Oczywiste jest, że podejmowanie się opracowania nowego standardu komunikacji bez uwzględnienia mechanizmów zapewnienia bezpieczeństwa to niezwykle wątpliwe i bezużyteczne działanie.
Architektura bezpieczeństwa 5G to zbiór mechanizmów i procedur bezpieczeństwa wdrożonych w i obejmujących wszystkie komponenty sieci, począwszy od rdzenia, aż po interfejsy radiowe.
Sieci piątej generacji są w istocie ewolucją Najbardziej znaczące zmiany dotyczą technologii dostępu radiowego. Dla sieci piątej generacji opracowano nową (Technologia Dostępu Radiowego) — Jeśli chodzi o rdzeń sieci, nie przeszedł on tak znaczących zmian. W związku z tym architektura bezpieczeństwa sieci 5G została opracowana z naciskiem na ponowne wykorzystanie odpowiednich technologii przyjętych w standardzie 4G LTE.
Warto jednak zauważyć, że przewartościowanie tak dobrze znanych zagrożeń, jak ataki na interfejsy radiowe i poziom sygnalizacji ( ), ataki DDoS, ataki Man-In-The-Middle i inne, skłoniło operatorów sieci do opracowania nowych standardów i integracji zupełnie nowych mechanizmów bezpieczeństwa w sieciach piątej generacji.
Przesłanki
W 2015 roku Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny stworzył pierwszy w swoim rodzaju globalny plan rozwoju sieci piątej generacji, co sprawiło, że kwestia opracowania mechanizmów i procedur bezpieczeństwa w sieciach 5G stała się szczególnie istotna.
Nowa technologia oferowała naprawdę imponujące prędkości przesyłu danych (ponad 1 Gbit/s), opóźnienia poniżej 1 ms oraz możliwość jednoczesnego podłączenia około 1 miliona urządzeń w promieniu 1 km². Tak wygórowane wymagania dotyczące sieci piątej generacji znalazły również odzwierciedlenie w zasadach ich organizacji.
Najważniejszą z nich była decentralizacja, która zakładała rozmieszczenie wielu lokalnych baz danych i centrów ich przetwarzania na obrzeżach sieci. Umożliwiało to minimalizowanie opóźnień w przypadku -komunikacjach i odciążaniu rdzenia sieci z powodu obsługi ogromnej liczby urządzeń IoT. W ten sposób granice nowej generacji sieci rozszerzały się aż do stacji bazowych, umożliwiając tworzenie lokalnych centrów komunikacyjnych i świadczenie usług chmurowych bez ryzyka krytycznych opóźnień lub przerwy w działaniu. Naturalnie, zmienione podejście do organizacji sieci oraz obsługi klientów zainteresowało przestępców, ponieważ otwierało przed nimi nowe możliwości ataków zarówno na poufne dane użytkowników, jak i na same komponenty sieci, w celu wywołania przerwy w działaniu lub przejęcia zasobów obliczeniowych operatora.
Główne podatności sieci 5. generacji
Duża powierzchnia ataku
Dowiedz się więcejBudując sieci telekomunikacyjne 3. i 4. generacji, operatorzy zazwyczaj ograniczali się do współpracy z jednym lub kilkoma dostawcami, którzy dostarczali kompleksowy sprzęt i oprogramowanie. To znaczy, że wszystko mogło działać, co się nazywa „z pudełka” — wystarczyło jedynie zainstalować i skonfigurować sprzęt zakupiony u dostawcy; nie było konieczności wymiany lub uzupełniania własnościowego oprogramowania. Nowoczesne tendencje są w konflikcie z takim „klasycznym” podejściem i zmierzają w kierunku wirtualizacji sieci, wielodostawców w ich budowie oraz różnorodności oprogramowania. Coraz bardziej popularne stają się technologie takie jak (ang. Software Defined Network) i (ang. Network Functions Virtualization), co prowadzi do włączenia ogromnej ilości oprogramowania opartego na otwartych kodach źródłowych w procesy i funkcje zarządzania sieciami telekomunikacyjnymi. To daje przestępcom możliwość lepszego zbadania sieci operatora i zidentyfikowania większej liczby podatności, co z kolei zwiększa powierzchnię ataku nowej generacji sieci w porównaniu z obecnymi.
