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La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 1

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 3

La sécurité des réseaux mobiles – Part 4

II-3) La sécurité sur le réseau 5G

Le réseau 5G exploite les protocoles de sécurité pour l’authentification et la mise en sécurité des données comme en 4G.

Toutefois, l’abandon du protocole DIAMETER au profit du protocole http2 nécessite l’ajout de nouvelles entités afin de garantir une sécurité entre le réseau home et les réseaux visités avec l’architecture SBA (se référer à l’article :

http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2021/02/26/architecture-sba-du-reseau-5g-microservices-et-soa/).

On distingue différents niveaux de sécurité :

• sur le réseau d’accès radio, le réseau 5G va étendre la sécurité sur l’accès radioélectrique WiFi ;
• sur le domaine réseau, le vecteur d’authentification calculé par l’entité UDM de l’opérateur Home (HE AV : Home Environment Authentication Vector) est modifié par la fonction AUSF afin d’être transmis au réseau visité ;
• sur l’interconnexion du réseau visité et du réseau nominal, un proxy de sécurité (SEPP) est déployer pour remplacer l’agent DIAMETER DEA permettant la mise en œuvre d’un tunnel sécurisé (certificat) entre le réseau Home et le réseau Visité.

L’authentification exploite soit l’algorithme 5G-AKA soit l’algorithme EAP-AKA’.

II-3-1) Authentification 5G-AKA

La procédure d’authentification AKA repose dans un premier temps sur l’identification du demandeur.
Dans le cas du réseau 4G, le mobile transmettait son identifiant IMSI.

Pour le réseau 5G, l’identité de la carte SIM transmise est soit le SUPI (Subscriber Permanent Identifier) soit le SUCI (Subscription Concealed Identifier).

L’authentification est basée sur le protocole AKA avec une clé symétrique K_i de 128 bits ou 256 bits. La clé Ki est sauvegardée dans la fonction ARPF (Authentication credential Repository and Processing Function) de l’entité UDM.

II-3-1-1) Procédure d’identification : amélioration de la sécurité en masquant l’identité IMSI

L’identité SUPI est similaire à l’identifiant IMSI : elle est composée d’un code pays MCC (Mobile Country Code), d’un code opérateur MNC (Mobile Network Code) et d’un identifiant unique par opérateur MSIN (Mobile Subscriber Identification Number).

L’identité SUCI est une version chiffrée du champ MSIN du SUPI. L’identité chiffrée est calculée par une méthode de chiffrement asymétrique hybride appelée ECIES (Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme). Ce chiffrement est réalisé par la carte UICC.

La fonction SIDF (Subscription Identifier De-concealing Function) implémentée au niveau de l’UDM à pour rôle de déchiffrer le SUCI à partir d’une clé publique. Une fois le SUCI déchiffrée, la fonction SIDF transmet l’identité SUPI à l’UDM afin de procéder à l’identification de la carte UICC.

La méthode ECIES s’appuie sur les travaux de Diffie-Hellman. Cette méthode permet de déchiffrer un message à partir de l’échange d’une clé publique (cf. figure 13).

La carte UICC crée une clé privée en générant un nombre aléatoire d_A. A partir de cette clé privée d_A, la carte UICC calcule une clé publique Q_A. La clé publique Q_A est calculée à partir de la clé privée et d’un gradient G correspond à la courbe elliptique (cf. paramètre secp256k1). La clé publique Q_A est transmise à la fonction SIDF.

La fonction SIDF calcule un nombre aléatoire r qui constitue sa clé privée. A partir de sa clé privée, la fonction SIDF calcule :

• sa clé publique R (par la même méthode que la carte UICC c’est-à-dire par le gradient G)
• une clé symétrique S. Cette clé est calculée à partir de son nombre aléatoire r et la clé publique Q_A.

La fonction SIDF transmet sa clé publique, ce qui permet à la carte UICC de dériver la clé symétrique S. Le site [10] présente l’algorithme sous Python.

Figure 17 : Le calcul de la clé de chiffrement pour le SUCI

A chaque demande d’enregistrement, l’identité privée et cachée SUCI est calculée à partir de l’identifiant SUPI mais l’algorithme de chiffrement garanti une valeur de SUCI différente à chaque fois. La méthode ECIES permet à la fois la confidentialité du demandeur mais en plus la non traçabilité. Toutefois, il a été montré qu’un attaquant pouvant identifier un téléphone et le tracer [11].

