DE69733262T2

DE69733262T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verschlüsselung des Funkverkehrs in einem Tele- kommuniationsnetzwerk

Info

Publication number: DE69733262T2
Application number: DE69733262T
Authority: DE
Inventors: Johan Rune
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: AU718924B2; EP0923827A1; CN1236517A; CN1123159C; DE69733262D1; AU3955697A; US5850444A; KR20000068513A; EP0923827B1; CA2264809A1; TW395106B; JP4112623B2; CA2264809C; WO1998010561A1; JP2001500327A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Drahtlosfunkkommunikation und insbesondere ein Verfahren mit einer Einrichtung zum Verschlüsseln von Funkverkehr zwischen Endgeräten und einem Mobilkommunikationsnetz.
Beschreibung des Standes der Technik
Der Bedarf nach erhöhter Mobilität und Vielseitigkeit in Telekommunikationsnetzen erfordert von den Netzen, größerer geografische Gebiete abzudecken und einen größeren Bereich an Telekommunikationsdiensten für die Teilnehmer zur Verfügung zu stellen. Diese Telekommunikationsdienste schließen Teledienst und Trägerdienst ein. Ein Teledienst stellt die erforderliche Hardware und Software für einen Teilnehmer zum Kommunizieren mit anderen Teilnehmern (z.B. Endgerät etc.) bereit. Ein Trägerdienst stellt die erforderliche Kapazität zum Übermitteln geeigneter Signale zwischen zwei Zugangspunkten (z.B. Ports) bereit, die eine Schnittstelle mit einem Netz vorsehen. Telekommunikationsdienste können Teilnehmern über einer Anzahl von Dienstenetzen zur Verfügung werden, wie z.B. öffentlichen Landmobiltelekommunikations-Netzen (PLMNs vom englischsprachigen Ausdruck public fand mobile telecommunications networks), öffentlichen Wählvermittlungstelefonnetzen (PSTNs vom englischsprachigen Ausdruck public switched telephone networks), Digitalnetze integrierter Dienste (ISDNs vom englischsprachigen Ausdruck integrated services digital networks), den sogenannten "Internet"-Zugangsnetzen, Video-on-demand-Netzen (VOD Netzen) und anderen proprietären Dienstenetzen.
In Reaktion auf den Bedarf nach erhöhter Mobilität und Vielseitigkeit ist ein neues Mobilfunktelekommunikationsnetz entwickelt worden, das eine generische Schnittstelle hat über welche ein Dienstenetzteilnehmer mit diesem Dienstenetz unabhängig von den geografischen Ort des Teilnehmers verbunden werden kann. Dieses generische Mobilfunknetz wird als "Generic Access Network" bzw. generisches Zugangsnetz (GAN) bezeichnet. Um die folgende Erfindung leichter zu verstehen, welche sich primär mit dem Verschlüsseln von Kommunikationsverkehr zwischen Endgeräten und einem GAN beschäftigt, wird nachstehend eine kurze Beschreibung eines solchen GAN unter Bezugnahme auf 1 bereitgestellt.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften GAN, das mit einer Vielzahl von Dienstenetzen und Dienstenetzteilnehmern verbunden ist. Das in 1 gezeigte GAN (10) schließt ein Zugangsnetz ein, das mit einem Transportnetz verbunden ist. Das Zugangsnetz schließt eine Vielzahl von Basisstationen (z.B. BS1 und BS2) ein. Jede Basisstation schließt einen Funk-Sender und Empfänger ein, der eine Kommunikationsabdeckung für ein jeweiliges geografisches Gebiet (eine sogenannte Zelle C1 und C2) bereitstellt. Die Basisstationen sind mit einem Funknetzcontroller (RNC) 12 verbunden. Obwohl nicht explizit gezeigt, können gewisse der Basisstationen mit dem Funknetzcontroller bzw. RNC 12 verbunden sein (z.B. BS 1 und BS2) und gewisse andere Basisstationen können mit einem oder mehreren anderen RNCs verbunden sein. Eine Vielzahl von RNCs kann untereinander zum Bereitstellen von Kommunikationspfaden dazwischen verbunden sein. Die RNCs verteilen Signale zu und von den verbundenen Basisstationen.
Eine Vielzahl von Dienstenetzen (z.B. VOD-Netz, PLMN, PSTN, Internet) sind über jeweilige Zugangseingangsports (14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26) mit dem Zugangsnetz des GAN 10 verbunden. Jedes Dienstenetz verwendet sein eigenes Standardsignalisierungsprotokoll zum Kommunizieren zwischen seinen internen Signalisierungsknoten. Beispielsweise verwendet das globale System für mobile Kommunikationen (GSM), welches ein digitales zellulares PLMN ist, das in Europa weitverbreitet eingeführt worden ist, ein Mehrfachanwendungsteil-Signalisierungsprotokoll bzw. MAP-Signalisierungsprotokoll (Multiple Application Part signaling protocol). Wie durch 1 gezeigt, sind die RNCs im Zugangsnetz über mindestens einen der Zugangseingangsports mit einem Dienstenetz verbunden. Wie dargestellt, ist RNC 12 über die Zugangsports 20 und 24 jeweils mit den PLMN- und PSDN-Dienstenetzen verbunden.
Mobilendgeräte 28 und 30 sind innerhalb des Funkabdeckungsgebietes des GANs 10 angeordnet und können eine Verbindung mit jeder der Basisstationen (z.B. BS2) im Zugangsnetz einrichten. Diese Mobilendgeräte können beispielsweise ein Zellulartelefon sein, ein Mobilfunktelefon, ein PC (Notebook, Laptop etc.), der möglicherweise mit einem Digitalzellulartelefon verbunden ist, oder mobile Fernsehempfänger (für VOD). Ein Signaltransport zwischen einem Mobilendgerät und einem ausgewählten Dienstenetz findet über spezifizierte Signalträger statt. Beispielsweise werden Signale zwischen dem Zellulartelefon 28 und dem PLMN-Dienstenetz über Signalträger SC1 und SC2 transportiert.
Die Mobilendgeräte (z.B. 28 und 30) schließen einen Zugangsabschnitt und einen Dienstenetzabschnitt ein. Der Zugangsabschnitt eines Mobilendgerätes ist ein logischer Teil des Zugangsnetzes und behandelt die Signalisierung, die zum Einrichten des Signalträgers (z.B. SC2 und SC4) zwischen den Mobilendgeräten und RNC 12 erforderlich ist. Der Dienstenetzabschnitt eines Mobilendgerätes ist ein logischer Teil des Dienstenetzes, an welchen die Benutzer dieser Endgeräte angemeldet sind. Der Dienstenetzabschnitt eines Mobilendgerätes empfängt und sendet Signale in Übereinstimmung mit den spezifizierten Standards seines jeweiligen Dienstenetzes über die eingerichteten Signalträger SC1 und SC2 (oder SC4). Der Funkschnittstellenabschnitt des Signalträgers SC2 oder SC4 (zwischen den Mobilendgeräten der Basisstation) kann Zeitmultiplexmehrfachzugriff bzw. TDMA (time division multiple access) sein, oder Codemultiplexmehrfachzugriff bzw. CDMA (code division multiple access), oder irgendeine andere Art von Mehrfachzugriffsschnittstelle.
