Глобальная система мобильной связи ( GSM ) — стандарт, разработанный Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций (ETSI) для описания протоколов для цифровых сотовых сетей второго поколения ( 2G ) , используемых мобильными устройствами, такими как мобильные телефоны и планшеты. GSM также является торговой маркой , принадлежащей GSM Association . [2] GSM также может относиться к голосовому кодеку Full Rate . [3]
Впервые он был реализован в Финляндии в декабре 1991 года . [4] К середине 2010-х годов он стал мировым стандартом мобильной связи, заняв более 90% доли рынка и работая в более чем 193 странах и территориях. [5]
Сети 2G были разработаны в качестве замены аналоговых сотовых сетей первого поколения ( 1G ). Первоначально стандарт GSM описывал цифровую сеть с коммутацией каналов, оптимизированную для полнодуплексной голосовой телефонии . Со временем она расширилась и стала включать передачу данных, сначала с помощью транспорта с коммутацией каналов , затем с помощью пакетной передачи данных через службу пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) и Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE).
Впоследствии 3GPP разработал стандарты третьего поколения ( 3G ) UMTS , за которыми последовали стандарты четвертого поколения ( 4G ) LTE Advanced и пятого поколения 5G , которые не являются частью стандарта ETSI GSM.
Начиная с конца 2010-х годов, различные операторы по всему миру начали закрывать свои сети GSM. Тем не менее, в результате широкого использования сети, аббревиатура «GSM» по-прежнему используется как общее название для множества технологий мобильных телефонов G, которые произошли от нее.
В 1983 году началась работа по разработке европейского стандарта для цифровой сотовой голосовой связи, когда Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT) создала комитет Groupe Spécial Mobile (GSM) и позже предоставила постоянную группу технической поддержки, базирующуюся в Париже . Пять лет спустя, в 1987 году, 15 представителей из 13 европейских стран подписали меморандум о взаимопонимании в Копенгагене с целью разработки и развертывания общей системы сотовой телефонной связи по всей Европе, и были приняты правила ЕС, делающие GSM обязательным стандартом. [6] Решение о разработке континентального стандарта в конечном итоге привело к созданию единой, открытой, основанной на стандартах сети, которая была больше, чем в Соединенных Штатах. [7] [8] [9] [10]
В феврале 1987 года Европа выпустила первую согласованную техническую спецификацию GSM. Министры четырех крупных стран ЕС закрепили свою политическую поддержку GSM Боннской декларацией о глобальных информационных сетях в мае, а Меморандум о взаимопонимании по GSM был представлен на подписание в сентябре. Меморандум о взаимопонимании привлек операторов мобильной связи со всей Европы, чтобы обязаться инвестировать в новые сети GSM к амбициозной общей дате.
За этот короткий 38-недельный период вся Европа (страны и отрасли) перешла на GSM с редким единством и скоростью под руководством четырех государственных должностных лиц: Армина Зильберхорна (Германия), Стивена Темпла (Великобритания), Филиппа Дюпюи (Франция) и Ренцо Файли (Италия). [11] В 1989 году комитет Groupe Spécial Mobile был переведен из CEPT в Европейский институт стандартов в области телекоммуникаций (ETSI). [8] [9] [10] IEEE/RSE наградил Томаса Хауга и Филиппа Дюпюи медалью Джеймса Клерка Максвелла 2018 года за «лидерство в разработке первого международного стандарта мобильной связи с последующей эволюцией во всемирную передачу данных с помощью смартфонов». [12] GSM (2G) превратился в 3G, 4G и 5G.
Параллельно Франция и Германия подписали соглашение о совместной разработке в 1984 году, а в 1986 году к ним присоединились Италия и Великобритания . В 1986 году Европейская комиссия предложила зарезервировать диапазон спектра 900 МГц для GSM. Долгое время считалось, что бывший премьер-министр Финляндии Харри Холкери совершил первый в мире звонок по GSM 1 июля 1991 года, позвонив Каарине Суонио (заместителю мэра города Тампере ), используя сеть, созданную Nokia и Siemens и управляемую Radiolinja . [13] В 2021 году бывший инженер Nokia Пекка Лонка рассказал Helsingin Sanomat, что сделал тестовый звонок всего за пару часов до этого. «Первый в мире звонок по GSM на самом деле сделал я. Я позвонил Марьо Йоусинен в Сало», — сообщил Лонка. [14] В следующем году была отправлена первая служба коротких сообщений (SMS или «текстовое сообщение»), а Vodafone UK и Telecom Finland подписали первое международное роуминговое соглашение.
