Что такое gsm 900

Сотовые сети 2G, 3G, 4G, 5G — как работают и в чем разница

Содержание

Содержание

Сотовая связь является основой современных коммуникаций. Технически это одна из разновидностей радиосвязи, в которой абоненты связываются друг с другом с помощью сети базовых станций, принимающих и ретранслирующих сигнал от приемопередатчиков пользователей. Для того, чтобы связь была доступна везде, в любом месте и любое время, независимо от того, где находитесь вы и ваш собеседник, таких базовых станций должно быть очень много, чтобы покрыть максимум площади и обеспечить одновременную связь сразу множеству абонентов.

Именно из-за карты покрытия сети этот вид связи и назвали «сотовой». Все дело в том, что зоны покрытия от каждой станции немного накладываются на соседние, чтобы обеспечить непрерывность нахождения пользователя в сети. Поэтому, когда вы смотрите на схему размещения и покрытия сверху, то круги, показывающие зону действия каждой базовой станции, пересекаясь друг с другом, образуют контур, напоминающий пчелиные соты.

Сотовая связь стала привычным явлением, поэтому сейчас сложно представить, что относительно недавно ее не было: например, в России мобильная связь начала массово распространяться только в начале XXI века. В силу того, что в России массовая сотовая связь появилась несколько позже, чем в остальном мире, у нас быстро появились сети 2G, а сети первого поколения разворачивались не везде и проработали недолго. Поэтому коротко расскажем об особенностях сотовых сетей, начиная со второго поколения 2G и заканчивая 5G, внедрения которого все ждут.

Сотовые сети 2G, 3G, 4G, 5G: в чем основное отличие

Если говорить коротко, то основным отличием сотовых сетей разных поколений является скорость передачи данных, становившаяся все быстрее по мере развития технологий и быстродействия оборудования. Немного остановимся на особенностях каждого из стандартов.

Сотовые сети 2G

Первоначально стандарт 2G использовался только для мобильной телефонии. В России и Европе сети 2G построили на основе стандарта GSM 900, который затем развился в GSM 1800. Первый стандарт использует для работы частоту 900 МГц, второй — 1800 МГц. Преимущество GSM 1800 заключается в увеличенной емкости сети, хотя соты и покрывают меньшую площадь по сравнению с GSM 900. В сетях 2G на момент запуска можно было передавать короткие текстовые сообщения SMS и данные со скоростью медленного телефонного модема — до 14,4 кБит/с.

Ситуация изменилась в 1997 году, когда разработали и внедрили сервис «General Packet Radio Service» (GPRS) – надстройку над телефонным каналом мобильной связи, предназначенную для передачи данных. Максимальная скорость передачи данных через GPRS теоретически составляла до 171,2 кБит/с, практически — значительно ниже. На сегодня это уже откровенно мало, но на момент запуска было очень хорошо, потому что это было время, когда пользователи начали в массовом порядке осваивать электронную почту.

Сети с использованием GPRS получили индекс 2,5G, потому что до уже утвержденных к тому моменту норм стандарта 3G они не дотягивали. В дальнейшем появилось еще и 2,75G – технология EDGE, отличающаяся от GPRS способом кодирования и увеличенной скоростью передачи данных. Внедрение EDGE позволило повысить скорость передачи данных до 474 кбит/с в теории и до 220 кбит/с на практике. В некоторых случаях EDGE даже относят к технологии 3G, если способ ее реализации позволяет обеспечивать требования к этому стандарту (скорость передачи данных — до 384 кбит/с).

Сотовые сети 3G

Первые коммерческие сети этого стандарта были запущены в 2001-2003 году. Сначала появилась сеть в Японии, потом в Норвегии. В США первую сеть 3G запустили в 2002 году, а в России сети третьего поколения начали работу в тестовом режиме в 2002 году. Массовый запуск в регионах начался с 2008 года.

