Aspetti di Sicurezza su reti Tetra

Aspetti di sicurezza su reti TETRA di seconda generazione

Giancarlo Ippolito

Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica

Relatore Prof. Marco Carli

Co-relatore Ing. Michela Cancellaro

Università degli studi Roma TRE

Ottobre 2007

Indice

Introduzione 4

1 Il sistema radiomobile TETRA 5

1.1 Cosa è TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 L’associazione TETRA MoU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Perché TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Servizi offerti da TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 Teleservizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5.1 Comunicazioni singole o di gruppo . . . . . . . . . . . 11

1.5.2 Modalità diretta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.3 Chiamata in broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.4 Canale aperto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5.5 Chiamata d’emergenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6 Servizi di trasmissione dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.1 Short Data Service (SDS) . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.2 Trasmissione dati a commutazione di pacchetto . . . . 13

1.6.3 Trasmissione dati a commutazione di circuito . . . . . 13

1.7 Servizi supplementari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.1 Registrazione di accesso nella rete . . . . . . . . . . . . 14

1.7.2 Push to Talk mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.3 Creazione di gruppi virtuali . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.4 Ascolto discreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.5 Ascolto in ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.7.6 Chiamata prioritaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.7.7 Entrata in ritardo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.7.8 Comunicazioni voce e dati . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.8 Scenari di TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.9 Frequenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.10 Tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.10.1 Accesso al canale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.10.2 Modulazione π/4-DQPSK . . . . . . . . . . . . . . . 22

1

1.10.3 Efficienza spettrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.10.4 Controllo della potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.11 Architettura TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.11.1 Accenni su V+D, DM e PDO . . . . . . . . . . . . . . 27

1.12 Il protocollo a pila per TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.12.1 Livello fisico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.12.2 Livello di collegamento dati . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.12.3 Logical Link Control LLC . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.12.4 Medium Access Control MAC . . . . . . . . . . . . . . 30

1.13 TETRA Release 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.14 Esempi di terminali radiomobili . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.14.1 MTP850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.14.2 MTM800 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.14.3 Vantaggi MTP850 e MTM800 . . . . . . . . . . . . . . 35

1.15 Mercato destinato a TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2 La Sicurezza su TETRA 38

2.1 Introduzione alla sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2 Classi di sicurezza in TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3 Le funzioni di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4 Modello di sicurezza in TETRA . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.5 Meccanismi di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5.1 Identità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5.2 Algoritmi di autenticazione TETRA (TAAs) . . . . . . 43

2.5.3 Algoritmi di crittografia TETRA (TEAs) . . . . . . . . 44

2.5.4 Meccanismi di intercettazione legale . . . . . . . . . . . 44

2.6 Servizi di sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.1 Autenticazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.2 Crittografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.3 Anonimato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.4 Over The Air Re-Keying . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.6.5 Gruppi di utenti chiusi (CUGs) . . . . . . . . . . . . . 47

2.6.6 Abilitazione e disabilitazione dei terminali . . . . . . . 47

2.7 Autenticazione reciproca su interfaccia aerea . . . . . . . . . . 47

2.8 Processo di autenticazione di un terminale . . . . . . . . . . . 48

2.9 Chiavi crittografiche per interfaccia radio . . . . . . . . . . . . 50

2.9.1 Derived Cipher Key DCK . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.9.2 Common Cipher Key CCK . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.9.3 Group Cipher Key GCK . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.9.4 Static Cipher Key SCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.9.5 Chiavi addizionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2

2.10 Chiavi per la crittografia End to End . . . . . . . . . . . . . . 52

2.11 Over The Air Rekeying (OTAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.12 Crittografia su interfaccia radio . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.13 Crittografia End To End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.14 Scambio di informazioni di autenticazione tra reti TETRA . . 59

2.15 La Raccomandazione 02 del SFPG . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.15.1 International Data Encryption Algorithm (IDEA) . . . 60

