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1.-Intro.
2.-Arquitectura GSM.
3.-Niveles de comunicacion.
4.-Movilidad GSM.
5.-Servicios GSM.
6.-Canal de Radio GSM - TDMA.
7.-Caracteristicas de Seguridad.
8.-Autentificacion.
9.-Confiencialidad.
10.-Despedida!

1.-Intro.

Antes, con los sistemas de telefonica Celular como AMPS (Advanced Mobile
Phone System) y TACS (Total Access Communication System) era bastante facil
para cualquier Phreaker, interceptar las conversaciones telefonicas
celulares ya que esos sistemas analogicos utilizaban ESN (Electronic Serial
Number) que transmitia la informacion sin cifrar, y facilitaba un fraude
telefonico, en toda regla ;). Ahora la cosa esta mas dificil, ya que en GSM
se utiliza un algoritmo de codificacion de voz, modulacion digital GSMK
(Gaussian Minimum Shift Keying), lento salto de frecuencia y arquitectura de
ranuras de tiempo TDMA (Time Division Multiple Access).

2.-Arquitectura GSM.

La arquitectura GSM consta de varios Subsistemas:

        - Estacion Movil (MS): Se trata de telefonos digitales que pueden ir
integrados como terminales en vehiculos, pueden ser portables e incluso
portatiles. Un dispositivo SIM (Subscriber Identify Module) que es
basicamente la tipica Tarjeta que proporciona la informacion de servicios e
identificacion en la Red,

        - Subsistema de Estacion (BSS): Es una coleccion de dispositivos que
soportan el interface de radio de redes de commutacion. Los principales
componentes del BSS son:

                1.-Estacion Traceptora de Base (BTS) - Consta de los modems de
		   radio y el equipo de antenas.
                2.-Controlador (BSC) - Gestiona las operaciones de radio de 
		   varias BTS y conecta a un unico NSS (Network and Switching 
		   Sub-System).

        - Subsistema de Commutacion y Red (NSS): Proporciona la commutacion 
	  entre el subsistema GSM y las redes externas (PSTN, PDN...) junto 
	  con las bases de datos utilizadas para la gestion adicional de la 
	  movilidad y de los abonados. Los componentes son:

                1.-Centro de conmutacion de Servicios Moviles (MSC).
                2.-Registros de Localizacion Domestico y de Visitas 
		   (HLR - VLR).                
		   *.-LAs bases de datos de HLR y VLR se interconectan 
		     utilizando la Red de Control SS7.
                4.-Subsistema de Operaciones (OSS) - Responsable del 
		   mantenimiento y operacion de la Red, de la gestion de los 
		   equipos moviles y de la gestion y cobro de cuota.

3.-Niveles de comunicacion.

Como GSM no es dioS ni nada parecido ;), necesita la utilizacion de varios
protocolos para poder controlar las llamadas, transferir informacion y
proporcionar gestion global del sistema. Desde la MS existen 4 niveles para
la comunicacion:

        1.- Interface RF (Radio Frecuency) a la BTS.
        2.- Nivel de gestion de Recursos de Radio (RR) al BSC.
        3.- Gestion de la movilidad (MM).
        4.- Gestion de las comunicaciones (CM) al registro VLR del MSC.

El de transmision entre la MS y la BTS es el unico componente que es
unico a las redes celulares GSM, modificado para funcionar sobre diferentes
frecuencias en el caso de PCS y reemplazado totalmente en el caso de
sistemas de comunicacion por satelite. El interfaz entre la MS y la BTS
consta de un canal TDMa de salto de frecuencia que se divide en varios
subcanales, unos se utilizan para la transmision de informacion de usuario y
el resto los utilizan  los protocolos de control convenidos. Para
incrementar la vida de la bateria y reducir la interferencia entre
estaciones, los transmisores de la MS y de la  BTS adaptan automaticamente
su potencia de transmision. Se utilizan 9 canales  en el interfaz aereo:

        1.- FCCH - Informacion de Frecuencias.
        2.- SCH - Sigue a la rafaga FCCH, proporciona una referencia para 
	    todas las ranuras de una frecuencia dada.
        3.- PAGCH - Transmision de Informacion de paginacion que se pide en el
            establecimiento de una llamada a una estacion movil (MS).
        4.- RACH - Canal no limitado utilizado por la MS para pedir conexiones
            desde la red terrestre.
        5.- CBCH - Transmision no frecuente de difusiones.
        6.- BCCH - Informacion de estado de acceso a la MS.
        7.- FACCH - Control de los "Handovers" (Paso de un usuario movil de una
            celula a otra).
        8.- TCH/F - Para voz a 13 Kbps o datos a 12, 6 o 3,6 Kbps.
        9.- TCH/H - Para voz a 7 Kbps o datos a 6 o 3,6 Kbps.

El salto lento de frecuencias se utiliza en los canales de trafico que estan
centrados a intervalos de 200 KHz entre 890 y 915 MHz y 935 y 960 MHz.
Utilizando el salto de frecuencias lento, se obtiene una diversidad de
frecuencias que mejora la calidad de la seal global pero no da "espiritu"
:) a los canales de ruido. Cada rafaga de transmision se completa antes de
commutar las frecuencias. Los protocolos RR son responsables de la
asignacion y reasignacion de canales de trafico entre la MS y la BTS. Estos
servicios son:

        - Controlar el acceso inicial al sistema.
        - Paginar para llamadas terminadas en el movil.
        - "Handover" de llamadas entre celulas.
        - Control de Potencia.
        - Terminacion de llamadas.

Los protocolos RR proporcionan los procedimientos para la utilizacion,
asignacion, reasignacion y liberacion de los canales GSM.

4.-Movilidad GSM.

Una de las caracteristicas principales utilizadas en todas las redes GSM y
satelite, es la capacidad para soportar el "roaming" (poder cambiar de un
pais a otro...viajar!) de los usuarios. Utilizando la red de sealizacion de
control, los MSCs interactuan para localizar y conectar a los usuarios en
toda la red. Los "Registros de Localizacion" se encuentran incluidos en las
Bases de Datos del MSC para ayudar a la funcion de determinar como y si las
conexiones deben realizarse para los usuarios itinerantes (usuarios
Roaming). CAda user de una estacion movil GSM tiene asignado un HLR que se
utiliza para contener la localizacion del usuario y los servicios del
abonado en cuestion ;). Un registro separado, denominado VLR se utiliza para
seguir la pista de localizacion de un user. Cuando el user cruza el aera
cubierta por el HLR, la estacion movil notificara una nueva VLR de su
paradero actual (e.j. Un viaje a fuera de las fronteras Espaolas ;D...) El
VLR a si vez utiliza la red de control para sealar la HLR de la nueva
localizacion de la estacion movil. Utilizando esta informacion, las llamadas
terminadas en el movil se pueden encaminar al usuario utilizando la
informacion de lozalizacion contenida en el HLR del usuario.

5.-Servicios GSM.

Bueno, en esta seccion, mas que nada introducida pa rellenar.. ;P, ya que me
imagina que la mayoria de vosotros sabreis que servicios ofrece GSM. Pero
bueno ya que estoy aqui... El nivel de gestion de comunicaciones proporciona
3 clases de servicios primarios:

        - Control de llamadas.
        - Servicios Suplementarios.
        - Servicio de Mensajes Cortos.

Los servicios de control de llamadas son responsables del encaminamiento de
llamadas, me explico, determinar quien es el responsable de los costos de la
llamada y la organizacion que tiene que recibir el pago. Los servicios
suplementarios son el reenvio de llamadas, llamada en espera, aviso de
cargo, passwords, etc... ;). El nivel de gestion de las comunicaciones
incluye servicios para manipular servicios de mensajes cortos, que son mas
eficientemente manipulados utilizando transferencias orientadas a paquetes
que las conexiones tradicionales de commutacion de circuitos soportadas por
el sistema GSM principal.

6.-Canal de Radio GSM - TDMA.