Основой 3G сети в России является стандарт UMTS (или W-CDMA). Первоначально скорость передачи данных в них достигала 384 кбит/с. В дальнейшем скорости быстро выросли с появлением 3,5G, то есть с внедрением стандартов HSPA и HSPA+, способных, в идеале, развивать скорости до 14,4 Мбит/с и 42 Мбит/с соответственно.

Важная особенность 3G — по мере движения и удаления пользователя от одной базовой станции, его «подхватывает» другая, забирая на себя часть потока данных. При этом «старая» базовая станция постепенно уменьшает поток данных, пока абонент совсем не покинет зону ее действия. Благодаря такой работе и при наличии хорошего покрытия сети вероятность того, что случится обрыв связи, становится меньше, чем в GSM, где используется жесткое переключение пользователя между базовыми станциями.

Сотовые сети 4G

Следующим шагом по повышению скорости передачи данных стало внедрение сотовых сетей четвертого поколения. На сегодня это самые актуальные сети для мобильной связи и высокоскоростного мобильного доступа в Интернет. В России сети 4G работают на частотах 1800 МГц, 2600 МГц и реже на частоте 800 МГц.

Теоретически стандарты связи в сетях четвертого поколения могут выдать скорость загрузки до 1 Гбит/с для стационарного абонента. На практике все очень сильно зависит от качества сигнала и загрузки базовых станций, поэтому реальные скорости намного меньше. В лучшем случае вы получите соединение со скоростью 100 Мбит/с и то, это если говорить о Москве. Например, «Билайн» заявляет максимальную скорость в своих сетях 4G до 73 Мбит/с, в сетях 4G+ – до 110 Мбит/с. Реальная скорость получается ниже.

Особенность 4G заключается в том, что сначала были запущены сети LTE для передачи данных. LTE — это стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных с увеличенной пропускной способностью, разработанный на основе предыдущих стандартов EDGE и HSPA. У LTE есть важная особенность: сети этого стандарта умеют передавать только данные, но не голос, так как LTE поддерживает только коммутацию пакетов данных, а голосовые вызовы в GSM и UMTS осуществляются на основе коммутации каналов.

Поэтому первоначально сети на основе LTE использовались только для передачи данных, а голосовая связь осуществлялась за счет переключения смартфонов в сети 3G или даже 2G. В дальнейшем реализовали технологию VoLTE — передачу голоса в сетях LTE. После этого стало возможно внедрение полноценных 4G-сетей. На момент написания статьи это наиболее актуальный и быстродействующий стандарт, а сотовые операторы постепенно расширяют зону покрытия сетями 4G.

Сотовые сети 5G

Следующий шаг в развитии беспроводных сетей — 5G. Разработчики обещают, что скорости передачи данных в новой сети будут в 10 раз выше, чем в сетях 4G. 5G — это стабильный широкополосный доступ в сеть, позволяющий широко использовать «Интернет вещей» не только в бытовой сфере, но и в промышленности. Кроме того, 5G за счет стабильной и надежной связи позволит реализовать удаленное управление и полный контроль за происходящим в таких критически важных отраслях, как, например, медицина. Подробнее о сетях 5G рассказывается в статье Клуба 5G. Реальность и перспективы.

Выбор сети на смартфоне. Как разные сети отображаются на экране

Нужно ли обычному пользователю знать, в какой сети он в данный момент находится, есть ли от этого польза и требуется ли что-то настраивать вручную?

Понимание того, в какой сети вы в данный момент находитесь, позволит оценить скорость загрузки данных и понять, что сделать реально, а что не стоит даже пробовать. Например, находясь в сети GPRS бессмысленно пытаться посмотреть ролики в YouTube или TikTok. Для этого нужна как минимум сеть 3G, причем в своей быстрой версии —HSPA или HSPA+.

Тип сети на экране смартфона отображается рядом со значком уровня сигнала и передачи данных. Так при включении сети 2G вы можете увидеть значок «2G» или «E», которые сообщают вам о том, что смартфон подключился к сети GPRS или EDGE, соответственно.