Wielka liczba urządzeń IoT
Dowiedz się więcejDo 2021 roku około 57% urządzeń podłączonych do sieci 5G będą stanowiły urządzenia IoT. Oznacza to, że większość hostów będzie miała ograniczone możliwości kryptograficzne (patrz punkt 2) i, w związku z tym, będzie narażona na ataki. Ogromna liczba takich urządzeń zwiększy ryzyko rozprzestrzenienia botnetów i umożliwi przeprowadzanie jeszcze bardziej potężnych i rozproszonych ataków DDoS.
Ograniczone możliwości kryptograficzne urządzeń IoT
Dowiedz się więcejJak już wspomniano, sieci piątej generacji aktywnie wykorzystują urządzenia brzegowe, które pozwalają zdjąć część obciążenia z rdzenia sieci, co zmniejsza opóźnienia. Jest to niezbędne dla takich ważnych usług jak zarządzanie pojazdami autonomicznymi, systemy wczesnego ostrzegania itd., dla których zapewnienie minimalnych opóźnień jest krytyczne, ponieważ od tego zależą ludzkie życia. W związku z podłączeniem dużej liczby urządzeń IoT, które z uwagi na swoje niewielkie rozmiary i małe zużycie energii mają bardzo ograniczone zasoby obliczeniowe, sieci 5G stają się podatne na ataki mające na celu przejęcie kontroli i manipulację takimi urządzeniami. Na przykład możliwe są scenariusze zainfekowania urządzeń IoT, będących częścią systemu „”, takimi typami złośliwego oprogramowania jak . Możliwe są również scenariusze przejęcia kontroli nad pojazdami autonomicznymi, które otrzymują polecenia i informacje nawigacyjne przez „chmurę”. Formalnie ta podatność wynika z decentralizacji sieci nowej generacji, ale następny punkt wyraźniej zaznaczy problem decentralizacji.
Decentralizacja i rozszerzenie granic sieci
Dowiedz się więcejUrządzenia peryferyjne, które pełnią rolę lokalnych rdzeni sieci, odpowiadają za routowanie ruchu użytkowników, przetwarzanie zapytań oraz lokalne buforowanie i przechowywanie danych użytkowników. W ten sposób granice sieci piątej generacji rozszerzają się, oprócz rdzenia, na peryferie, w tym lokalne bazy danych oraz interfejsy radiowe 5G-NR (ang. 5G New Radio). Stwarza to możliwość ataku na zasoby obliczeniowe lokalnych urządzeń, które z definicji są słabiej chronione niż centralne węzły rdzenia sieci, w celu wywołania awarii w działaniu. Może to prowadzić do odcięcia dostępu do internetu w całych rejonach, nieprawidłowego funkcjonowania urządzeń IoT (np. w systemach „inteligentny dom”), a także niedostępności usługi ostrzeżeń ratunkowych IMS.
Jednak obecnie ETSI i 3GPP opublikowali już ponad 10 standardów, dotyczących różnych aspektów bezpieczeństwa sieci 5G. Przytłaczająca większość mechanizmów opisanych w tych standardach ma na celu ochronę przed lukami w zabezpieczeniach (w tym przed tymi, które opisano powyżej). Jednym z kluczowych standardów jest , który opisuje architekturę bezpieczeństwa sieci piątej generacji.
Architektura 5G
Na początek przyjrzyjmy się kluczowym zasadom architektury sieci 5G, które pozwolą w pełni zrozumieć znaczenie i kompetencje każdego modułu programowego oraz każdej funkcji bezpieczeństwa 5G.
- Podział węzłów sieciowych na elementy zapewniające działanie protokołów (od ang. UP — User Plane) oraz elementy, które zapewniają działanie protokołów (od ang. CP — Control Plane), co zwiększa elastyczność w zakresie skalowania i wdrażania sieci, tzn. możliwe jest centralizowane lub zdecentralizowane rozmieszczenie poszczególnych składników węzłów sieci.
- Wsparcie dla mechanizmu , opartego na usługach dostarczanych konkretnym grupom końcowych użytkowników.
- Wdrożenie elementów sieciowych w postaci .
- Wsparcie jednoczesnego dostępu do centralnych i lokalnych usług, tj. wdrożenie koncepcji obliczeń w chmurze (od ang. ) oraz obliczeń brzegowych (od ang. ).