Die Dienstenetzeteilnehmer können auf ihre jeweiligen Dienstenetze über das GAN zugreifen. Das GAN stellt eine Signalträgerschnittstelle bereit, die den transparenten Transport einer Nachricht über einen Signalträger (z.B. über SC1 und SC2) zwischen dem Dienstenetzteilnehmer eines Mobilendgerätes und seinem Dienstenetz ermöglicht. Das GAN setzt diese Funktion um durch Abbilden der Eigenschaften der Signalisierungsverbindungen und Verkehrsverbindungen aller Dienstenetze, die mit ihm verbunden sind. Folglich kann das GAN die Abdeckung existierender Dienstenetze ausdehnen und auch den Grad der Mobilität der Teilnehmer erhöhen.
Eine einzigartige Eigenschaft eines GAN ist, dass es keine eigenen Teilnehmer hat. Die mobilen Benutzer des GAN sind permanent Teilnehmer ihrer eigenen Dienstenetze aber sie verwenden nur temporär das GAN. Folglich kennt ein GAN nicht (oder braucht nicht zu kennen) die Identität dieser Benutzer. Jedoch kommt ein Problem auf beim Versuchen, Funkverkehr zwischen den Mobilendgeräten und dem GAN zu verschlüsseln.
Funkverkehr (z.B. Sprachinformation oder Daten) zwischen Mobilendgeräten und Basisstationen ist üblicherweise verschlüsselt zum Sicherstellen, dass die Information, die weitergeleitet wird, geheim bleibt. Obwohl einige Dienstenetze (z.B. GSM) Verkehr verschlüsseln, tun dies die meisten anderen Dienstenetze nicht. Folglich sollte ein GAN im Stande sein, Verkehr zu verschlüsseln für jene Dienstenetze, die die Fähigkeit nicht haben.
Da jedoch ein GAN die Identität seiner Benutzer nicht kennt (der Dienstenetzteilnehmer) muss es im Stande sein, Funkverkehr unter Verwendung von Verschlüsselungsschlüsseln zu verschlüsseln, die ohne Kenntnis der Identität oder Authentizität eines teilnehmenden Endgerätes erstellt werden. Unglücklicherweise verwenden die meisten existierenden Telekommunikationsnetze Verschlüsselungstechniken, die durch Verwenden von Authentisierungsparametern Verschlüsselungs-Schlüssel erzeugen. Mit anderen Worten, zum Verschlüsseln von Funkverkehr in einem konventionellen Mobilkommunikationsnetz, muss die Identität des Benutzerendgerätes bekannt sein.
In US-A-5 222 140 ist ein Kryptographieverfahren zur Schlüsselabstimmung und Benutzeridentifikation zur Verwendung in einem Kommunikationssystem wie einem tragbaren Kommunikationssystem bekannt.
In GB-A-2 297 016 ist ein Funkkommunikationssystem offenbart, in welchem die Geheimhaltung der Identität durch Verwendung von Verschlüsselungen mit öffentlichen Schlüsseln bereitgestellt wird.
In dem Artikel "Distributed communication services in the Masix system" von Mevel F. et al., Conference proceedings of the 1996 IEEE Fifteenth Annual International Phoenix Conference on Computers and Communications, New York, N.Y., USA, IEEE, USA, Seiten 172–178, wird ein System zum Verschlüsseln von Kommunikationsverkehr beschrieben.
RESÜMEE DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kommunikationen zwischen einem Mobilendgerät und einem Kommunikationsnetz ohne das Erfordernis zu verschlüsseln, dass das Netz die Identität des Endgerätes kennt.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kommunikationen zwischen einer Vielzahl von Mobilendgeräten und einem Kommunikationsnetz zu verschlüsseln ohne das Erfordernis, dass das Netz individuelle Verschlüsselungs-Schlüssel für jedes der Endgeräte bereithält.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, Kommunikationen zwischen einem Mobilengerät und einem Kommunikationsnetz zu verschlüsseln ohne das Erfordernis, dass das Endgerät permanent einen geheimen Verschlüsselungsschlüssel speichert.
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, während des Verschlüsselns von Kommunikationen zwischen einem Mobilendgerät und einem Kommunikationsnetz die Zeitdauer der Rufeinrichtung zu minimieren, die Übertragungsverzögerungen zu minimieren und den Datendurchsatz zu maximieren.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verschlüsseln von Kommunikationsverkehr zwischen einem Mobilkommunikationsnetz und einem Kommunikationsendgerät bereitgestellt, das die Schritt umfasst: Speichern eines öffentlichen Schlüssels und eines ersten dem Mobilkommunikationsnetz zugeordneten Identifizierers bei dem Kommunikationsendgerät; Vergleichen des ersten, bei dem Kommunikationsendgerät gespeicherten Identifizierers mit einem zweiten von dem Mobil-Kommunikationsnetz empfangenen Identifizierer und Erzeugen eines ersten vorbestimmten Ergebnisses entsprechend einem Abbildungsvergleich zwischen dem ersten und zweiten Identifizierer; Erzeugen eines geheimen Schlüssels bei dem Kommunikationsendgerät, wenn die Identifizierer einander abbilden; Verschlüsseln des geheimen Schlüssels mit dem gespeicherten öffentlichen Schlüssel bei dem Kommunikationsendgerät; und Senden des verschlüsselten geheimen Schlüssels von dem Kommunikationsendgerät.
Der verschlüsselte geheime Schlüssel kann von dem Netz empfangen werden, mit einem privaten Schlüssel entschlüsselt werden, wobei der private Schlüssel dem öffentlichen Schlüssel zugeordnet ist, und der darauffolgende Verkehr mit dem geheimen Schlüssel verschlüsselt werden. Wenn kein öffentlicher Schlüssel bei dem Endgerät gespeichert worden ist, dann kann das Endgerät eine Anfrage an das Netz nach einem öffentlichen Schlüssel absetzen. Als solches braucht das Netz die Identität des Endgerätes nicht zu kennen, um die verschlüsselten Kommunikationen mit dem Endgerät aufrechtzuerhalten.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System bereitgestellt zur Verwendung in Verschlüsselungskommunikationsverkehr zwischen einem Mobil-Kommunikationsnetz und einem Kommunikationsendgerät, eine Vorrichtung bei dem Kommunikationsendgerät umfassend, die eingerichtet ist zum Speichern eines öffentlichen Schlüssels und eines ersten, dem Mobilkommunikationsnetz zugeordneten Identifizierers, eingerichtet zum Vergleichen des gespeicherten ersten Identifizierers mit einem zweiten, von dem Mobilkommunikationsnetz empfangenen Identifizierers, und Erzeugen eines ersten vorbestimmten Ergebnisses in Entsprechung zu einer Abbildung zwischen den ersten und zweiten Identifizierern zum Erzeugen eines geheimen Schlüssels, um den geheimen Schlüssel mit dem gespeicherten öffentlichen Schlüssel zu verschlüsseln, und zum Senden des verschlüsselten geheimen Schlüssels von dem Kommunikationsendgerät.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis des Verfahrens und der Einrichtung der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung erhalten werden wenn betrachtet in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften generischen Zugangsnetzes, das mit einer Vielzahl von Dienstenetzen und Dienstenetzteilnehmern verbunden ist;
2 eine schematische Blockdiagrammsdraufsicht eines generischen Zugangsnetzes, in dem ein Verfahren des Verschlüsselns von Funkverkehr zwischen Dienstenetzen und Dienstenetzteilnehmern implementiert werden kann, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Blockdiagramm des in 2 gezeigten Zugangsnetzes;
4 ein Abfolgediagramm, das ein Verfahren erläutert, welches zum Verschlüsseln von Funkkommunikationen zwischen einem generischen Zugangsnetz und einem Endgerät verwendet werden kann, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das verwendet werden kann zum Zertifizieren der Authentizität eines öffentlichen Schlüssels und des Benutzers des Schlüssels mit einer digitalen Signatur, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden am besten unter Bezugnahme auf 1–5 der Zeichnungen verstanden, wobei in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen für gleiche und entsprechende Teile verwendet worden sind.
