ES2279868T3 - Autenticacion local en un sistema de comunicacion. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo (230) de identificación de abonado para proporcionar autenticación local de un abonado en un sistema de comunicación, que comprende: medios para la generación de una pluralidad de claves (290, 310, 320) en respuesta a un desafío recibido; medios para la generación de un valor inicial basado en una primera clave (320) de la pluralidad de claves; y para la concatenación del valor inicial con una señal (340) recibida para formar una firma de entrada, en el que la señal (340) recibida se transmite desde una unidad (220) de comunicación que funciona en un sistema acoplado de forma comunicativa al dispositivo (230) de identificación de abonado, y la señal (340) recibida se genera mediante la unidad (220) de comunicación utilizando una segunda clave (310) de la pluralidad de claves, habiéndose comunicado la segunda clave (310) desde el dispositivo (230) de identificación de abonado a la unidad (220) de comunicación; medios de direccionamiento calculado de la firma de entrada para formar una firma (370) de autenticación; y medios para la transmisión de la firma (370) de autenticación al sistema de comunicación a través de la unidad (220) de comunicación.
Description
Autenticación local en un sistema de
comunicación.
La presente invención se refiere a sistemas de
comunicación, y de manera más particular, a la autenticación local
de un abonado del sistema de comunicación.
El campo de las comunicaciones inalámbricas
presenta muchas aplicaciones incluyendo, por ejemplo, teléfonos
inalámbrico, sistemas de mensajería (paging), bucles locales
inalámbricos, asistentes digitales personales (PDA's), telefonía
por Internet, y sistemas de comunicación por satélite. Una
aplicación particularmente importante son los sistemas de telefonía
móvil para abonados móviles. Tal como se utiliza en el presente
documento, el término sistema "móvil" engloba tanto
frecuencias de servicios de comunicaciones móviles como personales
(PCS). Diversas interfaces sobre el aire se han desarrollado para
este tipo de sistemas de telefonía móvil incluyendo, por ejemplo,
el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), acceso
múltiple por división de tiempo (TDMA), y acceso múltiple por
división por código (CDMA). En conexión con lo mismo, se han
establecido diversas normas nacionales e internacionales
incluyendo, por ejemplo, el servicio telefónico móvil avanzado
(advanced mobile phone service (AMPS)), sistema global para móviles
(global system for mobile (GSM)), y la norma provisional (Interim
Standard (IS-95)). En particular, la
IS-95 y sus derivados, la IS-95A,
IS-95B, la ANSI
J-STD-008 (a las que a menudo se
hará referencia colectivamente como IS-95 en el
presente documento), y sistemas de tasa de datos alta propuestos
para datos, etc. se promulgan por la asociación de industria de las
telecomunicaciones (telecommunication industry association (TIA)) y
otros cuerpos de normas bien conocidos.
Los sistemas de telefonía móvil configurados
según la utilización de la norma IS-95 emplean
técnicas de procesamiento de señal CDMA para proporcionar un
servicio de telefonía móvil altamente eficiente y firme. Los
sistemas de telefonía móvil a modo de ejemplo configurados
sustancialmente según la utilización de la norma
IS-95 se describen en la patente de los EE.UU. Nº
5.103.459 y 4.901.307.
Un sistema a modo de ejemplo que utiliza las
técnicas CDMA es la propuesta de tecnología de transmisión de radio
cdma2000 ITU-R (a la que se hace referencia en el
presente documento como cdma2000), publicado por la TIA. La norma
para el cdma2000 se proporciona en las versiones del borrador de la
IS-2000 y la TIA lo ha aprobado. La propuesta
cdma2000 es compatible con los sistemas IS-95 en
muchas maneras. Otra norma CDMA es la norma W-CDMA,
tal como se realiza en el proyecto conjunto de tercera generación
(3^{rd} Generation Partnership Project) "·3GPP", con número
de documento 3G TS 25.211, 3G TS 25.212, 3G TS 25.213 y 3G TS
25.214.
Dada la omnipresente proliferación de servicios
de telecomunicaciones en la mayor parte del mundo y el incremento
de movilidad de la población en general, se desea proporcionar
servicios de comunicación a un abonado mientras él o ella viaja
fuera del alcance del sistema doméstico del abonado. Un
procedimiento para satisfacer esta necesidad es la utilización de
un testigo (token) de identificación, tal como el módulo de
identificación del abonado (subscriber identity module (SIM)) en
sistemas GSM, en los que se asigna a un abonado un tarjeta SIM que
puede introducirse en un teléfono GSM. La tarjeta SIM lleva
información que se utiliza para identificar la información de
facturación de la parte que introduce la tarjeta SIM en un teléfono
móvil. A la siguiente generación de tarjetas SIM se le dado el
nuevo nombre de tarjetas USIM (UTMS SIM). En un sistema CDMA, al
testigo de identificación se hace referencia como módulo de interfaz
de usuario desmontable (removable user interface
(R-UIM)) y consigue la misma finalidad. La
utilización de este tipo de testigo de identificación permite a un
abonado viajar sin su teléfono móvil personal, que puede
configurarse para funcionar en frecuencias que se utilizan en el
entorno que se visita, y utilizar un teléfono móvil disponible
localmente sin incurrir en los costes del establecimiento de una
nueva cuenta.