- Realizacja architektury, łączącej różne typy sieci dostępowych — 3GPP 5G New Radio i (Wi-Fi itp.) — z jednolitym rdzeniem sieci.
- Wsparcie jednolitych algorytmów i procedur uwierzytelniania, niezależnie od typu dostępu do sieci.
- Wsparcie funkcji sieciowych bez zachowania stanu (ang. stateless), w których obliczone zasoby są oddzielone od magazynów zasobów.
- Wsparcie roamingu z routowaniem ruchu zarówno przez sieć domową (ang. home-routed roaming), jak i z lokalnym „wylądowaniem” (ang. local breakout) w sieci gościa.
- Interakcja między funkcjami sieciowymi jest przedstawiana na dwa sposoby: i .
Koncepcja bezpieczeństwa sieci 5. generacji obejmuje:
- Uwierzytelnianie użytkownika ze strony sieci.
- Uwierzytelnianie sieci ze strony użytkownika.
- Negocjację kluczy kryptograficznych między siecią a urządzeniem użytkownika.
- Szyfrowanie i kontrolę integralności ruchu sygnalizacyjnego.
- Szyfrowanie i kontrolę integralności ruchu użytkownika.
- Ochronę identyfikatora użytkownika.
- Ochronę interfejsów między różnymi elementami sieci zgodnie z koncepcją domeny bezpieczeństwa sieci.
- Izolację różnych warstw mechanizmu i określenie dla każdej warstwy własnych poziomów bezpieczeństwa.
- Uwierzytelnianie użytkownika i ochrona ruchu na poziomie usług końcowych (IMS, IoT i inne).
Główne moduły oprogramowania i funkcje bezpieczeństwa sieci 5G
AMF (ang. Access & Mobility Management Function — funkcja zarządzania dostępem i mobilnością) — zapewnia:
- Organizację interfejsów płaszczyzny zarządzania.
- Organizację wymiany ruchu sygnalizacyjnego , szyfrowanie i ochronę integralności danych.
- Organizację wymiany ruchu sygnalizacyjnego , szyfrowanie i ochronę integralności danych.
- Zarządzanie rejestracją urządzenia użytkownika w sieci i kontrola możliwych stanów rejestracji.
- Zarządzanie połączeniem urządzenia użytkownika z siecią i kontrola możliwych stanów.
- Zarządzanie dostępnością urządzenia użytkownika w sieci w stanie CM-IDLE.
- Zarządzanie mobilnością urządzenia użytkownika w sieci w stanie CM-CONNECTED.
- Przesyłanie krótkich wiadomości między urządzeniem użytkownika a SMF.
- Zarządzanie usługami geolokalizacji.
- Wyodrębnienie identyfikatora strumienia do interakcji z EPS.
SMF (ang. Session Management Function — funkcja zarządzania sesjami) — zapewnia:
- Zarządzanie sesjami połączeń, tj. tworzenie, modyfikowanie i zwalnianie sesji, w tym wsparcie dla tunelu między siecią dostępową a UPF.
- Rozdzielanie i zarządzanie adresami IP urządzeń końcowych.
- Wybór używanego bramy UPF.
- Organizacja interakcji z PCF.
- Zarządzanie stosowaniem polityk. .
- Dynamiczna konfiguracja urządzeń końcowych za pomocą protokołów DHCPv4 i DHCPv6.
- Kontrola zbierania danych rozliczeniowych i organizacja interakcji z systemem bilingowym.
- Bezosłowność dostarczania usług (z ang. ).
- Interakcja z sieciami gościnnymi w ramach roamingu.
UPF (z ang. User Plane Function — funkcja płaszczyzny użytkownika) — zapewnia:
- Interakcję z zewnętrznymi sieciami transmisji danych, w tym z globalnym Internetem.
- Routowanie pakietów użytkowników.
- Oznaczanie pakietów zgodnie z politykami QoS.
- Diagnostykę pakietów użytkowników (np. wykrywanie aplikacji na podstawie sygnatur).
- Dostarczanie raportów o wykorzystaniu ruchu.
- UPF jest również punktem kotwicznym dla wsparcia mobilności zarówno w ramach jednej, jak i między różnymi technologiami dostępu radiowego.