Im wesentlichen speichert in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Mobilendgerät mindestens einen öffentlichen Schlüssel gemeinsam mit einer einzigartigen Identifikationseigenschaft von mindestens einem dem öffentlichen Schlüssel zugeordneten GAN an einem Speicherort. Ein GAN führt kontinuierlich Rundsenden seiner einzigartigen Identifikationseigenschaft in allen Zellen, die in dem GAN enthalten sind, aus. Wenn Kontakt zwischen dem Endgerät und dem GAN veranlasst wird, vergleicht das Endgerät den empfangenen Identifizierer mit dem bzw. den gespeicherten Identifizierer(n) und wenn eine Übereinstimmung gefunden werden kann, erzeugt das Endgerät einen zufälligen geheimen Schlüssel, verschlüsselt den geheimen Schlüssel mit dem öffentlichen, dem Identifizierer des GAN zugeordneten Schlüssel und sendet den verschlüsselten geheimen Schlüssel. Das GAN entschlüsselt den geheimen Schlüssel unter Verwendung eines privaten Schlüssels, der dem öffentlichen Schlüssel zugeordnet ist. Der geheime Schlüssel wird daraufhin durch das Endgerät und das GAN zum Verschlüsseln und Entschlüsseln des nachfolgenden Funkverkehrs verwendet. Insbesondere kann das GAN sichere Kommunikationen mit dem Endgerät aufrechterhalten ohne jemals die Identität des Endgerätes zu kennen. Zudem, da das GAN die Identität eines solchen Endgerätes nicht zu kennen braucht, braucht das GAN keine Datenbank individueller Endgeräte-Verschlüsselungsschlüssel bereitzuhalten. Zusätzlich braucht das Endgerät nicht seinen eigenen geheimen Schlüssel zu speichern, weil es einen neuen geheimen Schlüssel für jede Kommunikationssitzung erzeugen kann.
2 ist ein schematisches Draufsichtsblockdiagramm eines generischen Zugangsnetzes, in welchem ein Verfahren des Verschlüsselns von Funkverkehr zwischen Dienstenetzen und Dienstenetzteilnehmern implementiert werden kann, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein GAN 100 ist dargestellt, welches ein Transportnetz 102 verbunden mit einem Zugangsnetz 104 darstellt. Eine Vielzahl von Dienstenetzen (z.B. PLMN, ISDN, PSTN, INTERNET, VOD) sind über jeweilige Zugangsports (z.B. 106, 108, 110, 112, 114) mit dem Transportnetz 102 und dem Zugangsnetz 104 verbunden. Das Zugangsnetz 104 schließt eine Vielzahl von RNCs und zugeordneten Basisstationen (z.B. RNC(1)-RNC(N)) ein. Die Vielzahl von RNCs und zugeordneten Basisstationen werden über eine jeweilige Funkschnittstelle mit einer Vielzahl von Mobilempfängern (Endgeräten) 116, 118, 120 und 122 verbunden. Ein Benutzer jedes Mobilengerätes ist ein Teilnehmer für mindestens eines der Dienstenetze PLMN etc. Die Mobilnetzgeräte können mit ihren jeweiligen Dienstenetzen auf die Weise, die oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird, kommuniziert. Speziell steuern die RNCs Kommunikationen zwischen den Endgeräten und ihren jeweiligen Dienstenetzen. Vor allem, obwohl eine Vielzahl von Mobilendgeräten (116 etc.) in 2 gezeigt sind, ist dies nur zum Zwecke der Erläuterung. Eines oder mehrere Funkendgeräte können ebenfalls mit dem GAN 100 verbunden werden und sind demnach im Stande, mit mindestens einem der Dienstenetze zu kommunizieren.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Zugangsnetzes 104, das in 2 gezeigt ist. Das Zugangsnetz 104 schließt eine Vielzahl von RNCs ein (z.B. RNC(1) – RNC(N)). Jedoch, obwohl eine Vielzahl von RNCs für diese Ausführungsform gezeigt sind, kann die vorliegende Erfindung auch mit nur einem RNC implementiert werden. Mindestens ein Dienstenetz (z.B. 130, 132 und 134) ist über mindestens einen jeweiligen Zugangsport (z.B. AP1, AP(N-1), AP(N)) an mindestens einen RNC verbunden. Mindestens eine Basisstation (z.B. BS(1), BS(N)) ist mit einem jeweiligen RNC verbunden (z.B. RNC(1), RNC(N)). Obwohl eine Vielzahl von Basisstationen gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung mit nur einer Basisstation implementiert werden.
Ein Mobilendgerät (z.B. Zellulartelefon 118) ist über eine Funkschnittstelle mit der Basisstation BS(1) verbunden. Es sollte leicht verstanden werden, dass nur zu Erläuterungszwecken ein Endgerät (118) gezeigt ist und dass eines oder mehrere zusätzliche Endgeräte gezeigt werden könnten. Die RNCs (z.B. RNC(1) – RNC(N)) sind über Kommunikationsleitungen (136, 138) zur Kommunikation dazwischen miteinander verbunden. Folglich kann das Endgerät 116 Verbindungen mit irgendwelchen der Dienstenetze (z.B. 130, 132, 134) über das Zugangsnetz 104 und das GAN 100 einrichten (2). Vor allem kann die für jedes Dienstenetz bereitgestellte Abdeckung durch Umschalten zu einem unterschiedlichen Zugangsport und Zugangsnetz 104 vergrößert werden. Mit anderen Worten, das Endgerät 118 kann mit dem Dienstenetz 132 über RNC(1), die Zwischenverbindungsleitung 136 und RNC(N-1) kommunizieren. Alternativ, wenn das Dienstenetz 132 zu einem Zugangsport AP(1) vermittelt ist, kann das Endgerät 118 mit dem Dienstenetz 132 über RNC(1) kommunizieren.
