[論文レビュー] 5G System Security Analysis

Gerrit Holtrup, William Lacube+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、STRIDE脅威モデルを用いて5Gネットワークの体系的リスク分析を実施し、非スタンドアロン（NSA）およびスタンドアロン（SA）5Gアーキテクチャの両方で12の主要な脅威シナリオを同定した。4Gから引き継がれるセキュリティ上の弱み、特にNSAデプロイメントにおける脆弱性を評価し、無線アクセス、コアネットワーク機能、および鍵管理における脆弱性に対する緩和策を提案。ユーザーのプライバシーとシステム整合性を保護するため、エンドツーエンド暗号化と強固な認証の必要性を強調している。

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.

研究の動機と目的

• 非スタンドアロン（NSA）デプロイメントが4Gコアネットワークを引き続き使用するという点に焦点を当て、5Gネットワークのセキュリティポリシーを分析すること。
• 5Gシステムにおける脅威を、無線アクセスおよびコアネットワークコンponentsの両方の側面からSTRIDE脅威分類モデルを用いて同定・評価すること。
• 4Gセキュリティ脆弱性が5G NSAデプロイメントに残存する影響、特に認証、鍵管理、暗号化に関する影響を評価すること。
• 同定された脅威に対する実用的な緩和策およびセキュリティ制御を提案すること。具体的にはエンドツーエンド暗号化、セキュアブートメカニズム、ネットワーク機能のハードニングを含む。
• ユーザーの干渉が限られる低消費電力M2Mおよび超信頼性低遅延通信（URLLC）におけるリスクを強調すること。

提案手法

• 12の脅威シナリオを5Gシステムに分類するために、STRIDE脅威モデル（すり替え、改ざん、否認、情報漏洩、サービス拒否、特権の昇格）を適用した。
• UICC、gNB、5GCネットワーク機能、およびN2、N3、N4などのインターフェースを含む、特定の5Gネットワークコンponentsに脅威シナリオをマッピングした。
• 各脅威シナリオについて、実行可能性とシステム影響の定性的な評価に基づき、発生確率と影響度のスコアを用いてリスクマトリクスを構築した。
• NASおよびRRCレイヤーにおける実装状況を評価するために、AES、ECDH、ECIES、AEADなどの暗号メカニズムを評価した。
• 特に仮想化された5GC環境において、IPSecとセキュアブートがネットワーク機能間通信を保護する役割を分析した。
• SDRベースのテストベッドおよびインストルメンテッドUEを用いて、整合性保護や暗号化などのセキュリティ制御の実世界での実装状況を評価するための検証手法を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4Gセキュリティ脆弱性は、レガシーEPCコアに依存する5G非スタンドアロン（NSA）デプロイメントにおいて、どの程度引き続き存在するか。
• RQ2 ネットワークスライシングや仮想化ネットワーク機能といった新しい5G機能は、4Gと比較してどのように新たな攻撃表面を生じさせるか。
• RQ3 gNB、UE、または5GCネットワーク機能におけるハードウェアまたはソフトウェアの脆弱性を介した鍵抽出攻撃のリスクインパクトは何か。
• RQ4 現在の5Gセキュリティ制御（例：NASおよびRRCの整合性保護）は、アイデンティティの漏洩や追跡を防ぐのにどの程度効果的か。
• RQ5 実際の5Gデプロイメントにおいて、運用者が制御する暗号化および整合性設定の影響は、ユーザーのプライバシーとデータ機密性にどのような意味を持つのか。

主な発見

• 多くの5G NSAデプロイメントは、EPCコアネットワークの継続的使用に起因し、IMEI/PEIの追跡や認証鍵の漏洩といった4G時代の脅威に対して依然として脆弱である。
• ハードウェアセキュリティモジュール（HSM）やセキュアブートメカニズムが適切に実装されていない場合、デバイス鍵抽出（TS_03）やgNBファームウェア改ざん（TS_08）といった脅威シナリオは実現可能である。
• 制御プレーンメッセージ（例：NASおよびRRC）にエンドツーエンド暗号化および整合性保護が実装されていない場合、ユーザー平面のデータが暗号化されていても、ユーザーのアイデンティティ追跡やすり替えが可能になる。
• 運用者がパフォーマンス向上のため、NASの整合性保護などのセキュリティ制御を無効化する可能性があり、これによりIMEIの露出やサブスクライバーの追跡リスクが増加する。
• 物理的ネットワークセキュリティのみで保護されているネットワーク機能間通信は、IPSecが強制されていない場合、特に傍受の対象となり得る。
• 実際のネットワークにおけるセキュリティ制御の実装状況の検証には、SDRベースのテストUEおよびインストルメンテッドネットワークプローブを用いたアクティブなテストが必要であり、誤設定や保護機能の欠如を検出できる。