При подключении к сети 3G в наше время, скорее всего, вы увидите значок «Н» или «Н+», сообщающий о том, что устройство подключено к сети HSPA или HSPA+. Возможно, где-то вам удастся и поймать сигнал только со значком «3G» — это также сети третьего поколения.

Сети 4G обозначаются значком «4G» или «LTE». Например, вот таким.

Теперь разберемся с тем, как самостоятельно выбирать сети и принудительно назначать, в каком стандарте работать. Автоматическое подключение к новейшему стандарту не всегда хорошо. Если вы находитесь на границе действия сети 4G, но при этом рядом имеется хороший сигнал 3G, лучше переключиться на него, так как скорость будет быстрее.

Делается это так. В настройках надо зайти в раздел «Мобильная сеть». Далее — «Мобильная передача данных», где надо выбрать пункт меню «Предпочтительный режим сети».

У вас могут быть доступны, в зависимости от смартфона, следующие опции: «Авто 4G/3G/2G», «Авто 3G/2G», «Только 4G», «Только 3G», «Только 2G».

«Авто» обозначает, что смартфон сам выбирает сеть из имеющихся в наличии. Если вы указали одну из сетей, например, «Только 3G», то устройство станет соединяться только с сетями этого стандарта. Выбрать в глухой деревне «Только 2G» полезно — и соединение будет стабильнее и заряд аккумулятора сэкономите.

Источник

Как работает радиоинтерфейс в GSM-сетях

Думаю, многие когда-либо задумывались над тем, как работают сотовые сети. Ведь мы пользуемся мобильными телефонами почти каждый день. Количество абонентов увеличивается с каждым днем, так же как и площади сетевого покрытия… На смену старым стандартам приходят новые, растут и «аппетиты» пользователей мобильного интернета. Если Вас интересует, как все это работает, добро пожаловать под кат! Поскольку инфраструктура сотовых сетей довольно велика, а ее описание может занять целую книгу, в данной статье мы остановимся на Um-интерфейсе, с помощью которого наши телефоны взаимодействуют с оборудованием оператора, а также другими абонентами.

Осторожно, злая собака много картинок!

Предисловие

Сегодня, спустя двадцать с лишним лет, мы пользуемся сетями нового поколения, вроде 3G и 4G, однако сети GSM никуда не исчезли — они все-еще используются банкоматами, терминалами, сигнализациями и даже современными телефонами для экономии электроэнергии и сохранения обратной совместимости. К тому же новинки, вроде UMTS (или W-CDMA) и LTE, имеют много общего с GSM. В отличие, например, от TCP/IP, сотовые сети менее доступны для изучения и исследований. Причин много: начиная от довольно высоких цен на оборудование, заканчивая запретом законодательств большинства стран на использования частот GSM-диапазонов без лицензии. На мой взгляд, понимание принципов работы сотовых сетей очень важно для специалистов в области информационной безопасности, да и не только. Именно поэтому я решил написать данную публикацию.

1. Введение в сотовые сети

1.1 Провайдеры услуг сотовой связи

По аналогии с интернет-провайдерами, услуги сотовой связи предоставляют определенные компании, чаще всего называемые «операторами». Каждый из них предлагает свой спектр услуг, а также устанавливает свои тарифные планы. Чаще всего операторы используют собственное оборудование для построения основной инфраструктуры сети; некоторые же используют уже имеющуюся, например, в России оператор Yota работает на базе оборудования оператора Megafon.