Lorsque la fonction SIDF a déchiffré le SUCI, l’entité UDM récupère l’identifiant SUPI. L’UDM démarre ainsi sa procédure d’authentification : l’UDM fournit un aléa RAND, le sceau d’authentification du réseau home AUTN, le résultat d’authentification attendue au niveau du mobile et une clé de dérivation KSEAF.

II-3-1-2) Procédure d’authentification : amélioration de la sécurité en authentifiant le client sur le réseau nominal

La procédure d’authentification en 5G est similaire à la procédure 4G, mais quelques différences permettent d’améliorer l’authentification dans le cœur de réseau.

En effet, l’authentification est contrôlée dans le réseau nominal, et le réseau nominal utilise l’identité du serveur visité SNid (Serving Network Identity) pour dériver une clé d’ancrage K_SEAF. Ainsi, la clé d’ancrage est spécifique au réseau visité. La clé K_SEAF joue le rôle de la clé K_ASME pour la 4G.

Le réseau de mobiles 5G a introduit une fonction d’ancrage de sécurité SEAF (Security Anchor Function) au niveau du réseau visité (couplée à la fonction AMF). La fonction SEAF peut rejeter l’authentification du mobile mais il fait confiance au réseau nominal du mobile pour accepter l’authentification.

L’authentificateur du réseau nominal est la fonction AUSF (Authentication Server Function). La fonction AUSF s’appuie sur le serveur d’authentification UDM (Unified Data Management) qui fournit le vecteur d’authentification dans l’environnement nominal HE AV (Home Environment Authentication Vector). Le vecteur d’authentification dans l’environnement nominal contient :

• l’aléa RAND ;
• le sceau d’authentification du réseau AUTN ;
• le résultat d’authentification RES ;
• la clé K_AUSF.

Le fonction AUSF transmet à la fonction AMF (du réseau nominal ou du réseau visité) le vecteur d’authentification AV qui contient l’aléa RAND, le sceau d’authentification AUTN, le résultat d’authentification hashé XRES et la clé d’ancage K_SEAF.  Cette différence par rapport à la méthode 4G-AKA constitue la méthode d’authentification 5G-AKA ou EAP-AKA’.

A l’instar des réseaux 3G/4G, le jeton d’authentification AUTN contient le numéro de séquence SQN et la clé d’anonymat AK.

La fonction AMF du réseau visité réalise une deuxième authentification. La clé d’ancrage K_SEAF est également utilisée par la fonction AMF lorsque le mobile s’accroche à un point d’accès WiFi. Grâce à la clé d’ancrage, il n’est plus nécessaire de réaliser une nouvelle procédure d’authentification lorsque le mobile, préalablement attaché sur le réseau 5G via l’accès 3GPP bascule sur un accès WiFi.

Ainsi, en 5G la procédure d’authentification 5G-AKA ou EAP-AKA’ peuvent être utilisées pour authentifier le mobile sur un réseau d’accès WiFi.

Figure 18 : La procédure d’authentification 5G [12]

A partir de la clé privée K_i et de l’aléa RAND, la fonction ARPF calcule :

• soit la clé de chiffrement C_K’ et la clé d’intégrité I_K’ si l’algorithme EAP-AKA’ est utilisée ;
• soit la clé K_AUSF si l’algorithme 5G-AKA est utilisée.

Pour l’algorithme 5G-AKA, la clé K_AUSF est transmise à la fonction AUSF.

Pour l’algorithme EAP-AKA’, les clés C_K’ et I_K’ sont transmises à la fonction AUSF. A partir de ces deux clés, la fonction AUSF dérive la clé K_AUSF.

A partir de la clé K_AUSF, la fonction AUSF dérive la clé K_SEAF.

Au cours de l’étape 6, la fonction AUSF effectue un hachage de la valeur d’authentification attendue. Le calcul est basé sur l’algorithme HMAC-SHA-256 et utilise l’identifiant SNid du réseau visité. Le mobile ayant connaissance de l’identifiant SNid pourra calculer la valeur hashée.

Une fois authentifié sur le réseau visité, la fonction AMF informe la fonction AUSF de la réussite de l’authentification. C’est à l’issu de cette première authentification que la clé K_SEAF sera transmise à la fonction SEAF. La fonction SEAF est réalisée par l’AMF.

L’architecture protocolaire de la station de base 5G est similaire à celle de la 4G, avec l’ajout d’une fonction SDAP pour la gestion de la QoS du trafic IP.

Ainsi, le chiffrement et l’intégrité du lien radioélectrique sont gérés par le protocole PDCP.