UDM (z ang. Unified Data Management — zintegrowane zarządzanie danymi) — zapewnia:
- Zarządzanie danymi profili użytkowników, w tym przechowywanie i modyfikację listy dostępnych usług i odpowiadających im parametrów.
- Zarządzanie
- Generację danych uwierzytelniających 3GPP. .
- Autoryzację dostępu na podstawie danych profilu (np. ograniczenie roamingu).
- Zarządzanie rejestracją użytkownika, tj. przechowywanie odpowiedniego AMF.
- Wsparcie dla bezosłowności usług i sesji połączeń, tj. przechowywanie SMF przypisanego do aktualnej sesji połączeń.
- Zarządzanie dostarczaniem SMS.
- Kilka różnych UDM może obsługiwać jednego użytkownika w ramach różnych transakcji.
UDR (z ang. Unified Data Repository — zintegrowane repozytorium danych) — zapewnia przechowywanie różnych danych użytkowników i jest zasadniczo bazą danych wszystkich abonentów sieci.
UDSF (ang. Unstructured Data Storage Function — funkcja przechowywania danych nieustrukturyzowanych) — zapewnia przechowywanie modułami AMF bieżących kontekstów zarejestrowanych użytkowników. Informacje te mogą być ogólnie przedstawione jako dane o nieokreślonej strukturze. Konteksty użytkowników mogą być wykorzystywane do zapewnienia płynności i ciągłości sesji abonentów zarówno w przypadku planowego wyłączenia z usługi jednego z AMF, jak i w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej. W obu przypadkach zapasowy AMF „przejmie” usługę, wykorzystując konteksty zapisane w USDF.
Łączenie UDR i UDSF na jednej fizycznej platformie jest typową realizacją tych funkcji sieciowych.
PCF (ang. Policy Control Function — funkcja kontroli polityk) — formułuje i przydziela użytkownikom różne polityki obsługi, w tym parametry QoS i zasady taryfikacji. Na przykład, dla przesyłania danego typu ruchu mogą być dynamicznie tworzone wirtualne kanały o różnych charakterystykach. Przy tym, mogą być brane pod uwagę wymagania usługi żądanej przez abonenta, poziom obciążenia sieci, ilość konsumowanego ruchu itp.
NEF (ang. Network Exposure Function — funkcja ekspozycji sieci) — zapewnia:
- Organizowanie bezpiecznej interakcji zewnętrznych platform i aplikacji z rdzeniem sieci.
- Zarządzanie parametrami QoS i zasadami taryfikacji dla konkretnych użytkowników.
SEAF (ang. Security Anchor Function — funkcja kotwicy bezpieczeństwa) — wspólnie z AUSF zapewnia autoryzację użytkowników podczas ich rejestracji w sieci z dowolną technologią dostępu.
AUSF (ang. Authentication Server Function — funkcja serwera autoryzacji) — pełni rolę serwera autoryzacji, przyjmującego i przetwarzającego żądania od SEAF i przekazującego je do ARPF.
ARPF (ang. Authentication Credential Repository and Processing Function — funkcja repozytorium i przetwarzania danych uwierzytelniających) — zapewnia przechowywanie osobistych kluczy tajnych (KI) i parametrów algorytmów kryptograficznych, jak również generację wektorów autoryzacji zgodnie z algorytmami 5G-AKA lub -AKA. Znajduje się w zabezpieczonym przed zewnętrznymi wpływami centrum danych rodzimego operatora oraz zazwyczaj integruje się z UDM.
SCMF (ang. Security Context Management Function — funkcja zarządzania ) — zapewnia zarządzanie cyklem życia kontekstu bezpieczeństwa 5G.
SPCF (ang. Security Policy Control Function — funkcja kontroli polityki bezpieczeństwa) — zapewnia zgodność i wdrażanie polityk bezpieczeństwa w odniesieniu do konkretnych użytkowników. Przy tym uwzględnia się możliwości sieci, możliwości sprzętu użytkowników oraz wymagania konkretnej usługi (np. poziomy ochrony zapewniane przez usługę krytycznych komunikacji i usługę bezprzewodowego dostępu szerokopasmowego do internetu mogą się różnić). Wdrażanie polityk bezpieczeństwa obejmuje: wybór AUSF, wybór algorytmu uwierzytelniania, wybór algorytmów szyfrowania danych i kontroli integralności, określenie długości i cyklu życia kluczy.