С точки зрения рядового абонента мобильных сетей, индивидуальность оператора заключается в качестве предоставляемых услуг связи, определенном диапазоне номеров, собственных брендовых SIM-картах, а также тарифных планах. Со стороны самих операторов, а также других телекоммуникационных областей, идентификация каждого из них осуществляется по коду страны (MCC — Mobile Country Code) и уникальному коду сети внутри страны (MNC — Mobile Network Code). Кроме этого, идентификация абонентов осуществляется не по привычному для нас телефонному номеру, а по международному идентификатору абонента — IMSI (International Mobile Subscriber Identity), который записан в SIM-карте абонента, а также в базе данных оператора. Телефонные номера просто-напросто «привязываются» к определенному IMSI, благодаря чему абонент может сменить оператора, сохранив свой номер телефона.

1.2 Принципы обеспечения сетевого покрытия

Покрытие определенной местности сотовой связью обеспечивается за счет распределения приемопередающих устройств по ее площади. Уверен, многие видели их на рекламных шитах, различных зданиях, и даже на отдельных мачтах. Чаще всего они представляют из себя несколько направленных антенн белого цвета, а также небольшое здание, куда тянутся провода. Так вот, в терминологии GSM такие комплексы называются базовыми станциями (BTS) и могут состоять из нескольких приемопередающих устройств — трансиверов (TRX — Transmitter/Receiver).

Ключевая особенность сотовой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Кстати, отсюда как раз и возникло название «сотовая связь». Каждая базовая станция покрывает один или несколько секторов, а также имеет один или несколько приемопередатчиков в каждом секторе, каждый из которых излучает сигнал на своей частоте. Проще говоря, сота — это одна из ячеек покрытия, имеющая свой уникальный идентификатор, называемый CI (Cell ID). Соты можно классифицировать по масштабу покрываемой территории: макросота (до 35 км, иногда до 70 км), обычная сота (до 5 км), микросота (до 1 км), пикосота (до 300 метров) и фемтосота (чаще встречаются внутри помещений, покрывают десятки метров).

Базовые станции, расположенные поблизости, работают в различных частотных диапазонах, благодаря чему соты различных операторов могут частично или почти полностью накладываться друг на друга. Совокупность базовых станций, работающих совместно, называется зоной местоположения — LAC (Location Area Code). Все базовые станции обязательно передают в эфир свои идентификационные данные, такие как MCC, MNC, Cell ID, а также LAC, благодаря чему, мобильные телефоны подключается только к BTS своего оператора. Кроме этого, мобильные телефоны с определенным интервалом уведомляют сеть о своем текущем местоположении, т.е. LAC. Данная процедура называется Location Update, но об этом позже.

1.3 Инфраструктура сотовых сетей

Базовые станции не могут существовать сами по себе, поэтому, находясь в определенном LAC, они подключаются к контроллеру базовых станций — BSC (Base Station Controller). Контроллеры, в свою очередь, выполняют балансировку нагрузки, а также активно участвуют в процессе обмена трафика между сетью и своими «подчиненными». Взаимодействие BTS и BSC осуществляется посредством интерфейса A-bis. В пределах сети у большинства операторов, чаще всего, несколько контроллеров базовых станций, которые посредством A-интерфейса и Gb-интерфейса к коммутационным узлам сети (MSC — Mobile Switching Center, SGSN — Serving GPRS Support Node).

MSC образует ядро сетевой инфраструктуры (Core Network), в которое входят следующие основные элементы:

1.4 Межоператорное взаимодействие

Сети различных операторов взаимодействуют между собой, благодаря чему, например, Алиса, являясь абонентом оператора A, может позвонить Бобу, который является абонентом оператора B. Называется эта сеть ОКС-7 или SS7, работает либо на базе специальных проводных/беспроводных коммуникационных сетей, либо поверх Интернета (да, да, сеть поверх сети). SS7 предоставляет набор протоколов для взаимодействия различных операторов. Роуминг тоже работает благодаря данной сети.

