在上篇文章中我們介紹了5G安全體系結構及3GPP 5G規范安全需求及實現，本篇文章將繼續為大家解讀5G的安全挑戰和潛在漏洞以及LTE協議漏洞利用對5G的影響。

四、5G的安全挑戰和潛在漏洞

在第二章和第三章中我們已經分析過，5G移動網絡實現了類似于LTE系統的安全架構，并在建立信任和安全性方面與之相比有了明顯的提升。準5G通信系統的所有安全功能都基于對稱密鑰，這些密鑰安全地存儲在SIM和HSS中。基于共享密鑰Ks，4G UE可以認證網絡的合法性，同時網絡也可以認證UE。加密保護和完整性保護的密鑰是從Ks派生的。基于此的對稱密鑰安全體系結構會導致通信終端(UE)在NAS附加密碼握手(NAS Attach Cryptographic Handshake)之前無法驗證交換的任何信息的真實性和有效性。這一點，也被廣泛認為是造成大多數已知LTE協議漏洞利用的根本原因。

在5G安全體系結構中，有效應對了這一預認證消息的挑戰，并使得IMSI捕獲器在5G通信環境中失效。通過引入運營商公鑰和證書的概念，5G系統基于5G PKI架構的保護，提供了終端用戶和移動運營商建立根信任的工具。借助燒錄到SIM卡中的公鑰和證書，運營商可以使用他們的密鑰來生成和簽署消息，并且這些消息可以被UE驗證。此外，5G UE能對其自身進行識別，而無需完全公開SUPI。

這種新的安全框架和體系結構被認為是保護新興5G移動網絡的基礎。但是，我們對其安全體系結構進行了更深入的分析，隨后發現了仍需解決的一些安全漏洞。下面的表格中列出了一些5G的安全挑戰，以及其根本原因和造成的影響。包括LTE在內的任何通信協議，無論其安全體系有多強大，無論加密算法的復雜程度有多高，但只要存在一個邊緣情況或不安全功能，整個系統的安全性都會瞬間瓦解。例如，在LTE中，IMSI應該僅在移動電話第一次開機時才會發送，但是存在這樣的情況：網絡可以通過預認證消息，請求UE使用IMSI識別其自身。

只有在全球范圍內都保證5G規范的合規，5G的安全基礎架構才具有可靠保障。這要求運營商必須在每一張SIM卡中內置所有國家中全部運營商的公鑰或證書。然而，更有可能的是，一些運營商不會實施全部5G安全功能，或者根據3GPP TR 33.899的要求嚴格執行，不實施其范圍之外的要求。此外，預計還有一些國家會禁用某些特定國家或運營商的證書，目前已經有這樣實踐的案例。綜上所述，全球采用并嚴格實施5G安全功能和實現的可能性極小。

由于SIM卡不會保存所有移動運營商和國家的公鑰或證書，因此UE和運營商有兩個選擇：一是明確阻止不存在相應信息的運營商，同時也要處理由此產生的公關和輿論影響;二是允許這種邊緣情況存在，同時也就意味著對整體的安全性產生了一定影響。而5G安全規范采用的是后者，明確規定：如果沒有為用戶的USIM提供服務網絡，那么用戶身份將不受傲虎。值得注意的是，這也就意味著，在5G中仍有可能捕獲到IMSI或SUPI。

此外，除了是否能有效實施PKI之外，研究人員已經發現了5G所定義的加密操作中的一個漏洞。研究人員使用驗證工具來分析5G AKA算法，最終證明該協議未能滿足要求中明確的若干安全目標。該研究還表明，5G協議缺乏其他一些關鍵的安全屬性。這些發現都給5G帶來了壓力。與LTE的情況不同，大多數安全研究過程中發現的協議缺陷都是在協議被定義、實施、全球范圍內部署之后才發現的，而此次5G的漏洞則是在規范編寫期間發現的漏洞，并且許多安全研究社區仍然在致力于漏洞的尋找。

五、LTE協議漏洞利用對5G的影響

LTE安全架構旨在應對前幾代規范中存在的問題。第一代移動網絡(1G)缺乏對加密的支持，這是引入2G數字移動通信的主要原因之一。舊版2G網絡不支持相互身份驗證，并且使用了過時的加密算法。如今，隨著基站和UE協議棧的開源，越來越多研究人員可以比以前更輕松地發現移動通信系統漏洞。LTE使用了更強的加密算法，并加入了UE與eNodeB之間的顯式相互認證，從而實現特定功能，以保證移動網絡和消息的機密性和不可抵賴性。這使得4G LTE與前幾代相比更加安全。

