一、概述

第三代合作計劃(3GPP)在2018年3月，發(fā)布了第15版移動通信系統規(guī)范，為第五代移動通信(5G)奠定了基礎。5G網絡的目標是提供無處不在的高速、低延遲網絡連接，以更好的應用于高清視頻和物聯網的場景，同時服務于大規(guī)模通信以及實時控制的需求。因此，最新一代移動通信的設計原則是支持更高承載量、支持更高數據速率、減少延遲、支持大規(guī)模設備連接，從而實現觸覺互聯網(Tactile Internet)、增強現實(AR)、虛擬現實(VR)以及智慧車輛互聯。

與此前的2G、3G和4G(LTE)一樣，安全性對于5G通信網絡和服務至關重要，因為目前，移動系統正在為全世界數十億人提供連接。此外，蜂窩通信網絡是當前新型關鍵基礎設施的連接基石，包括智能電網、第一響應單元(First Responder Units)和先進的軍事自組織網絡。5G的出現將誕生新的網絡和應用，包括用于輔助駕駛或自動駕駛的下一代車載網絡，以及智慧城市和智慧社區(qū)。

傳統的2G網絡存在著一些安全弱點，最嚴重的一個問題就是網絡和用戶設備(UE)之間缺乏相互認證。正因如此，從3G開始，安全性便始終成為了移動通信的關鍵設計考慮要素之一。LTE實現了強大的加密和完整性保護算法，支持基于對稱密鑰的相互認證系統，該系統安全的存儲在通用用戶識別模塊(USIM)或SIM中，以及運營商的歸屬用戶服務器(HSS)上。然而，近年來的安全研究又發(fā)現了LTE協議固有的一系列漏洞。例如，大量的預身份驗證消息以明文形式發(fā)送，并且該消息可以被利用發(fā)起拒絕服務(DoS)攻擊，并從用戶設備(UE)處獲得移動用戶的位置信息。

LTE規(guī)范的第一版，Release 8，發(fā)布于2007年。在很久之后，安全研究人員才發(fā)現其主要的安全漏洞，并首次在公開文獻中報告。之所以時隔這么久，一個原因在于沒有可用且價格合理的LTE安全研究工具。直到最近幾年，在個人計算機上運行的LTE軟件庫和能夠使用現有商業(yè)軟件定義的無線電外設才達到足夠的成熟度。只有這些環(huán)境可以被安全研究者使用，他們才能對LTE進行深入的研究，從而也就能夠取得良好的研究成果，發(fā)現許多協議上的漏洞。

在5G網絡的定義和規(guī)范建立過程中，安全性被作為一個關鍵的考慮要素和核心問題。自從NR和5GC的通信協議建立以來，他們已經在解決已知的LTE協議漏洞方面付出了大量的努力，特別是在防范國際移動用戶標識符(IMSI)捕獲器Stingrays這一方面。因此，5G協議引入了用戶永久標識符(Subscriber Permanent Identifier，SUPI)和用戶隱藏標識符(Subscriber Concealed Identifier，SUCI)的概念。更重要的是，5G規(guī)范中引入了基于公鑰基礎設施(PKI)的安全體系結構，允許驗證和鑒別源自5GC的控制面消息(Control Plane Messages)。

盡管5G協議在努力設計其安全架構，但仍然存在許多不安全協議的邊緣案例。攻擊者可利用這些案例，來對用戶實現拒絕服務攻擊，或者攔截敏感用戶信息。此外，5G協議規(guī)范所基于的場景可能難以符合實際，從而導致不安全的網絡配置。具體而言，5G所有安全性的基礎都是SIM卡中保存的運營商公鑰，只有在“全世界所有移動設備的所有SIM卡中都保存了全世界所有運營商的公鑰”這一種情況下，才能保證該協議的絕對安全。此外，所有的運營商也必須負責保證自己的私鑰是安全的。在全世界范圍內，密鑰管理和輪換機制顯然是不可行的，并且也不在標準規(guī)范之中。并且，受政治因素影響，密鑰分配機制可能不會被全球所有國家和地區(qū)所采用。一旦上述過程中出現了任何問題，都可能會導致不安全的協議實現或ISMI捕獲的風險。

