[논문 리뷰] 5G System Security Analysis

Gerrit Holtrup, William Lacube외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 19.

Advanced Authentication Protocols Security참고 문헌 2인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 STRIDE 위협 모델을 사용하여 5G 네트워크의 체계적 위험 분석을 수행하며, 비표준(Non-Standalone, NSA) 및 표준(Standalone, SA) 5G 아키텍처 전반에서 12개의 핵심 위협 시나리오를 규명한다. 4G에서 유래된 보안 취약성을 특히 NSA 배포에서 분석하고, 무선 접근, 코어 네트워크 기능 및 키 관리 분야의 취약성에 대한 대응 조치를 제안하며, 사용자 프라이버시와 시스템 무결성을 보호하기 위해 종단 간 암호화와 강력한 인증 수단의 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

Fifth generation mobile networks (5G) are currently being deployed by mobile operators around the globe. 5G acts as an enabler for various use cases and also improves the security and privacy over 4G and previous network generations. However, as recent security research has revealed, the standard still has security weaknesses that may be exploitable by attackers. In addition, the migration from 4G to 5G systems is taking place by first deploying 5G solutions in a non-standalone (NSA) manner where the first step of the 5G deployment is restricted to the new radio aspects of 5G, while the control of the user equipment is still based on 4G protocols, i.e. the core network is still the legacy 4G evolved packet core (EPC) network. As a result, many security vulnerabilities of 4G networks are still present in current 5G deployments. This paper presents a systematic risk analysis of standalone and non-standalone 5G networks. We first describe an overview of the 5G system specification and the new security features of 5G compared to 4G. Then, we define possible threats according to the STRIDE threat classification model and derive a risk matrix based on the likelihood and impact of 12 threat scenarios that affect the radio access and the network core. Finally, we discuss possible mitigations and security controls. Our analysis is generic and does not account for the specifics of particular 5G network vendors or operators. Further work is required to understand the security vulnerabilities and risks of specific 5G implementations and deployments.

연구 동기 및 목표

• 비표준(Non-Standalone, NSA) 배포가 기존 4G 코어 네트워크를 유지하는 데 중점을 두고 5G 네트워크의 보안 상태를 분석하기 위해.
• 5G 시스템의 보안 위협을 무선 접근 및 코어 네트워크 구성 요소 전반에 걸쳐 STRIDE 위협 분류 모델을 사용하여 식별하고 평가하기 위해.
• 4G 보안 취약성이 5G NSA 배포에서 지속되는 영향, 특히 인증, 키 관리 및 암호화 측면에서 평가하기 위해.
• 종단 간 암호화, 안전한 부팅 메커니즘, 네트워크 기능 강화와 같은 실용적인 대응 조치 및 보안 제어 조치를 제안하기 위해.
• 사용자 간섭이 제한되고 보안 제어 조치가 약화될 수 있는 저전력 M2M 및 초신뢰성 저지연 통신(URLLC) 분야의 위험을 부각하기 위해.

제안 방법

• 12개의 위협 시나리오를 5G 시스템에 적용하기 위해 STRIDE 위협 모델(Spoofing, Tampering, Repudiation, Information Disclosure, Denial of Service, Elevation of Privilege)을 사용하여 분류하였다.
• 특정 5G 네트워크 구성 요소, 즉 UICC, gNB, 5GC 네트워크 기능 및 N2, N3, N4 인터페이스 등에 위협 시나리오를 매핑하였다.
• 각 위협 시나리오에 대해 발생 가능성 및 영향도 점수를 기반으로 위험 매트릭스를 구성하였으며, 공격 가능성 및 시스템 영향의 정성 평가를 사용하였다.
• NAS 및 RRC 계층에서의 암호화 메커니즘, 즉 AES, ECDH, ECIES, AEAD를 평가하고, 그 구현 상태를 분석하였다.
• 특히 가상화된 5GC 환경에서 네트워크 기능 간 통신을 보호하기 위해 IPSec 및 안전한 부팅의 역할을 분석하였다.
• 실제 구현된 보안 제어 조치, 예를 들어 무결성 보호 및 암호화의 검증을 위해 SDR 기반 테스트베드 및 인스트루멘티드 UE를 사용한 검증 방법을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 비표준(Non-Standalone, NSA) 배포에서 기존 EPC 코어에 의존함에 따라 4G 보안 취약성이 얼마나 지속되는가?
• RQ2 5G의 새로운 기능, 예를 들어 네트워크 슬라이싱 및 가상화된 네트워크 기능은 4G에 비해 어떤 새로운 공격 표면을 제공하는가?
• RQ3 gNB, UE 또는 5GC 네트워크 기능에서 하드웨어 또는 소프트웨어 취약성으로 인한 키 추출 공격의 위험 영향은 무엇인가?
• RQ4 현재 5G 보안 제어 조치, 예를 들어 NAS 및 RRC 무결성 보호가 신원 유출 및 추적을 방지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 실제 5G 배포 환경에서 운영자가 제어하는 암호화 및 무결성 설정의 영향은 사용자 프라이버시와 데이터 기밀성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 많은 5G NSA 배포가 EPC 코어 네트워크를 계속 사용함에 따라 4G 시대의 위협, 예를 들어 IMEI/PEI 추적 및 인증 키 泄露에 취약하다.
• 장치 키 추출(TS_03) 및 gNB 펌웨어 위협(TS_08)과 같은 위협 시나리오는 하드웨어 보안 모듈(HSM) 또는 안전한 부팅 메커니즘이 적절히 구현되지 않은 경우 실현 가능하다.
• 제어 평면 메시지(NAS 및 RRC 포함)에 종단 간 암호화 및 무결성 보호가 없으면, 사용자 평면 데이터가 암호화되어 있더라도 사용자 신원 추적 및 위조 공격이 가능하다.
• 운영자가 성능 향상을 위해 보안 제어 조치, 예를 들어 NAS 무결성 보호를 비활성화할 수 있으며, 이는 IMEI 노출 및 사용자 추적 위험을 증가시킨다.
• 물리적 네트워크 보안만으로 보호되는 네트워크 기능 간 통신은 IPSec이 강제되지 않는 경우 특히 가로채기 공격에 취약하다.
• 실제 네트워크에서 보안 제어 조치의 구현 여부를 검증하기 위해서는 SDR 기반 테스트 UE 및 인스트루멘티드 네트워크 프로브를 사용한 활성 테스트가 필요하며, 잘못된 설정 및 누락된 보호 조치를 탐지할 수 있다.