[논문 리뷰] A Tutorial on Trusted and Untrusted non-3GPP Accesses in 5G Systems -- First Steps Towards a Unified Communications Infrastructure

Mario Teixeira Lemes, Alberti, Antonio Marcos외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 18.

IPv6, Mobility, Handover, Networks, Security인용 수 2

한 줄 요약

이 튜토리얼은 5G 시스템에서 신뢰할 수 있는 및 신뢰할 수 없는 비3GPP 액세스에 대한 종합적인 개요를 제시하며, WLAN을 통한 인증, 승인 및 사용자 평면 세션 설정을 상세히 설명한다. 이는 비3GPP 기반의 완전한 기능 구현을 보여주며, 설정 시간, 메시지 수, 프로토콜 오버헤드와 같은 성능 메트릭을 평가함으로써 기존 장치 및 IoT 장치가 5GCN에 원활하게 통합될 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Fifth-generation (5G) systems are designed to enable convergent access-agnostic service availability. This means that 5G services will be available over 5G New Radio air interface and also through other non-Third Generation Partnership Project (3GPP) access networks, e.g., IEEE 802.11 (Wi-Fi). 3GPP has recently published the Release 16 that includes trusted non-3GPP access network concept and wireless wireline convergence. The main goal of this tutorial is to present an overview of access to 5G core via non-3GPP access networks specified by 3GPP until Release 16 (i.e., untrusted, trusted, and wireline access). The tutorial describes aspects of the convergence of a 5G system and these non-3GPP access networks, such as the authentication and authorization procedures and the data session establishment from the point of view of protocol stack and exchanged messages between the network functions. In order to illustrate several concepts and part of 3GPP specification, we present a basic but fully operational implementation of untrusted non-3GPP access using WLAN. We perform experiments that demonstrate how a Wi-Fi user is authorized in a 5G core and establishes user plane connectivity to a data network. Moreover, we evaluate the performance of this access in terms of time consumed, number of messages, and protocol overhead to established data sessions.

연구 동기 및 목표

• 비3GPP 기반 액세스 통합에 대한 통합적 이해를 제공함으로써 5G 커널 네트워크(5GCN) 내에서 비신뢰, 신뢰, 유선 액세스를 포함한다.
• 비3GPP 액세스 동안 인증, 승인 및 세션 설정 중 프로토콜 스택 상호작용 및 메시지 교환을 설명한다.
• Wi-Fi(WLAN) 및 5GCN를 사용하여 비신뢰 비3GPP 액세스의 완전한 기능 프로토타입을 구현한다.
• 설정 시간, 메시지 수, 프로토콜 오버헤드 측면에서 비신뢰 비3GPP 액세스의 성능을 평가한다.
• 릴리스 17 및 향후 5GCN 융합 및 프로토콜 설계를 위한 향후 연구를 지원한다.

제안 방법

• 3GPP 릴리스 16 사양을 활용하여 5GCN 내 비신뢰 및 신뢰 비3GPP 액세스 절차를 정의한다.
• 사용자 인증 및 이동성 관리에 대해 WLAN을 통해 확장 가능한 인증 프로토콜(EAP) 및 NAS 신호를 활용한다.
• 오픈소스 5GCN 구성 요소와 WLAN 액세스 포인트를 사용하여 실제 환경 구현을 시뮬레이션하는 개념증명(PoC)을 구현한다.
• 제어 및 사용자 평면 분離(CUPS) 아키텍처를 적용하여 5GCN 내 제어 및 사용자 평면 기능을 분리한다.
• 사용자 평면 경로 설정 및 QoS 강제화를 위해 PFCP(패킷 포워딩 제어 프로토콜)를 사용한다.
• UE와 네트워크 기능 간의 안전한 신호 및 데이터 전송을 위해 IKEv2 및 IPSec을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비3GPP 호환 장치가 WLAN을 통해 비신뢰 비3GPP 액세스를 통해 5GCN에 액세스하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ2 비신뢰 비3GPP 액세스에서 인증, 승인 및 세션 설정을 위한 핵심 프로토콜 상호작용 및 메시지 흐름은 무엇인가?
• RQ3 비신뢰 비3GPP 액세스를 통한 데이터 세션 설정의 성능 오버헤드(설정 시간, 메시지 수, 프로토콜 부하)는 어떻게 되는가?
• RQ4 신호 및 보안 아키텍처 측면에서 신뢰 비3GPP 액세스는 비신뢰 액세스와 어떻게 다를까?
• RQ5 무선-유선 융합의 영향은 향후 5G 및 6G 네트워크 아키텍처에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• Wi-Fi에 연결된 UE와 5GCN 간 사용자 평면 연결이 N3IWF 기능을 통해 성공적으로 설정되어 종단 간 기능성을 입증하였다.
• 비신뢰 비3GPP 액세스를 통한 데이터 세션 설정 평균 시간은 약 1.2초로 측정되었으며, 이는 인증 및 세션 설정을 포함한다.
• 전체 세션 설정 과정 동안 총 24개의 메시지가 교환되었으며, 이는 EAP, NAS 및 PFCP 신호를 포함한다.
• 프로토콜 오버헤드는 중간 수준으로 평가되었으며, 총 신호 메시지의 15%가 보안 및 인증(EAP, IKEv2)과 관련이 있었다.
• 신뢰 비3GPP 액세스는 공중 링크를 통한 NAS 신호 없이 직접 5GCN에 액세스할 수 있어 지연 시간을 감소시키고 비3GPP 호환 장치의 보안성을 향상시킨다.
• 결과는 기존 장치 및 IoT 장치가 비3GPP 액세스를 통해 5GCN에 통합될 수 있음을 검증하며, 향후 5G 및 6G 융합 목표를 지원한다.