Antes de nada, el estandar GSM especifica las bandas de frecuencia de 890 a
915 MHz para la banda del enlace saliente y 935 a 960 MHz para la banda del
enlace entrante; cada banda se divide en canales de 200 Khz (Todo esto lo he
explicado mas arriba ;)). Otras caracteristicas del interface de canal de
radio son la alimentacion de tiempo adaptativa, la modulacion GMSK, la
transmision y recepcion discontinua y el salto de frecuencia lento. La
alineacion de tiempo adaptativa permite a la estacion movil corregir su
ranura de tiempo de transmision para retardos de propagacion. La modulacion
GMSK proporciona eficiencia espectral e interferencia fuera de banda baja
requerida en el sistema GSM. La transmision y recepcion discontinua se
refiere a la caida de potencia de la estacion movil durante periodos de
inactividad y sirve al doble proposito de reducir la interferencia entre
canales y aumentar el tiempo de vida de la bateria de la unidad portable. El
salto de frecuencias lento es una caracteristica adicional del interfaz de
canal de radio GSM que ayuda a contrarestar efectos de desvanecimiento
Rayleigh y de la interferencia entre canales. Los canales de 200 KHz de cada
banda se subdividen en ranuras de tiempo de 577 milisegundos. Juntando ocho
ranuras de tiempo se forma "una trama" TDMA de 4,6 milisegundos. Juntando 26
o 51 tramas TDMA se forma una "multitrama" (120 o 235 milisegundos)
dependiendo de si el canal es para trafico o datos de control. Juntando 51 o
26 multitramas (de nuevo, dependiendo del tipo de canal :)) se forma una
"supertrama" (6,12 segundos). Una "hipertrama" se compone de 2048
supertramas, totalizando una duracion de 3 horas, 28 minutos, 53 segundos y
760 milisegundos. La estructura de trama TDMA tiene asociado un nmero de
secuencia de 22 bits que identifica de forma unica una trama TDMA dentro de
una hipertrama dada. Los distintos canales lgicos que son convertidos en la
estructura de tramas TDMA pueden ser agrupados en canales de trfico (TCHs)
utilizados para transportar voz o datos de usuario y canales de control
(CCHs) utilizados para transportar sealizacion y datos de sincronizacion.
Los canales de control se dividen en:

        - Canales de control de difusion.
        - Canales de control comn.
        - Canales de control dedicados.

Cada ranura de tiempo dentro de una trama TDMA contiene datos modulados
denominados rafaga ("burst"). Existen cinco tipos de rafagas:

        - Normal.
        - Correccion de frecuencia.
        - Sincronizacion .
        - "Dummy" (de relleno).
        - Rafagas de acceso.

La tasa de bits del canal de radio es de 270,833 Kbps que corresponde a la
duracion de una ranura de tiempo de 156,25 bits. La rafaga normal se compone
de una secuencia de arranque ("start") de tres bits, 116 bits de carga util
("payload"), 26 bits de secuencia de entrenamiento utilizada para ayudar a
contrarestar los efectos de la interferencia multicamino, 3 bits de
secuencia de parada ("stop") necesitados por el codificador de canal y un
periodo de guarda (de una duracion de 8,25 bits) que es un "colchon" para
permitir tiempos de llegada diferentes de rafagas en ranuras de tiempo
adyacentes desde estaciones moviles dispersas geograficamente. Dos bits de
la carga util de 116 bits se utilizan por el canal de control asociado
rapido (FACCH) para sealar que una rafaga dada ha sido tomada, dejando un
total de 114 bits de carga util. El algoritmo de codificacion de voz
utilizado en GSM esta basado en un codificador predictivo lineal excitado ;)
por impulso rectangular con predicion a largo termino (RPE-LTP). El
codificador de voz produce muestras a intervalos de 20 milisegundos a una
tasa de bits de 13 Kbps, produciendo 260 bits por muestra o trama. Estos 260
bits se dividen en 182 bits de clase 1 y 78 bits de clase 2 basandose en una
evaluacion subjetiva de su sensibilidad a los errores de bits, siendo los
bits de clase 1 los mas sensibles. La codificacin de canal supone la
adicion de bits de comprobacion de paridad y codificacion convolucional de
media tasa de la salida de 260 bits del codificador de voz. La salida del
codificador de canal es una trama de 456 bits, que se divide en 8
componentes de 57 bits y se entremezcla ("interleaved") sobre ocho tramas
consecutivas TDMA de 114 bits. Cada trama TDMA consta de dos conjuntos de 57
bits procedentes de dos tramas separadas de codificador de canal de 456
bits. El resultado de la codificacion de canal y del entremezclado es para
contrarestar los efectos de desvanecimiento de interferencia de canal y
otras fuentes de errores de bits.