SIDF (ang. Subscription Identifier De-concealing Function — funkcja wydobywania identyfikatora użytkownika) — zapewnia wydobycie stałego identyfikatora subskrypcyjnego abonenta (ang. SUPI) z ukrytego identyfikatora (ang. ), uzyskanego w ramach zapytania o procedurę uwierzytelnienia „Auth Info Req”.
Podstawowe wymagania bezpieczeństwa dla sieci 5G
Dowiedz się więcejUwierzytelnianie użytkownika: Obsługująca sieć 5G musi uwierzytelnić SUPI użytkownika w procesie 5G AKA między użytkownikiem a siecią.
Uwierzytelnianie sieci obsługującej: Użytkownik musi uwierzytelnić identyfikator obsługującej sieci 5G, przy czym uwierzytelnianie odbywa się poprzez udane użycie kluczy uzyskanych w wyniku procedury 5G AKA.
Autoryzacja użytkownika: Obsługująca sieć musi autoryzować użytkownika na podstawie profilu użytkownika uzyskanego z sieci domowego operatora telekomunikacyjnego.
Autoryzacja sieci obsługującej przez sieć domowego operatora: Użytkownik musi otrzymać potwierdzenie, że jest podłączony do obsługującej sieci, która została autoryzowana przez sieć domowego operatora do świadczenia usług. Autoryzacja jest niejawna w tym sensie, że zapewnia się ją poprzez pomyślne zakończenie procedury 5G AKA.
Autoryzacja sieci dostępowej przez sieć domowego operatora: Użytkownik musi otrzymać potwierdzenie, że jest połączony z siecią dostępową autoryzowaną przez operatora domowego do świadczenia usług. Autoryzacja jest niejawna w tym sensie, że zapewnia ją pomyślne nawiązanie bezpieczeństwa sieci dostępowej. Ten typ autoryzacji powinien być stosowany dla każdego rodzaju sieci dostępowej.
Nieautoryzowane usługi awaryjne: Aby spełnić wymogi regulacyjne w niektórych regionach, sieci 5G muszą zapewniać możliwość nieautoryzowanego dostępu do usług awaryjnych.
Jądro sieci i sieć dostępu radiowego: W jądrze sieci 5G i sieci dostępu radiowego 5G musi być wspierane stosowanie algorytmów szyfrowania i zapewnienia integralności z długością klucza 128 bitów dla zapewnienia bezpieczeństwa. i . Interfejsy sieciowe powinny wspierać 256-bitowe klucze szyfrowania.
Podstawowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa dla urządzeń użytkowników
Dowiedz się więcej
- Urządzenia użytkowników muszą wspierać szyfrowanie, ochronę integralności i zabezpieczenia przed atakami powtórzeń danych użytkowników przesyłanych między nimi a siecią dostępu radiowego.
- Urządzenia użytkowników muszą aktywować mechanizmy szyfrowania i ochrony integralności danych zgodnie z instrukcjami otrzymanymi od sieci dostępu radiowego.
- Urządzenia użytkowników muszą wspierać szyfrowanie, ochronę integralności i zabezpieczenia przed atakami powtórzeń sygnalizacji RRC i NAS.
- Urządzenia użytkowników muszą wspierać następujące algorytmy kryptograficzne: NEA0, NIA0, 128-NEA1, 128-NIA1, 128-NEA2, 128-NIA2.
- Urządzenia użytkowników mogą wspierać następujące algorytmy kryptograficzne: 128-NEA3, 128-NIA3.
- Urządzenia użytkowników muszą wspierać następujące algorytmy kryptograficzne: 128-EEA1, 128-EEA2, 128-EIA1, 128-EIA2, jeśli wspierają połączenie z siecią dostępu radiowego E-UTRA.
- Ochrona prywatności danych użytkowników przesyłanych między urządzeniami użytkowników a siecią dostępu radiowego jest opcjonalna, ale powinna być zapewniona w każdym przypadku, gdy zezwalają na to przepisy prawne.
- Ochrona prywatności sygnalizacji RRC i NAS jest opcjonalna.