4 ist ein Ablaufdiagramm und zeigt ein Verfahren, das zum Verschlüsseln von Funkkommunikationen zwischen einem generischen Zugangsnetz und einem Endgerät verwendet werden kann, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 des Verschlüsselns von Kommunikationen kann bei dem GAN oder dem Endgerät beginnen. Beispielsweise führt in dieser Ausführungsform bei Schritt 204 das GAN (z.B. 10) kontinuierlich Rundsenden einer einzigartigen Identifikationseigenschaft in allen Zellen, die mit dem GAN verbunden sind, durch. Das Endgerät (z.B. 118) enthält einen nicht-flüchtigen Speicher, der in einem GAN-Abschnitt des Endgerätes angeordnet ist. Das Endgerät speichert mindestens einen öffentlichen Schlüssel in dem nicht-flüchtigen Speicher. Gemeinsam mit jedem öffentlichen Schlüssel speichert das Endgerät auch ein jeweiliges Ablaufdatum für den Schlüssel und eine ein spezifisches, dem Schlüssel zugeordnetes GAN identifizierende GAN-Identifikationseigenschaft. Mit anderen Worten, jeder öffentliche Schlüssel, der in dem Speicher des Endgerätes gespeichert ist, wird hiermit einem spezifischen GAN zugeordnet. Das Endgerät veranlasst den Kontakt durch Anmelden bei einem GAN (aber nicht erforderlichermaßen durch Einrichten eines Rufes). Ein Prozessor in dem Endgerät vergleicht den empfangenen GAN-Identifizierer mit den gespeicherten Identifizierern und wenn eine Abbildung vorgenommen werden kann bzw. eine Übereinstimmung gefunden wird (und der Schlüssel nicht abgelaufen ist), holt der Prozessor den gespeicherten öffentlichen Schlüssel, der dem identifizierten GAN zugeordnet ist. Jedoch, in dem Fall, dass keine solche Abbildung gefunden wird, sendet das Endgerät eine Anfrage für das GAN zum Senden eines öffentlichen Schlüssels. Der gesendete öffentliche Schlüssel (und sein Ablaufdatum) wird in dem Endgerät gespeichert und kann zum Verschlüsseln eines geheimen Schlüssels in der momentanen und in nachfolgenden Kommunikationssichtungen verwendet werden.
Bei Schritt 206 erzeugt das Endgerät einen (symmetrischen) geheimen Schlüssel (der nachstehend detailliert beschrieben wird). Bei Schritt 208 verwendet das Endgerät den geholten öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln des geheimen Schlüssels. Bei Schritt 210 sendet das Endgerät den verschlüsselten geheimen Schlüssel zu dem identifizierten GAN. Bei Schritt 212 entschlüsselt das GAN den geheimen Schlüssel, der bei Schritt 214 von dem GAN und dem Endgerät verwendet wird zum Verschlüsseln von Verkehr während der nachfolgenden Kommunikationssitzung (nachstehend detaillierter beschrieben).
Alternativ speichert am Ende einer Sitzung mit einem GAN das Endgerät den öffentlichen Schlüssel, der für diese Sitzung verwendet worden ist. Wenn das Endgerät oder ein GAN eine neue Kommunikationssitzung startet, holt das Endgerät den von der letzten Sitzung mit einem GAN gespeicherten öffentlichen Schlüssel und verwendet diesen öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln eines geheimen Schlüssels, der für die nachfolgende Sitzung zu verwenden ist. Wenn die Verwendung dieses gespeicherten öffentlichen Schlüssels nicht erfolgreich ist, dann sendet das Endgerät eine Anfrage an das GAN nach einem neuen öffentlichen Schlüssel. Diese Technik verbessert in vorteilhafter Weise den Netzdurchsatz weil ein Netzkanal nicht zum Senden eines öffentlichen Schlüssels belegt wird. Jedoch, wenn ein öffentlicher Schlüssel nicht von einer vergangenen Sitzung mit einem speziellen GAN gespeichert worden ist, kann das Endgerät noch den öffentlichen Schlüssel durch Anfragen danach von dem GAN erhalten und ihn zum Verschlüsseln eines geheimen Schlüssels verwenden, der für die nachfolgende Sitzung verwendet werden wird. In jedem Fall können durch Speichern des relativ großen (bitweise) öffentlichen Schlüssels in dem Endgerät gegenüber seinem Senden von dem GAN Funkübertragungsverzögerungen signifikant reduziert werden, ein wesentlicher Umfang der Netzübertragungszeit kann eingespart werden und der Datendurchsatz wird erhöht.
4 zeigt auch ein Verfahren, das verwendet werden kann zum Verschlüsseln von Funkkommunikationen zwischen einem generischen Zugangsnetz und einem Mobilendgerät, in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise, wenn Kommunikationen zwischen einem Dienstenetz und einem Endgerät (z.B. PLMN und Endgerät 118) gewünscht sind, können das Dienstenetz oder das Endgerät Kommunikationen mit einer Rufeinrichtungsmeldung veranlassen. Bei Schritt 202, da die Anfangsverbindung zwischen dem GAN und dem Endgerät eingerichtet ist, kann das Dienstenetz anfordern, dass der nachfolgende Verkehr verschlüsselt werden wird. Ist dies der Fall, empfängt das Endgerät noch während des Anfangsrufeinrichtungsprozesses einen öffentlichen Schlüssel, der kontinuierlich von einer oder mehreren Basisstationen (z.B. BS(1)-BS(N) rundgesendet wird.
In dieser Ausführungsform bewahren alle RNCs mindestens ein öffentlicher/privater-Schlüsselpaar (das selbe Paar in jedem RNC) in einem Speicherort. Der öffentliche Schlüssel, der von dem GAN rund gesendet worden ist, wird von dem Endgerät 118, das den Kontakt mit dem GAN veranlasst hat, empfangen. Vorzugsweise wird sowohl die Rufeinrichtungsprozedur als auch die Prozedur zur Übertragung des öffentlichen Schlüssels von einem RNC vorgenommen, welches über einen Zugangsport mit dem betrachteten Dienstenetz verbunden ist (z.B. RNC(1) zu AP(1) zu PLMN 130). Alternativ kann eine Basisstation (z.B. BS(1)) konfiguriert werden zum Beibehalten eines öffentlichen-/privaten Schlüsselpaares und Rundsenden oder anderweitigem Übertragen eines öffentlichen Schlüssels zu einem Endgerät.
Das RNC kann den öffentlichen Schlüssel in allen Zellen des Abdeckungsbereiches des RNCs rundsenden. Folglich kann das Endgerät, da das GAN den öffentlichen Schlüssel rundsendet statt dass das Endgerät den Schlüssel von dem GAN anfordern muss, sich bei dem GAN viel schneller anmelden und ein Ruf kann in einer wesentlichen kürzeren Zeitdauer eingerichtet werden. Alternativ, statt des Rundsendens des öffentlichen Schlüssels in einer Vielzahl von Zellen, kann das RNC den öffentlichen Schlüssel direkt über die Basisstation, die den Kontakt mit dem Endgerät eingerichtet hat, übertragen. Jedoch verringert das Verfahren des Rundsendens des öffentlichen Schlüssels in einer Vielzahl von Zellen vor dem Einrichten des Rufes in vorteilhafter Weise die Belastung der dem GAN zugewiesenen Verkehrskanäle.
Für alle Ausführungsformen kann, so lange das Endgerät bei dem GAN angemeldet ist, der selbe öffentliche Schlüssel für alle nachfolgenden Kommunikationen mit dem GAN verwendet werden, weil der selbe Schlüssel bei dem GAN und auch bei dem Endgerät gespeichert ist. Alternativ kann der öffentliche Schlüssel periodisch in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Schema oder Algorithmus, oder selbst nach Laune des GAN-Betreibers verändert werden. Wenn ein Betreiber wünscht, die öffentliche Schlüssel periodisch zu ändern, erleichtert das Speichern des Ablaufdatums jedes öffentlichen Schlüssels bei dem Endgerät deren Benutzung in dieser Hinsicht. Zudem kann, wenn der öffentliche Schlüssel geändert wird, er in der bevorzugten Ausführungsform von dem GAN für eine vorbestimmte Zeitdauer rund gesendet werden zum Verringern der Anzahl von Endgeräteanfragen für einen neuen öffentlichen Schlüssel.