本文對當前的5G協議安全規(guī)范進行了全面分析。作為本次研究的一部分，我們列舉了協議存在的漏洞，并將其帶入實際場景，分析潛在的安全威脅。此外，我們還討論了5G安全性的要求和前提條件，重點關注了全球采用(Global Adoption)及其產生的結果。最后，我們還分析了無線電接入網安全相關的體系結構和過程。但是，關于5GC安全性的分析不在本文的討論范疇之內。

本文主要內容如下：第二章中介紹了5G安全體系結構和組成部分，第三章討論了3GPP Release 15規(guī)范中提出的5G安全要求和過程，第四章詳細分析了5G規(guī)范的主要安全挑戰(zhàn)，重點說明了其存在的協議漏洞利用和敏感信息泄漏的潛在風險，第五章分析已知LTE協議漏洞是否會影響到5G的安全性，最后在第六章中總結了我們的研究結果。

二、5G安全體系結構

5G的安全體系結構由用戶設備(UE)、無線電接入網絡(RAN)、核心網絡(CN)和應用組成。該體系結構可以簡化為應用層、服務層和傳輸層。下圖為服務層和傳輸層的簡化圖：

在整個網絡和終端用戶組件之中，分別定義了不同的安全特性，這些特性組合在一起，共同創(chuàng)建了一個安全的系統設計方案：

網絡訪問安全性(I)：使用戶設備(UE)能夠經過認證，并且安全的訪問網絡服務的一系列功能或機制。

網絡域安全(II)：使核心網絡節(jié)點能夠安全地交換信令數據(Signaling Data)和用戶平面數據(User Plane Data)的一系列功能。

用戶域安全(III)：保護用戶訪問移動設備和移動服務的一系列功能。

基于服務的體系結構(SBA)和域安全性(IV)：SBA域中的一系列功能，包括網元注冊、發(fā)現和授權，以及對基于服務的接口的保護。

安全性的可見與可配置(未在圖1標明)：使用戶能夠獲知安全功能是否正在運行，同時使用戶能夠對安全功能進行配置。

5G規(guī)范定義了許多網絡功能及其接口，允許無線電接入網絡(RAN)、核心網絡(CN)和外部網絡之間的數據流傳遞。下圖展示了簡化后的5G網絡結構。5G網絡功能和安全功能為5G移動通信系統的開發(fā)提供了靈活而又安全的設計。

下面列舉了一些重要的3GPP網絡概念和組件，用于定義和分析5G的安全體系結構、要求和過程：

5G-GUTI：5G全球唯一臨時標識符(5G Global Unique Temporary Identifier)，考慮到安全需要，用于限制SUPI的信令。

5GC：5G核心網(5G Core)。

AKA：認證和密鑰協議(Authentication and Key Agreement)，用于蜂窩網絡中無線網絡接入的安全協議。

ARPF：認證憑據存儲和處理功能(Authentication Credential Repository and Processing Function)，將長期安全證書和密鑰存儲在5G-C中。

AUSF：認證服務器功能(Authentication Server Function)，用于歸屬網絡的5G安全過程。

CP：控制面(Control Plane)，用于控制數據信令層面。

EAP：可擴展身份驗證協議(Extensible Authentication Protocol)，認證框架，用于密鑰和參數的傳輸。

EPC：演進分組核心網(Evolved Packet Core)，LTE無線核心網絡。

EPS：演進分組系統(Evolved Packet System)，LTE無線電接入和核心網絡。

HE：歸屬環(huán)境(Home Environment)，包含用戶配置文件、標識符和訂閱信息的數據庫。

IMSI：國際移動用戶識別碼(International Mobile Subscriber Identity)，用于2G、3G、4G系統，作為識別用戶的唯一方式。

MCC-MNC：移動國家代碼-移動網絡代碼(Mobile Country Code – Mobile Network Code)，由基站廣播，作為識別運營商的唯一方式。

ME：移動設備(Mobile Equipment)，移動終端。

NAS：非接入層(Non-Access Stratum)，與認證、其他安全功能和控制面機制相關的網絡層。

PKI：公鑰基礎設施(Public Key Infrastructure)，分層密鑰的一種，用于創(chuàng)建、管理、分發(fā)和使用數字證書以及管理公鑰加密。

RRC：無線資源控制(Radio Resource Control)，在RAN管理上層的無線電資源。

SBA：基于服務的體系結構(Service-Based Architecture)，支持切片(Slicing)和虛擬化，從而在每個服務的基礎上優(yōu)化網絡性能。

