Protokolle und Sicherheit - UMTS

1. Allgemeines

1.1. Definition

1.2. UMTS-Vorreiter

2.1. Technologie

2.2. Die Versorgungsebenen

4.Sicherheit

4.1. Authentisierung

4.2. Verschlüsselung und Datenintegrität

5.1.Mobiles Nomadentum

5.2.Private Dienste

5.3. Machine-to-Machine Communication

7.Quellen

1. Allgemeines

1.1.Definition

Abkürzung für Universal Mobile Telecommunications System, internationaler Standard für zellulare Mobilfunknetze, der bei einer Datenübertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s neben den klassischen Mobilfunkdiensten auch mobile Multimediaanwendungen und einen schnellen Internetzugang ermöglicht.(Q1)

UMTS wird als Mobilfunk-Standard der dritten Generation bezeichnet.(Q4)

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1.2.UMTS-Vorreiter

Die Anfänge in der Mobilfunkgeschichte reichen auf das Jahr 1926 zurück. Dort wurde von der Deutschen Bahn (Strecke Berlin-Hamburg) die erste erfolgreiche Mobilkommunikation aufgebaut. Zwischen diesem Ereignis und den ersten tragbaren Handgeräten verging noch eine lange Zeit.

Im Jahre 1946 kam dann das erste tragbare Gerät mit einem stolzen Gewicht von 18 kg und einer Akkudauer von knapp 2,5 Minuten.

Um 1958 wurde in Deutschland das erste Mobilfunknetz, das sogenannte A-Netz, eingeführt. In den 70gern wurde dieses dann vom B-Netz abgelöst und mit den 80ger Jahren folgte dann auch das C-Netz. Diese 3 Netze zählen zur ersten Mobilfunkgeneration.(Q4)

Danach folgten die D- und E-Netze, auf denen auch der heutige GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) basiert, und mit ihnen die zweite Mobilfunkgeneration. Diese D- und E-Netze werden vorraussichtlich noch bis 2009, neben dem UMTS-Standard, in Betrieb bleiben.(Q4)

Das weltweit erste UMTS-Netz nahm 2001 die Manx Telekom auf der Isle of Man in Betrieb. Kommerziell vermarktet wird UMTS seit 2003 in Östereich (von Hutchinson 3G Austria) und seit dem 12. Februar 2004 in Deutschland.(Q7)

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2.Funktionsweise von UMTS

2.1.Technologie

UMTS besteht aus zwei Kernkomponenten: dem Funknetz und dem Trägernetz.

Bestandteile des Funknetzes:

- mobiles Gerät des Anwenders (Handy, PDA)

- Basistation (Funkantenne)

Hierbei wird per Funk zwischen den beiden Bestandteilen kommuniziert.

Bestandteile des Trägernetzes:

- diverse Basisstationen

- beliebiges Netzwerk (z.B. Internet, ISDN)

Das Trägernetz verbindet die verschiedenen Basisstationen untereinander und stellt die Verbindung zu anderen Netzen her (z.B. Internet, ISDN).

Eine Bandbreite von 5 MHz und ein spezielles Übertragungsverfahren (CDMA - Code Division Multiple Access) sollen eine theoretische Übertragungsrate von 2 Mbit/s ermöglichen. Vorraussichtlich wird jedoch nur eine maximale Geschwindigkeit von 384 Kbit/s möglich sein, was aber immerhin noch die 6-fache ISDN-Geschwindigkeit darstellt.(Q2)

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2.2.Die Versorgungsebenen

Das UMTS-Funknetz ist in hierarchische Versorgungseben oder sogenannte Zellen unterteilt, die jeweils unterschiedliche Transfergeschwindigkeiten bieten.

(Bildquelle: ©2001 UMTSlink.at, gefunden beihttp://www.umts-report.de)

Makroebene (oder Makrozelle):

- Aufgabe: Versorgung eines kompletten Landes mit UMTS-Diensten

- großräumig dimensioniert

- Ausdehnung von etwa 2 km

- Maximale Datenrate: 144 Kbit/s

- Maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Mobilteilnehmers: 500 km/h

Mikroebene (oder Mikrozelle):

- Aufgabe: Versorgung von großen Besiedlungsschichten(Großräume um Städte herum)

- kleiner dimensioniert als Makroebene

- Ausdehnung von etwa 1 km

- Maximale Datenrate: 384 Kbit/s (6-fache ISDN-Geschwindigkeit)

- Maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Mobilteilnehmers: 120 km/h

Pikozone(oder Pikozelle):

- Aufgabe: Versorgung von Ballungsräumen (Flughäfen, Bahnhöfe, Konferenzzentren, Businessparks, Börsen,...)

