheimnis.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Vorsehens einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Paketdatennetz und dem Mobilknoten, um die Challenge zwischen ihnen zu kommunizieren, wobei die Kommunikationsverbindung keine Verbindung des Telekommunikationsnetzes ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Verwendung des Teilnehmerkennungsmoduls für das Versehen des Mobilknotens mit einer Mobilknotenkennung. Vorzugsweise wird das Teilnehmerkennungsmodul bei Erzeugen des Sitzungsgeheimnisses auf der Basis eines gemeinsamen Geheimnisses, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist, verwendet.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter folgende Schritte:
    Erhalten einer zweiten Antwort durch das Telekommunikationsnetz; und
    Verwenden der zweiten Antwort beim Prüfen der ersten Antwort.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Sendens der Challenge vom Telekommunikationsnetz zum Mobilknoten über das Paketdatennetz.
  • Vorzugsweise basiert der Schutzkode auf der Zeit.
  • Vorzugsweise basiert die Challenge auf RAND-Kodes von mindestens zwei Authentifizierungstripletts des Telekommunikationsnetzes.
  • Vorzugsweise wird die Challenge kryptographisch unter Verwendung von mindestens der n RAND-Kodes gebildet.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Versehens der Paketdatennetzes mit einem gemeinsamen Sitzungsschlüssel auf der Basis der n Sitzungsschlüssel Kc, die den n RAND-Kodes der Challenge entsprechen.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Erzeugung eines Authentifizierungsschlüssel auf der Basis des gemeinsamen Geheimnisses, des Schutzkodes und eines Algorithmus, der dem Mobilknoten und dem Paketdatennetz bekannt ist. Auf diese Weise ist es möglich, Kommunikationen zwischen dem Mobilknoten und dem Paketdatennetz zu authentifizieren. Je höher die Anzahl der verwendeten Sitzungsschlüssel Kc ist, desto stärker wird ein gemeinsamer Sitzungsschlüssel K.
  • Vorzugsweise ist das Paketdatennetz ein IP-Netz. Noch besser ist es, wenn das Paketdatennetz ein Mobil-IP-Netz ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Erzeugung eines gemeinsamen Sitzungsschlüssels für den Internet-Schlüssel-Austausch, wobei der gemeinsame Sitzungsschlüssel auf mindestens einem Sitzungsgeheimnis und der mindestens einen Challenge basiert.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Schritt des Versehens des Mobilknotens mit der Mobilknotenkennung und dem gemeinsamen Geheimnis, das spezifisch für die Mobilknotenidentität ist, weiter folgende Schritte:
    Ausbilden einer lokalen Verbindung zwischen dem Mobilknoten und einer Mobilstation, wobei die Mobilstation eine Mobilknotenkennung und das gemeinsame Geheimnis, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist, aufweist;
    Ausbilden einer lokalen Verbindung zwischen dem Mobilknoten und einer Mobilstation, die die Mobilknotenkennung und das gemeinsame Geheimnis, das für die Mobilknotenkennung identisch ist, aufweist; und
    Abrufen der Mobilknotenkennung und des gemeinsamen Geheimnisses von der Mobilstation zum Mobilknoten.
  • Vorzugsweise umfasst der Schritt des Versehens des Mobilknotens mit der Mobilknotenkennung und dem gemeinsamen Geheimnis, das der Mobilknotenkennung spezifisch ist, weiter folgende Unterschritte:
    Ausbilden einer lokalen Verbindung zwischen dem Mobilknoten und einem Teilnehmerkennungsmodul, das die Mobilknotenkennung und das gemeinsame Geheimnis, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist, aufweist; und
    Abrufen der Mobilknotenkennung und eines Sitzungsgeheimnisses, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist, vom Teilnehmerkennungsmodul an den Mobilknoten.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Authentifizierungsverfahren in einem Mobilknoten für das Authentifizieren des Mobilknotens gegenüber einem Paketdatennetz, geliefert, das folgende Schritte umfasst:
    Erhalten einer Mobilknotenkennung und eines gemeinsamen Geheimnisses, welches für Mobilknotenkennung spezifisch ist und durch ein Telekommunikationsnetz verwendet werden kann;
    Erhalten eines Schutzkodes;
    Senden der Mobilknotenkennung und des Schutzkodes an das Paketdatennetz;
    Empfangen einer Challenge und einer kryptographischen Information vom Paketdatennetz;
    Prüfen der Gültigkeit der kryptographischen Information unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses;
    Erzeugen eines Sitzungsgeheimnisses und einer ersten Antwort, die der Challenge entspricht, auf der Basis des gemeinsamen Geheimnisses; und
    Senden der ersten Antwort an das Paketdatennetz.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Mobilknoten, der zu einer Authentifizierung gegenüber einem Paketdatennetz fähig ist, geliefert, wobei er umfasst:
    Mittel zum Erhalten einer Mobilknotenkennung und eines gemeinsamen Geheimnisses, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist und von einem Telekommunikationsnetz genutzt werden kann;
    Mittel für das Erhalten eines Schutzkodes;
    Mittel für das Senden der Mobilknotenkennung und des Schutzkodes an das Paketdatennetz;
    Mittel für das Empfangen einer Challenge und kryptographischer Information vom Paketdatennetz;
    Mittel für das Prüfen der Gültigkeit der kryptographischen Information unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses;
    Mittel für das Erzeugen eines Sitzungsgeheimnisses und einer ersten Antwort, die der Challenge entspricht, auf der Basis des gemeinsamen Geheimnisses; und
    Mittel für das Senden der ersten Antwort an das Paketdatennetz.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Gateway mit der Funktion einer Schnittstelle zwischen einem Paketdatennetz und einem Telekommunikationsnetz, das Zugang zu einem Authentifizierungsserver hat, geliefert, wobei das Gateway umfasst:
    einen Eingang zum Empfangen einer Mobilknotenkennung und eines Schutzkodes vom Paketdatennetz;
    einen Ausgang, um dem Authentifizierungsserver die Mobilknotenkennung bereit zu stellen;
    einen Eingang für das Empfangen einer Challenge und eines Sitzungsgeheimnisses, das der Mobilknotenkennung entspricht, vom Authentifizierungsserver;
    einen ersten Prozessor für das Ausbilden kryptographischer Information unter Verwendung von mindestens dem Schutzkode und dem Sitzungsgeheimnis;
    einen Ausgang, um dem Paketdatennetz die Challenge und die kryptographische Information zur weiteren Übertragung an einen Mobilknoten bereit zu stellen;
    einen Eingang für das Empfangen einer ersten Antwort, die der Challenge entspricht, auf der Basis eines gemeinsamen Geheimnisses, das spezifisch für die Teilnehmerkennung ist und dem Mobilknoten und dem Telekommunikationsnetz bekannt ist, vom Mobilknoten über das Paketdatennetz; und
    einen zweiten Prozessor für das Verifizieren der ersten Antwort für die Authentifizierung des Mobilknotens.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Kommunikationssystem geliefert, das umfasst:
    ein Telekommunikationsnetz;
    ein Paketdatennetz;
    einen Mobilknoten, der einen ersten Prozessor zur Bildung eines Schutzkodes umfasst;
    ein Gateway, um als eine Schnittstelle zwischen dem Paketdatennetz und dem Telekommunikationsnetz zu fungieren;
    ein Teilnehmerkennungsmodul, auf das der Mobilknoten zugreifen kann, welches eine Teilnehmerkennung und ein gemeinsames Geheimnis umfasst;
    einen Authentifizierungsserver für das Telekommunikationsnetz, der das gemeinsame Geheimnis, abgebildet auf die Teilnehmerkennung, umfasst;
    wobei der Authentifizierungsserver ausgebildet ist, um die Teilnehmerkennung zu erhalten und als Antwort eine Challenge zurück zu senden;
    das Gateway, das einen zweiten Prozessor für das Ausbilden kryptographischer Information auf der Basis des Schutzkodes umfasst;
    den Mobilknoten, der ausgebildet ist, vom Gateway die Challenge und die kryptographische Information zu empfangen; und der ausgebildet ist, um dem Teilnehmerkennungsmodul die Challenge bereit zu stellen, um in Antwort darauf eine erste Antwort zu empfangen, die auf der Challenge und dem gemeinsamen Geheimnis basiert;
    den ersten Prozessor, der weiter ausgebildet ist, um die kryptographische Information unter Verwendung des Schutzkodes zu verifizieren, um das Gateway gegenüber dem Mobilknoten zu authentifizieren; und
    einen dritten Prozessor, auf den vom Gateway zur Verifizierung der ersten Antwort zugegriffen werden kann, um den Mobilknoten zu authentifizieren.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt für das Steuern eines Mobilknoten für die Authentifizierung des Mobilknotens gegenüber einem Paketdatennetz bereitgestellt, wobei es umfasst:
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, eine Mobilknotenkennung und ein für die Mobilknotenkennung spezifisches und von einem Telekommunikationsnetz nutzbares gemeinsames Geheimnis zu erhalten;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, einen Schutzkode zu erhalten;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, die Mobilknotenkennung und den Schutzkode an das Paketdatennetz zu senden;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, eine Challenge und kryptographische Information vom Paketdatennetz zu empfangen;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, die Gültigkeit der kryptographischen Information unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses zu prüfen;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, ein Sitzungsgeheimnis und eine erste Antwort, die der Challenge entspricht, auf der Basis des gemeinsamen Geheimnisses zu erzeugen; und
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Mobilknoten zu ermöglichen, die erste Antwort an das Paketdatennetz zu senden.
  • Gemäß einem siebten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt für das Steuern eines Paketdatennetzes, um einen Mobilknoten gegenüber dem Paketdatennetz zu authentifizieren, geliefert, wobei es umfasst:
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, eine Mobilknotenkennung und einen Schutzkode von einem Mobilknoten zu empfangen, wobei die Mobilknotenkennung einem gemeinsamen Geheimnis entspricht;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, eine Authentifizierungsinformation zu erhalten, die vom Telekommunikationsnetz verwendbar ist, wobei die Authentifizierungsinformation eine Challenge und ein Sitzungsgeheimnis umfasst, die der Mobilknotenkennung entsprechen und unter Verwendung der Challenge und dem gemeinsamen Geheimnis ableitbar sind;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, kryptographische Information unter Verwendung von mindestens dem Schutzkode und dem Sitzungsgeheimnis zu bilden;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, die Challenge und die kryptographische Information an den Mobilknoten zu senden;
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, eine erste Antwort, die der Challenge entspricht und auf dem gemeinsamen Geheimnis basiert, vom Mobilknoten zu empfangen; und
    von einem Computer ausführbaren Kode, um es dem Paketdatennetz zu ermöglichen, die erste Antwort unter Verwendung des Sitzungsgeheimnisses zu verifizieren.
  • In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Authentifizierung der Mobilknotens gegenüber dem Paketdatennetz mit einem vorläufigen Authentifizierungsverfahren vor dem Authentifizieren des Mobilknotens gegenüber dem Paketdatennetz.
  • Vorteilhafterweise können durch die Verwendung des Geheimnisses, das dem Telekommunikationsnetz und dem Mobilknoten gemeinsam ist, Teilnehmerkennungsmodule für die starke gegenseitige Authentifizierung verwendet werden. Dies liefert ein geradliniges, vertrauenswürdiges Authentifizierungsverfahren, in welchem existierende Authentifizierungsdaten des Telekommunikationsnetzes verwendet werden können.
  • Die Ausführungsformen eines Aspekts gelten auch für verschiedene andere Aspekte der Erfindung. Aus Gründen der Knappheit wurden die Ausführungsformen nicht in Verbindung mit jedem Aspekt der Erfindung wiederholt. Ein kundiger Leser wird die Vorteile der verschiedenen Aspekte auf der Basis der Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung wahrnehmen.
  • Die Erfindung wird nun, nur beispielhaft, unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt ein System, das ein IP-Netz umfasst, das eine der IP-Vernetzung gemäße Mobilstation umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt ein Austauschverfahren für einen gemeinsamen Sitzungsschlüssel des Systems der 1;
  • 3 zeigt eine Authentifizierungserweiterung gemäß dem System der 1;
  • 4 zeigt das Format einer neuen Anforderungserweiterung für einen gemeinsamen Sitzungsschlüssel des Systems der 1;
  • 5 zeigt das Format einer neuen Antworterweiterung des gemeinsamen Sitzungsschlüssels des Systems der 1;
  • 6 zeigt eine Signed RESponse (SRES)-Erweiterung des Systems der 1;
  • 7 zeigt eine Architektur eines Mobilkommunikationssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 zeigt signifikante Funktionsblöcke des Systems der 7;
  • 9 zeigt die Hauptsignalisierungsereignisse des Systems der 7;
  • 10 zeigt ein detailliertes Signalisierdiagramm einer Authentifizierungsoperation des Systems der 7;
  • 11a und 11b bilden zusammen ein Flussdiagramm, das die Funktionalität einer öffentlichen Zugangssteuerung während der Authentifizierung des Systems der 7 zeigt;
  • 12a bis 12d bilden zusammen ein Flussdiagramm, das die Funktionalität des Global System for Mobile Communications/General Packet Radio Service Authentication- und Abrechnungsgateways während der Authentifizierung des Systems der 7 zeigt;
  • 13 zeigt die Hauptsignalisierung einer gesteuerten Verbindungsunterbrechung des Mobilknotens vom Netz des Systems der 7;
  • 14 zeigt ein Internet-Schlüssel-Austausch-Verfahren, wenn ein Mobilknoten ein Initiator der Internet-Schlüssel-Austausch-Verhandlung ist, gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • 15 zeigt Modifikationen des Verfahrens der 14, wenn die öffentliche Zugangssteuerung (Public Access Controller) statt des Mobilknotens ein Initiator der Internet-Schlüssel-Austausch-Verhandlung ist; und
  • 16 zeigt das Verfahren in einem Authentifizierungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung auf ein Telekommunikationsnetz eines globalen Systems für Mobilkommunikation (Global System for Mobile Communications, GSM) beschrieben. Für die Authentifizierung eines Mobilknotens gegenüber einem Paketdatennetz werden Teilnehmerkennungsmodulkarten (Subscriber Identity Modul, SIM), die normalerweise für die Authentifizierung von GSM-Teilnehmern verwendet werden, verwendet. Während des Authentifizierungsverfahrens kommuniziert das SIM und das GSM-Telekommunikationsnetzwerk über das Paketdatennetz statt über das GSM-Telekommunikationsnetz.
  • Der tatsächliche Typ des Telekommunikationsnetzes ist irrelevant. GSM wird als ein Beispiel verwendet, aber der Netztyp könnte auch ein universales Mobiltelekommunikationssystem (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) oder ein GSM mit einem allgemeinen Paketfunkdienst (General Packet Radio Service, GPRS) sein. Tatsächlich kann man das GPRS als eine Erweiterung des GSM statt eines unabhängigen Netzes in dem Sinn ansehen, dass das GPRS unter Verwendung des GSM-Funkzugangsnetzes und von GSM-Authentifizierungsverfahren arbeitet.
  • Die Erfindung wird unter Verwendung von drei Beispielen beschrieben. Beispiel 1 bezieht sich auf eine Mobil-IP-Implementierung, wo existierende Mobil-IP-Extensions verwendet werden. Beispiel 2 bezieht sich auf eine drahtlose LAN-Umgebung mit einem Roaming von einem Unternetzwerk zu einem anderen Unternetzwerk. Beispiel 3 bezieht sich auf die Erzeugung von IKE-Schlüsseln für Internetknoten.
  • Beispiel 1: Mobil-IP
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Mobilknoten durch eine internationale Mobilteilnehmerkennung (IMSI) in Form einer Folge von Ziffern identifiziert. Die IMSI ist per Definition eine eindeutige Teilnehmerkennung, die aus einer nationalen Mobilteilnehmerkennung und einem Mobilländerkode (mobile country code) besteht. Beispielsweise wird im GSM die IMSI durch eine Anzahl von Bytes, die geringer als Anzahl von Ziffern in der IMSI sind, dargestellt.