2. Um-интерфейс (GSM Air Interface)

2.1 Частотные диапазоны

Любое оборудование в сотовых сетях взаимодействует посредством определенных интерфейсов. Как уже говорилось, обмен данными между базовой станцией и абонентом осуществляется через Um-интерфейс, который в первую очередь является радиоинтерфейсом, следовательно обмен данными происходит в процессе приема/передачи радиоволн. Радиоволны являются таким же электромагнитным излучением, как тепло или свет. Ультрафиолетовое, рентгеновское и ионизирующее излучения так же являются видами электромагнитного излучения с определенными диапазонами частот и определенными длинами волн. Помните такую картинку?

Так вот, диапазон радиоволн тоже разделен на дочерние диапазоны частот, например, диапазоны LF (30—300 кГц), MF (300—3000 кГц) и HF (3—30 МГц) чаще всего используются для радиосвязи и радиовещания; телевещание ведется в диапазонах VHF (30—300 МГц), UHF (300—3000 МГц) и SHF (3—30 ГГц); беспроводные сети, типа WiFi, а также спутниковое телевидение работают в том-же SHF. Больше всего нас интересует диапазон UHF, в котором работают сети GSM. Согласно стандарту 3GPP TS 45.005, в эфире им выделено целых 14 дочерних для UHF диапазонов, причем в различных странах используются различные диапазоны. Рассмотрим наиболее распространенные:

P-GSM-900, E-GSM-900 и DCS-1800 используются преимущественно в странах Европы и Азии. Диапазоны GSM-850 и PCS-1900 используется в США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки.

Любой выделенный под сотовую сеть диапазон делится на множество отрезков (обычно по 200 КГц), часть из которых называется Downlink — здесь данные в эфир передают только базовые станции (BTS), часть — Uplink, где вещают только телефоны (MS). Пары таких отрезков, где один принадлежит Downlink, а другой Uplink, образуют радиочастотные каналы, называемые ARFCN (Absolute radio-frequency channel number). Другими словами, телефон не может принимать и передавать данные на одной и той же частоте, вместо этого при передаче он переключается на частоты Uplink, а при приеме на Downlink, причем процесс переключения происходит очень быстро.

2.2 Физические каналы, разделение множественного доступа

С диапазонам разобрались. Теперь представьте небольшую закрытую комнату, в которой много людей. Если в определенный момент времени все начнут разговаривать, собеседникам будет трудно понимать друг друга. Некоторые начнут говорить громче, что только ухудшит ситуацию для остальных. Так вот, в физике это явление называется интерференцией. Иными словами интерференцию можно назвать наложением волн. Для сотовых сетей GSM это паразитное явление, поэтому на помощь приходят технологии разделения множественного доступа.

Потребность в разделении множественного доступа возникла давно и применяется как в проводных коммуникациях (I2C, USB, Ethernet), так и в беспроводных. В сотовых сетях чаще всего используются технологии FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access). Первые две в совокупности используются в сетях второго поколения — GSM. CDMA является основой современных сотовых сетей, которые превосходят GSM как в плане безопасности, так и максимальной скорости передачи данных. Что же это за магия?

Для радиосистем существует два основных ресурса — частота и время. Разделение множественного доступа по частотам, когда каждому приемнику и передатчику выделяется определенная частота, называется FDMA. Разделение по времени, когда каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называют TDMA. В CDMA нет ограничений на частоту и время. Вместо этого каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, а приемник вычисляет нужную часть сигнала, используя аналогичный код. Кроме того, существует еще несколько технологий: PAMA (Pulse-Address Multiple Access), PDMA (Polarization Division Multiple Access), SDMA (Space Division Multiple Access), однако, их описание выходит за рамки данной статьи.

FDMA
Принцип данного метода заключается в том, что доступный частотный спектр разделяется между приемниками и передатчиками на равные или неравные частотные полосы, часть из которых выделяется под Downlink (трафик от BTS к MS), часть под Uplink (трафик от MS к BTS). Об этом мы уже говорили.

