Процедуры GSM

В сети GSM, когда мобильная станция (МС) включается, выполняется процедура присоединения по международному идентификатору абонента мобильной связи (IMSI attach). Эта процедура необходима для того, чтобы коммутационный центр мобильной связи (MSC) и реестр временных местоположений (VLR) могли зарегистрировать МС в сети. Если МС изменила зону обслуживания (LA) во время выключения, процедура IMSI attach приведёт также к обновлению местоположения.

При включении МС ищет доступную мобильную сеть. После идентификации предпочтительной сети устройство отправляет ей сообщение о переходе в режим ожидания. Реестр временных местоположений (VLR) проверяет в своей базе данных наличие записи об этом абоненте. Если запись отсутствует, VLR связывается с домашним реестром местоположений (HLR) абонента и запрашивает сведения о подписке, которые затем сохраняются в базе VLR. После этого МС получает сообщение-подтверждение. Шаги процедуры IMSI attach:

1. МС отправляет сообщение Channel Request подсистеме базовой станции (BSS) по каналу случайного доступа (RACH).
2. BSS отвечает по каналу предоставления доступа (AGCH) сообщением Immediate Assignment и назначает МС выделенный канал управления (SDCCH).
3. МС немедленно переходит на назначенный SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и отправляет запрос обновления местоположения в BSS. В запросе указывается либо IMSI, либо TMSI.

   Механизм сокрытия идентификатора (IMSI Privacy) для сетей 2G не реализован, поэтому IMSI передаётся в открытом виде, что сохраняет уязвимость к атакам с понижением версии (downgrade attacks)^[3][4].

4. BSS подтверждает получение сообщения. Это подтверждение лишь информирует МС о получении BTS запроса; оно не означает, что обновление местоположения завершено.
5. BSS пересылает запрос обновления местоположения в MSC/VLR.
6. MSC/VLR пересылает IMSI в HLR и запрашивает подтверждение IMSI и аутентификационные триплеты (RAND, Kc, SRES).
7. HLR передаёт IMSI в центр аутентификации (AuC) и запрашивает триплеты.
8. AuC генерирует триплеты и возвращает их вместе с IMSI в HLR.
9. HLR проверяет IMSI, разрешён ли абоненту доступ к сети и услуги, затем передаёт IMSI и триплеты в MSC/VLR.
10. MSC/VLR сохраняет SRES и Kc, передаёт RAND в BSS и даёт команду BSS выполнить аутентификацию МС.
11. BSS отправляет МС сообщение Authentication Request, параметром которого является RAND.
12. МС с помощью RAND вычисляет SRES и отправляет его обратно в BSS по SDCCH сообщением Authentication Response. BSS пересылает SRES в MSC/VLR.
13. MSC/VLR сравнивает SRES, полученный от AuC, с SRES, полученным от МС. Если значения совпадают, аутентификация считается успешной.
14. MSC/VLR передаёт ключ Kc для МС на BSS. Ключ Kc не передаётся по радиоинтерфейсу МС. BSS сохраняет Kc и отправляет команде Set Cipher Mode МС. Команда CIPH_MOD_CMD сообщает МС, какой тип шифрования использовать (A5/X), без передачи иных данных.
15. МС немедленно переходит в режим шифрования с использованием алгоритма A5. Все дальнейшие передачи зашифрованы. МС отправляет BSS сообщение Ciphering Mode Complete.
16. MSC/VLR отправляет BSS сообщение Location Updating Accept. Кроме того, генерируется новый TMSI для МС. Назначение TMSI — функция VLR. BSS может отправить TMSI либо в сообщении LOC_UPD_ACC, либо отдельной командой TMSI Reallocation Command. Поскольку интерфейс уже зашифрован, TMSI не может быть перехвачен.
17. МС отправляет MSC/VLR сообщение TMSI Reallocation Complete.
18. BSS переводит МС в режим ожидания, отправляя ей команду Channel Release, после чего освобождает SDCCH.
19. MSC/VLR отправляет HLR сообщение Update Location. HLR фиксирует, в каком MSC/VLR сейчас находится МС, чтобы по запросу знать текущее местоположение абонента.

IMSI detach — это процедура отключения МС от мобильной сети, к которой она была подключена. IMSI detach информирует сеть о том, что мобильная станция выключена или недоступна.

При выключении МС запрашивает выделение сигнального канала. После назначения канала МС отправляет в VLR сообщение IMSI detach. Когда VLR получает это сообщение, для соответствующего IMSI выставляется флаг отсоединения. HLR при этом не информируется, и VLR не отправляет МС подтверждение получения сообщения IMSI detach. Если в момент процедуры отключения качество радиосвязи плохое, VLR может не получить запрос об отсоединении. Поскольку подтверждения МС не приходит, дополнительных попыток отправить IMSI detach не делается. Поэтому сеть GSM продолжает считать МС подключённой.

Данная процедура используется для актуализации местоположения мобильной станции в сети и подробно описана в статье Управление мобильностью (GSM).

Когда мобильная станция регистрируется в новом VLR, данные абонента удаляются из предыдущего VLR посредством процедуры отмены регистрации (Cancel Location). HLR инициирует эту процедуру, когда получает сообщение об «обновлении местоположения» от VLR, отличного от того, в котором МС была зарегистрирована по последним данным HLR. Процедуру отмены регистрации можно инициировать и командами MML, например, при изменении зоны обслуживания или удалении МС из HLR.

В мире наблюдается устойчивая тенденция к отказу от стандарта 2G (GSM) и выводу сетей из эксплуатации. В отличие от мировой практики, в России использование частот для стандарта GSM продлено до 2036–2037 годов. Сохранение сетей второго поколения необходимо для поддержки критической инфраструктуры и M2M-устройств (включая банкоматы, платёжные терминалы и системы охраны), а также для использования в качестве резервного канала связи^[5].^[6]

В рамках развития технологий в спецификациях консорциума 3GPP появились расширения, обеспечивающие интеграцию устройств с низким энергопотреблением (в частности, NB-IoT) со спутниковыми сетями (NTN)^[7].

Также реализована возможность поддержки 2G на универсальном оборудовании с помощью технологий OpenRAN. Отказ от специализированных аппаратных решений позволяет снизить совокупную стоимость владения инфраструктурой, что остаётся актуальным для развивающихся рынков, продолжающих эксплуатацию сетей предыдущих поколений^[8].

Одной из известных уязвимостей процедур GSM является передача идентификатора абонента (IMSI) в открытом виде при первоначальном подключении к сети до установки шифрования. Из-за этого мобильные устройства подвержены атакам с принудительным понижением версии сети (downgrade attacks) до 2G для перехвата идентификатора^[9].

Для защиты инфраструктуры связи от новых вызовов, таких как квантовые угрозы, Ассоциация GSM (GSMA) координирует переход отрасли на постквантовую криптографию (PQC). В рамках этих инициатив проводится тестирование квантово-устойчивых SIM-карт для надежного шифрования идентификаторов абонентов^[10][11].