  • Die IMSI wird in Mobil-IP-Nachrichten als Netzzugangskennung (NAI) übertragen. Die NAI liegt in der Form imsi@sonera.fi (beispielsweise 1234567@sonera.fi) oder imsi@gsm.org (beispielsweise „1234567@gsm.org") vor. Somit trägt die NAI eine Kennung (beispielsweise als Text oder als eine Kennungsnummer) des Mobiltelekommunikationsnetzes, dessen Teilnehmer der Mobilknoten ist, und eine Identifikation der Domain des Mobilknotens. Dies ermöglicht das Erkennen des Telekommunikationsnetzes direkt aus der NAI.
  • Das letztere der beiden Beispiele der NAI, die gsm.org-Domain, ist ein Beispiel einer Domain oberer Ebene, die angepasst ist, um nach der passende Domain in Bezug auf den relevanten GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber zu suchen.
  • Das Ausbilden der NAI aus der IMSI ermöglicht später eine Bestimmung des relevanten GSM-Telekommunikationsnetzbetreibers durch das Paketdatennetz auf der Basis der NAI allein. Dies beseitigt die Notwendigkeit, im Paketdatennetz irgend eine lokale Datenbank zu führen, die zusammen unterschiedliche Telekommunikationsnetzbetreiber und ihre Teilnehmer abbildet.
  • Im allgemeinen ist die Identifizierung von Mobilknoten mit NAIs einem Fachmann im Bereich von Mobile IP bekannt. Eine NAI-Erweiterung kann in eine Registrieranforderung oder eine Registriererwiderung, die beide später beschrieben werden, eingefügt werden.
  • Es wird nun die Funktion der SIM-Karte im GSM-Telekommunikationsnetz erläutert. Im GSM sind Authentifizierungsalgorithmen bekannt, die als A3 und A8 bezeichnet werden. Diese Algorithmen laufen auf dem SIM und im GSM-Telekommunikationsnetz. Diese Algorithmen und ein gemeinsames GSM-Geheimnis Ki sind dem SIM und dem Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes bekannt, der sie typischerweise in einem Heimatregister (Home Location Register, HLR) einer Mobilvermittlungszentrale (Mobile services Switching Centre, MSC) speichert.
  • Bei der Authentifizierung erzeugt der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes eine Challenge RAND, das ist ein 128 Bit Zufallskode, der als eine Challenge verwendet werden soll, einen entsprechenden 64 Bit GSM-Sitzungsschlüssel Kc und eine 32 Bit unterzeichnete Antwort (signed response) SRES für das Verifizieren der Antwort gegenüber der Challenge. Der 64 Bit Sitzungs-GSM-Sitzungsschlüssel Kc wird durch den A8 Algorithmus erzeugt als A8(Ki,RAND) und die 32 Bit lange SRES wird durch A3(Ki,RAND) erzeugt. Die Kombination RAND, SRES und Kc wird im allgemeinen als GSM-Triplett bezeichnet. Der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes sendet die RAND an seinen Teilnehmer (GSM-Telefon), die RAND wird durch den Teilnehmer empfangen, und der Teilnehmer gibt sie an das SIM, das die SRES und Kc reproduziert. Dann antwortet das SIM auf die Challenge durch das Senden der SRES. Der Betreiber empfängt die SRES und kann die Identität des SIM bestätigen. Der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes kann auch verifizieren, dass er einen Kc mit dem SIM teilt. Dann kann der Kc verwendet werden, um Datenverkehr über einen GSM-Funkkanal zu verschlüsseln. Der Vorteil dieses Challenge-Antwort-Mechanismus ist der, dass der Kc nie über den GSM-Funkkanal gesendet werden muss und somit nicht abgehört werden kann.
  • 1 zeigt ein Kommunikationssystem 10, das ein Mobil-IP-Netzwerk MIP, das einen für die IP-Vernetzung geeigneten Mobilknoten MT aufweist, umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Mobilknoten MT ist typischerweise ein Laptop-Computer mit einem drahtlosen Netzadapter und Software für die Vernetzung. Eine Vielzahl von Mobilknoten MT können an das MIP angefügt werden. Der Mobilknoten MT umfasst eine Tastatur KB, ein Teilnehmerkennungsmodul SIM_B, einen ersten Funkblock FR1 (einen PCMCIA drahtlosen LAN-Adapter) für das Kommunizieren mit einem Funkzugangspunkt über einen WLAN-Funkkanal, (optional) einen zweiten Funkblock RF2 (ein PCMCIA GSM-Adapter) für das Kommunizieren mit einem GSM-Netz GSM_B, eine Hauptverarbeitungseinheit (master processing unit, MPU, beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor) für das Steuern der vorher erwähnten Blöcke, und einen Speicher MEM1, der eine erste Software SW1 für das Betreiben der MPU enthält.
  • Das MIP umfasst eine Vielzahl von Zugangspunkten AP, um dem MT eine drahtlose Verbindung zu liefern, eine öffentliche Zugangssteuerung (Public Access Controller) PAC für das Steuern der APs und einen fremden Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Abrechnungsserver FAAA (Foreign Authentication, Authorisation and Accounting server).
  • Das GSM-Netz GSM_B ist ein Heimat-GSM-Netz des SIM_B. Das GSM_B umfasst einen Heimat-Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Abrechnungsserver HAAA (Home Authentication, Authorisation and Accounting server), der eine Datenbank der Teilnehmerdaten besitzt, die Abrechnungs- und Autorisierungsdaten der Teilnehmer des GSM_B umfasst. Diese Daten umfassen die IMSI und das gemeinsame GSM-Geheimnis Ki für jeden Teilnehmer.
  • Das MIP ist mit dem GSM_B durch ein GSM-Authentifizierungs-Gateway GAGW verbunden. Das GAGW ist ein Server und es besitzt einen Speicher MEM2 für das Speichern einer zweiten Software SW2 und einen Zentralprozessor CPU für das Steuern des Betriebs des Servers durch das Ausführen der zweiten Software SW2. Das GAGW verbindet einen Server im GSM_B und einen Server im MIP. Diese Server sind als ein Heimat-AAA-Server HAAA (AAA bezieht sich auf Authentifizierung, Autorisierung und Abrechnung) und ein Fremd-AAA-Server FAAA bezeichnet. Die PAC kann auch als ein Mobilitätsagent MA fungieren. Wenn das MIP das Heimatnetz des MT ist, so ist auch die PAC ein Heimatagent HA des MT. Ansonsten gehört die PAC zu einem fremden Netz und die PAC kann als fremder Agent (Foreign Agent) FA bezeichnet werden. Der HAAA befindet sich im GSM_B, und der FAAA befindet sich im MIP. Die Kommunikation zwischen den beiden AAA-Servern findet mittels eines geeigneten AAA-Protokolls statt. Das AAA-Protokoll wird hier nicht beschrieben.
  • Es wird nun ein Überblick des Authentifizierungsverfahrens kurz beschrieben. Um einen Mobilknoten gegenüber einem Paketdatennetz zu authentifizieren, wird ein gemeinsamer Sitzungsschlüssel K sowohl im MT als auch im FAAA-Server erzeugt. Die Authentifizierung wird unter Verwendung des GSM_B und seines SIM, SIM_B, ausgeführt. In diesem Fall wird das Authentifizierungsverfahren ähnlich dem sein, das oben in Bezug auf ein Basis-GSM-Netz beschrieben wurde. Die Authentifizierung verwendet den Ki, der auf dem SIM_B und dem GSM_B vorhanden ist. Auf das SIM_B wird zugegriffen, indem der MT (beispielsweise ein Laptop-Computer mit einem drahtlosen Lokalnetzadapter) mit einem SIM-Kartenleser versehen wird. Alternativ greift das MIP nicht direkt auf den Ki des GSM_B zu, sondern empfängt eine RAND, die sich auf das SIM_B bezieht. Diese RAND wird an den MT gesandt, und die RESP wird gegen die RESP, die das Telekommunikationsnetz erzeugt hat, verifiziert. Die Authentifizierung kann weiter durch die Verwendung mehrerer RANDs, um einen Authentifizierungsschlüssel zu erzeugen, der sicherer als nur gerade ein Kc ist, verbessert werden.
  • 2 zeigt ein Austauschverfahren für einen gemeinsamen Sitzungsschlüssel des Systems der 1. Nachfolgend wird das Verfahren kurz zusammengefasst und dann detaillierter beschrieben.
    • 1. Der MT sendet an den FAAA eine Netzzugangskennung NAI und einen Schutzkode MT_RAND (der in der Terminologie des Mobile-IP als Nonce bezeichnet wird), der durch den MT erzeugt wird. Der MT_RAND bleibt während einer Authentifizierungssitzung derselbe und seine Bedeutung besteht im Verhindern von Replay-Attacken. Der MT_RAND ist typischerweise eine Zufallszahl oder basiert auf der Zeit (ein Zeitstempel mit einer gewissen Auflösung).
    • 2. Der FAAA sendet an den HAAA eine Anfangsidentifizierungsnachricht, die die IMSI oder NAI des MT und den MT_RAND enthält.
    • 3. Der HAAA gewinnt n GSM-Tripletts wieder, wobei jedes eine RAND, einen Kc und eine SRES umfasst. Dann berechnet der HAAA den K = H(n*Kc, MT_RAND) für den MT. Hier ist n eine ganze Zahl größer oder gleich 1, * stellt die Anzahl der Parameter dar (n*Kc bezieht sich auf n verschiedene Kcs), und H( ) stellt eine Einweg-Hash-Funktion dar. Der HAAA berechnet auch einen Wert SIGNrand, der aus MRC(K,n*RAND,MT_RAND) berechnet wird, wobei MAC einen Nachrichtenauthentifizierungskode bezeichnet. SIGNrand ist eine kryptographische Prüfsumme, um zu verifizieren, dass die n RANDs wirklich von einer Einheit stammen, die einen Zugang zum Ki hat (da K davon abgeleitet ist). Die Prüfsumme zeigt auch an, ob die n RANDs wirklich während derselben Authentifizierungssitzung erzeugt werden, da sich MT_RAND von einer Authentifizierungssitzung zur anderen ändert.
    • 4. Der HAAA sendet die n RANDs, die SIGNrand und wahlweise die IMSI an den FAAA. Die IMSI selbst muss nicht benutzt werden, wenn eine andere Sitzungskennung mit der IMSI im Schritt 1 dieses Verfahrens gesendet wurde. In diesem Fall würde diese Sitzungskennung statt der IMSI verwendet.
    • 5. Der FAAA sendet mindestens eine RAND und die SIGNrand an den MT.
    • 6. Unter Verwendung von i, das auf dem SIM_B gespeichert ist, berechnet der MT den K. Unter Verwendung des K, der n RANDs und der MT_RAND testet der MT dann SIGNrand. Wenn SIGNrand korrekt ist, so erzeugt der MT Kopien der n SRESs (eine für jede RAND). Der MT berechnet eine kryptographische Prüfsumme SIGNsres = HASH2(k,n*SRES) für den K und die SRESs.
    • 7. Der MT sendet die SIGNsres an den FAAA. Im MT ist die Berechnung des K dieselbe wie die Berechnung des K im HAAA.
    • 8. Der FAAA sendet die SIGNsres an den HAAA.
    • 9. Der HAAA verifiziert, das die SIGNres gültig ist, durch das Prüfen, dass die Gleichung SIGNsres = HASH2(K,n*SRES) mit den Werten, die der MT empfangen hat, gilt. Der HAAA sendet das Ergebnis (ob die SIGNsres gültig ist) an den FAAA. Wenn die SIGNsres gültig ist, sendet der HAAA auch den K an den FAAA.
    • 10. Die Authentifizierung ist komplett und der FAAA und der MT verwenden den K gemeinsam.
  • Der FAAA ist funktionell mit mehreren HAAAs verbunden, und der FAAA wählt den korrekten HAAA auf der Basis des Domain-Teils der Benutzer-NAI, beispielsweise „sonera.fi" aus. Der HAAA verwendet ein HAAA-HAAA Protokoll, um die anfängliche Identifikationsnachricht an den korrekten HAAA oder die GSM-Infrastruktur, wie eine Mobilvermittlungszentrale (MSC), zu senden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der FAAA konfiguriert, um mit einem einzigen HAAA zu kommunizieren und sendet immer die Nachricht im Schritt 1 an diesen HAAA.
  • Es wird nun das Verfahren der 2 beschrieben. Es beginnt mit einer Nachrichtenregistrieranforderung, die eine Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung enthält. Diese und die folgenden Erweiterungen werden unter Bezug auf die 3 bis 6 später erläutert. Die IMSI kann in einer Netzzugangskennung-(NAI)-Erweiterung übertragen werden. Die Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung enthält die maximale Lebenszeit des Schlüssels und eine Zufallszahl MT_RAND, die durch den MT gewählt wird. Wenn der MA die Registrieranforderung mit der Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung empfängt, sendet er die NAI (die die IMSI enthält) und die MT_RAND an den HAAA. Wenn der MA ein Heimatagent ist, der durch den Betreiber eines GSM-Telekommunikationsnetzes betrieben wird, so hat der Heimatagent typischerweise einen direkten Zugang zu GSM-Tripletts. In einer Ausführungsform der Erfindung werden eine Anzahl von Tripletts im Voraus wiedergewonnen, um die Registrierung zu beschleunigen. Wenn der HAAA die n GSM- Tripletts für den MT auf irgend eine Weise erhalten hat, so berechnet der den neuen K und eine Authentikator SIGNrand, wie das oben beschrieben ist.
  • Der MA sendet dann eine Registrierantwort mit einer Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung an den MT. Die Registrierantwort enthält die MT_RAND und die SIGNrand, so dass der MT verifizieren kann, dass die RANDs aktuell sind und dass sie durch die GSM-Infrastruktur erzeugt wurden. Die Registrierantwort enthält auch die verbleibende Lebenszeit des Schlüssels, die gleich oder kleiner als die Lebenszeit, die vom MT vorgeschlagen ist, sein kann.
  • Wenn der MT und MA keinen gemeinsamen Kontext verwenden, wird die Authentifizierung der ersten Registrieranforderung und der Registrierantwort fehlschlagen. Der Antwortkode in der Registrierantwort ist „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens" oder „Identifikationsfehlanpassung". Im Mobil-IP wird eine Authentifizierungserweiterung verwendet. Die Authentifizierungserweiterung weist einen speziellen Wert für ein Sicherheitsparameterindex-(SPI)-Feld auf, das bedeutet „Austausch eines neuen Sitzungsschlüssels". Der SPI und die IP-Adresse des MT werden als ein Index für das Verwalten von Authentifizierungsverfahren im Hinblick auf unterschiedliche Mobilknoten verwendet. Die Authentifizierungserweiterung weist auch ein Feld für einen Authentikator, das ist typischerweise ein MAC-Kode, auf. Der Authentikator kann leer sein. Wenn somit der MA die Authentifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht unterstützt, wird er einfach mit dem Antwortkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens" antworten. Wenn der MA ein fremder Agent ist, sollte der MT die Authentifizierungserweiterung insgesamt weglassen.
  • Nach dem Empfangen der Registrierantwort mit der Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung ist der MT fähig, die Gültigkeit von SIGNrand zu verifizieren. Wenn die SIGNrand gültig ist, so erzeugt der MT den Schlüssel K und die SIGNsres und schafft einen neuen Sicherheitskontext für den MA oder, wenn ein solcher schon existiert, aktualisiert er den Kontext mit dem neuen K. Dieser Schlüssel wird als Mobil-IP-Authentifizierungsschlüssel in nachfolgenden Registriernachrichten verwendet.