SEAF：安全錨功能(Security Anchor Function)，是5G-C功能之一，創(chuàng)建統一的錨鍵，提供給UE使用，在網絡中用于主要的認證和后續(xù)通信保護。

SMF：會話管理功能(Session Management Function)，是5G-C中SBA的一部分，負責協議數據單元與UE進行交換，包括策略和計費。

SN：服務網絡(Serving Network)，為UE的網絡，可以是歸屬網絡或訪客網絡。

SUCI：用戶隱藏標識符(Subscription Concealed Identifier)，使用運營商的公鑰對SUPI進行加密。

SUPI：用戶永久標識符(Subscription Permanent Identifier)，是5G用戶的永久身份，相當于IMSI。

TAU：跟蹤區(qū)域更新(Tracking Area Update)，由處于空閑狀態(tài)的UE發(fā)送的消息，以通知網絡其跟蹤區(qū)域(TA)。

UDM：統一數據管理(Unified Data Management)，支持ARPF的5GC功能。

UE：用戶設備(User Equipment)，由ME和USIM組成，提供對用戶服務的訪問。

UP：用戶面(User Plane)，用戶數據信令層面。

USIM：通用用戶識別模塊(Universal Subscriber Identity Module)，也稱為SIM，硬件安全存儲，其中包含IMSI(或SUPI)，以及用于用戶身份驗證和其他AKA功能的密鑰。

三、3GPP 5G規(guī)范安全需求及實現

5G的安全體系結構是在定義了一系列安全要求、功能和實現的基礎之上構建的。因此，我們將繼續(xù)進行分析。下面列出了5G無線電接入網絡(RAN)的主要安全要求和相應的實現。在其中，包含了一些可能導致安全漏洞的要求和實現，我們將會在后續(xù)章節(jié)中進一步討論這些安全漏洞及其潛在影響。

1. 通用

安全需求：

緩解Bidding Down攻擊。

相互進行認證。

用戶設備、訪問和服務網絡授權。

允許未經認證的緊急服務。

實現：在身份驗證過程中，使用EAP-AKA和5G AKA方法。

2. 用戶設備與5G基站(UE and gNB)

安全需求：

通過加密，保護用戶和信令數據。一旦連接到5G基站，就考慮啟用用戶設備安全功能和服務網絡的安全功能。支持零加密(Null Encryption)。保密性保護可以選擇是否啟用。

用戶和信令數據完整性保護和重放保護。一旦連接到5G基站，就考慮啟用用戶設備安全功能和服務網絡的安全功能。支持零完整性保護(Null Integrity Protection)。用戶數據的完整性保護可以選擇是否啟用。RRC和NAS信令保護強制啟用，但存在例外，比如未經認證的緊急會話。

實現：從密鑰體系中導出、分發(fā)和協商密鑰，支持128位和256位密鑰加密。對于網絡實體中的每一個密鑰，用戶設備負責存儲相應的密鑰，根密鑰存儲在USIM中。

3. 用戶設備(UE)

安全需求：

通過使用防篡改的安全硬件組件，實現對用戶憑據的安全存儲和安全處理。

通過使用臨時或隱藏的用戶標識符(5G-GUTI和SUPI)獲取用戶隱私。支持零計劃(Null-scheme)方案，在歸屬網絡未提供公鑰時使用，該歸屬網絡控制用戶隱私及密鑰的提供和更新。

實現：如果由歸屬運營商提供，USIM將存儲用于隱藏SUPI的歸屬網絡公鑰。

4. 5G基站(gNB)

安全需求：

通過證書授權設置和配置，屬于可選項。

密鑰管理，可選用基于5G PKI的架構。

密鑰的安全環(huán)境，UP和CP數據存儲及處理。

實現：認證和密鑰導出可以由網絡發(fā)起，因為操作方決定什么時間存在活動的NAS連接。

(1) 核心框架

5G的安全實現基于分層的密鑰派生、分發(fā)和管理框架之上。密鑰存儲在很多網絡實體之中。長期密鑰K由UDM層的ARPF負責存儲，USIM保留該對稱密鑰在用戶那里的副本。其他的所有密鑰，都是從該密鑰派生而來的。