Aunque conveniente, la utilización de este tipo
de testigos de identificación para acceder a la información de la
cuenta de un abonado puede ser insegura. Comúnmente, este tipo de
testigos de identificación se programan para transmitir información
privada, tal como una clave criptográfica que se utiliza para
codificar mensajes o una clave de autenticación para identificar al
abonado, al teléfono móvil. Una persona que contempla la
posibilidad del robo de la información de una cuenta puede conseguir
su propósito mediante la programación de un teléfono móvil para
quedarse con la información privada después de que el testigo de
identificación se haya eliminado, o transmitir información privada
a otra unidad de almacenamiento durante la utilización legítima del
teléfono móvil. A los teléfonos móviles que se han falsificado de
esta manera se hará referencia de ahora en adelante como "cuerpos
invasores". Por tanto, hay una necesidad vigente de preservar la
seguridad de la información privada almacenada en un testigo de
identificación mientras aun se facilita la utilización de dicha
información privada para acceder a los servicios de
comunicación.
"Rouges MS_Shell Treat Analysis" 3GPP TSG
SA WG3 SECURITY, [Online] del 28 de noviembre de 2000
(28-11-2000), al 30 noviembre de
2000 (30-11-2000) páginas 1 a 17,
XP002210348 Sophia Antipolis, Francia, describe un módulo de
identificación de abonado que comprende: un elemento de generación
de clave; y un generador de firmas configurado para recibir una
clave secreta del elemento de generación de clave e información
desde una unidad móvil y configurar adicionalmente para emitir una
firma a la unidad móvil. Desde el módulo de identificación de
abonado conocido por este documento la firma se genera utilizando
una función criptográfica genérica. La firma en este momento se
dirige de vuelta a la unidad móvil dejando información/datos
privados vulnerables de ser atacados si la unidad móvil es un
elemento malicioso.
Se presenta un procedimiento y aparato novedosos
para proporcionar autenticación segura a un abonado en itinerancia
(roaming) fuera de su sistema doméstico.
En un aspecto se proporciona un dispositivo de
identificación de abonado según la reivindicación 1.
En otro aspecto, se presenta un procedimiento
para proporcionar la autenticación de un abonado utilizando un
dispositivo de identificación de abonado según la reivindicación
12.
La figura 1 es un diagrama de un sistema de
comunicación de datos a modo de ejemplo.
La figura 2 es un diagrama de un intercambio de
comunicación entre los componentes en un sistema de comunicación
inalámbrico.
La figura 3 es un diagrama de una realización en
la que un testigo de identificación de abonado proporciona un
soporte de codificación a una unidad móvil.
La figura 4 es un diagrama de una realización en
la que una función de "hash" (direccionamiento calculado) se
utiliza para generar una firma de autenticación.
La figura 5 es un diagrama de flujo de un
procedimiento para direccionar un mensaje con el fin de generar una
firma de autenticación.
Tal como se ilustra en la figura 1, una red 10
de comunicación inalámbrica generalmente incluye una pluralidad de
estaciones 12a - 12d móviles (también denominadas unidades del
abonado o equipo del usuario), una pluralidad de estaciones 14a -
14c base (también denominadas transceptores de estación base (BTS) o
nodo B), un controlador de estación base (BSC) (también denominado
controlador de red de radio o función 16 de control de paquetes),
un centro de conmutación móvil (MSC) o conmutador 18, un nodo de
servicio de paquetes de datos (PDSN) o función 20 de
internetfuncionamiento (IWF), una red 22 telefónica pública
conmutada (PSTN) (normalmente una compañía telefónica), y una red
24 de protocolo de Internet (IP) (normalmente Internet). Para
simplificar, se muestran cuatro estaciones 12a - 12b móviles, tres
estaciones 14a - 14c base, un BSC 16, un MSC 18, y un PDSN 20. Los
expertos en la técnica entenderán que puede haber cualquier número
de estaciones 12 móviles, estaciones 14 base, BSC 16, MSC 18, y
PDSN 20.
En una realización, la red 10 de comunicación
inalámbrica es una red de servicios de paquetes de datos. Las
estaciones 12a - 12b móviles pueden ser cualquiera de un número de
diferentes tipos de dispositivos de comunicación inalámbrica tal
como un teléfono portátil, un teléfono móvil que está conectado a un
ordenador portátil con procesos basada en IP, aplicaciones de
navegador de web, un teléfono móvil para automóviles con kits de
manos libres asociado, un asistente de datos personal (PDA) con
procesos basados en IP, aplicaciones de navegador de web, un módulo
de comunicación inalámbrica incorporado a un ordenador portátil, o
módulo de comunicación de localización fija tal como puede
encontrarse en un bucle local inalámbrico o un sistema de lectura de
medidor. En la realización más general, las estaciones móviles
pueden ser cualquier tipo de unidad de comunicación.
Las estaciones 12a - 12b móviles pueden
configurarse para realizar uno o más protocolos de paquetes de datos
inalámbricos tales como, por ejemplo, la norma
EIA/TIA/IS-707. En una realización particular, las
estaciones 12a - 12b móviles generan paquetes IP destinados para la
red 24 IP y encapsulan los paquetes IP en tramas utilizando el
protocolo punto a punto (PPP).
En una realización la red 24 IP se acopla al
PDSN 20, el PDSN 20 se acopla al MSC 18, el MSC 18 se acopla al BSC
16 y a la PSTN 22, y el BSC 16 se acopla a las estaciones 14a - 14b
base a través de líneas alámbricas configuradas para la transmisión
de paquetes de datos y/o voz según cualquiera de los diversos
protocolos conocidos incluyendo, por ejemplo, E1, T1, modo de
transferencia asíncrona (Asynchronous Transfer Mode (ATM)), IP,
retransmisión de trama, HDSL; ADSL, o xDSL. En una realización
alternativa, el BSC 16 se acopla directamente al PDSN 20, y el MSC
no se acopla al PDSN 20. En otra realización de la invención, las
estaciones 12a - 12d móviles se comunican con las estaciones 14a -
14c base a través de una interfaz RF definida en el proyecto
conjunto de tercera generación 2 "3GPP2", "Physical Layer
Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems," 3GPP2 en el
documento Nº C.P0002-A, TIA PN-4694,
que se publicará como
TIA/EIA/IS-2000-2-A,
(Borrador, versión editada 30) (19 de noviembre de1999).