- Stały klucz użytkownika musi być chroniony i przechowywany w dobrze zabezpieczonych komponentach sprzętowych użytkownika.
- Stały identyfikator subskrypcji abonenta nie powinien być przesyłany w otwartej formie przez sieć dostępu radiowego, z wyjątkiem informacji niezbędnych do prawidłowego kierowania (na przykład i ).
- Otwarty klucz sieci domowego operatora, identyfikator tego klucza, identyfikator schematu zabezpieczeń oraz identyfikator routingu powinny być przechowywane w .
Każdemu algorytmowi szyfrowania przypisuje się liczbę binarną:
- „0000”: NEA0 — algorytm szyfrowania null
- „0001”: 128-NEA1 — 128-bitowy algorytm oparty na 3G
- „0010” 128-NEA2 — 128-bitowy algorytm oparty
- „0011” 128-NEA3 — 128-bitowy algorytm oparty.
Szyfrowanie danych z użyciem 128-NEA1 i 128-NEA2
P.S. Schemat został zapożyczony z
Generowanie wstawień imitacyjnych przez algorytmy 128-NIA1 i 128-NIA2 w celu zapewnienia integralności
P.S. Schemat został zapożyczony z
Podstawowe wymagania bezpieczeństwa dla funkcji sieci 5G
Dowiedz się więcej
- AMF musi wspierać wstępną autoryzację z użyciem SUCI.
- SEAF musi wspierać wstępną autoryzację z użyciem SUCI.
- UDM i ARPF muszą przechowywać stały klucz użytkownika i zapewniać jego ochronę przed kradzieżą.
- AUSF musi przekazywać SUPI lokalnej sieci obsługowej tylko w przypadku pomyślnej wstępnej autoryzacji z użyciem SUCI.
- NEF nie powinien przesyłać ukrytej informacji o jądrze sieci poza obszar bezpieczeństwa operatora.
Podstawowe procedury bezpieczeństwa
Domeny zaufania
W sieciach 5. generacji zaufanie do elementów sieci maleje w miarę oddalania się tych elementów od jądra sieci. Ta koncepcja wpływa na rozwiązania wdrożone w architekturze bezpieczeństwa 5G. Można więc mówić o modelu zaufania sieci 5G, który określa zachowanie mechanizmów bezpieczeństwa sieci.
Ze strony użytkownika domenę zaufania tworzą UICC i USIM.
Ze strony sieci domena zaufania ma bardziej skomplikowaną strukturę.
Sieć dostępu radiowego dzieli się na dwie części — DU (ang. Distributed Units — rozproszone jednostki sieci) oraz CU (ang. Central Units — centralne jednostki sieci). Razem tworzą gNB — interfejs radiowy stacji bazowej sieci 5G. DU nie mają bezpośredniego dostępu do danych użytkowników, ponieważ mogą być wdrażane w segmentach niezabezpieczonej infrastruktury. CU muszą być natomiast wdrażane w chronionych segmentach sieci, ponieważ odpowiadają za terminację ruchu mechanizmów bezpieczeństwa AS. W jądrze sieci znajduje się AMF, terminująca ruch mechanizmów bezpieczeństwa NAS. W bieżącej specyfikacji 3GPP 5G Phase 1 opisano połączenie AMF z funkcją bezpieczeństwa SEAF, zawierającą klucz główny (znany również jako „klucz bazowy”) odwiedzanej (serwisującej) sieci. AUSF odpowiada za przechowywanie klucza uzyskanego po pomyślnej autoryzacji. Jest on niezbędny do ponownego użycia w przypadkach z jednoczesnym połączeniem użytkownika z wieloma sieciami radiowymi. ARPF przechowuje dane użytkowników i jest odpowiednikiem USIM u abonentów. UDR i UDM przechowują informacje o użytkownikach, które są wykorzystywane do określenia logiki generowania danych, identyfikatorów użytkowników, zapewnienia ciągłości sesji itp.
Hierarchia kluczy i schematy ich dystrybucji
W sieciach 5. generacji, w przeciwieństwie do sieci 4G-LTE, procedura autoryzacji ma dwie części: podstawową i wtórną. Podstawowa autoryzacja jest obowiązkowa dla wszystkich urządzeń użytkowników łączących się z siecią. Wtórna autoryzacja może być przeprowadzana na żądanie z zewnętrznych sieci, jeśli abonent łączy się z takimi sieciami.