(2) 認證和歸屬控制

3GPP建立了EAP-AKA和5G AKA的認證方法，并要求5G UE和5GC必須支持這兩種認證方法。這些安全模式用于相互身份驗證和后續(xù)服務安全性保證。5G UE在其注冊請求中需要使用安全的5G-GUTI或SUCI，并從中選擇一種認證方法來啟動認證過程。當使用EAP-AKA時，UE作為對等體，而5GC SEAF和AUSF分別作為傳遞服務器和后端認證服務器。5G AKA則是通過向歸屬網絡提供UE從訪客網絡成功認證的證明，來增強EPS AKA的安全性。

增加的歸屬控制(Home Control)被認為能夠有效防止某些類型的欺騙。擬定的5G框架中支持實施這樣的過程，但它們被認為超出了標準規(guī)范的范圍：歸屬網絡采取什么樣的方式進行認證確認(或不進行認證確認)取決于運營商的策略，而不是標準化的過程。針對其他的安全實現，也有很多功能超出了協議規(guī)范的范圍，可能會導致不安全的邊緣情況發(fā)生。

(3) 安全上下文

5G安全規(guī)范為不同的場景定義了許多安全上下文，包括單個5G服務網絡、跨多個服務網絡、5G和EPS網絡之間。當UE向兩個服務網絡注冊時，這兩個網絡必須獨立地維護和使用其自身的安全上下文。當UE注冊到同一個公共陸地移動網(Public Land Mobile Network)中的兩個服務網絡時(3GPP和非3GPP)，UE會與這些網絡建立兩個獨立的NAS平面連接，但會使用由一組密鑰和安全算法組成的公共NAS安全上下文。

(4) 狀態(tài)轉換和網絡切換

此外，還定義了在狀態(tài)轉換和網絡切換的過程中，維持或忽略安全上下文的實現方式。規(guī)范中提出，如何配置切換過程中的安全性，取決于運營商的策略。這一部分實際上要在運營商的安全需求中體現，因此在切換期間的安全性是一個可選項，沒有通過標準來強制執(zhí)行，這可能導致許多運營商實施不安全的切換過程。

(5) 非接入層

在公共NAS安全上下文中，具有其中每個NAS連接的參數，支持對兩個活動NAS連接的加密分離和重放保護。NAS使用128位加密算法來保證完整性和機密性。但是需要注意的是，這里也支持零加密和零完整性保護。如果UE不存在NAS安全上下文，那么初始的NAS消息將會以明文發(fā)送，其中包含用戶標識符(例如SUCI或GUTI)和UE安全特性等內容。

(6) 無線資源控制

RRC的完整性和機密性保護由UE和nGB之間的分組數據匯聚協議(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)層提供，并且PDCP下面的層不會受到完整性保護。當完整性保護啟用時，除非所選的完整性保護算法是NIA0(零完整性保護)，否則應該同時啟用重放保護。RRC完整性檢查會同時在ME和gNB中執(zhí)行。如果在完整性保護啟動后，發(fā)現有消息沒有通過完整性檢查，那么相關消息會被丟棄。

(7) 用戶層

在PDU會話建立過程中，SMF應為gNB的協議數據單元(PDU)會話提供用戶面(UP)安全策略。如果沒有為數據無線承載(DRB)激活用戶面完整性保護，那么gNB和UE就不會為DRB實現完整性保護。如果沒有為DRB激活用戶面加密，那么gNB和UE就不會加密DRB業(yè)務的流量。本地SMF能夠覆蓋從歸屬SMF接收的用戶面安全策略中的機密性選項。

(8) 用戶ID隱私保護

SUCI是5G永久用戶標識SUPI的隱藏版本，從而防止暴露SUPI。SUCI使用運營商的公鑰，由SUPI生成。零保護方案適用于三種情況：未認證的緊急會話、歸屬網絡進行了相應配置、尚未提供運營商公鑰。

5G規(guī)范還定義了臨時標識符5G-GUTI，從而盡最大程度防止SUPI或SUCI的泄露。5G-GUTI將由UE觸發(fā)重新分配，而重分配的時間間隔是在具體實現中確定的。

本篇文章先介紹到這里，下篇文章我們將講述5G的安全挑戰(zhàn)和潛在漏洞以及LTE協議漏洞利用對5G的影響。