В 1991 году началась работа по расширению стандарта GSM до диапазона частот 1800 МГц, и первая сеть 1800 МГц была введена в эксплуатацию в Великобритании к 1993 году под названием DCS 1800. В том же году Telstra стала первым сетевым оператором, развернувшим сеть GSM за пределами Европы, и появился первый практичный портативный мобильный телефон GSM.
В 1995 году были запущены коммерческие услуги факсимильной связи, передачи данных и SMS-сообщений, первая сеть GSM 1900 МГц начала работать в Соединенных Штатах, а число абонентов GSM во всем мире превысило 10 миллионов. В том же году была сформирована Ассоциация GSM . Предоплаченные карты GSM SIM были запущены в 1996 году, а число абонентов GSM во всем мире превысило 100 миллионов в 1998 году. [9]
В 2000 году были запущены первые коммерческие услуги GPRS ( General Packet Radio Service ), и первые совместимые с GPRS телефоны стали доступны для продажи. В 2001 году была запущена первая сеть UMTS (W-CDMA), технология 3G, которая не является частью GSM. Число абонентов GSM во всем мире превысило 500 миллионов. В 2002 году была представлена первая служба мультимедийных сообщений (MMS), и первая сеть GSM в диапазоне частот 800 МГц начала работать. Услуги Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) впервые начали работать в сети в 2003 году, а число абонентов GSM во всем мире превысило 1 миллиард в 2004 году. [9]
К 2005 году сети GSM занимали более 75% мирового рынка сотовых сетей, обслуживая 1,5 миллиарда абонентов. В 2005 году также начала работать первая сеть с поддержкой HSDPA . Первая сеть HSUPA была запущена в 2007 году. ( Высокоскоростной пакетный доступ (HSPA) и его восходящие и нисходящие версии являются технологиями 3G, а не частью GSM.) Число абонентов GSM во всем мире превысило три миллиарда в 2008 году. [9]
Ассоциация GSM подсчитала в 2011 году, что технологии, определенные в стандарте GSM, обслуживают 80% рынка мобильной связи, охватывая более 5 миллиардов человек в более чем 212 странах и территориях, что делает GSM самым распространенным из многих стандартов для сотовых сетей. [15]
GSM — это стандарт второго поколения (2G), использующий разделение спектра с временным разделением каналов (TDMA), выпущенный Европейским институтом стандартов в области телекоммуникаций (ETSI). Стандарт GSM не включает в себя 3G Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), технологию кодового разделения каналов (CDMA) и стандарты технологии 4G LTE с ортогональным разделением каналов (OFDMA), выпущенные 3GPP. [16]
GSM впервые установил общий стандарт для Европы для беспроводных сетей. Он также был принят многими странами за пределами Европы. Это позволило абонентам использовать другие сети GSM, имеющие соглашения о роуминге друг с другом. Общий стандарт снизил расходы на исследования и разработки, поскольку оборудование и программное обеспечение могли продаваться с небольшими адаптациями для местного рынка. [17]
Telstra в Австралии отключила свою сеть 2G GSM 1 декабря 2016 года, став первым оператором мобильной связи, выведшим из эксплуатации сеть GSM. [18] Вторым провайдером мобильной связи, отключившим свою сеть GSM (1 января 2017 года), стала AT&T Mobility из США . [19] Optus в Австралии завершила отключение своей сети 2G GSM 1 августа 2017 года, часть сети Optus GSM, охватывающей Западную Австралию и Северную территорию, была отключена ранее в этом году в апреле 2017 года. [20] Сингапур полностью отключил услуги 2G в апреле 2017 года. [21]
Сеть состоит из нескольких отдельных секций:
GSM использует сотовую сеть , то есть сотовые телефоны подключаются к ней, ища ячейки в непосредственной близости. В сети GSM есть пять различных размеров ячеек:
Зона покрытия каждой соты варьируется в зависимости от среды реализации. Макросоты можно рассматривать как соты, в которых антенна базовой станции установлена на мачте или здании выше среднего уровня крыши. Микросоты — это соты, высота антенны которых ниже среднего уровня крыши; они обычно развертываются в городских районах. Пикосоты — это небольшие соты, диаметр покрытия которых составляет несколько десятков метров; они в основном используются внутри помещений. Фемтосоты — это соты, предназначенные для использования в жилых помещениях или на предприятиях малого бизнеса и подключаемые к сети поставщика телекоммуникационных услуг через широкополосное интернет- соединение. Зонтичные соты используются для покрытия затененных областей более мелких сот и для заполнения пробелов в покрытии между этими сотами.