Po pomyślnym zakończeniu podstawowej autoryzacji i wyprodukowaniu wspólnego klucza K między użytkownikiem a siecią, z klucza K wydobywany jest KSEAF — szczególny klucz bazowy (koronny) serwisowanej sieci. Następnie z tego klucza wytwarzane są klucze, które zapewniają poufność i integralność danych sygnalizacyjnego ruchu RRC i NAS.
Schemat z wyjaśnieniami
Oznaczenia:
CK (ang. Cipher Key)
IK (ang. Integrity Key) — klucz używany w mechanizmach ochrony integralności danych.
CK’ (ang. Cipher Key) — inny klucz kryptograficzny stworzony z CK dla mechanizmu EAP-AKA.
IK’ (ang. Integrity Key) — inny klucz używany w mechanizmach ochrony integralności danych dla EAP-AKA.
KAUSF — tworzony przez funkcję ARPF i sprzęt użytkownika z CK i IK podczas 5G AKA i EAP-AKA.
KSEAF — klucz bazowy uzyskiwany przez funkcję AUSF z klucza KAMFAUSF.
KAMF — klucz uzyskiwany przez funkcję SEAF z klucza KSEAF.
KNASint, KNASenc — klucze uzyskiwane przez funkcję AMF z klucza KAMF w celu ochrony ruchu sygnałowego NAS.
KRRCint, KRRCenc — klucze uzyskiwane przez funkcję AMF z klucza KAMF w celu ochrony ruchu sygnałowego RRC.
KUPint, KUPenc — klucze uzyskiwane przez funkcję AMF z klucza KAMF w celu ochrony ruchu sygnałowego AS.
NH — klucz pośredni uzyskiwany przez funkcję AMF z klucza KAMF w celu zapewnienia bezpieczeństwa danych podczas hэндоверów.
KgNB — klucz uzyskiwany przez funkcję AMF z klucza KAMF w celu zapewnienia bezpieczeństwa mechanizmów mobilności.
Schematy generowania SUCI z SUPI i odwrotnie
Schematy uzyskiwania SUPI i SUCI
Generowanie SUCI z SUPI i SUPI z SUCI:
Autoryzacja
Pierwotna autoryzacja
W sieciach 5G EAP-AKA i 5G AKA są standardowymi mechanizmami pierwotnej autoryzacji. Rozdzielimy mechanizm pierwotnej autoryzacji na dwie fazy: pierwsza dotyczy inicjacji autoryzacji i wyboru metody autoryzacji, druga — wzajemnej autoryzacji między użytkownikiem a siecią.
Inicjacja
Użytkownik wysyła żądanie rejestracji do SEAF, które zawiera ukryty identyfikator subskrypcji użytkownika SUCI.
SEAF wysyła do AUSF wiadomość żądania autoryzacji (Nausf_UEAuthentication_Authenticate Request), zawierającą SNN (z ang. Serving Network Name — nazwa sieci serwisowej) oraz SUPI lub SUCI.
AUSF sprawdza, czy żądającemu autoryzacji SEAF zezwolono na użycie danego SNN. Jeśli sieć serwisowa nie jest upoważniona do używania danego SNN, AUSF odpowiada komunikatem o błędzie autoryzacji "Sieć serwisowa nieautoryzowana" (Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response).
Żądanie danych uwierzytelniających do autoryzacji ze strony AUSF do UDM, ARPF lub SIDF odbywa się na podstawie SUPI lub SUCI oraz SNN.
Na podstawie SUPI lub SUCI oraz informacji o użytkowniku UDM/ARPF wybiera metodę autoryzacji, która będzie stosowana dalej i wydaje dane uwierzytelniające użytkownika.
Wzajemna autoryzacja
Przy użyciu dowolnej metody autoryzacji funkcje sieciowe UDM/ARPF muszą wygenerować wektor autoryzacji (ang. AV).
EAP-AKA: UDM/ARPF najpierw generuje wektor autoryzacji z bitami oddzielającymi AMF = 1, po czym generuje CK’ i IK’ z CK, IK i SNN i tworzy nowy wektor autoryzacji AV (RAND, AUTN, XRES*, CK’, IK’), który jest wysyłany do AUSF z zaleceniem użycia go tylko dla EAP-AKA.