A l’issu de la phase d’authentification, à partir de la clé privée K_i et de l’aléa RAND :

• la fonction ARPF de l’entité UDM génère un aléa RAND, le résultat attendu XRES et le sceau d’authentification pour former le vecteur d’authentification HE AV
• la fonction ARPF de l’entité UDM calcule les clés C_K’ et I_K’ ou la clé K_AUSF à partir de la clé K_i et de l’aléa RAND;
• l’entité AUSF dérive la clé K_SEAF. La clé K_SEAF ne sera transmis uniquement à la fonction SEAF de l’AMF après que l’authentification ait abouti sur le réseau visité ;
• la fonction SEAF dérive la clé K_AMF;
• à partir de la clé K_SEAF, la fonction AMF dérive les clés K_NASenc, K_NASInt, K_gNB et la clé K_N3IWF;
• la clé K_gNB est transmise à l’entité gNB qui dérive les clés K_upint, K_upenc, k_RRCint, K_RRCenc.

Les clés de chiffrements utilisées sont :

• K_NASenc pour le chiffrement des messages NAS (UE <-> MME) ;
• K_upenc pour le chiffrement des messages de données sur l’interface radioélectrique ;
• K_RRCenc pour le chiffrement des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques.

Les clés d’intégrités utilisées sont :

• K_NASint pour la signature MAC des messages NAS (UE <-> MME) ;
• K_RRCint pour la signature des messages de contrôle (signalisation) sur l’interface radioélectriques ;
• Optionnellement (non mis en œuvre en 4G et optionnel en 5G), K_upint pour la signature des messages de données.

Figure 19 : La procédure d’authentification sur le réseau 5G

1. L’authentification sur le réseau 2G

Sur le réseau 2G, le serveur d’authentification est l’entité HLR (Home Location Register). La fonction AuC (Authentification Center, fonction d’authentification du HLR), génère un numéro aléatoire aléa RAND sur 128 bits qui constitue le défi (figure 1).

Le protocole d’authentification utilisé dans les réseaux GSM repose sur l’algorithme COMP128. L’algorithme COM128 implémente deux fonctions : la fonction A3 pour l’authentification et la fonction A8 permettant de dériver la clé de chiffrement. Les fonctions A3 et A8 ne sont pas normalisées, ce qui signifie que les opérateurs sont libres d’utiliser des algorithmes propriétaires non publics.

A partir du numéro aléatoire RAND et de la clé privée K_i, la fonction A3 calcule un résultat nommé SRES sur 32 bits, et la fonction A8 calcule une clé K_c de longueur 64 bits (figure 1).

Figure 1 : L’algorithme COMP128

L’entité HLR transmet le triplet d’authentification (RAND, SRES, K_c) à l’authentificateur VLR/MSC (Visitor Local Register/Mobile Switch Center – commutateur mobile). L’authentificateur MSC transmet l’aléa RAND à la carte UICC du mobile pour que ce dernier calcule le code d’authentification MAC (Message Authentication Code). La carte UICC (application SIM) calcule également la clé de chiffrement K_c. Le résultat du code d’authentification RES obtenu au niveau de la carte UICC est transmise par le mobile à l’authentificateur VLR/MSC. Ce dernier compare alors les deux codes d’authentification RES et SRES. Si les résultats sont identiques, l’authentificateur VLR/MSC transmet un message de réussite au terminal et transmet la clé K_c à la station de base.

Figure 2 : Le protocole d’authentification et de chiffrement sur le réseau GSM

Le chiffrement est basé sur la clé K_c et l’algorithme A5. Il s’agit d’un algorithme de chiffrement par bloc. Cet algorithme est normalisé et pour assurer le Roaming, l’algorithme est utilisé par tous les opérateurs mobiles. Le chiffrement est réalisé au niveau de la station de base (BTS) et du mobile (figure 2).

Il existe quatre algorithmes de chiffrement nommé A5/1 à A5/4,le choix de l’algorithme est négocié par le réseau en fonction de la liste des algorithmes que dispose le mobile. Les algorithmes A5/3 et A5/4 sont aussi connus sous le nom KASUMI et sont apparus plus tard et ils sont également utilisés en 3G.

Dans le cas du GPRS, l’algorithme de chiffrement GEA (GPRS Encryption Algorithm) est mis en œuvre au niveau de l’entité SGSN.

Figure 3 : Le calcul des clés en 2G mode CS

Figure 4 : Le calcul des clés en 2G mode PS

Le chiffrement est mis en œuvre par le protocole LLC situé dans l’entité SGSN 2G