- Minizelle, nur an sogenannten "Hotspots" realisiert

- Ausdehnung von etwa 60 m

- Maximale Datenrate: 2 Mbit/s

- Maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Mobilteilnehmers: 10 km/h

(Bildquelle: ©2001 UMTSlink.at, gefunden beihttp://www.umts-report.de)

Die beige große Zelle (Worldzelle, auch noch Hyper- und Umbrella-Zelle genannt - Reichweite: mehrere 100 km) wird von Satelliten versorgt und überstrahlt das ganze Staatsgebiet (Elipse mit blauen Makrozellen aufgefüllt). Die Abbildung enthält ebenfalls noch 3 große Ballungsräume, die durch die roten Mikrozellen aufgefüllt sind. Außerdem gibt es pro Ballungszentren sogenannte "Hotspots" (in der Abbildung in grün dargestellt). Diese "Hotspots" verlangen nach sehr großen Datenraten und werden mit Pikozellen zusätzlich versorgt.

Wenn sich ein Teilnehmer in einer Pikozelle befindet kann er prinzipiell auf eine von 3 möglichen Zellen zugreifen (Pikozelle, Mikrozelle oder Makrozelle).

Man kann also aus diesen Angaben Schlußfolgern, dass die maximal mögliche Datenrate mit der kleiner werdenden Zellengröße wächst. Dennoch schränkt sich die erlaubte Bewegungsgeschwindigkeit der Mobilteilnehmer ein je kleiner die Zelle wird.(Q3)

Hier ein Bild das einen Überblick über den Zusammenhang zwischen Ausdehnung und Datenrate gibt:

(Quelle: © Rudolf Riemer,http://www.umtslink.at, gefunden bei http://www.umts-report.de)

(Bildquelle: ©2001UMTSlink.at,gefunden beihttp://www.umts-report.de)

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3.Ziel und Aufgabe von UMTS

Das Ziel von UMTS ist es neue Möglichkeiten in der mobilen Kommunikation zu liefern. UMTS soll das Leben der Anwender leichter Gestalten, indem diese überall auf die gleichen Informationen zurückgreifen können wie von Zuhause aus auch.

Durch UMTS sollen weltweit hochwertige breibandige Informationen, Handelsdienstleistungen und Unterhaltungsdienste über Fest-, Mobil-, und Satellitennetze genutzt werden können. UMTS soll durch eine veränderte Zusammenarbeit mit der Telekommunikations-, IT-, Medien-, und Unterhaltungsindustrie neue Dienstleistungen ermöglichen.

Dem Benutzer eröffnen sich durch die hohen Datenübertragungsraten neuen Dimensionen der mobilen Kommnunikation. Es sollen z.B. mobile Multimediaanwendungen, mobile Videoübertragungen und Location based Services (z.B. lokale Stadkartenabfrage) realisiert werden.

Mit Hilfe von UMTS werden große Medienkonzerne wie Walt Disney oder Aol Time Warner den Anwendern bestehende Filme in Form von Clips zum Abruf bereitstellen. Zudem können die beiden Konzerne potentiellen Kunden regelmäßig Informationen über zukünftig neu anlaufende Filme zusenden.

UMTS wird in vielen Bereichen tätig sein, wie z.B. in der Gesundheitsbranche (Telemedizin, Tele-Betreuung). Es können ebenfalls Änderungen und Korrekturen mit großem Datenvolumen an Wetterkarten oder Fahrplänen durchgeführt werden.

UMTS wird auch Anwedungen wie Mobile-Payment, -Cash, -Broking, -Banking, -Shopping ermöglichen können.(Q2)

Da die Datenkommunikation und die Mobilität der Anwender immer mehr zunimmt müssen neue Wege der mobilen Kommunikation gefunden werden. Da immer mehr Menschen ihre Informationen aus dem Netz beziehen, dort einkaufen, bezahlen und sogar ihre Bankgeschäfte online abwickeln, muss eine neue Lösung her, die all diese Anwendungen vereint und sie komfotabel und vor allem mobil macht. Die Lösung für dieses neue Verlangen nach Mobilität heißt UMTS.(Q6)

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4. Sicherheit

4.1. Authentisierung

Die Idee der Authentisierung ist es, die Identität des Teilnehmers gegenüber dem Netzbetreiber sicherzustellen, damit keine unbefugte Person auf Kosten des Mobilteilnehmers dessen Dienste beanspruchen kann.