TDMA
Вместе с разделением по частоте (FDMA), в GSM применяется метод разделения по времени — TDMA. Согласно TDMA, весь поток данных делится на фреймы, а фреймы в свою очередь делятся на несколько таймслотов, которые распределяются между приемопередающими устройствами. Следовательно, телефон может выполнять обмен информацией с сетью только в определенные, выделенные ему промежутки времени.

Фреймы объединяются в мультифреймы, которые бывают двух видов:

Control Multiframe (содержит 51 фрейм)

Traffic Multiframe (содержит 26 фреймов)

Мультифреймы образуют суперфреймы, а уже суперфреймы образуют гиперфреймы. Подробнее о структуре фреймов и их организации можно узнать тут (источник изображений) и здесь.

В результате, физический канал между приемником и передатчиком определяется частотой, выделенными фреймами и номерами таймслотов в них. Обычно базовые станции используют один или несколько каналов ARFCN, один из которых используется для идентификации присутствия BTS в эфире. Первый таймслот (индекс 0) фреймов этого канала используется в качестве базового служебного канала (base-control channel или beacon-канал). Оставшаяся часть ARFCN распределяется оператором для CCH и TCH каналов на свое усмотрение.

2.3 Логические каналы

На основе физических каналов формируются логические. Um-интерфейс подразумевает обмен как пользовательской информацией, так и служебной. Согласно спецификации GSM, каждому виду информации соответствует специальный вид логических каналов, реализуемых посредством физических:

Каналы служебной информации делятся на:

2.4 Что такое burst?

Данные в эфире передаются в виде последовательностей битов, чаще всего называемых «burst», внутри таймслотов. Термин «burst», наиболее подходящим аналогом которому является слово «всплеск», должен быть знаком многим радиолюбителям, и появился, скорее всего, при составлении графических моделей для анализа радиоэфира, где любая активность похожа на водопады и всплески воды. Подробнее о них можно почитать в этой замечательной статье (источник изображений), мы остановимся на самом главном. Схематичное представление burst может выглядеть так:

Guard Period
Во избежание возникновения интерференции (т.е. наложения двух busrt друг на друга), продолжительность burst всегда меньше продолжительности таймслота на определенное значение (0,577 — 0,546 = 0,031 мс), называемое «Guard Period». Данный период представляет собой своего рода запас времени для компенсации возможных задержек по времени при передаче сигнала.

Tail Bits
Данные маркеры определяют начало и конец burst.

Info
Полезная нагрузка burst, например, данные абонентов, либо служебный трафик. Состоит из двух частей.

Stealing Flags
Эти два бита устанавливаются когда обе части данных burst канала TCH переданы по каналу FACCH. Один переданный бит вместо двух означает, что только одна часть burst передана по FACCH.

Training Sequence
Эта часть burst используется приемником для определения физических характеристик канала между телефоном и базовой станцией.

2.5 Виды burst

Каждому логическому каналу соответствуют определенные виды burst:

Normal Burst
Последовательности этого типа реализуют каналы трафика (TCH) между сетью и абонентами, а также все виды каналов управления (CCH): CCCH, BCCH и DCCH.

Frequency Correction Burst
Название говорит само за себя. Реализует односторонний downlink-канал FCCH, позволяющий мобильным телефонам более точно настраиваться на частоту BTS.

Synchronization Burst
Burst данного типа, так же как и Frequency Correction Burst, реализует downlink-канал, только уже SCH, который предназначен для идентификации присутствия базовых станций в эфире. По аналогии с beacon-пакетами в WiFi-сетях, каждый такой burst передается на полной мощности, а также содержит информацию о BTS, необходимую для синхронизации с ней: частота кадров, идентификационные данные (BSIC), и прочие.

Dummy Burst
Фиктивный burst, передаваемый базовой станцией для заполнения неиспользуемых таймслотов. Дело в том, что если на канале нет никакой активности, мощность сигнала текущего ARFCN будет значительно меньше. В этом случае мобильному телефону может показаться, что он далеко от базовой станции. Чтобы этого избежать, BTS заполняет неиспользуемые таймслоты бессмысленным трафиком.