Горизонтальный радиус соты варьируется — в зависимости от высоты антенны, коэффициента усиления антенны и условий распространения — от пары сотен метров до нескольких десятков километров. Наибольшее расстояние, поддерживаемое спецификацией GSM на практике, составляет 35 километров (22 мили). Существует также несколько реализаций концепции расширенной соты, [22] где радиус соты может быть вдвое больше или даже больше, в зависимости от антенной системы, типа местности и опережения по времени .
GSM поддерживает покрытие внутри помещений, достигаемое с помощью внутренней базовой станции пикосот или внутреннего ретранслятора с распределенными внутренними антеннами, питаемыми через разветвители мощности, для доставки радиосигналов от антенны снаружи к отдельной внутренней распределенной антенной системе. Пикосоты обычно развертываются, когда требуется значительная емкость вызовов внутри помещений, например, в торговых центрах или аэропортах. Однако это не является обязательным условием, поскольку покрытие внутри помещений также обеспечивается проникновением радиосигналов из любой близлежащей ячейки в здание.
Сети GSM работают в нескольких различных диапазонах несущих частот (разделенных на диапазоны частот GSM для 2G и диапазоны частот UMTS для 3G), при этом большинство сетей 2G GSM работают в диапазонах 900 МГц или 1800 МГц. Там, где эти диапазоны уже были выделены, вместо них использовались диапазоны 850 МГц и 1900 МГц (например, в Канаде и США). В редких случаях в некоторых странах назначаются диапазоны частот 400 и 450 МГц, поскольку они ранее использовались для систем первого поколения.
Для сравнения, большинство сетей 3G в Европе работают в диапазоне частот 2100 МГц. Для получения дополнительной информации о мировом использовании частот GSM см. Диапазоны частот GSM .
Независимо от частоты, выбранной оператором, она делится на временные интервалы для отдельных телефонов. Это позволяет использовать восемь полноскоростных или шестнадцать полускоростных речевых каналов на радиочастоту . Эти восемь радиовременных интервалов (или периодов пакетной передачи ) группируются в кадр TDMA . Каналы полускоростной связи используют альтернативные кадры в одном и том же временном интервале. Скорость передачи данных канала для всех 8 каналов составляет 270,833 кбит/с, а длительность кадра — 4,615 мс. [23] Шум TDMA — это помехи, которые можно услышать в динамиках около телефона GSM, использующего TDMA, слышимые как жужжащий звук. [24]
Мощность передачи в телефоне ограничена максимум 2 Вт в GSM 850/900 и 1 Вт в GSM 1800/1900 .
GSM использовала множество голосовых кодеков для сжатия звука 3,1 кГц до скорости от 7 до 13 кбит/с. Первоначально использовались два кодека, названные в честь типов каналов данных, которые им были выделены, называемые Half Rate (6,5 кбит/с) и Full Rate (13 кбит/с). Они использовали систему, основанную на линейном предсказательном кодировании (LPC). Помимо эффективности с битрейтами , эти кодеки также упростили идентификацию более важных частей звука, позволяя уровню радиоинтерфейса расставлять приоритеты и лучше защищать эти части сигнала. GSM был дополнительно улучшен в 1997 году [25] с помощью улучшенного кодека полной скорости (EFR), кодека 12,2 кбит/с, который использует канал полной скорости. Наконец, с развитием UMTS , EFR был преобразован в кодек с переменной скоростью, называемый AMR-Narrowband , который отличается высоким качеством и устойчивостью к помехам при использовании на каналах с полной скоростью или менее надежным, но все еще относительно высоким качеством при использовании в хороших условиях радиосвязи на канале с половинной скоростью.
Одной из ключевых особенностей GSM является модуль идентификации абонента , обычно называемый SIM-картой . SIM-карта — это съемная смарт-карта [2], содержащая информацию о подписке пользователя и телефонную книгу. Это позволяет пользователям сохранять свою информацию после смены телефонов. Кроме того, пользователи могут менять сети или сетевые идентификаторы, не меняя телефонов — просто меняя SIM-карту.