  • Der MT fügt die SIGNsres in eine SRES-Erweiterung bei der nächsten Registrieranforderung ein und sendet sie an den MA. Der MA sendet die SIGNsres an den HAAA, der sie verifiziert und eine Anzeige an den MA sendet. Wenn die SIGNsres gültig ist, sendet der HAAA auch den K an den MA. Der MA kann nun den Sicherheitskontext für den MT erzeugen/aktualisieren.
  • Wenn der MA der FA ist, könnte der K nun an alle fremden Agenten in der besuchten Domain verteilt werden.
  • Da es sein kann, dass der MA die SRES-Erweiterung schnell bekommen muss, ist es vorteilhaft, dass der MT die Registrieranforderung mit der SRES-Erweiterung direkt nach dem Empfang der RAND sendet.
  • Der Sicherheitskontext, der durch den oben beschriebenen K-Austauschmechanismus geschaffen wurde, weist einen SPI auf. Hier wird ein anderer wohl bekannter SPI für den SIM-erzeugten Sicherheitskontext verwendet. Ein Wert ist für den SPI „SIM-erzeugter Sicherheitskontext" und für den SPI „Austausch eines neuen Sitzungsschlüssels" reserviert.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der Standardalgorithmus bei der Mobil-IP-Authentifizierung in MD5 in einem Präfix-Suffix-Modus verschlüsselt. In diesem Modus wird eine Authentifizierungsfingerabdruck (authentification digest) für eine Nachricht durch das Laufenlassen des MD5 über den folgenden Strom von Bytes berechnet: ein erstes Auftauchen des K und der geschützten Felder von der Registrieranforderung und ein zweites Auftauchen des K.
  • Der Authentifizierungsfingerabdruck wird in einer Authentifizierungserweiterung übertragen, wie das in 3 gezeigt ist. 3 zeigt eine beispielhafte Bitmap als Tabelle von Bits, wobei jede Zeile vier Oktette aufweist. Es gibt drei Arten von Authentifizierungserweiterungen: eine obligatorische Mobil-Heimat-Authentifizierungserweiterung, die zwischen dem MT und dem Heimatagenten verwendet wird, eine optionale Mobil-Fremd-Authentifizierungserweiterung, die zwischen dem MT und dem fremden Agenten verwendet wird, und eine optionale Fremd-Heimat-Authentifizerungserweiterung, die zwischen dem FA und dem HA verwendet wird. Alle diese Erweiterungen haben dasselbe Format. Der SPI ist eine durchsichtige Kennung. Ein Authentifikator (der den Empfänger der Nachricht verifiziert) für die Authentifizierungserweiterung bildet den SPI und die IP-Adresse des Teilnehmers auf einen Sicherheitskontext in der Mobilitätssicherheitsverbanddatenbank (mobility security association database) ab. Der Sicherheitskontext enthält einen Schlüssel, den Algorithmus und andere Sicherheitsparameter. Das Authentifikatorfeld enthält die Nachrichtenauswahl.
  • In der Mobil-IP-Authentifizierung gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden die Sicherheitskontexte (die den K einschließen) unter Verwendung des SIM_B erzeugt. Da die RANDs durch das GSM_B, beispielsweise durch den HAAA, erzeugt werden, muss der MT zuerst seine IMSI an den MA, mit dem er sich registriert, senden. Dann kann der MA das FAAA-HAAA Protokoll verwenden, um die GSM-Authentifizierungsinformation für den MT zu erhalten (wie dies oben beschrieben wurde) und diese Information für das Erzeugen des K mit der MT verwenden. Nachdem der K erzeugt wurde, kann der MT sich mit/durch den MA registrieren.
  • Der K kann für mehrere nachfolgende Registrierungen verwendet werden. Es gibt jedoch eine Lebensdauer für diesen K, und bevor die Lebensdauer abläuft, kann ein neuer K durch ein ähnliches Verfahren erzeugt werden.
  • Die K-Austauschnachrichten zwischen dem MT und dem MA werden als Erweiterungen der Registrieranforderung und der Registrierantwort übertragen. Drei neue Erweiterungen für die Registriernachrichten zwischen dem MT und dem MA werden benötigt, um sich über den K zu einigen. Diese Erweiterungen sind Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung, eine Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung und eine SRES-Erweiterung.
  • Typischerweise weiß der MT, dass sein HA die Authentifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung unterstützt. Es kann jedoch sein, dass der MT nicht weiß, welches Authentifizierungsverfahren oder welche Authentifizierungsverfahren der FA unterstützt. Um zu prüfen, ob der FA das Authentifizierungsverfahren gemäß der Erfindung unterstützt, schließt der MT die Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung für den fremden Agenten in die erste Registrierantwort ein und lässt die Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung weg. Die Neuer-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung ist optional. Wenn der FA sie nicht unterstützt, sollte der FA sie ignorieren und sie entfernen, bevor der die Anforderung an den HA weiter gibt. Wenn die MT die Registrierantwort empfängt, implementiert sie die folgende Logik:
  • – Wenn die Registrierantwort eine Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung enthält, und der Antwortkode vom FA der Fehlerkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens" ist, unterstützt der FA die Authentifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn die Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort gültig ist, erzeugt der MT einen Sicherheitskontext für den FA und fügt eine SRES-Erweiterung für den FA in die nächste Registrieranforderung ein.
    • – Wenn der FA den Antwortkode nicht auf einen Fehlerkode festsetzt, und die Registrierantwort keine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung enthält, und der Antwortkode vom FA nicht gesetzt ist, so unterstützt der FA die Authentisierung nicht, sondern ermöglicht alternativ Registrierungen mit der Mobil-Fremd-Authentifizierung. Der MT kann nachfolgende Registrierungen mit dem FA ausführen, ohne dass irgend welche Authentifizierungserweiterungen erforderlich sind.
    • – Wenn die Registrierantwort keine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung enthält, und der Antwortkode vom fremden Agenten der Fehlerkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens" darstellt, so unterstützt der FA keine Authentifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung und erfordert so eine andere Art der Authentifizierung. In diesem Fall kann, wenn der MT nur die Authentifizierungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, er keine Registrierung mit dem FA durchführen.
  • Wenn der FAAA eine Registrierungsanforderung von einem Mobilknoten empfängt, mit dem der FA keinen Sicherheitskontext teilt, hat der FA die folgenden Optionen:
    • – Wenn es eine ungültige Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung in der Registrieranforderung gibt, so antwortet der FA mit dem Fehlerkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens". Das ist das Standard-Mobil-IP-Verhalten.
    • – Wenn die Registrieranforderung keine Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung enthält, und wenn die lokale Praxis keine Mobil-Fremd-Authentifizierung erfordert, gibt der FA die Registrieranforderung an den HA. Der FA fügt keine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung in die Registrierantwort ein, sogar dann, wenn es eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung in der Registrieranforderung gegeben hat. Dies ist das Standardverhalten vom Mobil-IP. Diese Konfiguration könnte beispielsweise in gemeinsamen Zugangszonen nützlich sein.
    • – Wenn die lokale Praxis im FA die Mobil-Fremd-Authentifizierung fordert, und es keine Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung noch eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung in der Registrieranforderung gibt, so antwortet der FA mit dem Fehlerkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens". Dies ist das Standardverhalten vom Mobil-IP.
    • – Wenn die lokale Praxis im FA die Mobil-Fremd-Authentifizierung fordert, und die Registrieranforderung eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderungs-Erweiterung und keine Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung enthält, so gibt der FA die Registrieranforderung nicht an den Heimatagenten, sondern antwortet stattdessen mit dem Fehlerkode „misslungene Authentifizierung des Mobilknotens" und fügt eine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung in die Registrierantwort ein. Wenn der MT dann eine andere Registrieranforderung mit einer gültigen SRES-Erweiterung und einer gültigen Mobil-Fremd-Authentifizierungs-Erweiterung sendet, gibt der FA die Anforderung an den HA.
  • Nur gewisse GSM-Teilnehmer sind autorisiert, sich durch einen speziellen MA zu registrieren. Die Benutzerautorisation kann in jeder der folgenden Einheiten durchgeführt werden:
    • – der GSM-Infrastruktur. Das GSM-Telekommunikationsnetz (MSC/HLR) kann eine Authentifizierung gemäß der vorliegenden Erfindung nur für gewisse Teilnehmer unterstützen.
    • – dem HAAA. Der HAAA kann mit einer Liste autorisierter IMSIs konfiguriert sein. Der HAAA kann eine getrennte Liste für jede Zugangssteuerung, mit der er verbunden ist, aufweisen. Dies ermöglicht dem HAAA zu entscheiden, welche Teilnehmer autorisierte Benutzer eines gewissen MA sind. Wenn der HA durch den Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes betrieben wird, kann der HAAA bequemerweise diese Art von Autorisationsinformation speichern.
    • – dem FAAA. Wenn eine Firma den FAAA betreibt, beispielsweise für ihre Angestellten, kann es sein, dass die Firma wünscht, zu steuern, welchen GSM-Teilnehmern es ermöglicht wird, eine Registrierung mit dem FAAA durchzuführen. In diesem Fall muss der MA eine Liste autorisierter GSM-Teilnehmer führen. Der MA muss die IMSI auch im Klartext sehen. Wenn eine Verschlüsselung mit einem öffentlichen Schlüssel zwischen dem MS und dem HAAA verwendet wird, um die IMSI zu schützen, kann es sein, dass der HAAA die Klartext-IMSI an den MA senden muss, so dass der MA prüfen kann, ob der MT autorisiert ist, eine Registrierung mit dem FAAA durchzuführen.
  • Die Neue-Sitzungsschlüssel-Austausch-Erweiterungen sind normale (nicht kritische) Erweiterungen, die vorzugsweise in einer MT-AAA-Authentifizierungserweiterung gespeichert werden. Alternativ können die lieferantenspezifische Sitzungs-Erweiterungen verwendet werden. Wenn der Empfänger der Registrieranforderung die Erweiterung nicht erkennt, wird die Erweiterung verworfen.
  • Der Sitzungsschlüsselaustausch zwischen dem MT und dem FA ist unabhängig vom K-Austausch zwischen dem MT und dem HA. Somit enthält eine Registrieranforderung Folgendes:
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung für den FA,
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung für den HA,
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung sowohl für den FA als auch den HA,
    • – eine SRES-Erweiterung für den FA,
    • – eine SRES-Erweiterung für den HA,
    • – eine SRES-Erweiterung sowohl für den FA als auch den HA,
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung für den FA und eine SRES-Erweiterung für den HA, und
    • – eine SRES-Erweiterung für den FA und eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung für den HA.
    • Typischerweise enthält die Registrierantwort irgend eine der folgenden Dinge:
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung vom FA,
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung vom HA, und
    • – eine Neue-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung sowohl vom FA als auch dem HA.
  • Das Format der Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung ist in 4 gezeigt. Der MT kann die Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung mit einem Untertyp 1 (MF-FA) platzieren, nach der Mobil-Heimat-Authentifizierung-Erweiterung und vor der Mobil-Fremd-Authentifizierung-Erweiterung (wenn vorhanden). Der FA muss diese Erweiterung von der Anforderung entfernen, bevor er die Anforderung an den HA weiter gibt.
  • Der MT kann die Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung mit einem Untertyp 2 (MT-HA) vor der Mobil-Heimat-Authentifizierung-Erweiterung platzieren.
  • Wie man aus 4 sieht, gestaltet sich das Format der Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung folgendermaßen:
    Typ Wert 134 (kann ausgelassen werden)
    Länge Die Länge dieser Erweiterung in Bytes ohne die Typen- und Längenfelder. Für die Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung beträgt die Länge 26 Byte.
    Reserviert Reserviert für zukünftigen Gebrauch. Muss auf 0 gesetzt werden.
    Anbieter/Org-ID Das hochrangige Oktett ist 0 und die niederrangigen Oktetts sind der SMI-Netz-Verwaltungsprivatunternehmenskode eines Anbieters eines Mobilvernetzungsdienstes in der Netzbytereihenfolge.
    Anbietertyp NEUER_SITZUNGSSCHLÜSSEL_ANFORDERUNG_ANBIETER_ TYP. Dieser Wert zeigt, dass der spezielle Typ dieser Erweiterung eine Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung ist. Die Verwaltung des Anbietertyps wird durch den Anbieter vorgenommen
    Untertyp 1: MT-FA Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung 2: MT-HA Neue-Sitzungsschlüssel-Anforderung-Erweiterung
    Schlüssellebensdauer Maximale Schlüssellebensdauer in Sekunden, zwei Byte lang
    MT_RAND eine Zufallszahl, die durch den MT erzeugt wird (16 Byte oder 8 Byte)
  • Dies ist ein Beispiel der Verwendung einer anbieterspezifischen Erweiterung. Alternativ kann ein anderer Typ einer Mobil-IP spezifizierten Erweiterung verwendet werden.
  • Das Format der Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung ist in 5 gezeigt. Der FA kann die Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung mit dem Untertyp 1 (MT-FA) in eine Registrierantwort nach der Mobil-Heimat-Authentifizierung-Erweiterung (sofern vorhanden) einschieben. Der HA kann die Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort mit dem Untertyp 2 (MT-HA) in eine Registrierantwort vor der Mobil-Heimat-Authentifizierung-Erweiterung einschieben.
  • Wie man aus 5 sehen kann, gestaltet sich das Format der Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung folgendermaßen:
    Typ Wert 134 (kann ausgelassen werden)
    Länge Die Länge dieser Erweiterung in Byte ohne die Typ- und Längenfelder. Für die Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung ist die Länge 42 plus die Länge der n RANDs.
    Reserviert Reserviert für zukünftigen Gebrauch. Ist auf 0 zu setzen.
    Anbieter/Org–ID Wert, beispielsweise 94 (Nokia). Das hochrangige Oktett ist 0 und die niederrangigen 3 Oktetts sind der SMI-Netzverwaltungsprivatunternehmenskode des Anbieters in Netzbytereihenfolge.
    Anbietertyp Dieser Wert zeigt, dass der spezielle Typ dieser Erweiterung eine Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung ist. Die Verwaltung der Anbietertypen erfolgt durch den Anbieter.
    Untertyp 1: FA-MT Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung 2: HA-MT Neuer-Sitzungsschlüssel-Antwort-Erweiterung
    Schlüssellebensdauer Verbleibende Schlüssellebensdauer in Sekunden
    SIGNrand Der Authentikator für die n RANDs, 16 Byte
    n*RAND n GSM RANDs (Länge n•16 Byte)
  • Das Format der SRES-Erweiterung ist in 6 gezeigt. Der MT kann die SRES-Erweiterung mit Untertyp 1 (MT-FA) in einer Registrieranforderung nach der Mobil-Heimat-Authentisierung- Erweiterung und vor der Mobil-Fremd-Authentisierung- Erweiterung (wenn vorhanden) platzieren. Der FA muss diese Erweiterung entfernen, bevor er die Registrieranforderung an den HA weiter gibt.
  • Der MT kann die SRES-Erweiterung mit dem Untertyp 2 (MT-HA) in einer Registrieranforderung vor der Mobil-Heimat-Authentisierung-Erweiterung platzieren.
  • Wie man aus 6 sehen kann, gestaltet sich das Format der SRES-Erweiterun folgendermaßen:
    Typ Wert 134 (kann ausgelassen werden) Die Länge dieser Erweiterung in Byte ohne die
    Länge Typ- und Längenfelder. Für die SRES-Erweiterung ist die Länge 32 Byte.
    Reserviert Reserviert für zukünftigen Gebrauch. Ist auf 0 zu setzen.