Access Burst
При установлении соединения с BTS мобильный телефон посылает запрос выделенного канала SDCCH на канале RACH. Базовая станция, получив такой burst, назначает абоненту его тайминги системы FDMA и отвечает на канале AGCH, после чего мобильный телефон может получать и отправлять Normal Bursts. Стоит отметить увеличенную продолжительность Guard time, так как изначально ни телефону, ни базовой станции не известна информация о временных задержках. В случае, если RACH-запрос не попал в таймслот, мобильный телефон спустя псевдослучайный промежуток времени посылает его снова.

2.6 Frequency Hopping

Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS — англ. frequency-hopping spread spectrum) — метод передачи информации по радио, особенность которого заключается в частой смене несущей частоты. Частота меняется в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел, известной как отправителю, так и получателю. Метод повышает помехозащищённость канала связи.

Frequency Hopping (FHSS) является одним из методов расширения спектра. Кроме сетей GSM, разновидность данного метода применяется в Bluetooth. Зачем?

2.7 Основные принципы взаимодействия MS и BTS

Начнем с того, что происходит при включении мобильного телефона. Чаще всего, даже если телефон выключен со вставленной батареей, он продолжает работать. В это время работает небольшая программа, называемая «загрузчиком». Загрузчик ожидает нажатия клавиши включения, запускает процесс зарядки при подключении зарядного устройства, а иногда и будильник. Все зависит от конкретной модели телефона. Как только нажимается клавиша включения, начинается процесс загрузки операционной системы, которая сначала проверяет наличие SIM-карты, а затем запускает сканирование эфира в поисках сети оператора. Даже если SIM-карты нет, телефон все-равно подключается к ближайшей базовой станции, предоставляя возможность экстренного вызова. Если SIM-карта на месте, выполняется запрос Location Update, уведомляющий сеть о текущем LAС абонента. Затем, базовая станция запрашивает IMEI телефона и IMSI SIM-карты, чтобы идентифицировать абонента (Identity Request). Если предоставленный IMEI отличается от того, с которым абонент подключался раньше, оператор может выслать настройки интернета. Кстати, так можно даже найти украденный телефон. Затем выполняется авторизация, после чего телефон может находиться в одном из двух состояний:

Как только телефон находит разрешенный BCCH, посылается RACH-запрос, базовая станция выделяет определенный физический канал, выполняет аутентификацию абонента, а также регистрирует его прибывание в VLR и HLR. После этого телефон находится в режиме IDLE. При входящем звонке или SMS-сообщении, все базовые станции текущего LAC начинают рассылать Paging Requests, чтобы уведомить абонента о каком-либо событии. Если телефон его «услышал», он отвечает, сеть высылает пакет Immediate Assignment, описывающий выделенные абоненту ресурсы (частота, номер таймслота и т.д.). Очень похоже на Ping в Интернете. С этого момента телефон находится в режиме DEDICATED до момента разрыва соединения.

В случае, если абонент сам выступает в роли инициатора соединения, ему необходимо сначала выслать запрос CM Service Request, а затем дождаться Immediate Assignment от сети.

2.8 Handover

Handover (американский вариант — handoff) — в сотовой связи процесс передачи абонента от одной базовой станции к другой во время телефонного разговора или сессии передачи данных. Данный процесс происходит, когда абонент покидает зону действия одной базовой станции и входит в зону действия другой. Также handover может выполняться в случае, если текущая базовая станция перегружена, либо ее физические каналы слишком зашумлены.

