5G安全揭秘：深入解析注册协议

TL;DR：尽管5G相比前代技术具有更先进的安全架构，但其注册协议仍存在独特的安全挑战。本文剖析5G用户设备初始注册到5G核心网时的无线安全基础，演示如何测试注册协议中的漏洞，并重点介绍部署5G技术时的关键安全考量。

5G安全现状

5G技术正快速渗透多个行业领域。主要运营商已实现全国范围覆盖，运营技术公司正从Wi-Fi转向5G，AWS等云服务商也开始提供5G即服务。预计到2030年，80%的移动数据流量将通过5G网络传输，约为当前使用率的两倍。

尽管5G在速度、可靠性和安全选项方面显著提升，但传统测试方法面临独特挑战：

射频传输的监管限制及FCC法规下的合法监听要求
缺乏标准化安全测试框架（不存在"5G版OWASP Top 10"）
公开漏洞研究的详细资料有限
全面测试所需设备成本高昂

此外，当前大部分5G基础设施仍运行在基于4G的非独立组网模式。向5G独立组网（5G SA）的转型将引入需要关注的新攻击面。

5G网络架构解析

5G架构主要由三个核心组件协同提供连接服务：

用户设备（UE） 作为连接蜂窝网络的物理设备，涵盖智能手机、物联网设备到工业设备等。 无线接入网（RAN） 提供连接UE与核心网的基础设施，主要由处理无线传输的gNB（下一代基站）组成。 5G核心网 作为网络"大脑"，处理数据、管理注册流程并路由流量至正确目的地。

在5G核心网中，接入和移动管理功能（AMF）在注册过程中起关键作用。AMF如同网络空中交通管制中心，接收连接请求、分析并引导流量流向。

5G注册协议详解

设备连接5G网络时，注册流程通过以下关键步骤实现用户认证和安全通信建立：

注册请求 - UE向5G核心网发起连接，包含SUCI（订阅隐藏标识符）而非明文标识符
认证请求/响应 - 5G核心网通过RAND和AUTN值挑战UE，UE使用订阅密钥计算RES*响应
安全模式命令/完成 - 建立UE与AMF间的完整性保护和加密机制
PDU会话建立 - 设置IP地址、服务质量等通信参数

所有步骤均通过NAS（非接入层）消息在UE与gNB间的AS（接入层）传输信道承载。但NAS安全机制直到第3步才激活。

这意味着第1-2步（注册请求和认证消息）在无完整性保护和加密状态下传输。该间隙存在关键漏洞窗口，攻击者可利用未受保护的信令进行攻击。

关键安全漏洞

通过3GPP技术规范（如TS 30.511和TS 33.512）的系统性分析，我们在典型5G核心网设置（基于Open5Gs默认部署）中测试发现以下关键问题：

SUPI泄露风险

5G使用应加密为SUCI的订阅永久标识符（SUPI）替代4G的IMSI。SUCI应由USIM使用预置的公钥计算后传输。但当USIM未正确实施该保护时，唯一标识符的暴露会导致持续用户追踪。这对移动用户构成重大隐私威胁。

空加密与弱完整性利用

5G支持的加密算法从EEA0（空加密）到EEA7，完整性算法从EIA0（空完整性）到EIA7。EEA0完全不提供保密性，EIA0无完整性保护。

研究发现的关键缺陷：

设备可在非紧急情况下请求空加密（EEA0）和空完整性（EIA0），5G核心网应拒绝此类请求
初始注册消息默认缺乏完整性保护，配置不当可能被篡改
攻击者可通过伪基站实施"降级攻击"，强制UE回退到不安全协议

重放攻击

重放攻击发生在攻击者捕获合法5G信令消息并重新发送时。利用开源工具5GReplay，我们编写以下规则测试注册请求重放：

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<beginning> 
  <property value="THEN" 
            property_id="101" 
            type_property="FORWARD" 
            description="Forward InitialUEMessage with Registration Request"> 
    <event value="COMPUTE" 
           event_id="1" 
           description="Trigger: InitialUEMessage" 
           boolean_expression="ngap.procedure_code == 15"/> 
    <event value="COMPUTE" 
           event_id="2" 
           description="Context: Registration Request" 
           boolean_expression="nas_5g.message_type == 65"/> 
  </property> 
</beginning>

更高级的工具如Sni5Gect支持实时拦截、修改和注入5G控制平面消息，特别适用于测试降级攻击。

自动化攻击工具

为协助识别加密算法和SUPI泄露，我们开发了监听5G流量的内部工具。测试环境示例如下：

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$ ./snoopy --live lo 
Listening... 
Encyrption in use [EEA0] 
Integrity in use [EIA0, EIA1, EIA2] 
SUPI (MCC+MNC+MSIN) 9997000000001 

5G环境测试建议

组织应重点测试以下领域：

注册协议分析：持续检查UE与核心网间的通信流程，重点关注未受保护的初始消息
安全能力强制：验证核心网是否正确拒绝弱安全配置请求
SUCI实施测试：确认设备始终正确加密标识符

安全部署建议

基于研究发现，建议实施以下关键措施：

配置5G核心网拒绝空算法连接，防止降级攻击
强制使用SUCI，监控网络流量中的SUPI暴露
部署伪基础设施检测机制，实施网络分段和访问控制
建立定期安全测试程序，持续识别新漏洞类型

结论

5G虽带来显著安全提升，但其注册协议中的可 exploited 漏洞需立即关注。通过安全控制的正确实施和持续评估，可在实现5G增强能力的同时有效管控无线通信技术固有风险。

5G注册协议安全解析：漏洞挖掘与防护实践

本文深入解析5G注册协议的安全机制，揭示SUPI泄露、空加密漏洞、重放攻击等关键风险，提供实际测试方法和防护建议。通过Open5Gs实验环境演示漏洞利用过程，帮助组织构建更安全的5G网络部署方案。