Das Authentisierungsverfahren bei UMTS läuft ähnlich wie das bei GSM, jedoch wurde bei letzterem nur die Identität des Mobilfunkteilnehmers überprüft, nicht aber die Identiät des Netzbetreibers, sodass sich ein Hacker problemlos mit einem sogenannten "IMSI-Catcher" als Netzbetreiber ausgeben konnte. Mit dieser Methode konnte der Hacker Daten von der SIM-Karte des Mobilteilnehmers problemlos kopieren um sich somit eine neue SIM-Karte herzustellen und auf Kosten des Mobilteilnehmers zu telefonieren.

Wegen diesem Sicherheitsmangel wurde bei UMTS noch ein AUTN(Authentication Token) eingeführt. Hiermit kann das Handy des Mobilfunkteilnehmers feststellen ob es sich um den gewünschten Netzbetreiber handelt oder ob ein Hacker am Werk ist.

Ehe die Identität des Mobilfunkteilnehmers überprüft wird, wird das AUTN verifiziert und erst wenn dieses dann gültig ist, werden die weiteren Authentisierungs- und Verschlüsselungsprozeduren weitergeführt. Sollte das AUTN nicht gültig sein, wird sofort abgebrochen, damit dem Hacker keine Chance bleibt den Identitätsschlüssel des Mobilfunkteilnehmers zu rekonstruieren.

Damit UMTS weiterhin sicher bleibt, ist es wichtig, dass ein Sicherheitsdatensatz (generiert im AuC - Authentication Center) nur ein eiziges mal eingesetzt wird.

Diese folgenden fünf Werte machen einen UMTS-Sicherheitsdatensatz aus:

- AUTN - Authentication Token

- RAND - Zufallszahl (auch bei GSM)

- XRES- Expected Response (auch bei GSM: SRES)

- CK - Ciphering Key(Verschlüsselung, auch bei GSM: Kc)

- IK - Integrity Key (Datenintegrität) (Q1)

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4.2.Verschlüsselung und Datenintegrität

Nachdem das Authentisierungs-Verfahren erfolgreich abgeschlossen wurde, werden alle Daten die über die Funktschnitstelle übertragen werden mit Hilfe eines "Ciphering Key" (CK)verschlüsselt. Dieser CK wird vom Handy generiert, indem dieses das RAND verwendet (zugeschickt bei der Authentisierung) und den Schlüssel K aus der SIM-Karte. Beide Werte (RAND und K) werden an die "f3"-Funktion als Eingangsparameter angelegt. Am Ausgang von "f3" kommt CK als Antwort.

(Bildquelle: ©2001UMTSlink.at)

Das Handy erkennt den Schlüssel CK und den RNC (Radio Network Controller) des Funknetzteils. Der RNC hat den Schlüssel CK vom VLR (Visitor Location Register) bzw. vom SGSN (Serving GPRS Support Node) bekommen.

Hier ein Schema zum Aufbau einer verschlüsselten Kommunikation:

(Bildquelle: ©2001UMTSlink.at)

- Roter Pfad:Verschlüsselung der Sendedaten des Handys

- Blauer Pfad: Verschlüsselung der Empfangsdaten für das Handy

- UEA: UMTS Encryption Algorithmus

- Gelber Addierer: bitweise "Modulo 2"-Addition, entspricht einer XOR-Verknüpfung mit 2 Eingängen und 1 Ausgang

(Quelle: ©2001 UMTSlink.at)

Damit das UMTS-Funknetz feststellen kann ob die Integrität der Daten gewährleistet ist, wird mit Hilfe der "f4"-Funktion der IK (Integrity Key) erzeugt. Er dient zur Parametrisierung eines UMTS Integritäts-Algorithmus. Hierfür werden wieder RAND und K an die "f4"-Funktion als Eingangsparameter angelegt. Am Ausgang von "f4" wird IK als Ausgangsgröße gewonnen. (Q1)

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5.Typischer Anwendungsfall

5.1.Mobiles Nomadentum

Zielgruppe: Geschäftsleute: sind viel unterwegs, wollen aber von überall auf die Daten ihres Arbeitsplatzes zurückgreifen.