Wie früher beschrieben worden ist, kann das GAN bei Schritt 202 eines oder mehrere asymmetrische öffentliche-/private Schlüsselpaare aufbewahren. In diesem Fall kann ein sogenannter "RSA Algorithmus" zum Erstellen des öffentlichen-/privaten Schlüsselpaares verwendet werden. Der RSA Algorithmus kombiniert die Schwierigkeit des Fakturierens einer Primzahl mit der Leichtigkeit des Erzeugens großer Primzahlen (Verwendung eines probabilistischen Algorithmus) zum Aufspalten eines Verschlüsselungscodes in einen öffentlichen und einem privaten Teil.
Speziell unter der Annahme, dass die Schriftzeichen P und Q Primzahlen repräsentieren, das Schriftzeichen M eine unverschlüsselte Nachricht repräsentiert und das Schriftzeichen C die verschlüsselte Form von M repräsentiert, kann der RSA Algorithmus folgendermaßen ausgedrückt werden: ME mod PQ = > C (verschlüsselte Nachricht M) (1) CD mod PQ = > M (verschlüsselte Nachricht C) (2)wobei der Ausdruck (DE-1) ein Mehrfaches von (P-1)(Q-1) ist. In dieser Ausführungsform wird der Exponent E auf 3 festgelegt. Die privaten und öffentlichen Schlüssel werden jeweils aus zwei Zahlen kombiniert. Beispielsweise liefern die beiden durch (PQ, D) repräsentierten Zahlen den privaten Schlüssel und die durch (PQ, E) repräsentierten Zahlen liefern den öffentlichen Schlüssel. Da der selbe Wert für E konsistent verwendet wird, braucht nur der PQ-Abschnitt der Zahl auf Anfrage gesendet zu werden oder rund gesendet zu werden und für den öffentlichen Schlüssel verwendet zu werden (z.B. bei Schritt 204). Durch Kenntnis des privaten Schlüssels kann jede mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselte Nachricht entschlüsselt werden.
Zurück zur 4, bei Schritt 206 empfängt das Endgerät (118) den asymmetrischen öffentlichen Schlüssel und/oder speichert ihn. Das Endgerät erzeugt einen zufälligen symmetrischen geheimen Schlüssel. Der zufällige geheime Schlüssel, der zum Verschlüsseln von Kommunikationen vorzugsweise für die vollständige Sitzung verwendet wird, kann in mindestens einer von vier Arten erzeugt werden. Ein Verfahren verwendend nimmt das Endgerät einige Abtastwerte von Sitzungen der empfangenen Signalstärke, verkettet die Bit niedriger Ordnung der einigen Abtastwerte und verarbeitet das Ergebnis zum Erzeugen einer Zufallszahl. Da die Bit niedriger Ordnung der empfangenen Signale gut innerhalb des Rauschpegels des empfangenen Signals liegen, wird eine natürlich auftretende echte Zufallszahl erzeugt. Ein zweites Zufallszahlerzeugungsverfahren ist, das Zufallsrauschsignal, das am Eingang des A/D-Umsetzers, der mit einem Mikrofon verbunden ist, zu verwenden. Noch einmal kann unter Verwendung dieses Verfahrens eine natürlich auftretende wirklich zufällige Zahl für den geheimen Schlüssel erzeugt werden. Ein drittes Zufallszahlerzeugungsverfahren dient dem Endgerät zum Nehmen von Abtastwerten von Phasenmessungen des empfangenen Signals, Verknüpfen der Bit niedrigerer Ordnung der Abtastwerte und Verarbeiten des Ergebnisses zum Erzeugen einer Zufallszahl. Ein viertes Zufallszahlerzeugungsverfahren ist, dass das Endgerät Abtastwerte von dem kodierten Abschnitt des Sprach-Kodex nimmt, die Bit niedriger Ordnung der Abtastwerte verknüpft und das Ergebnis zum Erzeugen der Zufallszahl verarbeitet.
Alternativ kann eine in dem Endgerät erzeugte Zufallszahl als Samen bzw. Ausgangsgröße für einen Pseudozufallszahlgenerator verwendet werden. Der Samen wird mit dem öffentlichen Schlüssel von dem GAN verschlüsselt und zu dem GAN gesendet. Der Samen wird simultan in dem GAN und dem Endgerät zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl verwendet. Die derart erzeugte Pseudozufallszahl kann von dem GAN und dem Endgerät als geheimer Schlüssel für die nachfolgende Kommunikationssitzung verwendet werden. Der Sitzungsschlüssel kann periodisch in eine unterschiedliche Zahl in der Pseudozufallszahlenfolge geändert werden. Beispielsweise kann der Sitzungsschlüssel aus einer Anzahl von Gründen verändert werden wie z.B. nachdem eine vorbestimmte Datenmenge verschlüsselt worden ist, oder nachdem der Verkehr für eine vorbestimmte Zeitdauer verschlüsselt worden ist. Das Endgerät oder das GAN können eine Änderung des geheimen Schlüssels veranlassen oder der Schlüssel kann gemäß einem vorbestimmten Schema oder Algorithmus verändert werden. Beispielsweise kann eine Anfrage zum Ändern des geheimen Schlüssels durch Senden einer "Sitzungsschlüsseländerungsanfrage"-Meldung oder durch Setzen eines "Sitzungsschlüsseländerungsanfrage"-Bit im Kopf einer gesendeten Nachricht implementiert werden.
Zusätzlich können mit dem Pseudozufallszahlenerzeugungs-Verfahren, das oben beschrieben worden ist, kürzere Sitzungsschlüssel erzeugt werden und weniger komplizierte Verschlüsselungsalgorithmen verwendet werden. Folglich kann ein wesentlicher Umfang an Verarbeitungsleistung in dem GAN und speziell in dem Endgerät gespart werden. Das Endgerät kann konfiguriert werden zum Auswählen der Länge des Sitzungsschlüssels der zu verwendet ist, um gegenseitige Nachteile bzw. Kompromisse zwischen Sicherheit und Rechenerfordernissen zu berücksichtigen. Beispielsweise kann der Prozessor des Endgerätes die Länge eines geheimen Sitzungsschlüssels durch Erzeugen eines Sitzungsschlüssels von der Länge auswählen oder durch Spezifizieren der Anzahl von Bits, die von dem Ausgang des Pseudozufallszahlen-Generators zu verwenden sind. Alternativ kann das Endgerät den Bereich der Ausgangsgröße des Pseudozufallszahlen-Generators spezifizieren, um eine vorbestimmte Länge festzulegen.
Andere alternative Verfahren zum Erzeugen einer Pseudozufallszahl für einen geheimen Sitzungsschlüssel können verwendet werden. Beispielsweise kann, einen "Lagged Fibonacci"-Pseudozufallszahlengenerator verwendend, die n-te Zahl in der Pseudozufallszahlenfolge N_n folgendermaßen berechnet werden: Nn = (Nn-k – Nn-l) mod M (3)wobei k und l sogenannte Verzögerungen bzw. "Lags" sind und M den Bereich der Pseudozufallszahlen, die zu erzeugen sind, definiert. Für optimale Ergebnisse sollte die größte Verzögerung zwischen 1000 und 10000 liegen. Wenn ein relativ langer Schlüssel gewünscht wird, können eine Vielzahl von durch die Gleichung 3 erzeugten Pseudozufallszahlen verkettet werden zum Erzeugen eines längeren Schlüssels. Wenn die Pseudozufallszahlen, die durch die Gleichung 3 erzeugt werden, Gleitkomma-Zahlen zwischen 0 und 1 sein sollen, kann M auf l festgelegt werden. Die Bit-Muster solcher Gleitkomma-Pseudozufallszahlen können als symmetrische Verschlüsselungs-Schlüssel verwendet werden.