然而，LTE中也存在漏洞，并且該漏洞已經存在了一段時間，盡管直到近期才被公開討論。由于該標準具有開放性，同時也有很多SDR軟件庫可以被研究人員使用，所以產生了許多出色的LTE安全性分析成果。盡管LTE的加密算法和相互認證更為強大，但UE和基站會交換大量的預認證信息，這些消息可被利用來發起拒絕服務(DoS)攻擊、捕獲IMSI或將連接降級到不安全的GSM鏈路。此外，研究人員還發現了LTE中新的隱私泄露和位置泄露問題。下表中總結了過去幾年中確認的一些主要LTE協議漏洞，并分析這些漏洞會如何影響5G網絡。

大多數LTE協議的安全漏洞，是由3GPPP的安全工作組進行研究和分析。作為該研究的成果，5G移動網絡的具體安全目標是：解決IMSI捕獲問題、預認證消息漏洞和位置泄露漏洞。但5G移動網絡中沒有考慮利用無線網絡臨時標識符(RNTI)的設備和用戶跟蹤，因為RNTI理論上是用于防止隱私泄露的臨時ID。然而，最近的研究表明，通過RNTI可以對用戶進行跟蹤。

在LTE協議規范中，還發現了存在漏洞的邊緣情況，盡管這種情況很少出現，但仍然受到協議的支持。舉例來說，盡管UE不太可能使用其IMSI作為標識符來發送附加請求信息，但協議描述了發生這種情況的特定場景。例如，當EPC丟失了UE的TMSI時，在網絡從錯誤中恢復的過程中，網絡就可以觸發移動設備，使其能夠以明確的IMSI重新發送附加請求消息。簡而言之，大多數常用的LTE協議漏洞利用都是由于支持不安全邊緣情況的協議，并且在建立安全連接之前對UE默認信任而產生的。

同樣，正如本文所分析的，5G規范根據前幾代中存在的挑戰，定義了新的安全功能。盡管這些安全功能非常復雜，并且能夠抵御攻擊者，但5G協議中依然包含許多支持的邊緣情況，在這些情況下可以繞過所有安全功能。如第四章中所述，只要有一個運營商或國家不遵守規范，那么全世界范圍內的5G UE都有可能遭受到欺騙攻擊，從而進入到不安全的通信模式。

5G的安全規范忽略了一些大多數安全功能都實現的細節。例如，如何對用戶USIM中運營商公鑰進行管理，這一點就不在規范的范圍之內。同樣，證書的結構、是否對密鑰進行旋轉以及如何旋轉，這些也沒有包含在規范內。此外，由于5G支持零加密和零完整性保護，導致進入到不安全的通信模式，攻擊者可以像LTE那樣對其進行漏洞利用。

六、總結

隨著通信技術的不斷發展，如今即將步入5G時代，無線通信安全也顯得至關重要。最常用的語音通話、大量的即時數據傳輸和控制通信系統，這些都對用戶數據的完整性和隱私性有比較嚴格的要求。此外的一些應用，例如戰術通信、第一響應自組織網絡和執行關鍵任務的物聯網，同樣有較高安全性的需求。

本文對近期發布的5G規范進行了深入分析，并強調了在規范中存在不能實際落地的要求，從而會導致一些不安全的邊緣情況。盡管其目標是解決LTE網絡已知的安全漏洞，但實際上5G規范仍然可能受到相同類型的對抗性攻擊。

最重要的一點，是要保證5G標準不支持不安全的邊緣情況。特別是，在任何情況下都不應該允許零認證、零加密、降級攻擊和IMSI/SUPI捕獲。安全機制如果想要取得成功，不能依賴于不可實際落地的要求，也不能允許可選的實現。盡管5G安全架構已經在防止隱私泄露這一方面取得了重大飛躍，但仍需要安全研究人員和開發人員來解決移動通信系統的已知漏洞和新發現漏洞。標準化機構、研究人員、監管機構、通信行業需要共同努力，以實現未來移動通信與控制系統的安全設計、安全開發和安全部署。