Anwendungen:

*Elektronische Tageszeitungen

*Elektronische (Fach-)Zeitschriften

*Radio

*Börse

*Reise

*Wetter

*Telematik, Auto

*Location Based Services

*Immobilien

*Verkehrsnachrichten

*Fahrpläne

*Übersetzungsdienste

*Bezahlfunktion

*Terminkalender
(Q2)

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5.2.Private Dienste

Zielgruppe: junge Leute, die überwiegend Informationen in Form von Sprache, Musikclips, Bildern oder Filmen untereinander austauschen.

Anwendungen:

*Sprache, SMS, MMS, Musikclisp

*Filmclips

*Dienste (Klingeltöne, Screensaver)

*Communities

*virtuelle Freunde/Pets

*Touristik

*Spiele(über das Internet)

*Sport

*Fun(Horospoke, Witze, Glücksspiele)

*Adult Dienste
(Q2)

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5.3.Machine-to-Machine Communication

Zielgruppe: Maschinen, austausch von Informationen zwischen einzelnen Geräten.

Anwendungen:

*Steuerung von Klimanlagen

*Steuerung von Heizungssystemen

*Steuerung innerhalb der Wohnung
(Q2)

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6.Derzeitiger Versorgungsstand mit UMTS

-Deutschland:

In Deutschland sind zurzeit vier UMTS-Netze verfügbar und seit Mitte 2004 in Betrieb. Hinter diesen vier verfügbaren Netzen verbergen sich die vier Mobilfunkanbieter T-Mobile, Vodafone, E-Plus und o2.

Nach dem vorzeitigen Aus der Mobilfunkanbieter Quam und Mobilcom nahmen dann T-Mobile, Vodafone, E-Plus und o2 die UMTS-Versorgungshürde auf sich. Den Lizenzauflagen zufolge sollte UMTS, bis Ende 2003, 25 Prozent der Bevölkerung erreicht haben. Diese Hürde konnten die vier großen Mobilfunkanbieter gemeinsam meistern.

Die UMTS-Premiere in Deutschland machte Vodafone am 16. Februar 2004. Zurzeit findet man auf der jeweiligen Homepage der vier Mobilfunkanbieter auch eine Städte- und Postleizahlenabfrage nach verfügbaren UMTS-Netzen vor:

-T-Mobile

-Vodafone

-E-Plus

-o2

(Q4)

-Östereich:

In Östereich startete die Mobilkom Austria das erste, in Europa verfügbare, UMTS-Handynetz. Obwohl die Isle of Man bereits 2001 ein UMTS-Netz in Betrieb gesetzt hat, ist dieses ein geschlossenes Netz und dient nur als internes Test-Netz für die Inselbewohner.

T-Mobile Austriabietet zum Beispiel UMTS Dientste in Villach, Wiener Neudorf, Zwettl, Bruck a. d. Mur und Hall i. Tirol an. In Salzburg ist derzeit noch kein UMTS-Netz von T-Mobile Austria aktiv.

Mobilkom Austria (A1) bietet ebenfalls zurzeit noch kein verfügbares UMTS-Netz für Salzburg an.Dieser Link führt zu einer Karte, die die bisherige Netzabdeckung
(durch A1) mit UMTS in Östereich zeigt.

-Großbritannien:

Großbritannien ging mitte April 2003 mit dem UMTS-Netz des Anbieters "3" (früher: Hutchison Whampoa Limited) in die Startlöcher.

-Andere:

Italien profitiert von den UMTS-Netzen von Mobilfunkanbietern wie Vodafone oder "3". Des Weiteren sind auch UMTS-Netze in Luxemburg und Schweden verfügbar.(Q4)

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7.Quellen

Q1:UMTS link

Q2:UMTS info

Q3:UMTS-report

Q4:Teltarif

Q5:Onlinekosten

Q6:UMTS Technik

Q7:Wikipedia

Q8:Wissen.de

Q9:T-Mobile

Q10:Vodafone(UMTS-Netzabdeckung)

Q11:E-Plus(UMTS-Netzabdeckung)

Q12:o2(UMTS-Netzabdeckung)

Q13:a1(UMTS-Netzabdeckung)

Q14:Mobilkom Austria

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