Ein anderer Pseudozufallszahlengenerator, der zum Erzeugen eines geheimen Sitzungsschlüssels verwendet werden kann, basiert auf einem Algorithmus, der gleichförmig zwischen 0 und 1 verteilte Pseudozufallszahlen erzeugt. Speziell sind die Samen bzw. Ausgangsgrößen X₀, Y₀ und Z₀ der Pseudozufalls-Zahlen N_n anfänglich auf ganzzahlige Werte zwischen 1 und 30000 festgelegt. Die Pseudozufallszahlen N_n werden folgendermaßen berechnet: X0=171* (Xn-1 mod 177) – (2*Xn-1/177) (4) Y0=172* (Xn-1 mod 176) – (35*Yn-1/176) (5) Z0=170* (Xn-1 mod 178) – (63*Zn-1/178) (6)
Wenn irgendeiner der Werte von X_n, Y_n oder Z_n kleiner als null ist, dann wird X_n auf gleich X_n+30269 festgelegt, Y_n wird festgelegt auf Y_n+30307 oder Z_n wird festgelegt auf Z_n+30323. Die Pseudozufallszahlen N_n sind dann gleich ((X_n/20269 + Y_n/30307 + Z_n/30323) amod 1), wobei X_n, Y_n und Z_n Gleitkomma-Zahlen sind, und "amod" bedeutet, dass diese Zahlen Brüche sein können. Gleitkomma-Zahlen, die mit diesem Algorithmus erzeugt werden, bilden Bitmuster, die zur Verwendung als symmetrische Verschlüsselungsschlüssel geeignet sind. Die Länge solcher Schlüssel kann durch Verketten einer Vielzahl erzeugter Pseudozufallszahlen ausgedehnt werden.
Zurück zu dem in 4 gezeigten Beispiel, bei Schritt 208, vorzugsweise den oben beschriebenen RSA Algorithmus verwendend, verschlüsselt das Endgerät den geheimen symmetrischen Schlüssel mit dem öffentlichen Schlüssel.
Beispielweise angenommen, dass der geheime symmetrische Schlüssel, der beim Endgerät erzeugt wird, durch die Schriftzeichen SK repräsentiert wird. Gleichung 1 des RSA Algorithmus verwendend, wird der geheime Schlüssel folgendermaßen verschlüsselt: ME mod PQ = > Cwobei (PQ, E) den öffentlichen Schlüssel repräsentiert, M gleich SK ist, und C die verschlüsselte Version von SK. Der Exponent E wird auf 3 festgelegt.
In der bevorzugten Ausführungsform ordnet das Endgerät den verschlüsselten geheimen Schlüssel in ein Nachrichtenformat ein, welches einen Kopf und ein Nachrichtenfeld enthält. Der Kopf stellt Steuerinformationen bereit, die dem verschlüsselten geheimen Schlüssel zugeordnet ist, der in dem Nachrichtenfeld folgt. Ein Bit in dem Kopf kann zum Angeben festgelegt werden, dass das Nachrichtenfeld, das dem Kopf folgt, verschlüsselt ist. Mit anderen Worten, nur das Geheim-Schlüsselfeld der Nachricht wird verschlüsselt. Der Kopf der Nachricht wird in Klarschrift übertragen. Folglich kann ein wesentlicher Umfang an Netzverarbeitungszeit bei dem RNC gespart werden, da der Kopf angibt, ob das nachfolgende Nachrichtenfeld verschlüsselt ist und wenn dies der Fall ist, braucht nur dieser Abschnitt der Nachricht entschlüsselt zu werden.
Bei Schritt 210 sendet das Endgerät (118) den verschlüsselten geheimen Schlüssel (C) zu dem GAN über die kontaktierte Basisstation (z.B. BS(1)). In der bevorzugten Ausführungsform wird dieser geheime Schlüssel für die nachfolgenden Kommunikationen verwendet. Alternativ kann jederzeit während der nachfolgenden Kommunikationssitzungen das Endgerät einen neuen geheimen Schlüssel erzeugen, ihn mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsseln und den neuen verschlüsselten geheimen Schlüssel an das GAN senden. Die Sicherheit der Sitzung wird hierdurch erhöht weil durch Reduzieren der Zeit, die ein spezieller geheimer Schlüssel für eine Sitzung verwendet wird, die Wahrscheinlichkeit, dass der geheime Schlüssel durch nicht autorisierte Benutzer aufgebrochen wird, ebenfalls reduziert wird.
Bei Schritt 212 empfängt das RNC (z.B. RNC(1)) den verschlüsselten geheimen Schlüssel (C) von der Basisstation und entschlüsselt den geheimen Schlüssel unter Verwendung des privaten Schlüsselteils des RSA Algorithmus. Beispielsweise, Gleichung 2 (oben) des RSA Algorithmus verwendend, wird der empfangene verschlüsselte geheime Schlüssel (C) folgendermaßen entschlüsselt: CD mod PQ = > M wobei (PQ, D) den privaten Schlüssel repräsentiert und M gleich SQ ist (geheimer Schlüssel).
Bei Schritt 214 wird der nachfolgende Funkverkehr zwischen dem RNC und dem Endgerät mit dem geheimen Schlüssel verschlüsselt und entschlüsselt, der nun sowohl dem RNC als auch dem Endgerät bekannt ist. Ein bekannter symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus kann zum Verschlüsseln und Entschlüsseln des nachfolgenden Funkverkehrs mit dem geheimen Schlüssel wie z.B. ein-, zwei- oder drei-Durchlass-DES-Algorithums (Data Encryption Standard) oder ein FEAL-Algorithmus (Fast Ecipherment Algorithm) verwendet werden.
Als noch eine andere Verschlüsselungsalternative kann statt der Verwendung des RSA Algorithmus zum Erstellen eines öffentlichen-/privaten Schlüsselpaares ein sogenannter Diffie-Hellman-"Exponentiellschlüsselaustauschalgorithums" (Diffie-Hellman exponential key exchange algorithm) verwendet werden, um das Endgerät und das GAN zu einer Vereinbarung über einen geheimen Sitzungsschlüssel zu bringen. Bei Verwenden dieses Verschlüsselungsschemas werden zwei Zahlen (α, q) bei dem GAN gespeichert. Zu Beginn der Kommunikationssitzung sendet das RNC die zwei Zahlen direkt (oder verwendet ein Rundsenden der Zahlen) zu dem Endgerät. Die Zahlen α und q müssen die folgenden Kriterien erfüllen: q ist eine große Primzahl, die das finite Feld (Galiosfeld) GF(q) = 1, 2,..., q-1 erfüllt; und α ist ein festes Grundelement von GF(q). Mit anderen Worten, die Exponenten (x) von (α^x mod q) erzeugen alle Elemente 1, 2,..., q-1 von GF(q). Um eine Übereinstimmung zu einem Sitzungsschlüssel zu erlangen, werden die beiden Zahlen (α, q) direkt (oder per Rundsenden) von dem GAN zu dem Endgerät übermittelt. Alternativ können die beiden Zahlen bereits in dem nichtflüchtigen Speicher des Endgerätes enthalten sein. Das Endgerät (118) erzeugt die Zufallszahl X_T(1<X_T<q-1) und berechnet den Wert von Y_T=α^XT mod q. Das GAN (z.B. das RNC oder die Basisstation) erzeugt die Zufallszahl X_G(1<X_G<q-1) und berechnet den Wert von Y_G=α^xG mod q. Die Zufallszahlen können beim Endgerät unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens in Bezug auf das Erzeugen natürlich auftretender wahrer Zufallszahlen erzeugt werden.