Durante el funcionamiento normal de una red 10
de comunicación inalámbrica, las estaciones 14a -14c base reciben y
demodulan conjuntos de señales de enlace inverso de diversas
estaciones 12a - 12d móviles acopladas en llamadas telefónicas,
navegaciones de web, u otras comunicaciones de datos. Cada señal de
enlace inverso recibida a través de una estación 14a - 14c base
dada se procesa dentro de esa estación 14a - 14c base. Cada estación
14a - 14c base puede comunicarse con una pluralidad de estaciones
12a -12d móviles mediante la modulación y transmisión de conjuntos
de señales de enlace directo a las estaciones 12a -12d móviles. Por
ejemplo, tal como se muestra en la figura 1, la estación 14a base
se comunica con la primera y segunda estación 12a, 12b móvil
simultáneamente, y la estación 14c base se comunica con una tercera
y cuarta estación 12c, 12d móvil simultáneamente. Los paquetes
resultantes se envían al BSC 16, que proporciona asignación de
recursos de llamada y funcionalidad de gestión de movilidad
incluyendo la organización de traspasos continuos de una llamada
para una estación 12a - 12d móvil particular desde una estación 14a
- 14c base a otra estación 14a - 14c base. Por ejemplo, una
estación 12c móvil está comunicando con dos estaciones 14b, 14 c
base de manera simultánea. Finalmente, cuando la estación 12c móvil
se desplaza suficientemente lejos de una de las estaciones 14c base,
la llamada se traspasará a la otra estación 14b base.
Si la transmisión es una llamada de teléfono
convencional, el BSC 16 encaminará los datos recibidos al MSC 18,
que proporciona servicios de encaminamiento adicionales para la
interfaz con la PSTN 22. Si la transmisión es una transmisión
basada en paquetes tal como una llamada de datos destinada a la red
24 IP, el MSC 18 encaminará los paquetes de datos al PDSN 20, que
enviará los paquetes a la red 24 IP. Alternativamente, el BSC 16
encaminará los paquetes directamente al PSDN 20, que envía los
paquetes a la red 24 IP.
La figura 2 ilustra un procedimiento para
autenticar a un abonado utilizando un teléfono móvil en un sistema
de comunicación inalámbrico. Un abonado que viaja fuera del alcance
de su sistema 200 domestico (Home System (HS)) utiliza una unidad
220 móvil en un sistema 210 visitado (Visited System (VS)). El
abonado utiliza la unidad 220 móvil insertando un testigo de
identificación del abonado. Un testigo de identificación del abonado
de este tipo se configura para generar información de codificación
y de autenticación que permite a un abonado acceder a los servicios
de cuenta sin la necesidad de establecer una nueva cuenta con el
sistema visitado. Una petición (no se muestra en la figura) se
envía desde la unidad 220 móvil al VS 210 para tener servicio. El
VS 210 contacta con el HS 200 para determinar el servicio al abonado
(no se muestra en la figura).
El HS 200 genera un número 240 aleatorio y una
respuesta 270 esperada (Expected Response (XRES)) basada en el
conocimiento de la información privada guardada en el testigo de
identificación de abonado. El número 240 aleatorio se utilizará
como un desafío, en el que el receptor de destino utiliza el número
240 aleatorio y el conocimiento privado para generar una respuesta
de confirmación que coincide con la respuesta 270 esperada. El
número 240 aleatorio y la XRES 270 se transmiten desde el HS 200 al
VS 210. También se transmite otra información, pero no es tan
relevante para este documento (no se muestra en la figura). La
comunicación entre el HS 200 y el VS 210 se facilita de la manera
descrita en la figura 1. El VS 210 transmite el número 240 aleatorio
a la unidad 220 móvil y espera la transmisión de un mensaje 260 de
confirmación de la unidad 220 móvil. El mensaje 260 de confirmación
y la XRES 270 se comparan en un elemento 280 de comparación en el
VS 210. Si el mensaje 260 de confirmación y la XRES 270 coinciden,
el VS 210 procede a proporcionar servicio a la unidad 220
móvil.
La unidad 220 móvil envía el número 240
aleatorio al testigo 230 de identificación de abonado que el abonado
ha insertado dentro de la unidad 220 móvil. Una clave 300 de
seguridad se almacena en el testigo 230 de identificación de
abonado. Tanto la clave 300 de seguridad como el número 240
aleatorio se utilizan mediante un generador 250 de clave para
generar el mensaje 260 de confirmación, una clave 290 de
codificación (Cipher Key (CK)), y una clave 310 de integridad
(Integrity Key (IK)). La CK 290 y la IK 310 se transportan a la
unidad 220 móvil.
En la unidad 220 móvil, la CK 290 puede
utilizarse para codificar comunicaciones entre la unidad 220 móvil
y el VS 210, de manera que las comunicaciones puedan decodificarse
sólo mediante el receptor destinado del mensaje. Las técnicas para
la utilización de una clave criptográfica para codificar
comunicaciones se describen en la patente de los EE.UU. Nº 649035
titulada, "Method and Apparatus for Generating Encryption Stream
Cypher" (Procedimiento y aparato para la generación de cifrados
de flujo codificados), transferida al cesionario de la presente
invención. Otras técnicas de codificación pueden utilizarse sin
afectar al alcance de las realizaciones descritas en el presente
documento.
