[論文レビュー] Guidelines for 5G End to End Architecture and Security Issues

Ta-Hao Ting, Tsung-Nan Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ネットワークスライシング、仮想化されたエボルブド・パケット コア（vEPC）、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）、ネットワーク関数仮想化（NFV）、MEC を強調しながら、5G エンドツーエンド（E2E）ネットワークアーキテクチャの包括的概要を提供する。NEF や N4 インターフェース、SDN コントローラ、仮想化関数などのコンponents における重要なセキュリティ脅威を特定し、システム的脆弱性を防ぐために、アーキテクチャ段階での能動的セキュリティ設計を提唱する。

ABSTRACT

Hackers target their attacks on the most vulnerable parts of a system. A system is therefore only as strong as its weakest part, similar to the Cannikin Law, which states that the capacity of a barrel of water depends on the height of the shortest rather than the longest piece of wood. To ensure the security of 5G networks, we first need to understand the overall 5G architecture and examine the potential threats instead of merely setting up a firewall. However, 5G networks will have tremendous coverage. The development of 5G techniques require extensive resources, leading to intense competition between countries attempting to develop 5G networks. Many outstanding papers discuss the techniques for developing specific aspects of the 5G architecture, but to the best of our knowledge, few provide an overview of a complete 5G network. This presents us with a difficult situation because we need to consider the overall architecture to ensure the security of 5G networks. To address that problem, in this paper we provide essential guidelines for understanding the architecture of 5G. We introduce 5G scenarios, outline the network architecture, and highlight the potential security issues for the various components of a 5G network. This paper is intended to facilitate a preliminary understanding of the 5G architecture and the possible security concerns of the various components. The end to end (E2E) 5G network architecture is composed of a next-generation radio access network (NG-RAN), multi-access edge computing (MEC), virtual evolved packet core (vEPC), a data network (DN) and a cloud service. Network slicing (NS), network function virtualization (NFV), NFV Management and Orchestration (MANO) and software-defined networking (SDN) are also important techniques for achieving 5G network architectures.

研究の動機と目的

• 機能的コンponents とセキュリティの両方を統合した包括的な 5G アーキテクチャ概要が不足しているという問題に対処すること。
• vEPC や SDN、ネットワークスライシングなどの主要 5G コンponents における潜在的なセキュリティ脅威を特定・分析すること。
• 開発者や研究者が、導入後ではなく設計段階でセキュリティ問題を能動的に解決できるように導くこと。
• NEF や N4 といった新しいインターフェース、および 5G E2E システムにおける仮想化ネットワーク関数のセキュリティの重要性を強調すること。

提案手法

• NG-RAN、vEPC、MEC、SDN、NFV、およびネットワークスライシングを統合した構造的 5G E2E アーキテクチャフレームワークを提案する。
• ネットワークスライシングのライフサイクルと動作を分析し、共有および非共有の NSSI および NF インスタンスを含む。
• SDN と NFV が、特に集中型制御と仮想化関数を通じてネットワークの柔軟性と隔離を実現する役割を検討する。
• 複数のレイヤーにわたるセキュリティ脅威を特定：NEF メッセージのなりすまし、N4 インターフェースにおける暗号化されていない通信、SDN コントローラーの改ざん、データプレーン攻撃（ARP フラッド、LLDP なりすまし、ホスト追跡乱用）。
• 4 つの MANO 実装を評価し、セキュリティ統合のギャップを特定するために ONAP を焦点としている。
• ネットワーク露出関数（NEF）や仮想化されたベースバンドユニット（BBU）といった新しい 5G コンponents に対して脅威モデリングを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様なバーチカル産業サービスをサポートするため、完全な 5G エンドツーエンドアーキテクチャをどのように構築できるか？
• RQ2 特に NEF と N4 インターフェースに注目した vEPC における主なセキュリティ脅威は何か？
• RQ3 SDN に基づく制御とプログラマビリティは、5G ネットワークにどのような新しい攻撃ベクトルをもたらすか？
• RQ4 5G デプロイメントにおける仮想化ネットワーク関数と MANO プラットフォームに関連するリスクは何か？
• RQ5 セキュリティを導入後に追加するのでなく、5G アーキテクチャ段階で能動的に統合するにはどうすればよいか？

主な発見

• 5G E2E アーキテクチャは、eMBB、URLLC、mMTC のユースケースをサポートするために、NG-RAN、vEPC、MEC、SDN、NFV、およびネットワークスライシングに依存している。
• NEF は内部ネットワーク関数を外部システムに公開する役割を果たすため、重要なセキュリティ表面をもたらし、メッセージのなりすましや改ざんに対して脆弱である。
• 現在の設計では、UPF と AMF 間の N4 インターフェースは暗号化されていないため、データの盗聴や改ざんのリスクがある。
• SDN の集中型制御モデルは単一障害点を生じさせ、ネットワーク全体を標的にする攻撃者にとって高価値の標的となる。
• ARP フラッド、ホスト追跡乱用、LLDP なりすましといったデータプレーン攻撃は、中間者攻撃やトラフィック乗っ取りを引き起こす可能性がある。
• 本論文は、ONAP を含む既存の MANO プラットフォームが十分なセキュリティハードニングを欠いており、将来的なセキュリティソリューション開発の機会を生んでいると特定している。