2.15.2 Advanced Encryption Standard (AES) . . . . . . . . . 61

3 Simulazione cifratura in Matlab con algoritmo AES 64

3.1 Introduzione alla simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2 Lettura del file audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.3 Operazioni di cifratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.3.1 Conversione dei valori double . . . . . . . . . . . . . . 67

3.3.2 Suddivisione del vettore e cifratura . . . . . . . . . . . 68

3.3.3 Vettore cifrato con valori double . . . . . . . . . . . . . 69

3.4 Operazione di decifratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4.1 Decifratura del vettore (d) . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4.2 Dal vettore non cifrato al vettore di partenza (a) . . . 70

3.5 Confronto tra il file di partenza e il file criptato . . . . . . . . 71

Conclusioni 72

Appendici 73

A Elementi base di sicurezza 73

A.1 La sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

A.1.1 Sicurezza passiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

A.1.2 Sicurezza attiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.2 Crittografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

A.2.1 Introduzione al Data Encryption Standard (DES) . . . 76

A.3 La chiave crittografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

A.4 Scambio della chiave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

A.5 Il principio di Kerckhoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Lista delle figure 80

Indice analitico 82

Bibliografia 84

3

Introduzione

Il mio lavoro di tesi riguarda gli aspetti della sicurezza su reti TETRA di seconda generazione ed è strutturato in 4 capitoli trattanti i seguenti argomenti:

• Nel primo capitolo viene introdotto il sistema radiomobile TETRA in generale, descrivendo quelle che sono le sue caratteristiche principali, la tecnologia, l’architettura, i potenziali utilizzatori, il modello a strati, la sua evoluzione e per finire un esempio indicativo di terminali mobili che sfruttano le peculiarità dello standard.
• Nel secondo capitolo viene descritto in dettaglio l’aspetto della sicurezza su un sistema TETRA 2G, evidenziando le operazioni di autenticazione e crittografia su aria e tra terminali. Oltre a questo, vengono descritti i meccanismi di sicurezza, i servizi di sicurezza e le chiavi crittografiche. Alla fine vengono menzionati anche due algoritmi di cifratura end to end, l’AES e l’IDEA, dei quali viene offerta una breve descrizione del loro funzionamento per dare un’idea di quali sono le tecniche usate per realizzare un’adeguata protezione dei dati.
• Nel terzo e ultimo capitolo viene descritta una simulazione, eseguita tramite l’ausilio del programma Matlab TM, che prevede la cifratura di un file audio attraverso l’uso dell’algoritmo AES.

Inoltre, oltre ai tre capitoli descritti, è presente una breve appendice riguardante gli aspetti base della sicurezza. Questa appendice è stata inserita nella tesi allo scopo di dare maggiore informazione al riguardo e rendere più comprensibile al lettore la lettura di alcune parti della tesi.

4

Capitolo 1

Il sistema radiomobile TETRA

1.1 Cosa è TETRA

Fin da sempre lo scopo delle telecomunicazioni è stato quello di facilitare la comunicazione tra esseri umani senza vincoli di spazio e limiti di prestazioni.

Il vantaggio principale di una comunicazione a distanza è quello per il quale i due utenti che comunicano possono scambiare informazioni, anche di vitale importanza, in tempi brevi e in ogni tipo di situazione, anche in quelle di emergenza.

Quanto affermato giustifica il grande interesse, da parte delle forze dell’ordine e della pubblica sicurezza, per lo sviluppo e la crescita continua delle tecnologie inerenti alla comunicazione mobile, infatti, una loro costante evoluzione consente agli operatori del settore della sicurezza di comunicare in scenari sempre più critici ed imprevedibili.

Per regolamentare i progressi nel settore descritto, nei primi anni 90 venne istituito il progetto MESA 1 2, che costituiva un accordo tra Europa (ETSI[2] ) e Stati Uniti 3 (TIA[4] ) ed aveva lo scopo di elaborare nuove tecnologie a supporto delle comunicazioni radiomobili utilizzate, ad esempio, dalle forze di pubblica sicurezza e da organizzazioni legate a missioni umanitarie.