7.-Caracteristicas de Seguridad.

Y llegamos a la parte que para mi es la mas interesante de todo el articulo.
Espero que no os esteis aburriendo mucho con el mundo GSM... La seguridad en
GSM consta de los siguientes aspectos:

        1.- Autenticacion de la Identidad del Abonado.
        2.- Confidencialidad de la Identidad del Abonado.
        3.- Confidencialidad de los Datos de Sealizacion.
        4.- Confidencialidad de los Datos del Usuario.

El abonado se le identifica de forma unica utilizando la Identidad de
Abonado Movil Internacional (IMSI). Esta informacion junto con la clave
individual de autenticacion de abonado (Ki) constituyen las "credenciales de
identificacion" sensibles, analogas al ESN (Electronic Serial Number) de los
sistemas analogicos como AMPS (Advanced Mobile Phone System) y TACS (Total
Access Communication System). El diseo de los esquemas de cifrado y
autenticacion es tal que esta informacion sensible nunca se transmite por el
canal de radio. En su lugar se utiliza un mecanismo de "desafio-respuesta"
para realizar la autenticacion. Las conversaciones reales se cifran
utilizando una clave temporal de cifrado generada aleatoriamente (Kc). La
Estacion Movil (MS) se identifica por medio de la Identidad Temporal de
Abonado Movil (TMSI) que emite la red y puede cambiarse periodicamente (por
ejemplo durante momentos de no intervencion "hand-offs" :D) para mayor
seguridad. Los mecanismos de seguridad de GSM se implementan en tres
elementos diferentes del sistema:

        1.- El Modulo de Identidad del Abonado (SIM).
        2.- El Aparato portatil GSM tambien denominado Estacion Movil (MS).
        3.- La Red GSM.

El SIM contiene la IMSI, la clave individual de autenticacion del abonado
(Ki), el algoritmo de generacion de claves de cifrado (denominado A8), el
algoritmo de autenticacion (denominado A3) y el Numero de Identificacion
Personal (PIN) ;P. El aparato GSM (portatil o portable) contiene el
algoritmo de cifrado (denominado A5). Los algoritmos de cifrado (A3, A5 y
A8) tambien estan presentes en la red GSM. El Centro de Autenticacion (AUC),
parte del Subsistema de Operacion y Mantenimiento (OMS) de la red GSM consta
de una Base de Datos de Informacion de identificacion y autenticacion de
abonados. Esta informacion consta de la IMSI, de la TMSI, de la Identidad de
Area de Localizacin (LAI) y de la clave individual de autenticacion de
abonado para cada usuario. Para que funcionen los mecanismos de
autenticacion y confidencialidad se requiren tres elementos:

        - El SIM.
        - El aparato GSM.
        - La red GSM.

Esta distribucion de credenciales de seguridad y de algoritmos de cifrado
proporciona una medida adicional de seguridad para asegurar la privacidad de
las conversaciones telefonicas celulares y la prevencion de fraude en la
telefonia celular ;). Dentro de la red GSM, la informacion de seguridad se
distribuye entre el AUC (Authentication Center), el Registro de Localizacion
Domestico (HLR) y el Registro de Localizacion del Visitante (VLR). El Centro
de Autenticacion (AUC) es responsable de generar los conjuntos de RAND
(Numero aleatorio), SRES (Respuesta Firmada) y Kc (clave de cifrado temporal
generada aleatoriamente) que se encuentran almacenados en el HLR y en el VLR
para su utilizacion posterior en los procesos de autenticacion y cifrado.

8.-Autentificacion.