La IK 310 puede utilizarse para generar un
código de autenticación de mensaje (MAC), en el que se agrega el
MAC a una trama de mensaje de transmisión para verificar que la
trama de mensaje de transmisión se originó desde una parte en
especial y para verificar que el mensaje no se alteró durante la
transmisión. Las técnicas para generar los MAC se describen en el
documento WO0111818 titulado, "Method and Apparatus for Generating
a Message Authentication Code" (Procedimiento y aparato para
generar un código de autenticación de mensaje). Otras técnicas para
generar códigos de autenticación pueden utilizarse sin afectar al
alcance de las realizaciones descritas en el presente documento.
Por tanto, el término "firma" como se utiliza en el presente
documento representa la salida de cualquier esquema de
autenticación que puede implementarse en un sistema de
comunicación.
De manera alternativa, la KI 310 puede
utilizarse para generar una firma 340 de autenticación basada en la
información particular que se transmite de manera separada o junto
con el mensaje de transmisión. Las técnicas para generar una firma
de autenticación se describen en la patente de los EE.UU. 5.943.615,
titulada "Method and Apparatus for Providing Authentication
Security in a Wireless Communication System" (Procedimiento y
aparato para proporcionar seguridad de autenticación en un sistema
de comunicación inalámbrico), trasferida al cesionario de la
presente invención. La firma 340 de autenticación es la salida de un
elemento 330 de direccionamiento calculado que combina la IK 310
con un mensaje 350 desde la unidad 220 móvil. La firma 340 de
autenticación y el mensaje 350 se transmiten por el aire al VS
210.
Tal como se observa en la figura 2, la clave 290
criptográfica y la clave 310 de integridad se transmiten desde el
testigo 230 de identificación de abonado a la unidad 220 móvil, que
procede a generar tramas de datos para la propagación pública por
el aire. Aunque esta técnica puede impedir que una persona que
intercepta mensajes determine los valores de este tipo de claves
por el aire, esta técnica no proporciona protección del ataque de
un cuerpo malicioso. Un cuerpo malicioso puede programarse para
aceptar la CK 290 y la IK 310, y a continuación almacenar las
claves en lugar de purgar la presencia de claves de este tipo de la
memoria local. Otro procedimiento para robar claves es programar la
unidad 220 móvil para transmitir claves recibidas a otra
localización. La CK 290 y la IK 310 pueden facturar de manera
fraudulenta comunicaciones no autorizadas al abonado. Este ataque
de cuerpo malicioso es particularmente efectivo en sistemas en los
que el número aleatorio generado en el sistema 200 doméstico se
utiliza de una manera que es insegura, tal como el caso cuando las
mismas claves generadas se utilizan durante un periodo de tiempo
extenso.
Una realización que protege contra un ataque de
cuerpos maliciosos utiliza los procesadores y la memoria en el
testigo de identificación de abonado para generar una firma
electrónica que no puede reproducirse mediante una unidad móvil sin
la introducción del testigo de identificación del abonado.
La figura 3 ilustra una realización para la
realización de la autenticación local de un abonado en un sistema
de comunicación inalámbrico. En esta realización, se programa el
testigo 230 de identificación de abonado para generar una respuesta
de autenticación basada en una clave que no se pasa a la unidad 220
móvil. Por tanto, si la unidad móvil utilizada por un abonado es un
cuerpo malicioso, el cuerpo malicioso no puede recrear las
respuestas de autenticación apropiadas.
De manera similar al procedimiento descrito en
la figura 2, la unidad 220 móvil genera una señal de firma basada
en una IK 310 que se recibe del testigo 230 de identificación de
abonado y un mensaje que debe enviarse al VS 210. Sin embargo, en
una realización, la señal de firma no se pasa al VS. La señal de
firma se pasa al testigo 230 de identificación de abonado, y se
utiliza junto con una clave adicional para generar una señal de
firma primaria. La señal de firma primaria se envía a la unidad 220
móvil, que a su vez transmite la señal de firma primaria al VS 210
para fines de autenticación.
El HS 200 genera un número 240 aleatorio y una
respuesta 270 esperada (XRES) en base al conocimiento de la clave
de seguridad mantenida en el testigo 230 de identificación de
abonado. El número 240 aleatorio y la XRES 270 se transmiten al VS
210. La comunicación entre el HS 200 y el VS 210 se facilita de la
manera descrita en la figura 1. El VS 210 transmite el número 240
aleatorio a la unidad 220 móvil y espera la transmisión de un
mensaje 260 de confirmación de la unidad 220 móvil. El mensaje 260
de confirmación y la XRES 270 se comparan en un elemento 280 de
comparación en el VS 210. Si el mensaje 260 de confirmación y la
XRES 270 coinciden, el VS 210 procede a proporcionar servicio a la
unidad 220 móvil.
La unidad 220 móvil transporta el número 240
aleatorio al testigo 230 de identificación de abonado que el
abonado ha acoplado electrónicamente con la unidad 220 móvil. Una
300 de seguridad se almacena en el testigo 230 de identificación de
abonado. Un generador 250 de claves utiliza tanto la clave 300 de
seguridad como el número 240 aleatorio para generar el mensaje 260
de confirmación, una clave 290 codificada (CK), una clave 310 de
integridad (IK), y una clave 320 de autenticación UIM (UAK). La CK
290 y la IK 310 se transportan a la unidad 220 de móvil.
En la unidad 220 móvil, se utiliza la CK 290
para codificar tramas de datos de transmisión (no se muestra en la
figura 3). La IK 310 se utiliza para generar una señal 340 se firma.
La señal 340 de firma es la salida de un generador 330 de firmas
que utiliza una operación de codificación o una operación
unidireccional, tal como una función de direccionamiento calculado,
de la IK 310 y un mensaje 350 desde la unidad 220 móvil. La señal
340 de firma se transmite al testigo 230 de identificación de
abonado. En el testigo 230 de identificación de abonado un
generador 360 de firmas manipula la señal 340 de firma y la UAK 320
para generar una señal 370 de firma primaria. La señal 370 de firma
primaria se transmite a la unidad 220 móvil y al VS 210, en los que
un elemento 380 de verificación autentica la identidad del abonado.