Y_T und Y_G werden unverschlüsselt zu dem jeweiligen GAN und Endgerät übertragen. Auf dem Empfang der Zahl Y_G berechnet das Endgerät den Wert von K_S=YG^XT mod q=α^XG^XT mod q. Auf den Empfang der Zahl Y_T berechnet das GAN den Wert von K_S=YT^XG mod q=α^XT^XG mod q. Die Zahl X_T wird beim Endgerät geheimgehalten, die Zahl X_G wird beim GAN geheimgehalten, aber der Rest von K_S ist nun sowohl im Endgerät als dem GAN bekannt. Die Zahl K_S wird demnach von beiden als Kommunikationssitzungsverschlüsselungsschlüssel verwendet. Ein unberechtigter Benutzer würde weder X_T noch X_G kennen und würde den Schlüssel K_S aus Y_T und Y_G zu berechnen haben, was ein prohibitiver Berechnungsprozess ist. Ein signifikanter Sicherheitsvorteil der Verwendung des exponentiellen Schlüsselaustauschalgorithmus ist, dass das GAN die geheimen privaten Schlüsseldaten nicht auf permanenter Basis aufbewahren braucht.
Zusammengefasst, wenn eine Kommunikationssitzung zuerst zwischen einem GAN und einem Endgerät veranlasst wird, empfängt das Endgerät einen asymmetrischen öffentlichen Schlüssel, der kontinuierlich von dem GAN rundgesendet worden ist, von dem internen Speicher des Endgerätes geholt worden ist oder von dem GAN angefordert worden ist. Das GAN bewahrt den privaten Schlüssel, der zum Entschlüsseln von verschlüsselter Information mit dem öffentlichen Schlüssel verwendet werden kann, auf. Das Endgerät speichert eine natürlich auftretende Zufallszahl als einen (symmetrischen) geheimen Sitzungsschlüssel, verschlüsselt den symmetrischen Sitzungsschlüssel mit dem öffentlichen Schlüssel und sendet den verschlüsselten Sitzungsschlüssel an das GAN. Das GAN entschlüsselt den Sitzungsschlüssel mit dem privaten Schlüssel und sowohl das GAN als auch das Endgerät verschlüsseln die nachfolgenden Kommunikationen mit dem geheimen Sitzungsschlüssel. Ein primärer technischer Vorteil des Übertragens eines öffentlichen Schlüssels von einem GAN zu einem Endgerät beim Entstehen von Kommunikationen ist, dass das GAN nicht die Identität des Endgeräts zu wissen braucht, um verschlüsselte Kommunikationen mit dem Endgerät zu haben. Jedoch kann ein Problem auftreten, wenn ein nichtautorisierter Benutzer versucht, ein GAN zu verkörpern und einen öffentlichen Schlüssel an das Endgerät sendet. In diesem Fall kann wie unten beschrieben das Endgerät zum Authentifizieren des empfangenen öffentlichen Schlüssels und der Identität des GAN konfiguriert sein.
Beispielsweise, wenn ein öffentlicher Schlüssel von einem GAN zu einem Endgerät zu übertragen ist, kann der Schlüssel mit einem Zertifikat eines öffentlichen Schlüssels übertragen werden. Dieses Zertifikat stellt einen Beweis bereit, dass der zugeordnete öffentliche Schlüssel und der Inhaber von diesem Schlüssel authentisch sind. Eine "vertrauenswürdige" dritte Partei kann den öffentlichen Schlüssel gemeinsam mit dem Zertifikat ausgeben, welches eine "Digitalsignatur" einschließt, die die Identität der dritten Partei und den öffentlichen Schlüssel authentifiziert. Das Zertifikat kann auch die Identität des GAN enthalten und, falls vorhanden, das Ablaufdatum des Zertifikats.
In einem Aspekt der Erfindung sendet das GAN das Zertifikat und den öffentlichen Schlüssel zu dem Endgerät. In diesem Fall wird der öffentliche Schlüssel der dritten Partei vorab (a priori) bei den sich anmeldenden Endgeräten gespeichert.
5 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens, das zum Zertifizieren der Authentizität eines öffentlichen Schlüssels und des Inhabers des Schlüssels mit einer digitalen Signatur verwendet werden kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren (300) digitalen Signierens eines öffentlichen Schlüsselzertifikats und des Verifizierens seiner Authentizität beginnt bei Schritt 302. Bei Schritt 302 wird ein "Zertifikat" von einer vertrauenswürdigen dritten Partei vorbereitet, das zu dem Endgerät zu sendende unverschlüsselte Information über den Inhaber des öffentlichen Schlüssels enthält. Die unverschlüsselte Information schließt auch den öffentlichen Schlüssel und das Ablaufdatum des Zertifikates ein. Bei Schritt 304 wird das resultierende "unsignierte" Zertifikat mit einem irreversiblen Algorithmus (zum Beispiel einem Hash-Algorithmus) zum Erzeugen eines Nachrichtenkurzauszugs, der ein Kurzauszug oder eine gekürzte Version der in dem Zertifikat enthaltenen Information ist, bei Schritt 306 verarbeitet. Bei Schritt 308 wird die gekürzte Version mit einem privaten Schlüssel eines unterschiedlichen öffentlichen/privaten Schlüsselpaars verschlüsselt. Vorzugsweise wird ein RSA-Algorithmus ähnlich den Gleichungen 1 und 2 oben zum Herleiten dieses Schlüsselpaars verwendet. Bei Schritt 310 wird hierdurch ein digital signiertes öffentliches Schlüsselzertifikat produziert, welches die ursprüngliche unverschlüsselte Information (einschließlich des öffentlichen Schlüssels, der für Kommunikationssitzungen zu verwenden ist) enthält und die verkürzte Information, welche nun mit dem Zertifikat des privaten Schlüssels des Benutzers verschlüsselt ist. Das digital signierte öffentliche Schlüsselzertifikat wird dann zu dem Endgerät gesendet, welches den Kontakt mit dem GAN veranlasst hat.
Bei Schritt 312 analysiert auf den Empfang des digital signierten Zertifikats der Prozessor des Endgerätes den unverschlüsselten und verschlüsselten Abschnitt des Dokumentes. Bei Schritt 314 wird die unverschlüsselte Information unter Verwendung eines Algorithmus identisch dem Hash-Algorithmus, der bei Schritt 304 verwendet worden ist, verarbeitet. Bei Schritt 316 wird eine zweite Kurzversion der unverschlüsselten Information im Endgerät erzeugt. Bei Schritt 318 spürt der Prozessor des Endgerätes das zuvor gespeicherte Zertifikat des Herausgebers des öffentlichen Schlüssels vom Speicher auf, und den RSA-Algorithmus verwendend entschlüsselt er die verschlüsselte gekürzte Information aus dem Zertifikat. Eine andere Version der unverschlüsselten gekürzten Information wird hierdurch bei Schritt 320 erzeugt. Bei Schritt 322 vergleicht das Endgerät die beiden Versionen der unverschlüsselten verkürzten Information, und wenn die verglichene Information identisch ist, werden die Signatur des Zertifikats und der öffentliche Sitzungsschlüssel als authentisch angesehen. Der zertifizierte öffentliche Schlüssel kann nun von dem Endgerät zum Verschlüsseln des geheimen Sitzungsschlüssels verwendet werden.
obwohl eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der Einrichtung der vorliegenden Erfindung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und in der vorangehenden detaillierten Beschreibung beschrieben worden sind, ist verständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in der Lage ist, eine Vielzahl von Neuanordnungen, Modifizierungen und Ersetzungen einzuschließen, ohne vom Gedanken der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweisen.