Handover бывает двух типов:

2.9 Кодирование речи

Как уже говорилось, речь абонентов передается на канале TCH, который бывает двух видов: Full Rate (FR) и Half Rate (HR). Для кодирования аудиопотока в сетях мобильной связи GSM (и не только) применяются следующие стандарты:

3. Безопасность и конфиденциальность

Пришло время рассмотреть основные алгоритмы обеспечения конфиденциальности и безопасности данных абонентов. На фоне громких скандалов и разоблачений в области информационной безопасности, данная тема довольно актуальна. GSM, как и любая другая сложная система, имеет свои механизмы защиты, а также уязвимости, которые мы рассмотрим в данной главе. Я не стану вдаваться в дебри, описывая низкоуровневые процессы преобразования битов при шифровании и т.д., иначе статья превратится в огромную пузатую книгу. Кому интересно, можно почитать эти материалы:

3.1 Основные векторы атак

Посколько Um-интерфейс является радиоинтерфейсом, весь его трафик «виден» любому желающему, находящемуся в радиусе действия BTS. Причем анализировать данные, передаваемые через радиоэфир, можно даже не выходя из дома, используя специальное оборудование (например, старый мобильный телефон, поддерживаемый проектом OsmocomBB, или небольшой донгл RTL-SDR) и прямые руки самый обычный компьютер.

Выделяют два вида атаки: пассивная и активная. В первом случае атакующий никак не взаимодействует ни с сетью, ни с атакуемым абонентом — исключительно прием и обработка информации. Не трудно догадаться, что обнаружить такую атаку почти не возможно, но и перспектив у нее не так много, как у активной. Активная атака подразумевает взаимодействие атакующего с атакуемым абонентом и/или сотовой сетью.

Можно выделить наиболее опасные виды атак, которым подвержены абоненты сотовых сетей:

3.2 Идентификация абонентов

Как уже упоминалось в начале статьи, идентификация абонентов выполняется по IMSI, который записан в SIM-карте абонента и HLR оператора. Идентификация мобильных телефонов выполняется по серийному номеру — IMEI. Однако, после аутентификации ни IMSI, ни IMEI в открытом виде по эфиру не летают. После процедуры Location Update абоненту присваивается временный идентификатор — TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), и дальнейшее взаимодействие осуществляется именно с его помощью.

Способы атаки
В идеале, TMSI абонента известен только мобильному телефону и сотовой сети. Однако, существуют и способы обхода данной защиты. Если циклически звонить абоненту или отправлять SMS-сообщения (а лучше Silent SMS), наблюдая за каналом PCH и выполняя корреляцию, можно с определенной точностью выделить TMSI атакуемого абонента.

Кроме того, имея доступ к сети межоператорного взаимодействия SS7, по номеру телефона можно узнать IMSI и LAC его владельца. Проблема в том, что в сети SS7 все операторы «доверяют» друг другу, тем самым снижая уровень конфиденциальности данных своих абонентов.

3.3 Аутентификация

Для защиты от спуфинга, сеть выполняет аутентификацию абонента перед тем, как начать его обслуживание. Кроме IMSI, в SIM-карте хранится случайно сгенерированная последовательность, называемая Ki, которую она возвращает только в хэшированном виде. Также Ki хранится в HLR оператора и никогда не передается в открытом виде. Вцелом, процесс аутентификации основан на принципе четырехстороннего рукопожатия:

Способы атаки
Перебор Ki, имея значения RAND и SRAND, может занять довольно много времени. Кроме того, операторы могут использовать свои алгоритмы хэширования. В сети довольно мало информации о попытках перебора. Однако, не все SIM-карты идеально защищены. Некоторым исследователям удавалось получить прямой доступ к файловой системе SIM-карты, а затем извлечь Ki.

3.4 Шифрование трафика

Согласно спецификации, существует три алгоритма шифрования пользовательского трафика:

Заключение

Мой длинный рассказ подошел к концу. Более подробно и с практической стороны с принципами работы сотовых сетей можно будет познакомиться в цикле статей Знакомство с OsmocomBB, как только я допишу оставшиеся части. Надеюсь, у меня получилось рассказать Вам что-нибудь новое и интересное. Жду Ваших отзывов и замечаний!

Источник