    Anbieter/Org-ID Das hochrangige Oktett ist 0 und die niederrangigen 3 Oktetts sind der SMI-Netzverwaltungsprivatunternehmenskode des Anbieters in Netzbytereihenfolge, wie er in der Zugewiesene-Nummern-RFC [Zugewiesene Nummern] definiert ist.
    Anbietertyp Dieser Wert zeigt, dass der spezielle Typ dieser Erweiterung eine SRES-Erweiterung ist. Die Verwaltung der Anbietertypen erfolgt durch den Anbieter.
    Untertyp 1: MT-FA SRES-Erweiterung 2: MT-HA SRES-Erweiterung
    SIGNsres Die durch den MT berechnete Antwort, 16 Byte
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Austauschnachrichten für den gemeinsamen Sitzungsschlüssel zwischen der MT und der FA durch das Erweitern von Agenterkennungsnachrichten, so dass sie IMSIs und RANDs einschließen, übertragen.
  • In einer nochmals anderen alternativen Ausführungsform wird ein durchsichtiges Authentikatorfeld in der Authentifizierungserweiterung verwendet. Der Beginn dieser Erweiterung wird für das Senden von RANDs, Schlüssellebensdauern und andere Austauschparameter des gemeinsamen Sitzungsschlüssels verwendet. Die Schlüsselaustauschparameter sind in der Berechnung des Authentikators eingeschlossen.
  • Wenn die Parameter in einer getrennten Erweiterung vor der Authentisierungserweiterung übertragen werden, werden die Daten für den Schlüsselaustausch automatisch in die Berechnung der Authentifizierungserweiterung eingeschlossen. Weiterhin ergibt die Verwendung getrennter Erweiterungen eine leichtere Implementierung des Systems. Der Authentikator ist das Ergebnis der MAC-Funktion, beispielsweise eine SIGNrand, wie sie gemäß Schritt 2 berechnet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden statt der Verwendung wohl bekannter SPIs für die vom SIM erzeugten Sicherheitskontexte SPIs in den Austauschnachrichten für den neuen gemeinsamen Sitzungsschlüssel kommuniziert.
  • Beispiel 2: Drahtloses LAN
  • 7 zeigt eine Architektur eines Mobilkommunikationssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das System umfasst einen Mobilknoten MT, der ein Datenendgerät ist, zwei öffentliche drahtlose IP-Zugangsnetze (WISPs) WISP1 und WISP2, das Internet INET, ein erste GSM-Telekommunikationsnetz GSM_A und ein zweites GSM-Telekommunikationsnetz GSM_B, das mit einem GSM-Kern GSMCORE verbunden ist.
  • Die öffentlichen drahtlosen IP-Zugangsnetze (WISP1, WISP2) bieten drahtlose Breitband-IP-Dienste, um es dem MT zu ermöglichen, in öffentlichen Hot-Spots zu roamen, wie beispielsweise Hot-Spots, die beispielsweise in Hotels und Flughäfen angeordnet sind. Jedes WISP kann entweder durch einen GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber oder durch ein privates ISP mit einer Roamingvereinbarung mit einem GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber betrieben werden. Die Roamingvereinbarung ist für die SIM-Authentifizierung wesentlich.
  • Der MT fungiert als ein Mobilknoten. Er kann eine Verbindung mit einem WISP herstellen. Der MT kann auch von einem Netz zu einem anderen Netz unter Verwendung bekannter Technik roamen. Im WLAN wird das Roamen von einem WLAN Hot-Spot zu einem anderen als WLAN-Roamingdienst bezeichnet. Die WISPs haben Zugang zum Internet INET.
  • Der MT weist einen Ausrüstungsteil ME und ein SIM_B auf, die für die Verwendung mit dem zweiten GSM-Telekommunikationsnetz GSM_B vorgesehen sind. Es kann sein, dass der MT keine GSM- fähige Mobilstation ist. In diesem Fall kann ein Benutzer des MT auf das zweite GSM-Telekommunikationsnetz GSM_B zugreifen, indem er eine GSM-Mobilstation mit dem SIM_B versieht. In diesem Beispiel ist der MT tatsächlich ein Laptop-Computer, der mit einer (nicht gezeigten) WLAN-Adapterkarte und einem (nicht gezeigten) Smart-Karten-Leser, der das SIM_B verwenden kann, ausgerüstet ist. Alternativ ist der MT eine Vorrichtung, die einen GSM-Mobilstationsteil für das Kommunizieren mit GSM-Telekommunikationsnetzen, und einen WLAN-Anschlussteil für das Kommunizieren mit WLANs aufweist.
  • Beide GSM-Telekommunikationsnetze GSM_A und GSM_B umfassen jeweils Mobilvermittlungszentralen MSC1 und MSC2. Der GSM-Kern koppelt diese beiden MSCs. Weiterhin weist das erste GSM-Telekommunikationsnetz ein GSM/GPRS-Authentifizierungs- und Abrechnungsgateway (GAGW) auf, das es mit dem Internet INET verbindet. Das GAGW ist die Betreibereinheit des GSM-Telekommunikationsnetzes, die die GSM-Authentifizierungsdienste für die WISPs liefert und Abrechnungsinformation sammelt.
  • Das GSM_B ist mit dem GSMCORE verbunden, und kann weiter durch das GSMCORE und das GAGW mit dem WISP1 (mit dem der MT verbunden ist) und mit dem MT für Authentifizierungs- und Abrechnungszwecke verbunden werden, wie das später detaillierter beschrieben wird.
  • Eine GSM/GPRS SIM basierte Benutzermobilitätsverwaltungsfunktionalität (Benutzerauthentifizierung und Abrechnung) kann für Authentifizierungs- und Abrechnungsfunktionen für eine öffentliche WLAN Zugangszone verwendet werden. Die SIM basierte Authentifizierung liefert eine relativ vertrauenswürdige Verifikation der Teilnehmeridentität (Authentifizierung) für eine Abrechnung der Benutzung. Der GSM-Kern GSMCORE liefert Roamingdienste für eine GSM-Mobilstation, die sich zwischen verschiedenen Betreibernetzen bewegt. Vorteilhafterweise wird der Roamingdienst unter Verwendung existierender SIM-Karten und der GSM-Infrastruktur implementiert. Somit sollte das WISP-Roaming keine zusätzlichen Sicherheitsschlüssel vom MT fordern. Weiterhin benötigen alle GSM-Benutzer, die WLAN-Roamingdienste von ihrem Heimatbetreiber erhalten, den MT, das SIM und die notwendige Roamingsoftware, um Zugang zum öffentlichen Netz zu bekommen. Ein Heimatbetreiber versieht den ein Roaming durchführenden MT mit dem SIM_B, um eine Authentifizierung damit durchzuführen. Das GSM_B ist alternativ ein GSM-Telekommunikationsnetz, das GPRS unterstützt.
  • Der Betrieb des Systems der 7 wird nun beschrieben. Der Benutzer hat eine GSM-Vereinbarung mit dem Betreiber des GSM_B, das den Heimatnetzbetreiber des Benutzers darstellt. Der Netzbetreiber B hat eine Roamingvereinbarung mit dem Betreiber des GSM_A unterzeichnet. Der GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber A hat Partnervereinbarungen mit den Betreibern von WISP1 und WISP2, die jeweils als Betreiber C und D bezeichnet werden. Der ein Roaming durchführende Benutzer mit dem SIM_B kann sich von WISP1 zum WISP2 bewegen. Beide WISPs senden Authentifizierungsanforderungsnachrichten an den Betreiber des GSM_A. Die GSM-Kernnetzroamingfunktionalität wird für das Weiterleiten der Authentifizierungsnachrichten an den Teilnehmerheimatbetreiber (Betreiber des GSM_B) verwendet. Die Architektur ermöglicht es Benutzern beider GSM-Telekommunikationsnetze, sich mit ihren MTs zwischen den WISPs zu bewegen, obwohl die WISPs nur zum Betreiber A des Netzes GSM_A direkte Verbindung haben.
  • Ein ein Roaming durchführender Benutzer muss keine im Vorhinein errichtete Kundenbeziehung mit einem WISP haben. Stattdessen kann sich der das Roamen durchführende Benutzer auf seine Kundenbeziehung mit seinem Heimat-GSM-Telekommunikationsnetz verlassen, um eine Authentifizierung und eine Abrechnung im WLAN zu liefern. Der WISP-Zugang wird der GSM-Rechnung des das Roaming durchführenden Benutzers über ein Authentifizierungsgateway des Betreibers des GSM-Telekommunikationsnetzes belastet.
  • Hier werden diese Roamingdienste verwendet, um es einem MT zu ermöglichen, unter Verwendung eines SIM sowohl für den Zugang zum GSM-Kern als auch zu öffentlichen IP-Zugangsnetzen authentifiziert und belastet zu werden. Der GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber belastet den Benutzer für die Authentifizierungs/Roamingdienste und für die Verwendung von öffentlichen IP-Zugangsnetzen. Dann entschädigt der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes die Betreiber der öffentlichen IP-Zugangsnetze für die Verwendung der Netze.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes den Teilnehmer mit einem WISP-Roaming-SIM versehen, das die Verwendung von GSM-Funkdiensten nicht erlaubt. Ein solches zugewiesenes SIM kann verwendet werden, um Dienste, die durch ein WLAN geliefert werden, zu authentifizieren und abzurechnen.
  • Wie aus dem GSM bekannt ist, speichert das Heimat-GSM-Netz Kundeninformation, wie Authentifizierungskodes und die Benutzerkennung. Typischerweise wird diese Information in einem GSM-Heimatregister (HLR) einer MSC gespeichert. Der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes liefert die auf dem IP basierende Authentifizierungs- und Abrechnungsschnittstelle für einen oder mehrere WISP-Betreiber, möglicherweise auch oder nur für Firmenzugangslösungen.
  • Das GAGW unterstützt ein nahtloses Roaming zwischen den Betreibern verschiedener GSM-Telekommunikationsnetze. Die WISPs senden alle Authentifizierungs- und Abrechnungsinformation an das GAGW. Das GAGW verwendet die GSM-Kernsignalisierung, die vom GSM bekannt ist, um die Authentifizierungs- und Abrechnungsinformation zum entsprechenden GSM-Telekommunikationsnetzbetreiber zu befördern. Die Signallisierung der Abrechnungsinformation zwischen verschiedenen GSM-Telekommunikationsnetzen kann in einer ähnlichen Weise wie bei einem konventionellen Roaming eines Mobiltelefons in einem fremden GSM-Telekommunikationsnetz ausgebildet werden. In diesem Fall belastet das fremde GSM-Telekommunikationsnetz den Heimat-GSM-Telekommunikationsdienst für seinen Dienst beim Arrangieren des Telefongesprächs.
  • Im System der 7 speichert der Heimatbetreiber die Abrechnungsaufzeichnungen und sendet die Rechnung an den Benutzer. Das WISP erzeugt eine Abrechnungsaufzeichnung, die die abgerechneten Dienste beschreibt. Die Abrechnung kann auf irgend bekannten Prinzipien oder Kombinationen dieser basieren, beispielsweise auf einer Flatrate, einer Nutzungszeit, der Anzahl der Pakete oder der Zugangsbandbreite. Das GSM-Netz (GAGW) überträgt die vom WISP ausgehenden Aufzeichnungen an das existierende GSM-Abrechnungssystem.
  • Der MT unterstützt die Authentifizierung durch die Verwendung einer SIM-Karte. In einer alternativen Ausführungsform unterstützt der MT einen oder mehrere Authentifizierungsmechanismen beispielsweise eine Smartkartenauthentifizierung für ein Firmennetzzugang. Ein solcher MT enthält Authentifizierungssoftware und die Smartkarte, aber er braucht keine Schlüssel für einen öffentlichen Zugang oder irgend einen anderen Sicherheitsverband (security association) haben.
  • 8 zeigt signifikante Funktionsblöcke des Systems der 7. 8 zeigt nur ein einziges WISP, obwohl es verständlich ist, dass mehr als ein WISP und mehr als ein GSM-Telekommunikationsnetz vorhanden sein können. 8 zeigt drei wichtige funktionelle Elemente des Systems: den MT, eine öffentliche Zugangssteuerung PAC und das GPRS/GSM-Authentifizierungs- und Abrechnungsgateway GAGW. Das GAGW ist eine zugewiesene Einheit des GSM-Telekommunikationsnetzes, das eine Schnittstelle zwischen dem GSM/GPRS-Netz und einem IP-Netz (beispielsweise dem Internet oder einem Weitbereichs-IP-Netz) herstellt. Das GAGW bietet auch die notwendigen WLAN-Zell-Roamingfunktionen, insbesondere solche die in Bezug zu Authentifizierungs- und Abrechnungsdiensten stehen.
  • Die PAC ist die Einheit des WISP-Netzes, die den Zugang vom Funkzugangsnetz zu Internetdiensten steuert. In diesem Beispiel weist die PAC eine IP-Rdresse dem MT zu und authentifiziert den MT, bevor die Verbindung zum Internet errichtet ist. Die PAC befördert die Authentifizierungsnachrichten zwischen dem MT und dem GAGW, sammelt die Abrechnungsaufzeichnungen und sendet sie an das GAGW. Die PAC leitet auch den Benutzerdatenverkehr zwischen dem MT und dem Internet.
  • Die SIM-Authentifizierung ist ein komplementärer Dienst für die PAC und die PAC unterstützt zusätzlich andere Authentifizierungsmechanismen, wie eine auf einem Passwort basierende Authentifizierung.
  • Es werden nun die Schnittstellen des Systems beschrieben.
  • Die MT-PAC-Schnittstelle ist eine auf dem IP basierende Schnittstelle, die mit der Authentifizierungsfunktionalität versehen ist. Die Authentifizierung ist so gestaltet, dass sie in ein wohl bekanntes Standard-IP-Protokoll eingebettet oder als eine Erweiterung zum existierenden Protokoll implementiert werden kann. Der MT und die PAC werden unter Verwendung ihrer IP-Adressen in dieser Schnittstelle identifiziert.
  • Die PAC-GAGW-Schnittstelle ist eine auf dem IP basierende Schnittstelle, die ein geeignetes Authentifizierungsprotokoll verwendet. Typischerweise unterstützt ein einzelnes GAGW mehrere PACs gleichzeitig. Das GAGW identifiziert verschiedene PACs unter Verwendung ihrer IP-Adressen. In dieser Schnittstelle basiert die MT-Kennung auf einem IMSI-Kode, der auf dem SIM_B gespeichert ist.
  • Die GAGW-HLR-Schnittstelle ist Implementierungs- und Anbieter-spezifisch. Das GAGW verbirgt die zellulare Infrastruktur gegenüber den PACs. Somit ist die PAC-GAGW-Schnittstelle immer dieselbe, obwohl das darunter liegende zellulare Netz von verschiedenem Typ (GSM, GPRS) sein kann oder durch einen anderen Anbieter geliefert wird.
  • 9 zeigt die Hauptsignalisierungsschritte des Systems der 7 und 8. Das Verfahren der Authentifizierung des MT gegenüber der PAC wird typischerweise ausgelöst, wenn der MT versucht eine Verbindung zu dem Netz mit öffentlichen Zugang aufzubauen. In diesem Fall erwirbt der MT eine IP-Adresse über einen (nicht gezeigten) Server mit dynamischem Hostkonfigurationsprotokoll (DHCP). Das DHCP-Protokoll und passende Server sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Die Authentifizierung muss abgeschlossen werden, bevor auf das Netz jenseits der PAC zugegriffen werden kann. Der MT löst die Authentifizierung durch Roaming-Software aus. In einer alternativen Ausführungsform wird die Authentifizierung automatisch ausgelöst, wenn der MT unter Verwendung der SIM-Authentifizierung versucht, Zugang zum Netz zu erlangen, und die Roaming-Anwendung läuft.