Claims

Verfahren zum Verschlüsseln von Kommunikationsverkehr zwischen einem Mobilkommunikationsnetz (100) und einem Kommunikationsendgerät (118), die Schritte umfassend: Speichern eines öffentlichen Schlüssels und eines ersten, dem Mobilkommunikationsnetz (100) zugeordneten Identifizierers bei dem Kommunikationsendgerät (118); Vergleichen des ersten bei dem Kommunikationsendgerät gespeicherten Identifizierers mit einem zweiten von dem Mobilkommunikationsnetz empfangenen Identifizierer und Erzeugen eines ersten, einer zwischen dem ersten und zweiten Identifizierer angetroffenen Übereinstimmung entsprechenden vorbestimmten, Ergebnisses; Erzeugen (206) eines geheimen Schlüssels bei dem Kommunikationsendgerät, wenn die Übereinstimmung angetroffen wird; Verschlüsseln (208) des geheimen Schlüssels mit dem gespeicherten öffentlichen Schlüssel bei dem Kommunikationsendgerät; und Übertragen (210) des verschlüsselten geheimen Schlüssels von dem Kommunikationsendgerät.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner die Schritte umfassend: Empfangen des verschlüsselten geheimen Schlüssels bei dem Mobilkommunikationsnetz (100); Entschlüsseln (212) des empfangenen verschlüsselten geheimen Schlüssels mit einem privaten Schlüssel, wobei der private Schlüssel dem öffentlichen Schlüssel zugeordnet ist; und Verschlüsseln (214) des Kommunikationsverkehrs mit dem geheimen Schlüssel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Speichern eines öffentlichen Schlüssels den Schritt eines a-priori-Vorspeicherns (204) des öffentlichen Schlüssels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner den Schritt des Übertragens (204) des öffentlichen Schlüssels von dem Mobilkommunikationsnetz (200) auf das Empfangen (202) eines von dem Kommunikationsendgerät angeforderten öffentlichen Schlüssels hin umfassend.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Übertragens des öffentlichen Schlüssels ferner den Schritt des Übertragens (302–310) von Information zum Authentifizieren des öffentlichen Schlüssels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner den Schritt des Übertragens der Anfrage von dem Kommunikationsendgerät auf den Vergleichsschritt hin umfassend, der ein zweites vorbestimmtes Ergebnis erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Empfangens und Entschlüsselns des verschlüsselten geheimen Schlüssels bei einer Funkbasisstation (BS1) in dem Mobilkommunikationsnetz (100) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verschlüsselns des empfangenen verschlüsselten geheimen Schlüssels bei einem Funknetzcontroller (RNC) in dem Mobilkommunikationsnetz (100) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mobilkommunikationsnetz (100) ein generisches Kommunikationsnetz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kommunikationsendgerät ein Mobilendgerät (118) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kommunikationsendgerät ein festes Endgerät umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kommunikationsendgerät ein nicht-identifiziertes Kommunikationsendgerät umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mobilkommunikationsnetz ein Zellulartelefonnetz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner die Schritte umfassend: Verbinden einer Vielzahl von Dienstenetzen (130–134) mit dem Mobilkommunikationsnetz, wobei ein Benutzer des Kommunikationsendgeräts (118) ein Teilnehmer von mindestens einem der Vielzahl von Dienstenetzen ist; und Bereitstellen eines Kommunikationspfads zwischen dem Kommunikationsendgerät und dem mindestens einen der Vielzahl von Dienstenetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der private Schlüssel und der öffentliche Schlüssel durch einen RSA-Algorithmus zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geheime Schlüssel eine symmetrischen Verschlüsselungsschlüssel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens (206) eines geheimen Schlüssel den Schritt des Erzeugens einer natürlich auftretenden Zufallszahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens (206) eines geheimen Schlüssels die Schritte umfasst: Erfassen eines empfangenen Signals in Digitalform bei dem Kommunikationsendgerät; und Extrahieren von mindestens einem Bit niedriger Ordnung aus dem erfassten empfangenen Signal.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens (206) eines geheimen Schlüssels die Schritte umfasst: Erfassen eines Signals an einem Ausgang eines Mikrofon-Analog/Digital-Umsetzers; und Extrahieren von mindestens einem Bit niedriger Ordnung aus dem erfassten Ausgangssignal.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens (206) eines geheimen Schlüssels die Schritte umfasst: Erfassen eines Signals an einem Ausgang eines Sprach-Codecs; und Extrahieren von mindestens einem Bit niedriger Ordnung von dem erfassten Ausgangssignal.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens (206) eines geheimen Schlüssels die Schritte umfasst: Erzeugen eines Keims für eine Pseudozufallszahl; und Erzeugen einer Pseudozufallszahl aus dem Keim.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Länge des geheimen Schlüssels bei dem Kommunikationsendgerät vorbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geheime Schlüssel ferner eine Vielzahl von konkatenierten Zahlen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Speicherns des öffentlichen Schlüssels und des ersten Identifizierers ferner das Speichern eines Ablaufdatums umfasst, das dem öffentlichen Schlüssel zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Kommunikationsendgerät eine Anfrage eines öffentlichen Schlüssels zu dem Mobilkommunikationsnetz übermittelt, wenn der öffentliche Schlüssel abgelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner die Schritte umfassend: Ändern des öffentlichen Schlüssels bei dem Kommunikationsnetz; und Speichern des geänderten öffentlichen Schlüssels bei dem Kommunikationsendgerät.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt des Änderns des öffentlichen Schlüssels ferner den Schritt des Rundsendens des geänderten öffentlichen Schlüssels von dem Mobilkommunikationsnetz für eine vorbestimmte Zeitdauer umfasst.
System zur Verwendung in Verschlüsselungskommunikationsverkehr zwischen einem Mobilkommunikationsnetz (100) und einem Kommunikationsendgerät (118), eine Vorrichtung bei dem Kommunikationsendgerät umfassend, die eingerichtet ist – zum Speichern eines öffentlichen Schlüssels und eines ersten, dem Mobilkommunikationsnetz zugeordneten Identifizierers, – zum Vergleichen des gespeicherten ersten Identifizierers mit einem zweiten, von dem Mobilkommunikationsnetz empfangenen Identifizierer, und Erzeugen eines ersten, einer Übereinstimmung zwischen dem ersten und zweiten Identifizierern entsprechenden vorbestimmten Ergebnisses, – zum Erzeugen eines geheimen Schlüssels, – zum Verschlüsseln des geheimen Schlüssels mit dem gespeicherten öffentlichen Schlüssel, und – zum Übertragen des verschlüsselten geheimen Schlüssels von dem Kommunikationsendgerät.