Dal progetto e 4 dagli studi elaborati dall’ETSI nacque il sistema MDTRS, che nel 1995 5 cambiò nome in TETRA, definendo per la prima volta le specifiche relative ad un sistema di radiocomunicazione digitale ad accesso collettivo per la trasmissione sicura di voce e dati, in modalità a circuito e a pacchetto ad alta qualità.

Lo standard TETRA prevede due principali modalità operative 1 Mobility Emergency for Safety Application 2 European Telecommunications Standards Institute 3 Telecommunications Industry Association 4 Mobile Digital Trunked Radio System 5 Terrestrial Trunked Radio 5 per le comunicazioni tra i terminali radio, specificate all’interno di protocolli diversi:

• Trunked Mode Operation (TMO): due o più stazioni mobili comunicano tra loro attraverso l’infrastruttura di rete;
• Direct Mode Operation (DMO): due o più stazioni mobili comunicano tra loro in modo diretto, ovvero senza utilizzare la rete;

Affianco alle due modalità appena citate si posiziona un ulteriore protocollo, denominato Dual Watch (DW), che consente a ciascun utente di essere contattato da un altro utente sia che questo operi col protocollo TMO che con il DMO.

TETRA rappresenta dunque l’evoluzione dal mondo analogico a quello digitale, consentendo servizi come le chiamate selettive veloci, comunicazioni tra gruppi di utenti, scambio di messaggi di testo, possibilità di lavorare in modalità diretta, trasmissione dati o video se necessari, comunicazioni full duplex, modalità cripto e interfacciabilità con linee telefoniche e centralini.

Lo standard è molto simile per funzionamento a quello delle reti dei telefoni cellulari ma a differenza di questi ultimi, possiede caratteristiche 6 di tipo (par.1.7.2 pag.14), cioè la comunicazione con altro/i push to talk terminali avviene senza comporre il numero.

Di fatto questo sistema permette di avere una rete radio nella quale sono possibili comunicazioni di tipo 7 8 end-to-end o comunicazioni a gruppi (par.1.5.1 pag.11).

I sistemi TETRA necessitano di un’implementazione della rete e quindi hanno costi non indifferenti di avvio del sistema che, però, calano una volta avviato il tutto; tuttavia, la loro flessibilità nella costruzione di reti radio virtuali modificabili, ne ha costituito il successo.

Per fare un esempio, qualora sulla scena di un incidente stradale vi siano necessità di far parlare vigili del fuoco con le pattuglie di polizia che devono deviare il traffico, è sufficiente che il gestore della rete crei un gruppo allargato e temporaneo, permettendo il dialogo tra i terminali radio in questione.

Terminato l’intervento, tutto torna come prima e le reti radio quelle di base.

Il vantaggio più grande che ne deriva dall’uso di TETRA è quello della sicurezza, in particolare dell’autenticazione (par.2.7 pag.47) dell’utente.

Infatti, non sarà più possibile per nessuno che non sia autorizzato, quindi autenticato, entrare nella rete e ascoltare o parlare.

Ad oggi il sistema TETRA opera in molti paesi d’Europa con nomi differenti, in particolare in Gran Bretagna il sistema è sotto il nome di Airwave, in Belgio è chiamato A.S.T.R.I.D., nei Paesi Bassi C2000, in Svezia RAKEL, in 6 push to talk=premi e parla 7 comunicazione da un singolo terminale mobile ad un altro 8 comunicazione tra tutti i terminali mobili 6 Finlandia VIRVE.

Gli ultimi due sono gli unici servizi TETRA che coprono una nazione intera.

Figura 1.1: DMO e TMO

1.2 L’associazione TETRA MoU

9 [1] è un’Associazione industriale che rappresenta gli interessi TETRA MoU dei costruttori, degli operatori di rete e degli utilizzatori per la tecnologia radio mobile digitale TETRA.

La normativa relativa al TETRA è stata sviluppata dall’ETSI ed è una normativa aperta da parte dei principali protagonisti del mercato.