  • Ein Überblick der Authentifizierung wird als nächstes unter Bezug auf die Nachrichten, die während des Authentifizierungsverfahrens verwendet werden, erläutert:
    301: Der MT kommuniziert mit der PAC, um eine Verbindung mit dem WISP1 herzustellen und um eine IP-Adresse von einem DCHP-Server zu erhalten.
    302: Die PAC sendet Information, die die unterstützten Authentifizierungsmechanismen, wie eine SIM-Authentifizierung, eine Infrastruktur mit öffentlichem Schlüssel (PKI) oder einen im Vorhinein gemeinsam genutzten (pre-shared) Schlüssel, betrifft.
    303: Der MT erkennt, dass die SIM-Authentifizierung unterstützt wird. Der ME fordert die IMSI vom SIM_B an.
    304: Das SIM_B antwortet auf die IMSI-Anforderung 303 durch das Senden der IMSI an den ME.
    305: Der MT bildet eine Netzzugangskennung, das ist die IMSI, in einem Netzzugangskennungs-(NAI)-Format, wie es am Beginn der Beschreibung des Beispiels 1 erläutert ist. Der MT errichtet eine dynamische Sicherheitsverbindung mit der PAC, beispielsweise unter Verwendung von Diffie-Hellman, und sendet die NAI verschlüsselt über den temporär sicheren Kanal. In einer alternativen Ausführungsform wird die NAI als Klartext ohne Verschlüsselung gesendet.
    306: Die PAC entschlüsselt die NAI und gibt sie in einem Datenpaket, wieder verschlüsselt, über die sichere PAC-GAGW-Schnittstelle an das GAGW. Die IP-Adresse des GAGW ist in der PAC statisch konfiguriert. Ein sicherer Kanal wird zwischen der PAC und dem GAGW unter Verwendung ihres vorher arrangierten gemeinsamen Geheimnisses ausgebildet.
    307: Das GAGW verifiziert, dass das Datenpaket von einer gültigen PAC kommt, entschlüsselt das Paket, prüft die NAI, extrahiert die IMSI und sendet die IMSI mit einer Authentifizierungsanforderung an die nächste MSC. Als nächstes analysiert die MSC die IMSI, um das Heimat-HLR des Teilnehmers, der durch die IMSI bezeichnet wird, heraus zu finden. Dann gibt die MSC die Authentifizierungsanforderung an das Heimat-HLR.
    308: Das Heimat-HLR bildet einen Satz eines oder mehrerer GSM-Authentifizierungstripletts (RAND, SRES, Kc) und sendet den Satz an die Ursprungs-MSC, die den Satz an das GAGW weiter gibt.
    309: Das GAGW bildet ein Packet, das die RANDs und eine kryptographische Prüfsumme der RANDs, die unter Verwendung von mindestens der Kcs erzeugt wird, enthält. Das GAGW bewahrt die SRESs für eine spätere Verwendung in einem nachfolgenden Schritt 314.
    310: Die PAC entschlüsselt das Paket und leitet die RANDs und die kryptographische Prüfsumme an den MT.
    311: Der MT gibt die RANDs an das SIM_B, das den entsprechenden Kc und die SRES-Werte berechnet.
    312: Der MT prüft, ob die Kcs zur kryptographischen Prüfsumme, die durch die PAC gegeben wird, passen. Wenn sie passen, weiß der MT, dass die PAC eine Verbindung zum HLR hat und man so der PAC trauen kann.
    313: Der MT erzeugt eine kryptographische Prüfsumme für die SRESs mit den Kcs und sendet die Prüfsumme an die PAC.
    314: Die PAC leitet die Prüfsumme der SRES an das GAGW. Das GAGW prüft, ob die Prüfsumme zu den SRESs passt, die es von der MSC im Schritt 308 erhalten hat. Wenn sie passt, so sendet das GAGW eine Bestätigungsnachricht Ack an die PAC. Wenn sie nicht passt, so sendet das GAGW eine negative Bestätigung NACK an die PAC.
    315: Wenn die PAC eine positive Bestätigungsnachricht ACK empfängt, die eine erfolgreiche Authentifizierung versichert, so vollendet sie die Authentifizierung durch das Öffnen des Zugangs zum Internet. Wenn die PAC eine negative Bestätigungsnachricht NACK empfängt, so weigert sie sich, den Zugang zum Internet zu öffnen.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die IMSI in den vorhergehenden Schritten statt der NAI verwendet.
  • Die folgenden Tabellen listen die Parameter auf, die zwischen den Elementen des Systems befördert werden:
  • Tabelle 1: Hauptparameter die zwischen dem MT und dem GAGW befördert werden
    Figure 00430001
  • Tabelle 2: Hauptparameter, die zwischen dem MT und der PAC befördert werden
    Figure 00430002
  • Tabelle 3: Hauptparameter, die zwischen der PAC und dem GAGW befördert werden
    Figure 00440001
  • Vorteilhafterweise wird ein optionaler user_class Parameter verwendet, um die Qualität des Dienstes, beispielsweise die maximale Bandbreite für einen speziellen Benutzer, zu definieren.
  • 10 zeigt ein detailliertes Signalisierdiagramm einer Authentifizierung des Systems der 7 und 8. Das Diagramm zeigt die folgenden Schritte:
    (Schritt 401) Der MT sendet eine vom MT ausgehende Authentifizierungsstartanforderung MT_PAC_AUTHSTART_REQ, die die NAI, die die IMSI aufweist, enthält. Die Anforderung enthält typischerweise auch einen Schutzkode MT_RAND (der als Nonce im Kontext des Mobil-IP bekannt ist).
    (Schritt 402) Die PAC empfängt die MT_PAC_AUTHSTART_REQ vom MT und fordert die GSM-Tripletts an, indem sie an das GAGW eine Nachricht PAC_GAGW_AUTHSTART_REQ sendet, die auch die NAI und die MT_RAND enthält.
    (Schritt 403) Das GAGW erhält die GSM-Tripletts vom Heimat-GSM-Telekommunikationsnetz. Ein Triplett genügt, aber es kann sein, dass das GSM-Telekommunikationsnetz eine Vielzahl von Tripletts zurück gibt, wobei in diesem Fall entweder einige der Tripletts verworfen oder für eine spätere Verwendung gespeichert werden, oder sie noch besser alle verwendet werden, um einen stärkeren Schlüssel zu erzeugen. Das Heimat-GSM-Telekommunikationsnetz wird unter Verwendung der NAI erkannt.
    (Schritt 404) Das GAGW erzeugt den K unter Verwendung eines Verschlüsselungsalgorithmus aus mindestens dem oder den GSM-Sitzungsschlüssel(n) Kc. Vorteilhafterweise wird auch die MT_RAND bei der Verschlüsselung verwendet. Das GAGW verschlüsselt die GSM RAND(s) der GSM-Tripletts, berechnet eine kryptographische Prüfsumme oder einen Nachrichtenauthentifizierungskode MAC auf der Basis der RAND(s) und des K und bereitet eine Authentifizierungsstartantwortnachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP. Die Verschlüsselung zwischen dem GAGW und der PAC basiert auf ihrem eigenen gemeinsamen Geheimnis.
    (Schritt 411) Das GAGW sendet an die PAC eine Authentifizierungsstartantwortnachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP, die die RANDs, den MAC, die MT_RAND, einen Rechnungsinformationskode und einen Rechnungsinformations-MAC, der für den Rechnungsinformationskode berechnet wurde, enthält. Typischerweise enthält die Authentifizierungsstartantwortnachricht zusätzlich ein Feld für einen Sitzungszeitablaufparameter für das Bestimmen der gültigen Zeitdauer des neuen K, der zu erzeugen ist, und ein Feld für den Zustand der Sitzung.
    (Schritt 412) Die PAC gibt an den MT die Authentifikationsstartantwortnachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP als eine Nachricht PAC_MT_AUTHSTART_RESP.
    (Schritt 413) Der MT prüft mit der SIGNrand, ob die Parameter, die von der GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP und der PAC_MT_AUTHSTART_RESP befördert werden, tatsächlich vom GSM-Telekommunikationsnetz stammen.
    (Schritt 414) Der MT handhabt die Abrechnungsinformation, die er vom GAGW erhalten hat. Typischerweise liefert er dem Benutzer Information in Bezug auf den Preis des Dienstes, der vom Benutzer angefordert wird. Gewöhnlicherweise basiert dieser Preis mindestens auf Folgendem: einer Flat-Rate-Gebühr, einer auf der Zeit basierenden Abrechnung, der Anzahl der Datenpakete, die zum oder vom MT gesendet wurden, und der Qualität des Dienstes QoS. Der MT fragt dann den Benutzer, ob der Dienst mit dem gegebenen Preis erhalten werden soll. Der MT empfängt eine Antwort vom Benutzer.
    (Schritt 415) Der MT erzeugt einen MAC der SRESs, der für das Antworten an das GAGW verwendet werden soll.
    (Schritt 416) Der MT erzeugt dann ein Zugangsgeheimnis Kpac_MT unter Verwendung von mindestens der Kcs.
    (Schritt 421) Der MT erzeugt und sendet eine Nachricht MT_PAC_AUTHANSWER_REQ an die PAC. Die Nachricht enthält im Zustandsfeld eine Antwort des Benutzer, die zeigt, ob der Benutzer die Bezahlung für den Dienst akzeptiert, den MAC der SRESs, einen MAC des Abrechnungskodes und die MT_RAND (als alle Nachrichten, die während einer Authentifizierungssitzung gesendet werden).
    (Schritt 422) Die PAC erzeugt eine PAC_GAGW_AUTHANSWER_REQ, die die Daten der Nachricht MT_PAC_AUTHANSWER_REQ und zusätzlich die NAI und die IP-Adresse der PAC enthält.
    (Schritt 423) Das GAGW testet den MAC der SRESs, um zu verifizieren, dass bei den Daten, die vom MT gesendet werden, die von der PAC_GAGW_AUTHANSWER_REQ befördert werden, keine unerlaubten Eingriffe vorgenommen wurden.
    (Schritt 424) Wenn das GAGW eine positive Antwort auf den Test im vorigen Schritt bekommt, erzeugt es den Zugangsschlüssel Kpac_MT in einer ähnlichen Weise wie der MT im Schritt 416 und geht dann zum Schritt 431 weiter.
    (Schritt 431) Das GAGW sendet an die PAC eine Nachricht GAGW_PAC_AUTHANSWER_RESP_OK. Die Nachricht enthält die MT_RAND und die Kodes filter_id, Kpac_MT und SIGNresult. Der Kode filter_id ist optional und zeigt die Benutzerklasse des Teilnehmers an. Dies kann bei der Definition einer QoS verwendet werden, beispielsweise eine Verbindung mit hoher Qualität für mehr bezahlende Geschäftskunden. Der SIGNresult ist ein MAC der Daten in der Nachricht, um dem MT schließlich zu verifizieren, dass die Antwort vom GAGW auf dem Weg zum MT nicht geändert wurde.
    (Schritt 441) Die PAC antwortet dem GAGW durch eine Nachricht PAC_GAGW_STARTBILLING_REQ, die das GAGW auffordert, die Abrechnung zu starten. Die Nachricht enthält die NAI und eine Sitzungs-ID (die MT_RAND).
    (Schritt 442) Das GAGW prüft die Antwort vom MT, um zu verifizieren, dass der MT die Abrechnung gestattet hat.
    (Schritt 451) Wenn der MT die Abrechnung gestattet hat, sendet das GAGW an die PAC eine Nachricht GAGW_PAC-STARTBILLING_RESP_OK um den Start der Abrechnung anzuzeigen.
    (Schritt 452) Die PAC sendet an den MT die Nachricht PAC_MT_AUTHANSWER_RESP_OK, die SIGNresult enthält.
    (Schritt 453) Die MT empfängt die Nachricht PAC_MT_AUTHANSWER_RESP_OK und prüft das SIGNresult, das sie enthält. Wenn das SIGNresult korrekt ist, kann der MT den Benutzer über den Start der Abrechnung informieren.
  • Der MAC des Abrechnungskodes wird berechnet, wobei mindestens die Kcs verwendet werden, so dass die PAC keinen unerlaubten Eingriff beim Abrechnungskode vornehmen kann.
  • In der Nachricht PAC_MT_AUTHANSWER_RESP_OK wird der MT über die Laufzeit der Authentifizierung benachrichtigt. Der MT führt eine erneute Authentifizierung seiner selbst durch, bevor die Laufzeit der Authentifizierung abläuft. Wenn er keine erneute Authentifizierung durchführt, so wird die Verbindung des MT zur PAC aufgehoben, und der MT kann sich selbst erneut authentifizieren.
  • Vorteilhafterweise erhält der MT Abrechnungsinformation und entscheidet, wie er sie handhaben will. Vorteilhafterweise kann der Benutzer des MT eine Handhabungsweise der Abrechnungsinformation definieren. Diese Handhabungsweise kann verwendet werden, um beispielsweise zu definieren, dass dem Benutzer keine Abrechnungsinformation präsentiert wird im Falle einer erneuten Authentifizierung oder einer normalen Authentifizierung. Das Handhaben der Abrechnungsinformation beeinflusst nicht das Protokoll der Benachrichtigung zwischen den verschiedenen Einheiten (MT, PAC, GAGW, MSC und HLR).
  • Die 11a und 11b bilden zusammen ein Flussdiagramm, das die Funktionalität der PAC während der Authentifizierung zeigt. In dieser Figur gehören alle Blöcke zur PAC mit Ausnahme derjenigen, die als „MT" oder „GAGW" markiert sind. Die Zeichnung wird beschrieben, indem auf jeden der Blöcke durch sein Bezugszeichen Bezug genommen wird.
  • Die Operation startet vom Block 501. Der MT fordert eine Authentifizierung von der PAC durch das Senden einer Nachricht MT_PAC_AUTHSTART_REQ, die die MT_RAND und die NAI enthält, an die PAC, um somit dort das Authentifizierungsverfahren auszulösen (Block 511). Die PAC bildet (Block 512) eine IP-Adresse MT_IP für den MT ab. Die PAC prüft zuerst, ob sie schon eine IP-Adresse empfangen hat, die für diese NAI abgebildet wurde. Wenn sie das hat, so gewinnt sie die Abbildung aus einer Datenbankaufzeichnung (Block 513). Ansonsten erhält sie eine IP-Adresse und speichert sie mit der NAI in einer Datenbank für eine zukünftige Verwendung.
  • Nach dem Abbilden (Block 512) der IMSI mit einer IP-Adresse leitet die PAC (Block 514) die NAI an das GAGW (Block 541) in einer Nachricht PAC_GAGW_AUTHSTART_REQ. Das GAGW antwortet (Block 542) durch eine Nachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP, die eine Zufallszahl RAND, die als eine Challenge zu verwenden ist, enthält. Im Block 515 empfängt die PAC die Challenge und bildet einen Sitzungs-ID-Kode auf dem MT_IP ab. Als nächstes aktualisiert die PAC die Datenbankaufzeichnung (Block 516) durch das Speichern der SESSION_ID mit dem MT_IP und der IMSI. Dann sendet die PAC (Block 517) die Challenge RAND an den MT in einer Nachricht PAC_MT_AUTHSTART_RESP. Der MT empfängt (Block 502) die Nachricht, erzeugt eine Nachricht und antwortet mit dieser Nachricht MT_PAC_AUTHANSWER_REQ, die eine kryptographische Prüfsumme SIGN_RES, die der Challenge entspricht, und die Challenge selbst enthält. Die PAC empfängt die SIGN_SRES und leitet sie (Block 518) an das GAGW weiter, das prüft (Block 543), ob sie korrekt ist. Das GAGW gibt an die PAC (Block 544) eine Nachricht GAGW_PAC_AUTHANSWER_RESP zurück, um die PAC zu informieren, ob die SIGN_SRES korrekt ist. Alternativ kann das GAGW die korrekte SIGN_SRES berechnen und sie an die PAC zurück geben, so dass die PAC selbst verifiziert, ob die vom MT erzeugte SIGN_SRES korrekt ist. In jedem Fall verifiziert (Block 519) die PAC die Antwort vom GAGW und entscheidet (Block 520) die nächste Aktionen auf der Basis der Antwort. Wenn die Antwort positiv ist, das bedeutet eine erfolgreiche Authentifizierung, dann geht die PAC zum Block 523 weiter, um die Abrechnung zu starten. Ansonsten geht die Ausführung zum Block 521 weiter. Dort wird ein NACK als eine PAC_MT_AUTH_ANSWER_RESP_ERR an den MT gesandt, um einen Fehler in der Authentifizierung anzuzeigen, und die SESSION_ID wird aus der Aufzeichnung, in der sie gespeichert wurde, entfernt (Block 522).