El elemento 380 de verificación puede conseguir la verificación
volviendo a generar la señal 340 de firma y la señal 370 de firma
primaria. Alternativamente, el elemento 380 de verificación puede
recibir la señal 340 de firma desde la unidad 220 móvil y volver a
generar sólo la señal 370 de firma primaria.
La regeneración de la señal 340 de firma y la
señal 370 de firma primaria en el VS 210 puede conseguirse mediante
una diversidad de técnicas. En una realización, el elemento 380 de
verificación puede recibir una UAK 390 y una clave de integridad
desde el sistema 200 doméstico. Cuando el elemento 380 de
verificación también recibe el mensaje 350 desde la unidad 220
móvil, puede generarse la señal de firma y posteriormente utilizarse
para generar el elemento de firma primario.
El generador 360 de firmas en el testigo 230 de
identificación de abonado puede comprender una memoria y un
procesador, en el que el procesador puede configurarse para
manipular entradas utilizando una diversidad de técnicas. Estas
técnicas pueden adoptar la forma de técnicas de codificación,
funciones de direccionamiento calculado, o cualquier operación no
reversible. Como ejemplo, una técnica que el testigo de
identificación de abonado puede implementar es el algoritmo de
direccionamiento calculado seguro, (SHA), divulgado en la Norma de
Procesamiento de Información Federal (FIPS) PUB 186, "Norma de
firma digital" ("Digital Signature Standard"), mayo 1994.
Otra técnica que el testigo de identificación de abonado puede
llevar a cabo es la Norma de Codificación de Datos (Data Encryption
Standard (DES)), divulgada en FIPS PUB 46, enero 1977. La
utilización del término "codificación" tal como se utiliza en
el presente documento no implica necesariamente que las operaciones
tengan que ser reversibles. Las operaciones pueden ser no
reversibles en las realizaciones descritas en el presente
documento.
El generador 250 de claves puede comprender
también una memoria y un procesador. De hecho, en una realización,
puede configurarse un único procesador para conseguir las funciones
del generador 360 de firmas y el generador 250 de claves. La
verificación puede llevarse a cabo calculando el mismo resultado de
las mismas entradas en el elemento 380 de verificación, y comparando
los valores calculados y transmitidos.
En una descripción más detallada de la
realización anterior, puede configurarse el generador 330 de señales
para implementar una técnica a la que se hace referencia en el
presente documento como HMAC-SHA-1.
En la realización descrita anteriormente, se observó que podía
utilizarse una función de direccionamiento calculado en el generador
330 de señales para generar una señal 340 de firma. Una descripción
de MAC basados en direccionamiento calculado (HMAC) puede
encontrarse en el documento, "Keying Hash Functions for Message
Authentication" (Funciones de direccionamiento calculado de clave
para la autenticación de mensajes), Bellare, et al., Advances
in Cryptology- Crypto 96 Proceedings, Lecture Notes in Computer
Science Vol. 1109, Springer - Verlag, 1996. Un HMAC es un esquema
MAC que utiliza una función de direccionamiento calculado
codificada, tal como SHA-1, en un proceso de dos
etapas. En un esquema HMAC-SHA-1,
una clave aleatoria y secreta inicializa la función
SHA-1, que entonces se utiliza para producir un
resumen del mensaje. Luego se utiliza la clave para inicializar otra
vez el SHA-1 para producir un resumen del primer
resumen. Este segundo resumen proporciona un MAC que se adjuntará a
cada mensaje. En la realización descrita en el presente documento,
puede utilizarse la clave 310 de integridad (IK) que genera el
testigo 230 de identificación de abonado como la clave aleatoria y
secreta que inicializa el SHA-1. La figura 4 es un
diagrama de flujo que ilustra la implementación del HMAC en la
estación móvil, que se inicializa mediante una clave de integridad
del testigo de identificación de abonado, y la implementación del
HMAC en el testigo de identificación de abonado, que se inicializa
mediante una clave de autenticación UIM.
En la figura 4, el HS 200 genera un número 240
aleatorio y una respuesta 270 esperada (XRES) en base al
conocimiento de la información privada mantenida en el testigo 230
de identificación de abonado. El número 240 aleatorio y la XRES 270
se transmiten al VS 210. La comunicación entre el HS 200 y el VS 210
se facilita de la manera descrita en la figura 1. El VS 210
transmite el número 240 aleatorio a la unidad 220 móvil y espera la
transmisión de un mensaje 260 de confirmación desde la unidad 220
móvil. El mensaje 260 de confirmación y la XRES 270 se comparan en
un elemento 280 de comparación en el VS 210. Si el mensaje 260 de
confirmación y la XRES 270 coinciden, el VS 210 procede a
proporcionar servicio a la unidad 220 móvil.
La unidad 220 móvil transporta el número 240
aleatorio al testigo 230 de identificación de abonado que el
abonado ha acoplado electrónicamente con la unidad 220 móvil. Una
clave 300 de seguridad se almacena en el testigo 230 de
identificación de abonado. Un generador 250 de claves utiliza tanto
la clave 300 de seguridad como el número 240 aleatorio para generar
el mensaje 260 de confirmación, una clave 290 codificada (CK), una
clave 310 de integridad (IK), y una clave 320 de autenticación UIM
(UAK). La CK 290 y la IK 310 se transportan a la unidad 220
móvil.