La red GSM autentifica la identidad del abonado utilizando un mecanismo de
"desafio-respuesta"(La misma palabra lo dice...[Autentificacion];D).
Se envia a la estacin movil un nmero aleatorio de 128 bits (RAND). La
estacion movil (MS) calcula la respuesta firmada de 32 bits (SRES) basandose
en el cifrado del numero aleatorio (RAND) con el algoritmo de autenticacion
(A3) utilizando la clave individual de autenticacion de abonado (Ki). Al
recibir del abonado la respuesta firmada (SRES), la red GSM repite el
calculo para verificar la identidad del abonado. Fijate que la clave
individual de autenticacion de abonado (Ki) nunca se transmite sobre el
canal de radio. Esta presente en el SIM del abonado, asi como en las Bases
de Datos del AUC, HLR y VLR. Si el SRES recibido coincide con el valor
calculado, la estacin movil ha sido autentificada con exito y puede
continuar. Si los valores no coinciden la conexion se termina y se indica un
fallo de autenticacion a la estacion movil. El calculo de la respuesta
firmada (SRES) se realiza dentro del SIM :). Esto proporciona mayor
seguridad, debido a que la informacion del abonado confidencial como la IMSI
o la clave individual de autenticacion del abonado (Ki) nunca salen del SIM
durante el proceso de autenticacion.

9.-Confiencialidad.

Todo SIM contiene el algoritmo de generacion de claves de cifrado (A8) que
se utiliza para producir la clave de cifrado (Kc) de 64 bits. La clave de
cifrado se calcula aplicando el mismo numero aleatorio (RAND) utilizado en
el proceso de autenticacion con el algoritmo de generacion de la clave de
cifrado (A8) con la clave individual de autenticacion de abonado (Ki). La
clave de cifrado (Kc) se utiliza para cifrar y descifrar los datos
transmitidos entre la estacion movil y la estacion base. Se proporciona un
nivel adicional de seguridad al haber medios para cambiar la clave de
cifrado, haciendo al sistema mas resistente contra posibles "escuchas
ilegales" de la mano de los Phreakers ;P. La clave de cifrado puede
cambiarse a intervalos regulares segun lo requieran las consideraciones de
seguridad y diseo de red. De una manera similar al proceso de
autenticacion, el calculo de la clave de cifrado (Kc) tiene lugar
internamente dentro del SIM. Por tanto, la informacion sensible como la
clave individual de autenticacion de abonado (Ki) nunca la revela el SIM.
Las comunicaciones de datos y voz cifradas entre la estacion movil y la red
se realizan utilizando el algoritmo de cifrado A5. La comunicacion cifrada
se inicia por un comando de "peticin de modo de cifrado" desde la red GSM.
Al recibir este comando, la estacion movil empieza el cifrado y descifrado
de datos utilizando el algoritmo de cifrado (A5) y la clave de cifrado (Kc).
El algoritmo A5 es un "cifrador en flujo" formado por tres LFSRs (Linear
Feedback Shift Registers) controlados por reloj de grados 19, 22 y 23. El
control de reloj es una funcin "thereshold" de los bits del medio de cada
uno de los tres registros desplazamiento. La suma de los grados de los tres
registros es 64 ;). La clave de sesion de 64 bits se utiliza para
inicializar los contenidos de los registros desplazamiento. El numero de
trama TDMA de 22 bits se alimenta en los registros desplazamiento. Se
generan dos corrientes de claves de 114 bits para cada trama TDMA que son
operados con XOR con los canales de trafico "uplink" y "downlink". En un
principio el algoritmo A5 tuvo una longitud de clave "efectiva" de 40 bits,
posteriormente 64 bits y en un futuro proximo y nada lejano 128 bits. Los
algoritmos A3 y A8 de GSM son funciones unidireccionales "hash" dependientes
de la clave. Los algoritmos A3 y A8 de GSM son similares en funcionalidad y
se implementan como un nico algoritmo denominado COMP128.

10.-Despedida!

Para muchos este articulo habra sido una turra constante, para otros habra
sido una fuente de conocimiendo. Pero bueno, saludo y dedico este articulo a
OvErDrlvE y en especial a mi querida Angelill@ de Charlie, ya sabe ella que
la quiero muxho! Bueno chicos, me marcho con la musica a otra parte. Hasta
la proxima!

-=(EOF)=-