  • Als nächstes werden die Schritte, die sich auf die Abrechnung beziehen, erläutert. Im Block 523 wird eine Nachricht PAC_GAGW_STARTBILLING_REQ an das GAGW gesandt. Die Nachricht informiert das GAGW über die Möglichkeit, Belastungen auf dem Konto der Benutzers des MT, die einer GSM-Rechnung hinzugefügt werden sollen, vorzunehmen. Das GAGW empfängt (Block 547) diese Nachricht und antwortet mit einer Nachricht GAGW_PRAC_STARTBILLING_RESP als Bestätigung. Die Nachricht wird durch die PAC verifiziert (Block 524), und im Fall einer Ablehnung statt einer Bestätigung kehrt die PAC zum Block 521 zurück. Ansonsten (Block 526) wird eine Bestätigungsnachricht PAC_MT_AUTHSTART_RESP_OK an den MT gesandt, um den Start der möglichen Abrechnung zu bestätigen, und es wird ein Zeitgeber gestartet.
  • In der nächste Phase bleibt die PAC im Leerlauf und liefert periodische Abrechnungsaktualisierungen. Diese Aktualisierungen werden durch belastende Ereignisse, wie ein Senden oder Empfangen von Datenpaketen, ausgelöst. Die PAC kann diese Belastungen kombinieren und nur nach einer gewissen Zeitdauer oder nach dem Erreichen einer gewissen Auslösemenge der Belastung eine Abrechnungsaktualisierung durchführen, die der so gesammelten Pauschalsumme entspricht. Wenn ein Ereignis abgerechnet wird, sendet die PAC eine PAC_GAGW_UPDATEBILLING_REQ, um das GAGW über die Abrechnungsaktualisierung zu benachrichtigen. Das GAGW empfängt (Block 547) diese Nachricht und antwortet (Block 548) durch eine Empfangsnachricht GAGW_PAC_UPDATEBILLING_RESP. Die PAC empfängt (Block 528) die Empfangsquittung und prüft (Block 529), ob sie positiv ist. Wenn die Empfangsquittung negativ ist, verhindert die PAC (Block 532), dass der MT Datenpakete zum und vom WISP überträgt, sendet einen Abrechnungsstop an das GAGW und sendet (Block 533) eine Authentifizierungsanforderung an den MT für dessen erneute Authentifizierung. Wenn andererseits die Empfangsquittung im Block 529 positiv ist, prüft die PAC (Block 530) den Zeitgeber, um einen Zeitablauf der Sitzung zu erkennen. Wenn ein Zeitablauf erkannt wird, so geht die PAC zum Block 532 weiter und macht weiter, wie das oben beschrieben wurde. Wenn kein Zeitablauf erkannt wird, so kehrt die PAC-Operation zum Block 527 zurück.
  • Die 12a bis 12d bilden zusammen ein Flussdiagramm, das die Funktionalität des GSM/GPRS Authentifizierungs- und Abrechnungsgateways (GSM/GPRS Authentication and billing Gateway, GAGW) während der Authentifizierung im System der 7 zeigt. Das Flussdiagramm, das in den 11a und 11b gezeigt ist, zeigte die Funktionalität der PAC, und hier wird dieselbe Prozedur aus der Sicht des GAGW betrachtet. Die Prozedur startet vom Block 601. Die PAC sendet an das GAGW die Nachricht PAC_GAGW_AUTHSTART_REQ, die die IMSI und den Domainnamen der MT (definiert durch das SIM_B) enthält. Das GAGW prüft (Block 611), ob der MT schon authentifiziert ist. Wenn ja, so wird ein Authentifizierungsgültigkeitszeitgeber (der später beschrieben wird) gestoppt (Block 613) und es wird existierende Benutzerinformation verwendet (Block 615). Ansonsten wird eine temporäre Benutzer-ID dem MT, der durch die IMSI identifiziert wird, zugewiesen, und die Teilnehmerdaten (IMSI und entsprechende Benutzer-ID) werden in einem Datensatz der Datenbank gespeichert.
  • Dann wird die MT-Authentifizierung gestartet (Block 621). Das GAGW fordert (Block 623) die GSM-Tripletts vom Heimat-GSM-Telekommunikationsnetz des Teilnehmers durch eine Nachricht GAGW_MSC_DATA_REQ, die an die dichteste MSC gesendet wird, an (Block 681). Der MS antwortet (Block 682) durch eine Nachricht MSC_GAGW_DATA_RESP, die ein oder mehrere GSM-Tripletts und zusätzliche Information, die angibt, ob die MSC eine Abrechnung für die Benutzung der PAC durch diesen Benutzer gestattet, enthält. Das GAGW verifiziert diese Antwort (Block 627). Wenn der Benutzer für den Abrechnungsdienst nicht autorisiert ist, oder wenn alternativ der Antwortzeitgeber abläuft (Block 625), so sendet das GAGW (Block 629) eine Autorisierungsfehlernachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP_ERROR an die PAC (Block 602). Ansonsten ist der Zeitgeber nicht abgelaufen, und die Verifikation der Antwort ist positiv, und das Verfahren setzt sich vom Block 633 fort. Das GAGW erhält aus der Datenbank (Block 635) die MT_RAND und mindestens ein GSM-Triplett, das mit dem Teilnehmer verbunden ist, der authentifiziert wurde. Dann berechnet das GAGW eine SIGNrand unter Verwendung einer Hashfunktion, und der Kc und die RAND des GSM-Tripletts oder jedes GSM-Tripletts werden verwendet. Diese gewisse Anzahl von KCs werden durch n*Kc bezeichnet. Hier bezieht sich der Stern nicht auf eine Multiplikation sondern auf die Anzahl der Parameter Kc unterschiedlicher Werte. Dasselbe gilt für alle anderen Vorkommen von Sternen. Für die Multiplikation wird ein „•" statt eines Sterns verwendet. Da die MSC typischerweise ein bis vier unterschiedliche GSM-Tripletts in Erwiderung auf eine Anforderung liefert, können ein oder mehrere Tripletts für die Authentifizierung verwendet werden. Durch das Verwenden von zwei oder mehr Tripletts statt nur einem wird eine verbesserte Sicherheit erhalten, da die Schlüssel länger sind, und da die Wiederholzeitdauer, nach der derselbe Schlüssel wieder verwendet wird, zunimmt. Dies ermöglicht weiter eine Erhöhung der Gültigkeitszeitdauer der ausgebildeten Authentifizierungsschlüssel.
  • Im Block 637 sendet das GAGW eine Challenge und seine SIGNrand in einer Nachricht GAGW_PAC_AUTHSTART_RESP an die PAC (Block 603). Die PAC antwortet mit einer Nachricht PAC_GAGW_AUTHANSWER_REQ, um anzuzeigen, ob der Benutzer gewillt ist, die Abrechnung zu akzeptieren. Das GAGW prüft (Block 641) die Nachricht, und wenn sie zeigt, dass der Benutzer die Abrechnung nicht akzeptiert, so speichert das GAGW (Block 643) die Antwort für statistische Zwecke (Block 639) und sendet eine Nachricht GAGW_PAC_AUTHANSWER_RESP an die PAC, um der PAC zu bestätigen, dass die Authentifizierung abgebrochen werden soll. Die statistische Zwecke umfassen das Sammeln von Information, wie viele Benutzer die Abrechnung akzeptiert haben und wie viele dies nicht getan haben. Diese Information kann für die Optimierung des Preises für die Verbindung verwendet werden, um den Profit der Betreiber des WISP und der Betreiber des GSM-Telekommunikationsnetzes zu maximieren.
  • Wenn die Nachricht PAC_GAGW_AUTHANSWER_REQ anzeigt, dass der Benutzer gewillt ist, die Abrechnung zu akzeptieren, prüft das GAGW (Block 645) die SIGNsres. Diese Prüfung wird ausgeführt durch das Berechnen der SIGNres unter Verwendung der Hashfunktion, die dem MT bekannt ist, und unter Verwendung derselben Eingabedaten (MT_RAND, Kc und RAND jeder der verwendeten GSM-Tripletts). Für die Prüfung erhält das GAGW (Block 647) die Eingabedaten von der Datenbank. Als nächsten Schritt (Block 649) prüft das GAGW, ob die SIGNsres tatsächlich korrekt war.
  • Wenn die SIGNsres inkorrekt war, sendet (Block 653) das GAGW eine Zurückweisungsnachricht GAGW_PAC_AUTHANSWER_RESP_ERR an die PAC (Block 606).
  • Wenn die SIGNsres korrekt war, gewährt das GAGW dem MT Zugang und erzeugt (Block 651) das Kpac_MT. Dann sendet (Block 655) das GAGW die Zugangsbestätigung durch eine Nachricht GAGW_PAC_AUTHANSWER_RESP_OK an die PAC (Block 607). Weiterhin erzeugt das GAGW (Block 657) ein PAC-spezifische Authentifizierungsticket und speichert es (Block 663). Dann aktualisiert (Block 659) das GAGW die Benutzerinformation in der Datenbank und speichert (Block 655) die Benutzerdaten, die das Kpac_MT umfassen. Schließlich startet (Block 661) das GAGW den Authentifizierungsgültigkeitszeitgeber (der auch in Bezug auf Block 613 erwähnt wurde) und startet (Block 667) ein Abrechnungsverfahren. Der Authentifizierungsgültigkeitszeitgeber wird vorzugsweise durch das Speichern der Ablaufzeit der Authentifizierung in der Datenbank implementiert. Dies ermöglicht die Verwendung der allgemeinen Hardware (Takt) für eine Vielzahl von verschiedenen Benutzern und ein leichtes Prüfen des Ablaufens der Authentifizierung durch das Vergleichen der aktuellen Zeit mit der Ablaufzeit.
  • Ein Zugang zum WISP durch den MT wird dem GSM-Konto des Benutzers belastet. Wenn der MT gegenüber dem WISP authentifiziert ist, startet die PAC das Sammeln von Abrechnungsinformation. Die PAC führt eine Datenbank der Verbindungszeit und der Menge der gesendeten Daten. Wenn der MT die Verbindung löst, so leitet die PAC diese Information an das GAGW weiter. Das GAGW erzeugt dann ein GSM-Rufdetailaufzeichnungsticket (Call Detailed Record, CDR) und leitet es an das GSM-Abrechnungssystem, das vom GSM bekannt ist, weiter.
  • 13 zeigt die Hauptsignalisierungsschritte eines gesteuerten Lösen der Verbindung der MT vom Netz. Das Löseverfahren startet, wenn der MT wählt, dass er seine Verbindung lösen will (Block 711). Der MT sendet (Block 713) eine Nachricht MT_PAC_DISCONNECT_REQ an die PAC. Die PAC sendet (Block 721) eine Nachricht PAC_GAGW_STOPBILLING_REQ, die das GAGW auffordert, die Abrechnung zu stoppen. Das GAGW antwortet durch das Senden (Block 731) einer PAC_GAGW_STOPBILLING_RESP an die PAC. Schließlich sendet die PAC eine Nachricht PAC_MT_DISCONNECT_RESP, um dem MT ein erfolgreiches Lösen der Verbindung zu bestätigen.
  • Im Beispiel 2 ist die Funktionalität für die Authentifikatoreinheit, die für die Authentifizierung eines Endgeräts verantwortlich ist, in einem Netzschichtrouter angeordnet. Alternativ ist die Funktionalität ein Verbindungsschichtelement, wie ein WLAN-Zugangspunkt, wobei in diesem Fall die Schnittstelle zwischen dem MT und dem WLRN-Zugangspunkt auf einem Verbindungsschichtprotokoll statt dem IP basiert.
  • Beispiel 3
  • Die funktionelle Architektur der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung verschiedener geeigneter Protokolle implementiert werden. In diesem Beispiel wird jedoch eine erweiterte Version eines Internet-Schlüssel-Austausch-Protokolls (Internet Key Exchange, IKE, RFC 2409) bei Kommunikationen zwischen dem MT und der PAC verwendet. Ein Fern-Authentisierungs-Einwahl-Nutzer-Dienst-Protokoll (Remote Authentication Dial In User Service, RADIUS, RFC 2138, RFC 2139) wird für Kommunikationen zwischen der PAC und dem GAGW verwendet. Es sollte auch bemerkt werden, dass die PAC-Funktionalität innerhalb eines Zugangspunktservers integriert sein könnte, wenn das notwendig sein sollte. Durch das Trennen der PAC-Funktionalität vom Zugangspunkt sind jedoch Übergaben leichter zu implementieren, und somit ist die Trennung für Installationen, die eine Vielzahl von Zugangspunkten aufweisen, passend. 14 zeigt die Hauptsignalisierung zwischen dem MT, der PAC dem GAGW, wenn das erweiterte IKE-Protokoll, das als IKE+ bezeichnet wird, zwischen dem MT und der PAC verwendet wird.
  • HDR ist ein Internet-Sicherheits-Verband-und-Schlüsselverwaltungsprotokoll-Kopfabschnitt (Internet Security Association and Key Management Protocol, ISAKMP, RFC 2409), dessen Austauschtyp die Nutzdatenreihenfolge definiert. Wenn es als HDR* geschrieben wird, zeigt es eine Nutzdatenverschlüsselung an. SA sind SA-Verhandlungsnutzdaten mit einem oder mehreren Vorschlags- und Transformationsnutzdaten (Proposal and Transform payload). KE sind die Schlüsselaustauschnutzdaten. IDmt sind die Kennungsnutzdaten für den MT.
  • Das IKE+ Protokoll wird nun im Detail beschrieben.
  • Das IKE+ Protokoll verwendet IKE-Mechanismen mit Verbesserungen. Dieser Authentifizierungsmodus ist eine Erweiterung zu denen, die in der RFC2409 definiert sind, und bezieht sich auf den einen, der von Litvin M., Shamir R., Zegman T., in „A Hybrid Authentication Mode for IKE", draft-ietf-ipsec-isakmp-hybrid-auth-03.txt, Dezember 1999 vorgeschlagen wurde. Das Protokoll ist für eine Zweiwege-Authentifizierung zwischen dem MT und der PAC gestaltet und verwendet die GSM-Authentifizierung in Phase 1. Der Austausch ist nicht symmetrisch, im Gegensatz zu denen in der RFC2409. Stattdessen müssen beide IKE-Verhandlungsteilnehmer wissen, wo sie die Ausführung vornehmen, da sie mit unterschiedlichen Komponenten kommunizieren: Der MT verwendet sein angefügtes SIM_B für die auf die Authentifizierung bezogenen Funktionen, wohingegen sich die PAC auf einen Authentifizierungsserver (GAGW) im GSM-Telekommunikationsnetz stützt, in einer Kette:
    SIM_B <--> MT <-------------> PAC <---------> GAGW
  • Die IKE-Verhandlung zwischen dem MT und der PAC verwendet die Standard-ISAKMP-Nutzdatensyntax. Andere Nachrichten weisen nicht dieselbe Syntax auf und sind implementierungsabhängig.
