[논문 리뷰] Guidelines for 5G End to End Architecture and Security Issues

Ta-Hao Ting, Tsung-Nan Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 21.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 8인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 슬라이싱, 가상화된 에볼루션드 패킷 코어(vEPC), 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN), 네트워크 기반 가상화(NFV), 그리고 MEC를 강조하며 5G 엔드 투 엔드(E2E) 네트워크 아키텍처에 대한 종합적인 개요를 제공한다. 네트워크 기반 함수(NEF), N4 인터페이스, SDN 컨트롤러, 가상화된 기능 등 구성 요소 전반에 걸친 핵심 보안 위협을 규명하고, 체계적 취약성을 방지하기 위해 아키텍처 단계에서 사전 보안 설계를 촉구한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기능적 구성 요소와 보안 고려사항을 통합한 종합적인 5G 아키텍처 개요가 부족한 점을 보완하기 위해.
• vEPC, SDN, 네트워크 슬라이싱 등 주요 5G 구성 요소 전반에 걸친 잠재적 보안 위협을 식별하고 분석하기 위해.
• 개발자와 연구자들이 구현 후 단계가 아닌 설계 단계에서 보안 문제를 사전에 해결할 수 있도록 안내하기 위해.
• NEF 및 N4와 같은 새로운 인터페이스와 5G E2E 시스템 내 가상화된 네트워크 기능의 보안 중요성을 부각하기 위해.

제안 방법

• NG-RAN, vEPC, MEC, SDN, NFV, 네트워크 슬라이싱을 통합한 체계적인 5G E2E 아키텍처 프레임워크를 제안한다.
• 네트워크 슬라이싱의 수명 주기 및 행동을 분석하며, 공유 및 비공유 NSSI 및 NF 인스턴스를 포함한다.
• 중앙집중식 제어 및 가상화된 기능을 통해 네트워크의 유연성과 격리성을 가능하게 하는 SDN 및 NFV의 역할을 검토한다.
• 다중 계층에서의 보안 위협을 규명한다: NEF 메시지 위조, N4 인터페이스의 암호화되지 않은 통신, SDN 컨트롤러의 해킹, 데이터 평면 공격(ARP 폭주, LLDP 위조, 호스트 추적 오용).
• 네 가지 MANO 구현체를 평가하며, 보안 통합 측면에서 ONAP에 초점을 맞춰 격차를 분석한다.
• 네트워크 노출 기능(NEF) 및 가상화된 백홀 유닛(BBU)과 같은 신규 5G 구성 요소에 위협 모델링을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 수직 산업 서비스를 지원하기 위해 어떻게 종합적인 5G 엔드 투 엔드 아키텍처를 구성할 수 있는가?
• RQ2 특히 NEF 및 N4 인터페이스에 대한 vEPC에서의 핵심 보안 위협은 무엇인가?
• RQ3 SDN 기반 제어 및 프로그래머블성은 5G 네트워크에 어떤 새로운 공격 벡터를 도입하는가?
• RQ4 5G 구현에서 가상화된 네트워크 기능과 MANO 플랫폼과 관련된 위험 요소는 무엇인가?
• RQ5 보안을 구현 후에 통합하는 것이 아니라, 5G 아키텍처 단계에서 어떻게 사전에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 5G E2E 아키텍처는 eMBB, URLLC, mMTC 사용 사례를 지원하기 위해 NG-RAN, vEPC, MEC, SDN, NFV, 네트워크 슬라이싱에 의존한다.
• NEF는 내부 네트워크 기능을 외부 시스템에 노출시키는 역할를 하므로, 메시지 위조 및 변조 공격에 취약한 중요한 보안 표면을 제공한다.
• 현재 설계에서 UPF와 AMF 사이의 N4 인터페이스는 암호화되어 있지 않아 데이터 유출 및 변조 위험이 존재한다.
• SDN의 중앙집중식 제어 모델은 단일 장애 지점이 되며, 전체 네트워크를 해킹하려는 공격자에게 높은 가치의 대상이 된다.
• ARP 폭주, 호스트 추적 오용, LLDP 위조와 같은 데이터 평면 공격은 중간자 공격 및 트래픽 가로채기로 이어질 수 있다.
• 논문은 기존 MANO 플랫폼(예: ONAP 포함)이 충분한 보안 강화를 하지 못하고 있어 향후 보안 솔루션 개발에 기회를 제공하고 있음을 규명한다.