L’associazione TETRA MoU ha creato una procedura per assicurare l’interoperabilità tra apparati dei diversi costruttori allo scopo di garantire un mercato aperto e realmente competitivo per gli apparati con tecnologia TETRA.

Questa procedura prevede che due fondamentali compiti debbano essere svolti da un Ente di Certificazione indipendente di parte terza:

• Realizzazione di Specifiche Tecniche di Interoperabilità (TIP) attraverso una collaborazione con le industrie;
• Effettuazione di prove tecniche di terminali sulle infrastrutture di rete di diversi costruttori.

In seguito al crescente numero di costruttori di apparati, l’associazione ha deciso di affidare questi compiti ad un Ente di Certificazione indipendente 9 Memorandum of Understanding 7 da scegliere sulla base di una gara internazionale.

Tale gara fu poi vinta 10 dall’ISCOM[3] che, nel marzo del 2002, ha firmato un contratto con il consorzio TETRA MoU con il quale si è assunto il ruolo di Organismo di Certificazione dell’interoperabilità dei medesimi.

A fine 2003 si è formalizzata ufficialmente la collaborazione della Fondazione Ugo Bordoni[5], la quale è stata chiamata a svolgere le seguenti attività:

• Coordinamento e conduzione delle riunioni internazionali volte a definire 11 le specifiche dei test di interoperabilità IOP attraverso la mediazione delle proposte provenienti dagli attori coinvolti. I prodotti che superano le verifiche ottengono un certificato di IOP che evidenzia la conformità alle specifiche tecniche di IOP (tali specifiche vengono indicate con 12 l’acronimo TIP)
• Partecipazione alle attività di gestione delle sessioni di test degli apparati (supervisione delle misure ed all’analisi dei dati) che l’ISCOM è tenuto, contrattualmente, ad effettuare su richiesta dei costruttori di terminali TETRA;
• Supporto alla ridefinizione del processo di test e certificazione ed del formato dei Certificati di interoperabilità degli apparati attualmente in corso in ambitoTetraMou;

La certificazione di Interoperabilità per i sistemi di rete e per i terminali TETRA è di fondamentale importanza per il mercato TETRA, caratterizzato da un insieme di costruttori in grado di fornire prodotti che si basano su un’interfaccia aperta.

Per i gestori delle reti, la procedura di certificazione, realizzata dal Consorzio TETRA MoU, costituisce il più significativo fattore di fiducia in quanto fornisce l’evidenza del vantaggio del funzionamento della normativa condivisa.

È ora prevista una evoluzione verso TETRA 2 che consentirà di mantenere i sistemi TETRA già installati al passo con l’evoluzione tecnologica complessiva del mercato delle telecomunicazioni (TETRA 2 deve mantenere la piena compatibilità con la versione precedente), introducendo trasmissioni a pacchetto con banda molto più ampia dell’attuale e quindi già orientate verso l’offerta di nuovi servizi, in linea con quanto sta accadendo per i sistemi cellulari.

10 Istituto Superiore delle COMunicazioni 11 InterOPerability 12 TETRA Interoperability Profile 8

1.3 Perché TETRA

In Europa, l’avvento di TETRA si inserisce all’interno di una fase di transizione tecnologica dei sistemi radiomobili privati, caratterizzata dal passaggio dai sistemi analogici a quelli digitali.

Proprio per questo motivo, il ruolo degli standard assume grande importanza per avviare una procedura di regolare sviluppo dei mercati.

TETRA è uno standard che si rivolge a tutti quei settori nei quali la sicurezza, la privacy, l’affidabilità e la flessibilità non possono assolutamente mancare.

Esso inoltre è attualmente il solo standard a possedere la caratteristica di interoperabilità, cioè è l’unico che rende disponibile l’impiego di apparati di diversi costruttori.

Queste premesse permettono di trarre la conclusione che TETRA è uno standard adatto per le istituzioni pubbliche e si pone come la tecnologia di riferimento.

Gli enti governativi e gli Stati membri dell’Unione Europea han