  • Da dieser Austausch ziemlich viel komplizierter ist als die, die in der RFC2409 definiert sind, ist er nur im IKE-Hauptmodus definiert. Die folgenden Parameter werden beim Austausch verwendet. Sie sind in Standard-ISAKMP-Nutzdaten enthalten, wie das später erläutert wird.
    IMSI IMSI aus der SIM-Karte abgelesen
    MT_RAND eine durch den MT erzeugte Zufallszahl
    RAND eine durch das GAGW vorgegebene Zufallszahl
    SIGNrand berechnet durch das GAGW als
    HMAC(Kc*n,RAND*n|MT_RANDbillinginfo), wobei HMAC der MD5
    Algorithmus der RFC1321, angewandt im HMAC-Modus, der in der RFC2104 beschrieben ist, ist und Kc der Chiffrierschlüssel von der SIM-Karte ist.
    SIGNsres berechnet durch den MT und das GAGW als HMAC(Kc*n,SRES*n||MS||MT_RAND), wobei SRES der Authentikator von der SIM-Karte ist
    Kpac_MT berechnet durch das GAGW und den MT als HMACK(Kc*n,RAND*n||MS||MT_RAND)
  • Hier bezieht sich der Strich „|" auf eine Zeichenkettenverkettung, wobei zwei Sätze von Ziffern miteinander verkettet werden, beispielsweise 1234|567 = 1234567.
  • Der Austausch, wie er unten gezeigt ist, ist durch eine Man-in-the-Middle Attacke zwischen dem MT und der PAC durch die Authentifizierungsasymmetrie verletzbar. Wenn jedoch der Austausch über ein Medium, wie ein drahtloses LAN, verwendet wird, ist diese Art eines aktiven Angriffs schwierig. Die Tatsache, dass das GAGW nur zu ihm bekannten PACs über sichere Kanäle spricht, reduziert weiter die Wahrscheinlichkeit für den Erfolg eines solchen Angriffs.
  • Die Sicherheit des Austausches kann durch eine Technik mit einem öffentlichen Schlüssel verbessert werden, die nicht die Gefahr einer Man-in-the-Middle Attacke beseitigt, aber die IMSI des Nutzers schützt: Der MT kann das GAGW-Zertifikat von der PAC anfordern und den darin befindlichen öffentlichen Schlüssel verwenden, um den IMSI-Wert, der in den IDmt Nutzdaten herüber gesandt wird, zu verschlüsseln. Der IMSI-Wert ist somit nur dem MT und dem GAGW bekannt, und er kann auch verwendet werden, um die PAC gegenüber dem MT zu authentifizieren, wie das später erläutert wird.
  • Wenn die ID Nutzdaten verwendet werden, um die IMSI des MT zu befördern, wird das ID-Typfeld im ursprünglichen ISAKMP-Nutzlastkopfabschnitt auf ID_USER_FQDN gesetzt.
  • Die folgenden Werte identifizieren die Rollen, die die IKE-Teilnehmer annehmen sollten. Die Werte werden vom Bereich der privaten Nutzung, der in der RFC2409 definiert ist, für das Authentifikationsverfahrensattribut genommen und sie sollten zwischen sich gegenseitig einander zustimmenden Parteien verwendet werden.
  • Figure 00570001
  • 14 zeigt, wie der Austausch funktioniert, wenn der MT der Initiator der IKE-Verhandlung ist.
  • Die am meisten bemerkbare Ausnahme gegenüber IKE-Praktiken, bei denen nur die ersten zwei Nachrichten die verhandelte IKE-SA beeinflussen, besteht darin, dass die endgültige SA-Lebensdauer auf den Sitzungszeitablaufwert, der durch das GAGW ausgewählt wird, eingestellt wird. Es wird angenommen, dass die anfängliche Lebensdauer lang genug ist, um es zu ermöglichen, dass die Verhandlung beendet und der endgültige Wert eingestellt wird.
  • Der Zugangsschlüssel Kpac_MT zwischen der MT und der PAC wird erzeugt als SKEYID = prf(g^xy, CKY-I|CKY-R). Die Werte für SKEYID_{a,d,e} werden in der üblichen Weise auf der Basis der SKEYID berechnet.
  • Wenn das GAGW die IMSI erkennen kann, so berechnet es SIGNrand. Für das Senden der RAND und der SIGNrand zum MT verwendet die PAC_MT_RAND beziehungsweise Hash-Nutzdaten (HASH(1)). Wenn es notwendig ist, mehr als eine RAND in einer einzigen Nachricht zu senden, so können diese in denselben MT_RAND Nutzdaten verkettet werden, oder es können viele MT_RANDs gesendet werden. Der Empfänger kann leicht die Wahl des Senders bestimmen, da die Größe von GSM RAND sich nicht häufig ändert. Wenn die IMSI-Verifikation misslingt, zeigt die PAC dies der MT an durch die Verwendung von Benachrichtigungsnutzdaten, wobei der Anzeigetyp auf INVALID-ID-INFORMATION gesetzt ist. Ansonsten können implementierungsabhängig Fehlerkodes zusätzlich in den Benachrichtigungsnutzdaten übertragen werden.
  • Das GAGW liefert auch Abrechnungsinformation, die die PAC an den MT in Benachrichtigungsnutzdaten (NOTIFY) weitergibt. Der Statuskode für die Benachrichtigungsnutzdaten ist BILLING_INFO und verwendet den Wert 32768 aus dem privaten Bereich. Die Person, die den MT verwendet, muss gefragt werden, ob sie den angebotenen Tarif akzeptiert. Wenn sie dies tut oder wenn ein vordefinierter Zeitgeber abläuft, wird der Austausch mit Nachricht sieben fortgesetzt. Ansonsten sendet der MT eine Benachrichtigungsnachricht an die PAC mit dem Benachrichtigungstyp ATTRIBUTES-NOT-SUPPORTED. Der MT sollte einen relativ kurz eingestellten Zeitgeber verwenden, so dass die Protokollmaschine in der PAC nicht übermäßig verzögert wird.
  • Der MT berechnet die SIGNsres und sendet sie hinüber an die PAC in HASH(2), wobei diese sie an das GAGW für eine Verifikation weiter gibt. Wenn die Verifikation gelingt, so enthält die Antwortnachricht des GAGW einen Zugangsschlüssel (Kpac_MT) zwischen dem MT und der PAC für eine spätere Verwendung und einen Zeitablaufwert für die Sitzung des MT mit dem GAGW. Der von GAGW gewählte Zeitablaufwert aktualisiert denjenigen, auf dem man sich vorher bei der IKE-Verhandlung geeinigt hat. Die PAC muss somit eine aktualisierte IKE SA an den MT senden. Die PAC sendet nicht den Wert Kpac_MT an den MT sondern verwendet ihn stattdessen, um den Körper der aktualisierten SA-Nutzdaten zu verschlüsseln. Dies ist gezeigt als <SA_b>Kpac_MT. Der SIGNresult-Wert vom GAGW wird in ein HASH(3) für den IKE-Transport verpackt. Wenn das GAGW die Identität des MT nicht verifizieren kann, so zeigt die PAC dies dem MT an unter Verwendung von Benachrichtigungsnutzdaten, wobei der Benachrichtigungstyp auf AUTHENTICATION-FAILED festgesetzt ist.
  • 15 zeigt die sehr kleinen Modifikationen am Verfahren der 14, wenn die PAC der Initiator ist. Eine zusätzliche Nachricht ist erforderlich, um das Zertifikat zum arbeiten zu bringen. Die PAC könnte das GAGW-Zertifikat in der ersten Nachricht einschließen, wobei auf diese Weise der MT entscheiden kann, ob er das Zertifikat benötigt. Das GAGW und die nicht geänderten Teile sind in der 15 weggelassen worden.
  • 16 zeigt ein Verfahren in einem Authentifizierungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Authentifizierung verwendet das Erweiterbare Authentifizierungsprotokoll (Extensible Authentication Protocol, EAP), das aus der RFC 2284 „PPP Extensible Authentication Protocol (EAP)", von L. Bunk und J. Vollbrecht, März 1998, bekannt ist. Die Ausführungsform der 16 kann auch mit irgend welchen der oben beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Das EAP ist ursprünglich ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll-(PPP)-Authentifizierungs-Rahmenwerk, das es einem PPP-Teilnehmer ermöglicht, eine Authentifizierung mit seinem AAA-Server durchzuführen, ohne dass der Zugangspunkt die Details des Authentifizierungsverfahrens kennen muss.
  • In dieser Ausführungsform gibt die PAC EAP-Pakete zwischen dem MT und dem GAGW weiter, bis sie eine Erfolgs- oder Fehleranzeige vom GAGW erhält.
  • Durch die Verwendung des EAP müssen die Details des Authentifizierungsverfahrens dem MT und dem HAAA aber nicht einen dazwischen liegenden Authentikator, wie der PAC, bekannt sein. Somit ist das EAP-Protokoll in der Tat ein Client-AAA-Server-Protokoll, wobei der Authentikator eine Weiterleitungsstelle (relay) ist, die die EAP-Pakete weitergibt, ohne darauf zu achten, was sie enthalten. Die PAC ist nur am Ausgang der Authentifizierung (Erfolg oder Misserfolg) interessiert. Zusätzlich wird ein Sitzungsschlüssel als Teil des Authentifizierungsverfahrens erzeugt, und dieser Schlüssel kann an die PAC verteilt werden.
  • 16 zeigt EAP-Pakete, die bei einer erfolgreichen SIM-Authentifizierung übertragen werden. Die EAP-Authentifizierung beginnt typischerweise damit, dass die PAC an den MT eine EAP-Anforderung mit dem Typ 1 (Kennung) ausgibt. Der MT antwortet mit der EAP-Antwort/Kennung, die die MT-Kennung enthält. In einer Roaming-Umgebung ist die Kennung die Netzzugangskennung (NAI).
  • Nach dem EAP-Antwort/Kennungs-Paket der MT empfängt das Endgerät die EAP-Anforderungen des Typs GSMSIM vom HAAA und sendet die entsprechenden EAP-Antworten. Die EAP-Pakete des Typs GSMSIM haben auch ein Untertyp-Feld. Die erste EAP-Anforderung des GSMSIM-Typs ist vom Untertyp-Start. Dieses Paket enthält die kleinste und größte GSM-SIM-Protokollnummer, die durch den HAAA unterstützt wird. Die Antwort des MT (EAP-Antwort/GSMSIM/Start) enthält die MT-Versionsnummer (die zwischen den minimalen und maximalen Versionsnummern der EAP-Anforderung liegen muss), den Vorschlag für die Schlüssellebensdauer der MT, und eine Zufallszahl MT_RAND, die durch den MT geformt wird. Alle nachfolgenden EAP-Anforderungs- und Antwortpakete enthalten dieselbe Version wie das EAP-Antwort/GSMSIM/Start-Paket des MT. Nach dem Empfang von EAP-Antwort/GSMSIM/Start erhält der Authentifizierungsserver n GSM-Tripletts aus dem GSM-Netz und erzeugt den gemeinsamen Sitzungsschlüssel K.
  • Die nächste EAP-Anforderung, die der Authentifizierungsserver sendet, ist vom Typ GSMSIM und vom Untertyp Challenge. Sie enthält die RAND-Challenges, die Schlüssellebensdauer, die vom HAAA festgelegt wurde, und einen Authentikator für die Challenge und die Lebensdauer. Auf den Empfang dieser Nachricht hin, lässt der MT den GSM-Authentifizierungsalgorithmus auf der SIM-Karte ablaufen und berechnet eine Kopie des MAC_RAND-Authentikators. Der MT verifiziert dann, dass die MAC_RAND, die er berechnet hat, der empfangenen MAC_RAND gleicht. Wenn die MAC RANDs nicht passen, so löscht der MT die SIM-Authentifizierung.
  • Wenn alle Prüfungen gemacht sind, antwortet der MT mit der EAP-Antwort/GSMSIM/Challenge, die die Antwort MAC_SRES des MT enthält. Der HAAA verifiziert, dass die MAC_SRES korrekt ist und sendet das EAP-Erfolgspaket, das anzeigt, dass die Authentifizierung erfolgreich war. Der HAAA fügt die abgeleiteten Sitzungsschlüssel in die Nachricht, die er an die PAC sendet, ein.
  • Die EAP-Pakete können zwischen dem MT und der PAC durch ein PPP-Protokoll befördert werden, wenn die PAC ein Einwählserver ist. Andere Protokolle können auch verwendet werden. Wenn beispielsweise die PAC eine Authentikator-Anschlusszugangseinheit (Port Access Entity, PAE) auf einem lokalen Netz (LAN) ist, so kann die EAP-Kapselung über das LAN-Protokoll (EAPOL), die durch das IEEE Draft P802.1X/D9, vom 29. November 2000 vorgeschlagen wurde, ebenfalls verwendet werden.
  • Es wurden spezielle Implementierungen und Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für einen Durchschnittsfachmann ist es klar, dass die Erfindung nicht auf die Details der oben dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie in anderen Ausführungsformen unter Verwendung äquivalenter Mittel implementiert werden kann, ohne von den Eigenschaften der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der MT physikalisch eine Einheit getrennt von einer Mobilstation, die das SIM_B aufweist. Dann bildet der MT eine permanente Verbindung oder eine temporäre Verbindung zur Mobilstation, beispielsweise eine Funkverbindung niedriger Leistung, wie eine Bluetooth-Verbindung. In diesem Fall ist es nicht einmal notwendig, dass das Telekommunikationsnetz irgend welche getrennte SIMs für die Authentifizierung verwendet. Die SIM-Funktionalität kann in die Mobilstation in einer untrennbaren Weise integriert werden, beispielsweise kann der Ki oder sein Äquivalent in einem nicht flüchtigen Speicher der Mobilstation gespeichert werden. Natürlich kann der Mobilknoten mit der Mobilstation so integriert werden, dass auf die Authentifizierungsfunktionalität der Mobilstation durch ein Endgeräteteil zugegriffen werden kann, unabhängig davon, ob die Mobilstation gestaltet ist, ein SIM zu verwenden oder dies nicht der Fall ist. In einer nochmals anderen Ausführungsform ist das Paketdatennetz ein festes Paketdatennetz, beispielsweise ein LAN oder ein Weitbereichsnetz. In einer weiteren Ausführungsform wird die erfundene Authentifizierung für die Authentifizierung eines Mobilknotens gegenüber einem Dienst, beispielsweise einem WWW-Portal oder einem Internet-Bankdienst, verwendet. Somit ist der Umfang der Erfindung nur durch die angefügten Patentansprüche beschränkt.