En la unidad 220 móvil, se utiliza la CK 290
para codificar tramas de datos de transmisión (no se muestra en la
figura 4). La IK 310 se utiliza para generar una señal 340 de firma
del generador 330 de firmas. El generador 330 de firmas se
configura para producir una transformación del mensaje 260 a través
de la utilización del SHA-1. La IK 310 inicializa
la función de direccionamiento calculado del
SHA-1
La señal 340 de firma, que es el resultado de la
función de direccionamiento calculado SHA-1 que
transforma el mensaje 260, se transmite al testigo 230 de
identificación de abonado. En el testigo 230 de identificación de
abonado, la señal 340 de firmas y la UAK 320 se manipulan por medio
de un generador 360 de firmas para generar una transformación de la
señal 340 de firma, que es el código 370 (UMAC) de autenticación de
mensaje UIM. El generador 360 de firmas se configura también para
implementar la función de direccionamiento calculado
SHA-1. Sin embargo, la función se inicializa
utilizando UAK 320, en lugar de la IK 310.
El UMAC 370 se transmite a la unidad 220 móvil y
al VS 210, en el que un elemento 380 de verificación autentica la
identidad del abonado. El elemento 380 de verificación puede llevar
a cabo la verificación regenerando la señal 340 de firma y el UMAC
370. Alternativamente, el elemento 380 de verificación puede recibir
la señal 340 de firma desde la unidad 220 móvil y solamente
regenerar el UMAC 370.
La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra
una descripción generalizada de la realización. En la etapa 500,
una unidad móvil genera un mensaje que requiere autenticación. En la
etapa 501, la unidad móvil recibe una clave (IK) de integridad de
longitud L de un testigo de identificación de abonado. En la etapa
502, la unidad móvil rellena la clave IK de integridad hasta la
longitud b, en la que b es el tamaño de bloque de la función de
direccionamiento calculado de un generador de firmas dentro de la
unidad móvil. En una realización, la clave puede rellenarse de
ceros hasta la longitud b. En otra realización, a la clave puede
aplicarse una operación XOR con constantes de relleno de longitud
b. Si la KI ya tiene longitud b, puede omitirse esta etapa. En la
etapa 504, la IK rellenada se concatena al mensaje que requiere
autenticación. La concatenación de la IK rellenada y el mensaje se
dispersa entonces en la etapa 505 mediante un generador de firmas
configurado para implementar una función de direccionamiento
calculado tal como la SHA. En una realización, la salida de la
operación XOR se guarda dentro de un elemento de memoria, y puede
volverse a llamar para su utilización posterior si la IK del
testigo de identificación del abonado sigue siendo el mismo durante
la sesión de comunicación.
Si va a utilizarse la clave (UAK) de
autenticación UIM, entonces el flujo de programa avanza hasta la
etapa 510. Si no va a utilizarse la UAK, entonces el flujo de
programa avanza hasta la etapa 520.
En la etapa 510, el mensaje dispersado de la
etapa 505 se transmite al testigo de identificación de abonado. En
la etapa 511, el testigo de identificación de abonado rellena la UAK
hasta longitud b, a menos que la UAK ya sea de longitud b. La IK
rellenada puede almacenarse en la memoria para reutilizarse cuando
un mensaje posterior requiera autenticación durante la sesión de
comunicación. En la etapa 512, la IK rellenada y el mensaje
dispersado se concatenan y se introducen en un generador de firmas.
El generador de firmas se configura para implementar una función de
direccionamiento calculado, tal como la SHA-1 en la
etapa 513. En la etapa 514, la salida del generador de firmas se
transmite desde el testigo de identificación de abonado a la unidad
móvil.
En la etapa 520, la misma clave de integridad se
utiliza para volver a direccionar el mensaje ya dispersado. El
mensaje dispersado de la etapa 505 se envía a un segundo generador
de firmas dentro de la unidad móvil. O como alternativa, el mensaje
dispersado puede reinsertarse en el generador de firmas de la etapa
505. Si una clave de integridad va a utilizarse en dos procesos de
direccionamiento calculado, entonces debe alterarse la clave de
integridad de tal manera que cada uno de los generadores de
direccionamiento calculado se inicializa con un valor diferente.
Por ejemplo, para cada etapa de direccionamiento calculado, la clave
de integridad puede añadirse a nivel de bit a o bien el valor
c_{1} constante o valor c_{2} constante, ambos de longitud b.
Utilizando este procedimiento, solo una de las claves de integridad
necesita generarse mediante el testigo de identificación de
abonado.
Debe observarse que la realización más segura es
la implementación en la que la segunda etapa de direccionamiento
calculado se lleva a cabo utilizando la UAK en el testigo de
identificación de abonado.
El proceso descrito en la figura 5 puede
describirse matemáticamente mediante la ecuación:
HMAC(x)
= F_{testigo} (UAK,
F_{móvil}(IK,x)),
en la que F_{Y}( ) representa una
función de direccionamiento calculado realizada en una ubicación Y,
x representa el mensaje original, UAK e IK son las claves, y una
coma representa la
concatenación.