Иногда операторы мобильной связи ограничивают телефоны, которые они продают, для эксклюзивного использования в своей собственной сети. Это называется блокировкой SIM-карты и реализуется программной функцией телефона. Абонент обычно может обратиться к провайдеру, чтобы снять блокировку за плату, воспользоваться частными услугами для снятия блокировки или использовать программное обеспечение и веб-сайты, чтобы разблокировать телефон самостоятельно. Можно взломать телефон, заблокированный оператором сети.
В некоторых странах и регионах (например, в Бразилии и Германии ) все телефоны продаются разблокированными из-за обилия телефонов с двумя SIM-картами и операторов. [26]
GSM был задуман как безопасная беспроводная система. Он рассматривал аутентификацию пользователя с использованием предварительно общего ключа и вызова-ответа , а также беспроводного шифрования. Однако GSM уязвим для различных типов атак, каждая из которых направлена на разные части сети. [27]
Результаты исследований показывают, что GSM подвержены взлому со стороны script kiddies , термин, относящийся к неопытным лицам, использующим легкодоступное оборудование и программное обеспечение. Уязвимость возникает из-за доступности таких инструментов, как тюнер DVB-T TV, что представляет угрозу как для мобильных, так и для сетевых пользователей. Несмотря на то, что термин «script kiddies» подразумевает отсутствие сложных навыков, последствия их атак на GSM могут быть серьезными, влияя на функциональность сотовых сетей . Учитывая, что GSM продолжает оставаться основным источником сотовых технологий во многих странах, его восприимчивость к потенциальным угрозам от вредоносных атак является одной из проблем, которую необходимо решать. [28]
Развитие UMTS представило дополнительный универсальный модуль идентификации абонента (USIM), который использует более длинный ключ аутентификации для обеспечения большей безопасности, а также для взаимной аутентификации сети и пользователя, тогда как GSM аутентифицирует только пользователя в сети (а не наоборот). Таким образом, модель безопасности предлагает конфиденциальность и аутентификацию, но ограниченные возможности авторизации и отсутствие неотказуемости .
GSM использует несколько криптографических алгоритмов для обеспечения безопасности. Потоковые шифры A5/1 , A5/2 и A5/3 используются для обеспечения конфиденциальности голоса по воздуху. A5/1 был разработан первым и является более сильным алгоритмом, используемым в Европе и Соединенных Штатах; A5/2 слабее и используется в других странах. В обоих алгоритмах были обнаружены серьезные уязвимости: можно взломать A5/2 в реальном времени с помощью атаки только на шифротекст , и в январе 2007 года The Hacker's Choice начал проект по взлому A5/1 с планами использовать ПЛИС , которые позволяют взломать A5/1 с помощью атаки на радужную таблицу . [29] Система поддерживает несколько алгоритмов, поэтому операторы могут заменить этот шифр на более сильный.
С 2000 года предпринимались различные попытки взломать алгоритмы шифрования A5. Оба алгоритма A5/1 и A5/2 были взломаны, и их криптоанализ был раскрыт в литературе. Например, Карстен Ноль разработал ряд радужных таблиц (статических значений, которые сокращают время, необходимое для проведения атаки) и нашел новые источники для известных атак с открытым текстом . [30] Он сказал, что можно построить «полный перехватчик GSM ... из компонентов с открытым исходным кодом», но они не сделали этого из-за юридических проблем. [31] Ноль утверждал, что он мог перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя, чтобы прослушивать голосовую почту , совершать звонки или отправлять текстовые сообщения, используя семилетний мобильный телефон Motorola и программное обеспечение для расшифровки, доступное бесплатно в Интернете. [32]
GSM использует General Packet Radio Service (GPRS) для передачи данных, например, для просмотра веб-страниц. Наиболее часто используемые шифры GPRS были публично взломаны в 2011 году. [33]
Исследователи выявили недостатки в широко используемых шифрах GEA/1 и GEA/2 (обозначающих алгоритмы шифрования GPRS 1 и 2) и опубликовали программное обеспечение с открытым исходным кодом "gprsdecode" для прослушивания сетей GPRS. Они также отметили, что некоторые операторы не шифруют данные (т. е. используют GEA/0) для обнаружения использования трафика или протоколов, которые им не нравятся (например, Skype ), оставляя клиентов незащищенными. GEA/3, по-видимому, остается относительно сложным для взлома и, как говорят, используется в некоторых более современных сетях. Если использовать с USIM для предотвращения подключений к поддельным базовым станциям и атак понижения версии , пользователи будут защищены в среднесрочной перспективе, хотя переход на 128-битный GEA/4 по-прежнему рекомендуется.