  • Abkürzungen/Bezugszeichen
    • AAA
    Authentifizierung, Autorisierung und Abrechnung
    FA
    fremder Agent
    FAAA
    Fremder Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Abrechnungsserver
    GAGW
    GSM-Authentifizierungsgateway
    GSM
    globales System für Mobilkommunikationen
    GSM triplet
    RAND, Kc und SRES
    HA
    Heimatagent
    HAAA
    Heimat-Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Abrechnungsserver
    HDR
    Kopfabschnitt der Internet Security Assocation und Schlüsselverwaltungsprotokoll (Internet Security Association and Key Management Proctocol, ISAKMP), dessen Austauschtyp die Nutzdatenbestellungen definiert
    HLR
    Heimatregister (ein Element des GSM-Telekommunikationsnetzes)
    IMSI
    internationale Mobilteilnehmerkennung, im GSM verwendet
    IPsec
    Internetprotokoll-Sicherheitsprotokoll
    ISAKMP
    Internet Security Association und Schlüsselverwaltungsprotokoll
    Kc
    ein 64 Bit langer Schlüssel, der durch ein SIM erzeugt wird
    Ki
    Teilnehmerauthentifizierungsschlüssel, der im GSM verwendet wird und auf dem GSM-Telekommunikationsnetz (beispielsweise im HLR) und auf dem SIM gespeichert wird
    MD5
    Fingerabdruck 5 (Message Digest 5)
    MT
    Mobilknoten (Mobil-IP-Client)
    MSC
    Mobilvermittlungszentrale (ein Element des GSM-Telekommunikationsnetzes)
    MT
    Mobilknoten
    NAI
    Netzzugangskennung, beispielsweise user@nokia.com oder imsi@gsm.org
    RAND
    eine 128 Bit Zufallszahl, die als eine Challenge bei der GSM-Authentifizierung verwendet wird
    MT_RAND
    Ein Zufallsschlüssel für den Schutz gegen Replay-Attacken, vom MT erzeugt
    SIM
    Teilnehmerkennungsmodul
    SPI
    Sicherheitsparameterindex
    SRES
    unterzeichnete Antwort (signed response), eine 32 Bit Antwort bei einer GSM-Authentifizierung

Claims (26)

  1. Authentifizierungsverfahren zur Authentifizierung eines Mobilknotens (MT) an einem Paketdatennetz, umfassend die Schritte: Empfangen einer Mobilknotenkennung (IMSI) und eines Schutzcodes (MT_RAND) von dem Mobilknoten durch das Paketdatennetz, wobei die Mobilknotenkennung einem gemeinsamen Geheimnis entspricht, das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist und von einem Telekommunikationsnetz genutzt werden kann; wobei das Paketdatennetz Authentifizierungsinformationen (Kc, SRES, RAND) erhält, welche von dem Telekommunikationsnetz genutzt werden können, wobei die Authentifizierungsinformationen eine Challenge (RAND) und ein Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) umfasst, entsprechend der Mobilknotenkennung und ableitbar unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses (Ki); Bilden von kryptographischer Information unter Verwendung zumindest des Schutzcodes (MT_RAND) und des Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES); Senden der Challenge (RAND) und der kryptographischen Information (SIGNrand) von dem Paketdatennetz an den Mobilknoten (MT); Empfangen einer ersten Antwort (SIGNsres) entsprechend der Challenge und basierend auf dem gemeinsamen Geheimnis durch das Paketdatennetz; und Überprüfen der ersten Antwort (SIGNsres) zur Authentifizierung des Mobilknotens.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend die Schritte: dem Mobilknoten eine Teilnehmerkennung (IMSI) für das Telekommunikationsnetz bereitzustellen; und Bilden einer Netzzugangskennung (NAI) als die Mobilknotenkennung aus der Teilnehmerkennung durch den Mobilknoten.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, welches weiter den Schritt des Erkennens des Telekommunikationsnetzes an dem Paketdatennetz direkt aus der Mobilknotenkennung (IMSI) umfasst.
  4. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter den Schritt des Erhaltens eines gemeinsamen Sitzungsschlüssels (K, Kpac_MT) basierend auf dem mindestens einen Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) durch das Paketdatennetz umfasst.
  5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter den Schritt des Bereitstellens einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Paketdatennetz und dem Mobilknoten umfasst, um die Challenge zwischen ihnen zu kommunizieren, wobei die Kommunikationsverbindung keine Verbindung des Telekommunikationsnetzes ist.
  6. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter die Schritte umfasst: Erhalten einer zweiten Antwort (SRES) von dem Telekommunikationsnetz; und Verwenden der zweiten Antwort bei der Überprüfung der ersten Antwort (SIGNsres).
  7. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter den Schritt des Weiterleitens der Challenge (RAND) von dem Telekommunikationsnetz zu dem Mobilknoten (MT) durch das Paketdatennetz umfasst.
  8. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schutzcode (MT_RAND) auf Zeit beruht.
  9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Challenge (RAND) auf RAND-Codes von mindestens zwei Authentifizierungstriplets des Telekommunikationsnetzes beruht.
  10. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiter den Schritt des Erzeugens eines gemeinsamen Sitzungsschlüssels (K) für den Internet-Schlüssel-Austausch (Internet Key Exchange) umfasst, wobei der gemeinsame Sitzungsschlüssel auf dem mindestens einen Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) und der mindestens einen Challenge (RAND) beruht.
  11. Authentifizierungsverfahren in einem Mobilknoten für die Authentifizierung des Mobilknotens (MT) gegenüber einem Paketdatennetz, das die Schritte umfasst: Erhalten einer Mobilknotenkennung (IMSI) und eines gemeinsamen Geheimnisses (Ki), welches spezifisch für die Mobilknotenkennung ist und von einem Telekommunikationsnetz verwendet werden kann; Erhalten eines Schutzcodes (MT_RAND); Senden der Mobilknotenkennung (IMSI) und des Schutzcodes (MT_RAND) an das Paketdatennetz; Erhalten einer Challenge (RAND) und von kryptographischen Informationen (SIGNrand) von dem Paketdatennetz; Überprüfen der Gültigkeit der kryptographischen Informationen (SIGNrand) unter Verwendung der Challenge (RAND) und des gemeinsamen Geheimnisses (Ki); Erzeugen eines Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES) und einer ersten Antwort (SIGNsres), entsprechend der Challenge (RAND), basierend auf dem gemeinsamen Geheimnis (Ki); und Senden der ersten Antwort (SIGNsres) an das Paketdatennetz.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, welches weiter den Schritt des Verwendens eines Teilnehmerkennungsmoduls (SIM_B) für das Erhalten der Mobilknotenkennung (IMSI) und zum Erzeugen des Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES) auf der Grundlage eines für die Mobilknotenkennung spezifischen gemeinsamen Geheimnisses (Ki) umfasst.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Erhaltens der Mobilknotenkennung (IMSI) und des für die Mobilknotenkennung spezifischen gemeinsamen Geheimnisses (Ki) weiter die folgenden Unterschritte umfasst: Bilden einer lokalen Verbindung zwischen dem Mobilknoten (MT) und einem Teilnehmerkennungsmodul (SIM_B); und Empfangen der Mobilknotenkennung (IMSI) und eines Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES), das spezifisch für die Mobilknotenkennung ist, von dem Teilnehmerkennungsmodul an den Mobilknoten.
  14. Mobilknoten (MT), der zu einer Authentifizierung gegenüber einem Paketdatennetz fähig ist, umfassend: Mittel zum Erhalt einer Mobilknotenkennung (IMSI) und eines gemeinsamen Geheimnisses (Ki), das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist und von einem Telekommunikationsnetz genutzt werden kann; Mittel (MPU) zum Erhalt eines Schutzcodes (MT_RAND); Mittel (RF1) zum Senden der Mobilknotenkennung (IMSI) und des Schutzcodes (MT_RAND) an das Paketdatennetz; Mittel (RF1) zum Empfang einer Challenge (RAND) und von kryptographischen Informationen (SIGNrand) von dem Paketdatennetz; Mittel (MPU) zur Überprüfung der Gültigkeit der kryptographischen Informationen (SIGNrand) unter Verwendung der Challenge (RAND) und des gemeinsamen Geheimnisses (Ki); Mittel (MPU) zur Erzeugung eines Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES) und einer ersten Antwort (SIGNsres) entsprechend der Challenge (RAND), basierend auf dem gemeinsamen Geheimnis (Ki); und Mittel (RF1) zum Senden der ersten Antwort (SIGNsres) an das Paketdatennetz.
  15. Mobilknoten gemäß Anspruch 14, der weiter Mittel (MPU) zur Überprüfung der Gültigkeit der kryptographischen Information (SIGNrand) unter Verwendung der Challenge (RAND) und des gemeinsamen Geheimnisses (Ki) umfasst; und Mittel (MPU) zur Erzeugung des Sitzungsgeheimnisses (Kc) und der ersten Antwort (SIGNsres) entsprechend der Challenge (RAND), basierend auf dem gemeinsamen Geheimnis (Ki).
  16. Mobilknoten gemäß Anspruch 14 oder 15, der weiter umfasst: Mittel zum Erhalten einer Teilnehmerkennung (IMSI) für das Telekommunikationsnetz; und Mittel zum Bilden einer Netzzugangskennung (NAI) als die Mobilknotenkennung aus der Teilnehmerkennung.
  17. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 16, der für den Erhalt der Challenge von dem Paketdatennetz über eine Kommunikationsverbindung, die keine Verbindung des Telekommunikationsnetzes ist, konfiguriert ist.
  18. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 17, der weiter ein Teilnehmerkennungsmodul (SIM_B) umfasst, um dem Mobilknoten (MT) eine Mobilknotenkennung (IMSI) bereitzustellen, und zur Erzeugung des Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES) auf der Grundlage eines gemeinsamen Geheimnisses (Ki), das für die Mobilknotenkennung spezifisch ist.
  19. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 18, der für den Erhalt der Challenge (RAND) von dem Telekommunikationsnetz über das Paketdatennetz konfiguriert ist.
  20. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Schutzcode (MT_RAND) auf Zeit beruht.
  21. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die Challenge (RAND) auf RAND-Codes von mindestens zwei Authentifizierungstriplets des Telekommunikationsnetzes beruht.
  22. Mobilknoten gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 21, der Mittel (MPU) zur Erzeugung eines gemeinsamen Sitzungsschlüssels (K) für den Internetschlüsselaustausch (Internet Key Exchange) umfasst, wobei der gemeinsame Sitzungsschlüssel auf dem mindestens einen Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) und der mindestens einen Challenge (RAND) beruht.
  23. Gateway (GAGW), um als Schnittstelle zwischen einem Paketdatennetz und einem Telekommunikationsnetz zu fungieren, das Zugang zu einem Authentifizierungsserver (HAAA) hat, wobei das Gateway umfasst: einen Eingang zum Empfangen einer Mobilknotenkennung (IMSI) und eines Schutzcodes (MT_RAND) von dem Paketdatennetz; einen Ausgang, um dem Authentifizierungsserver (HAAA) die Mobilknotenkennung (IMSI) bereitzustellen; einen Eingang, um eine Challenge (RAND) und ein Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES), entsprechend der Mobilknotenkennung, von dem Authentifizierungsserver (HAAA) zu empfangen; einen ersten Prozessor (CPU) zum Bilden von kryptographischen Informationen (SIGNrand) unter Verwendung mindestens des Schutzcodes (MT_RAND) und des Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES); einen Ausgang, um dem Paketdatennetz die Challenge (RAND) und die kryptographischen Informationen (SIGNrand) zur weiteren Übertragung an einen Mobilknoten bereitzustellen; einen Eingang zum Empfang einer ersten Antwort (SIGNsres) entsprechend der Challenge, beruhend auf einem gemeinsamen Geheimnis (Ki), das für die Teilnehmerkennung (IMSI) spezifisch ist und dem Mobilknoten und dem Telekommunikationsnetz bekannt ist, von dem Mobilknoten über das Paketdatennetz; und einen zweiten Prozessor zum Verifizieren der ersten Antwort (SIGNsres) zur Authentifizierung des Mobilknotens.
  24. Kommunikationssystem, das umfasst: ein Telekommunikationsnetz; ein Paketdatennetz; einen Mobilknoten (MT), der einen ersten Prozessor zur Bildung eines Schutzcodes (MT_RAND) umfasst; ein Gateway (GAGW), um als eine Schnittstelle zwischen dem Paketdatennetz und dem Telekommunikationsnetz zu fungieren; ein Teilnehmerkennungsmodul (SIM_B), auf das der Mobilknoten (MT) zugreifen kann, welches eine Teilnehmerkennung (IMSI) und ein gemeinsames Geheimnis (Ki) umfasst, einen Authentifizierungsserver (HAAA) für das Telekommunikationsnetz, das gemeinsame Geheimnis abgebildet auf die Teilnehmerkennung (IMSI) umfassend; den Authentifizierungsserver (HAAA), der angepasst ist, um die Teilnehmerkennung (IMSI) zu empfangen und als Antwort eine Challenge (RAND) zurückzusenden; das Gateway (GAGW), das einen zweiten Prozessor zum Bilden von kryptographischen Informationen (SIGNrand), basierend auf dem Schutzcode (MT_RAND), umfasst; den Mobilknoten (MT), der angepasst ist, von dem Gateway (GAGW) die Challenge (RAND) und die kryptographischen Informationen (SIGNrand) zu empfangen; und der angepasst ist, um dem Teilnehmerkennungsmodul (SIM_B) die Challenge (RAND) bereitzustellen, um in Antwort darauf eine erste Antwort (SIGNsres) zu empfangen, die auf der Challenge (RAND) und dem gemeinsamen Geheimnis (Ki) basiert; den ersten Prozessor, der weiter angepasst ist, die kryptographischen Informationen (SIGNrand) unter Verwendung des Schutzcodes (MT_RAND) zu verifizieren, um das Gateway (GAGW) gegenüber dem Mobilknoten (MT) zu authentifizieren; und einen dritten Prozessor (CPU), auf den von dem Gateway zur Verifizierung der ersten Antwort (SIGNsres) zugegriffen werden kann, um den Mobilknoten (MT) zu authentifizieren.
  25. Computerprogrammprodukt zur Steuerung eines Mobilknotens zur Authentifizierung des Mobilknotens (MT) gegenüber einem Paketdatennetz, das umfasst: computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, eine Mobilknotenkennung (IMSI) und ein für die Mobilknotenkennung spezifisches und von einem Telekommunikationsnetz nutzbares gemeinsames Geheimnis (Ki) zu erhalten; computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, einen Schutzcode (MT_RAND) zu erhalten; computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, die Mobilknotenkennung (IMSI) und den Schutzcode (MT_RAND) an das Paketdatennetz zu senden; computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, eine Challenge (RAND) und kryptographische Informationen (SIGNrand) von dem Paketdatennetz zu empfangen; computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, die Gültigkeit der kryptographischen Informationen (SIGNrand) unter Verwendung der Challenge (RAND) und des gemeinsamen Geheimnisses (Ki) zu überprüfen; computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, ein Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) und eine erste Antwort, entsprechend der Challenge (RAND), basierend auf dem gemeinsamen Geheimnis (Ki) zu erzeugen; und computerausführbaren Code, um den Mobilknoten dazu zu befähigen, die erste Antwort (SIGNsres) an das Paketdatennetz zu senden.
  26. Computerprogrammprodukt zur Steuerung eines Paketdatennetzes zur Authentifizierung eines Mobilknotens (MT), das umfasst: computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, eine Mobilknotenkennung und einen Schutzcode (MT_RAND) von dem Mobilknoten durch das Paketdatennetz zu empfangen, wobei die Mobilknotenkennung einem gemeinsamen Geheimnis entspricht; computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, Authentifizierungsinformationen (Kc, SRES, RAND) zu erhalten, die von dem Telekommunikationsnetz genutzt werden können, wobei die Authentifizierungsinformationen eine Challenge (RAND) und ein Sitzungsgeheimnis (Kc, SRES) umfassen, entsprechend der Mobilknotenkennung, und ableitbar unter Verwendung der Challenge und des gemeinsamen Geheimnisses (Kc); computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, einen Schutzcode (MT_RAND) von dem Paketdatennetz an den Mobilknoten zu senden; computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, kryptographische Informationen (SIGNrand) zu bilden unter Verwendung mindestens des Schutzcodes (MT_RAND) und des Sitzungsgeheimnisses (Kc, SRES); computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, die Challenge (RAND) und die kryptographischen Informationen (SIGNrand) von dem Paketdatennetz an den Mobilknoten zu senden; computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, eine erste Antwort (SIGNsres), entsprechend der Challenge und auf dem gemeinsamen Geheimnis basierend, durch das Paketdatennetz von dem Mobilknoten zu empfangen; und computerausführbaren Code, um das Paketdatennetz dazu zu befähigen, die erste Antwort (SIGNsres) zur Authentifizierung des Mobilknotens zu verifizieren.
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