Un testigo de identificación de usuario
utilizado en un sistema CDMA o un sistema GSM, también conocidos
como un R-UIM o USIM, respectivamente, puede
configurarse para generar la señal de firma primaria o UMAC de la
forma descrita anteriormente, es decir, todos los mensajes generados
por la unidad móvil se codifican y autentican. Sin embargo, puesto
que la unidad de procesamiento central en dichos testigos puede
limitarse, puede desearse implementar una realización alternativa,
en la que un peso de importancia se asigna a una trama de mensaje
de tal manera que sólo se codifican y autentican de manera segura
mensajes importantes. Por ejemplo, una trama de mensaje que
contiene información de facturación tiene más necesidad de aumentar
la seguridad que una trama de mensaje que contiene una carga útil
de voz. Por tanto, la unidad móvil puede asignar un mayor peso de
importancia a la trama de mensaje de información de facturación y
un menor peso de importancia a la trama de mensaje de voz. Cuando
el testigo de identificación de abonado recibe las señales de firma
generadas a partir de estos mensajes pesados, la CPU puede evaluar
los diferentes pesos de importancia unidos a cada señal de firma y
determina una señal de firma primaria para solamente las señales de
firma de mucho peso. Como alternativa, la unidad de comunicación
puede programarse para transportar sólo las señales de firma
"importantes" al testigo de identificación de abonado. Este
procedimiento de generación selectiva de señales de firma primarias
aumenta la eficacia del testigo de identificación de abonado
mediante el aligeramiento de la carga de procesamiento al testigo
de identificación de abonado.
Las realizaciones descritas anteriormente
impiden la utilización no autorizada de una cuenta de abonado al
requerir una transacción más segura entre el testigo de
identificación de abonado y la unidad móvil. Puesto que la unidad
móvil no puede generar una señal de firma primaria sin conocer la
UAK secreta, la unidad móvil que se programa para actuar como un
cuerpo malicioso no puede apropiarse indebidamente de la información
del abonado para fines improcedentes.
Las realizaciones descritas anteriormente
también maximizan la capacidad de procesamiento del testigo de
identificación de abonado operando sobre una señal de firma, en
lugar de un mensaje. Normalmente, una señal de firma tendrá una
longitud de bits más corta que un mensaje. Por tanto, se requiere
menos tiempo para que el generador de firmas en la identificación
de abonado para operar sobre una señal de firma en lugar de una
trama de mensaje de transmisión. Tal como se menciona
anteriormente, la capacidad de procesamiento del testigo de
identificación de abonado es por lo general mucho menor que la
capacidad de procesamiento de la unidad móvil. Por tanto, la
implementación de esta realización proporcionaría autenticación de
seguridad de mensajes sin sacrificar la velocidad.
Sin embargo, debe observarse que se producen
mejoras en arquitecturas del procesador a un ritmo casi exponencial.
Realizaciones de este tipo consisten en tiempos de procesamiento
más rápidos y tamaños menores del procesador. Por tanto, puede
implementarse otra realización para proporcionar autenticación
local, en la que la señal de firma primaria puede generarse
directamente a partir de un mensaje, en lugar de indirectamente a
través de una señal de firma corta. Una unidad móvil puede
configurarse para pasar un mensaje directamente al testigo de
identificación de abonado, uno con la capacidad para generar una
señal de firma primaria rápidamente, en lugar de pasar el mensaje a
un elemento de generación de firmas dentro de la unidad móvil. En
otra realización, sólo un número limitado de mensajes necesita
pasarse directamente al testigo de identificación de abonado, según
el grado de seguridad que se necesite para dichos mensajes.
Debe observarse que mientras se han descrito
varias realizaciones en el contexto de un sistema de comunicación
inalámbrico, las diversas realizaciones pueden utilizarse además
para proporcionar autenticación local segura de cualquier parte
utilizando un terminal desconocido conectado en una red de
comunicaciones.
Así, se han descrito procedimientos y aparatos
mejorados y novedosos para llevar a cabo autenticación local de un
abonado en un sistema de comunicación. Aquellos expertos en la
técnica entenderían que las diversas etapas de algoritmos,
circuitos, módulos, y bloques lógicos ilustrativas descritas en
relación a las realizaciones dadas a conocer en el presente
documento pueden implementarse como hardware electrónico, software,
firmware, o combinaciones de los mismos. Los diversos componentes
ilustrativos, bloques, módulos, circuitos y etapas se han descrito
generalmente en términos de su funcionalidad. Si la funcionalidad se
implementa como hardware, software, o como firmware depende de la
aplicación particular y las limitaciones de diseño impuestas sobre
la totalidad del sistema. Los expertos en la técnica admiten la
intercambiabilidad de hardware, software y firmware bajo estas
circunstancias, y como implementar mejor la funcionalidad descrita
para cada aplicación particular.
La implementación de diversas etapas de
algoritmos, circuitos, módulos, y bloques lógicos descritas en
relación con las realizaciones dadas a conocer en el presente
documento pueden implementarse o llevarse a cabo con un procesador
de señales digitales ("Digital Signal Processor " (DSP)), un
circuito integrado específico de la aplicación ("Application
Specific Integrated Circuit " (ASIC)), una matriz de puertas
programable in situ, ("Field Programmable Gate Array"
(FPGA)) u otro dispositivo de lógica programable, componentes de
hardware discretos, de lógica de transistor o puerta discreta. Un
procesador que ejecuta un conjunto o instrucciones de firmware,
cualquier módulo de software programable convencional y un
procesador, o una combinación de los mismos puede diseñarse para
llevar a cabo las funciones descritas en el presente documento. El
procesador puede ser, de manera ventajosa, un microprocesador, pero
como alternativa, el procesador puede ser cualquier procesador,
controlador, microcontrolador, o máquina de estado convencional. El
módulo de software podría residir en la memoria RAM, memoria flash,
memoria ROM, memoria EPROM, memoria EEPROM, registradores, disco
duro, disco extraíble, CD-ROM, o cualquier otra
forma de medio de almacenamiento conocido en la técnica. Un
procesador a modo de ejemplo se acopla al medio de almacenamiento
para leer información de, y escribir información al, medio de
almacenamiento. Como alternativa, el medio de almacenamiento puede
residir en un ASIC. El ASIC puede residir en un teléfono u otro
terminal de usuario. Como alternativa, el procesador y el medio de
almacenamiento pueden residir en un teléfono u otro terminal de
usuario. El procesador puede implementarse como una combinación de
un DSP y un microprocesador, o como dos microprocesadores junto con
un núcleo DSP, etc. Aquellos expertos apreciarían adicionalmente
que los datos, instrucciones, comandos, información, señales, bits,
símbolos y chips a los que puede hacerse referencia en toda la
descripción anterior se representasen mediante voltajes,
corrientes, ondas electromagnéticas, partículas o campos magnéticos,
partículas o campos ópticos, o cualquier combinación de los
mismos.