Первый публичный криптоанализ GEA/1 и GEA/2 (также обозначаемых как GEA-1 и GEA-2) был проведен в 2021 году. Он пришел к выводу, что, хотя алгоритм GEA-1 использует 64-битный ключ, он фактически обеспечивает только 40 бит безопасности из-за взаимосвязи между двумя частями алгоритма. Исследователи обнаружили, что эта взаимосвязь вряд ли могла возникнуть, если бы она не была преднамеренной. Это могло быть сделано для того, чтобы удовлетворить европейский контроль за экспортом криптографических программ. [34] [35] [36]
Системы и услуги GSM описаны в наборе стандартов, регулируемых ETSI , где поддерживается полный список. [37]
Существует несколько проектов программного обеспечения с открытым исходным кодом , которые предоставляют определенные функции GSM: [38]
Патенты остаются проблемой для любой реализации GSM с открытым исходным кодом, поскольку GNU или любой другой дистрибьютор свободного ПО не может гарантировать иммунитет от всех судебных исков владельцев патентов против пользователей. Более того, в стандарт постоянно добавляются новые функции, что означает, что они имеют патентную защиту в течение ряда лет. [ необходима цитата ]
Первоначальные реализации GSM с 1991 года теперь могут быть полностью свободны от патентных обременений, однако патентная свобода не является определенной из-за системы «первый изобретатель» в США, которая действовала до 2012 года. Система «первый изобретатель» в сочетании с «корректировкой срока действия патента» может продлить срок действия патента США намного больше, чем на 20 лет с даты его приоритета. На данный момент неясно, сможет ли OpenBTS[обновлять] реализовать функции этой первоначальной спецификации без ограничений. Однако, поскольку впоследствии срок действия патентов истекает, эти функции могут быть добавлены в версию с открытым исходным кодом. По состоянию на 2011 год не было никаких судебных исков против пользователей OpenBTS из-за использования GSM. [ необходима цитата ]
[...] вот что [Ингве Зеттерстром, докладчик группы по маркетингу и планированию (MP) Меморандума о взаимопонимании (группы Меморандума о взаимопонимании, позднее ставшей Ассоциацией GSM (GSMA)) в 1989 г.] должен был сказать, чтобы разгадать тайну: "[Точки символизируют] трех [клиентов] в домашней сети и одного роумингового клиента". Вот вам ответ из первоисточника!
До появления GSM в Европе существовала катастрофическая мешанина национальных аналоговых стандартов в телефонах и телевидении, призванных защищать национальные отрасли, но вместо этого создававших фрагментированные рынки, уязвимые для крупных иностранных артиллерийских установок.
был разработан в основном для голосовой телефонии, но был определен ряд услуг передачи данных... позволяющих осуществлять коммутируемые соединения данных со скоростью до 9600 бит/с.
1982 Конфедерация европейских почт и телекоммуникаций (CEPT) создает Groupe Speciale Mobile (GSM) для разработки общеевропейской технологии мобильной связи.
была поручена комитету, известному как Groupe Spécial Mobile (GSMTM), которому помогало "постоянное ядро" персонала технической поддержки, базирующегося в Париже.
До появления GSM в Европе существовала катастрофическая мешанина национальных аналоговых стандартов в телефонах и телевидении, призванных защитить национальные отрасли, но вместо этого создававших фрагментированные рынки, уязвимые для крупных иностранных артиллерийских установок.
Холкери сделал первый звонок по сети Radiolinja (дочерней компании Elisa) на церемонии открытия в Хельсинки 07.01.1991.
Tasan 30 vuotta sitten Esplanadin puistossa tehtiin historiaa. Kulisseissa vaikutti Nokian nykyinen toimitusjohtaja Pekka Lundmark. Если вы хотите, чтобы это произошло, вам понадобится 10 дней.
Нол сказал, что он мог перехватывать голосовые и текстовые разговоры, выдавая себя за другого пользователя, чтобы прослушивать его голосовую почту, совершать звонки или отправлять текстовые сообщения. Еще более тревожным было то, что он смог провернуть это, используя семилетний мобильный телефон Motorola и программное обеспечение для дешифрования, доступное бесплатно в Интернете.