5G AKA: UDM/ARPF uzyskuje klucz KAUSF z CK, IK i SNN, po czym generuje 5G HE AV (ang. 5G Home Environment Authentication Vector). Wektor autoryzacji 5G HE AV (RAND, AUTN, XRES, KAUSF) wysyłany jest do AUSF z zaleceniem użycia go tylko dla 5G AKA.
Po tym AUSF uzyskuje klucz kotwicy KSEAF z klucza KAUSF i wysyła do SEAF zapytanie „Challenge” w wiadomości „Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response”, które również zawiera RAND, AUTN i RES*. Następnie RAND i AUTN są przesyłane do urządzenia użytkownika za pomocą zabezpieczonej wiadomości sygnalizacyjnej NAS. USIM użytkownika oblicza RES* z otrzymanych RAND i AUTN i wysyła go do SEAF. SEAF przekazuje tę wartość do AUSF w celu weryfikacji.
AUSF porównuje przechowywane w nim XRES* z otrzymanym od użytkownika RES*. W przypadku zgodności, AUSF i UDM w krajowej sieci operatora są informowane o pomyślnej autoryzacji, a użytkownik i SEAF niezależnie generują klucz KAMF z KSEAF i SUPI do dalszej komunikacji.
Druga autoryzacja
Standard 5G wspiera opcjonalną drugą autoryzację opartą na EAP-AKA między urządzeniem użytkownika a zewnętrzną siecią przesyłu danych. W tym przypadku SMF pełni rolę autoryzatora EAP i opiera się na pracy - zewnętrznej sieci, która autoryzuje i autoryzuje użytkownika.
- Następuje obowiązkowa pierwsza autoryzacja użytkownika w krajowej sieci, co prowadzi do wypracowania wspólnego z AMF kontekstu bezpieczeństwa NAS.
- Użytkownik wysyła do AMF zapytanie o nawiązanie sesji.
- AMF wysyła zapytanie o nawiązanie sesji do SMF z podaniem SUPI użytkownika.
- SMF sprawdza dane uwierzytelniające użytkownika w UDM przy użyciu podanego SUPI.
- SMF wysyła odpowiedź na zapytanie od AMF.
- SMF uruchamia procedurę autoryzacji EAP w celu uzyskania zgody na nawiązanie sesji od serwera AAA zewnętrznej sieci. W tym celu SMF i użytkownik wymieniają wiadomości w celu zainicjowania procedury.
- Użytkownik i serwer AAA zewnętrznej sieci wymieniają następnie wiadomości w celu przeprowadzenia autoryzacji i uwierzytelnienia użytkownika. W tym czasie użytkownik przesyła wiadomości do SMF, który z kolei wymienia wiadomości z zewnętrzną siecią przez UPF.
Podsumowanie
Pomimo tego, że architektura bezpieczeństwa 5G opiera się na ponownym wykorzystaniu istniejących technologii, stawia przed nią zupełnie nowe wyzwania. Ogromna liczba urządzeń IoT, rozszerzone granice sieci i elementy zdecentralizowanej architektury to tylko niektóre z kluczowych zasad standardu 5G, które dają do myślenia cyberprzestępcom.
Główny standard architektury bezpieczeństwa 5G — — zawiera kluczowe aspekty działania mechanizmów i procedur bezpieczeństwa. W szczególności opisuje rolę każdego z VNF w zapewnieniu ochrony danych użytkowników i węzłów sieci, w generowaniu kluczy kryptograficznych oraz w realizacji procedury autoryzacji. Jednak nawet ten standard nie odpowiada na palące pytania dotyczące bezpieczeństwa, które stają się coraz bardziej aktualne dla operatorów sieci w miarę intensywnego rozwoju i wprowadzania do użytku sieci nowej generacji.
W związku z tym, można mieć nadzieję, że trudności związane z eksploatacją i ochroną sieci 5. generacji nie wpłyną w żaden sposób na zwykłych użytkowników, którym obiecano prędkość przesyłania oraz czas reakcji porównywalny z synem przyjaciółki mamy, już nie mogąc doczekać się przetestowania wszystkich deklarowanych możliwości sieci nowej generacji.
Przydatne linki
Źródło: habr.com
