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 Perchè 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 Tecnolgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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-Keyng . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Rekeyng (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 Similazione 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 sicurez-

za su un sistema TETRA 2G, evidenziando le operazioni di autenti-

cazione 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 mensionati 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

TM

tramite l’ausilio del programma Matlab , 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 telecomunicazione 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 con-

tinua delle tecnologie inerenti alla comunicazione mobile, infatti, una loro

costante evoluzione consente agli operatori del settore della sicurezza di co-

municare in scenari sempre più critici ed imprevedibili. Per regolamentare

i progressi nel settore descritto, nei primi anni 90 venne istituito il proget-

1 2

to MESA , 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 si-

curezza 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 rela-

tive 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 comu-

nicano tra loro attraverso l’infrastruttura di rete;

• Direct Mode Operation (DMO): due o più stazioni mobili comuni-

cano tra loro in modo diretto, ovvero senza utilizzare la rete;

Affianco alle due modalità appena citate si posiziona un ulteriore protocol-

lo, 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, co-

municazioni tra gruppi di utenti, scambio di messaggi di testo, possibilità di

lavorare in modalità diretta, trasmissione dati o video se necessari, comuni-

cazioni 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 perme-

tte 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 in-

differenti di avvio del sistema che, però, calano una volta avviato il tutto;

tuttavia, la loro flessibilità nella costruzione di reti radio virtuali modifica-

bili, 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 diffe-

renti, 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 ra-

dio mobile digitale TETRA. La normativa relativa al TETRA è stata svilup-

pata 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’in-

teroperabilità 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:

1. realizzazione di Specifiche Tecniche di Interoperabilità (TIP) attraverso

una collaborazione con le industrie;

2. 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 Fon-

dazione Ugo Bordoni[5], la quale è stata chiamata a svolgere le seguenti

attività:

1. 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 )

2. partecipazione alle attività di gestione delle sessioni di test degli ap-

parati (supervisione delle misure ed all’analisi dei dati) che l’ISCOM

è tenuto, contrattualmente, ad effettuare su richiesta dei costruttori di

terminali TETRA;

3. 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.

E’ ora prevista una evoluzione verso TETRA 2 che consentirà di man-

tenere 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 Perchè TETRA

In Europa, l’avvento di TETRA si inserisce all’interno di una fase di tran-

sizione tecnologica dei sistemi radiomobili privati, caratterizzata dal passag-

gio dai sistemi analogici a quelli digitali. Proprio per questo motivo, il ruolo

degli standard assume grande importanza per avviare una procedura di re-

golare 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 stan-

dard a possedere la caratteristica di interoperabilità, cioè è l’unico che rende

disponibile l’impiego di apparati di diversi costruttori. Queste premesse per-

mettono 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