Así, se han mostrado y descrito las diversas
realizaciones de la presente invención. Resultará obvio a cualquier
experto en la técnica común, sin embargo, que pueden hacerse
numerosas modificaciones a las realizaciones dadas a conocer en el
presente documento sin apartarse del alcance de la invención.
Claims (13)
1. Un dispositivo (230) de identificación de
abonado para proporcionar autenticación local de un abonado en un
sistema de comunicación, que comprende:
medios para la generación de una pluralidad de
claves (290, 310, 320) en respuesta a un desafío recibido;
medios para la generación de un valor inicial
basado en una primera clave (320) de la pluralidad de claves; y
para
la concatenación del valor inicial con una señal
(340) recibida para formar una firma de entrada, en el que la señal
(340) recibida se transmite desde una unidad (220) de comunicación
que funciona en un sistema acoplado de forma comunicativa al
dispositivo (230) de identificación de abonado, y la señal (340)
recibida se genera mediante la unidad (220) de comunicación
utilizando una segunda clave (310) de la pluralidad de claves,
habiéndose comunicado la segunda clave (310) desde el dispositivo
(230) de identificación de abonado a la unidad (220) de
comunicación;
medios de direccionamiento calculado de la firma
de entrada para formar una firma (370) de autenticación; y
medios para la transmisión de la firma (370) de
autenticación al sistema de comunicación a través de la unidad
(220) de comunicación.
2. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 1, en el que los medios de
direccionamiento calculado se adaptan para direccionar la firma de
entrada según el algoritmo de direccionamiento calculado seguro,
SHA-1.
3. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 1, en el que los medios para la
generación del valor inicial se adaptan para rellenar la primera
clave.
4. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 3, en el que los medios para la
generación del valor inicial se adaptan adicionalmente para añadir
la primera clave rellenada a nivel de bit a un valor constante.
5. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 1, en el que la unidad (220) de
comunicación se adapta para generar la señal (340) recibida
mediante;
la recepción de la segunda clave (310) desde el
dispositivo (230) de identificación de abonado;
la generación de un valor inicial local basado
en la segunda clave;
la concatenación del valor inicial local y un
mensaje para formar un valor de entrada local;
el direccionamiento calculado del valor de
entrada local para formar la señal (340) recibida; y
la transmisión de la señal (340) recibida al
dispositivo de identificación de abonado.
6. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 5, en el que la generación del
valor inicial local comprende rellenar la segunda clave.
7. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 6, en el que la generación del
valor inicial local comprende además la adición de la segunda clave
rellenada a nivel de bit a un segundo valor constante.
8. Dispositivo de identificación de
abonado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que
comprende:
una memoria; y
un procesador configurado para implementar un
conjunto de instrucciones almacenadas en la memoria,
en el que dicho procesador comprende:
- dichos medios para la generación de una pluralidad de claves;
- dichos medios para la generación y concatenación del valor inicial; y
- dichos medios de direccionamiento calculado de la firma de entrada.
9. Dispositivo de identificación de
abonado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en el
que:
los medios para la generación de una pluralidad
de claves comprenden
un elemento (250) de generación de claves, y
dicho dispositivo de identificación de abonado
comprende además un generador (360) de firmas,
comprendiendo dicho generador (360) de firmas
dichos medios para la generación del valor inicial y para la
concatenación del valor inicial con una señal recibida y dichos
medios de direccionamiento calculado.
10. Dispositivo de identificación de
abonado según la reivindicación 9, en el que el elemento (250) de
generación de claves comprende:
una memoria; y
un procesador configurado para ejecutar un
conjunto de instrucciones almacenadas en la memoria, en el que el
conjunto de instrucciones realiza una transformación criptográfica
de un valor de entrada para producir una pluralidad de claves
temporales.
11. Módulo de identificación de abonado
según la reivindicación 10, en el que la transformación
criptográfica se realiza utilizando una clave permanente.
12. Un procedimiento para proporcionar la
autenticación de un abonado utilizando un dispositivo (230) de
identificación de abonado, que comprende:
generar una pluralidad de claves (290, 310,
320);
transmitir una segunda clave (310) de la
pluralidad de claves a una unidad (220) de comunicación en un
sistema de comunicación acoplado de forma comunicativa al
dispositivo (230) de identificación de abonado y mantener privada
la primera clave (320) de la pluralidad de claves;
generar una firma (340) en la unidad (220) de
comunicación utilizando tanto la segunda clave (310) transmitida a
la unidad de comunicación como un mensaje de transmisión, en el que
la generación se implementa mediante el direccionamiento calculado
de un valor concatenado formado de la segunda clave (310) y el
mensaje de transmisión;
transmitir la firma (340) al dispositivo (230)
de identificación de abonado;
recibir la firma (340) en el dispositivo (230)
de identificación de abonado;
generar en el dispositivo (230) de
identificación de abonado una firma (370) de autenticación de la
firma (340) recibida, en el que la generación se implementa
mediante el direccionamiento calculado de un valor concatenado
formado de la primera clave (320) y la firma (340) recibidas de la
unidad (220) de comunicación; y
transportar la firma (370) de autenticación al
sistema de comunicación.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
en el que el direccionamiento calculado se implementa según el
SHA-1.
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