Du Maillage de service au Service Communication Proxy SCP

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  1. Introduction : du SOA aux micro-services

L’évolution majeure entre le réseau 4G-CUPS et le réseau 5G repose sur le choix d’une architecture orientée service (demandeur de services/fournisseur de services). Les fonctions réseaux sont des composantes logicielles (NF : Network Function) ré-utilisables, qui échangent des informations les unes vers les autres à travers une interface de service SBI (Service Based Interface).

Les services sont exposés en utilisant des protocoles standards (SOAP, Thrift, JSON) permettant d’imposer le format des messages échangés. Dans le cas de la 5G, le format des données est le JSON et le protocole d’échange se fait en HTTP2. Chaque service récupère, crée ou modifie une ressource. L’écriture se fait en utilisant les commandes POST ou PUT et la lecture en utilisant la commande WGET.

 

Une composante réseau logicielle (NF) est une unité autonome qui réalise une ou plusieurs tâches.

 

Chaque fonction est conçue pour réaliser une tâche ou des tâches précises comme récupérer des informations (exemple : l’identité du mobile lors de son attachement) ou exécuter une opération (exemple : mettre en œuvre un tunnel). Une fonction contient le code logiciel et les données nécessaire pour réaliser la liste des tâches associées à cette fonction.

 

Dans une architecture orientée services, les services communiquent entre eux via un système de couplage faible. Le couplage faible permet de réduire la dépendance entre les éléments du réseau, ce qui permet d’accélérer les mises à jour de fonctionnalité du réseau pour répondre à de multiples cas d’usages (Segments verticaux du marché).

Ainsi, par rapport aux entités fonctionnelles monolithiques du cœur de réseau 4G (cf. https://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2021/02/26/architecture-sba-du-reseau-5g-microservices-et-soa/), l’architecture basée sur les services permet :

  • Une plus grande flexibilité et une innovation plus rapide : la ré-utilisation des fonctions accélère la mise en production d’une application car les développeurs utilisent des lignes de codes déjà exploitables
  • Une ouverture vers des nouveaux segments (agriculture, entreprise, …) par le biais d’exposition de service (API ouvertes)
  • Une maintenance et une évolution facile : les services étant autonomes (couplage lâche), il est plus facile de les modifier sans impacter le réseau, ou de créer des fonctions évoluées pour des solutions innovantes tout en maintenant les précédentes versions.

Le concept SOA est un des pilier du Cloud Computing. Le Cloud Computing porte l’architecture SOA à une échelle plus importante (en comparaison, le Cloud Computing est au WAN ce que le SOA est au LAN).

Plus précisément, le Cloud Computing exploite des composantes logicielles pouvant communiquer entre eux sans états (stateless) nommées micro-services. Le langage de programmation d’un micro-service est indépendant des autres micro-services.

L’usage des micro-services est grandement facilité par les techniques de conteneurisation. Les micro-services faiblement couplés sont déployés dans des conteneurs et connectés via des API ou via un réseau de services maillé (MESH Service) pour le routage des messages.

Lorsque le nombre de micro-service augmente, la gestion des communications entre chaque micro-service se complexifie. Le premier rôle du maillage de service (MESH Service) est de gérer l’échange très important des données entre les micro-services.

L’architecte 5G est une architecture basée sur le service (SBA : Service Base Architecture). L’architecture SBA fournit une architecture orientée services (SOA) pour héberger des composants de plan de contrôle distincts de différents fournisseurs avec des cycles de développement disparates qui pourraient facilement inter fonctionner et interagir pour fournir un sous-système 5G complet ou une offre de services.

Avec l’architecture SOA et SBA, de nombreuses fonctions réseaux sont lancées, avec un nombre d’instances permettant de prendre en charge le trafic de signalisation. A la différence du SOA, l’architecture SBA introduit la fonction NRF qui est un annuaire listant les instances déployées : chaque instance d’une fonction de réseau annonce sa disponibilité à la fonction NRF avant d’initier une connexion est-ouest et participer à la livraison d’une application ou d’un service plus important.

Figure 1 : L’architecture SBA et la fonction de découverte NRF

Toutefois, à l’instar du SOA, la difficulté est la répartition de charge de trafic de signalisation entre les fonctions.

 

2. Le maillage de service – Service MESH

Un service MESH a pour objectif de contrôler l’échange des données de services partagées entre les instances logicielles (micro-service ou fonctions NF).

Un micro-service est conçu pour échanger des données au niveau applicatif. Le service MESH introduit une couche d’infrastructure dédiée en intégrant dans l’application des PROXYS nommés SIDECAR (imaginez le sidecar d’une moto pour prendre en charge non pas une personne mais un service) afin d’optimiser l’échange de données.

Avec le maillage de service, les requêtes s’effectuent à travers des PROXYS implémentés en sortie des micro-services.

Figure 2 : Modèle SideCar [1]

Sans Sidecar, la composante logicielle devait compiler une bibliothèque de communication spécifique au langage pour gérer la découverte de services, les routages et les exigences de communication non fonctionnelles au niveau applicatif (couche 7).

Figure 3 : De kubernetes au Maillage de services [2]

Le maillage de service permet de plus de réaliser de la surveillance réseau en fournissant des statistiques sur les performances des communications entre les services. Ces performances permettent ainsi de mettre en œuvre des fonctionnalités d’équilibrage de charge, de modification de route (exemple : la réponse d’une instance à un service met trop de temps par rapport à une autre instance pour le même service, le proxy va donc choisir cette dernière instance).

La solution de maillage de service OpenSource ISTIO [3,4] permet ainsi :

  • La gestion de trafic par une configuration des règles de services entre les micro-services
  • La sécurité en introduisant des fonctions d’authentification, d’autorisation (OAuth2) et de chiffrement des communications
  • Observabilité

Figure 4 : La journalisation des messages

3. SCP : Service Communication Proxy

Le service side-car ne fait pas nécessairement partie de l’application, mais il est connecté à celle-ci. Il est présent partout où l’application parente est présente.

Figure 5 : Le principe du maillage de service [5]

Le service n’a pas connaissance du réseau, mais ne connait que le proxy sur lequel il est connecté.

Le proxy réalisant les fonctions suivantes :

  • La découverte de services
  • Le routage
  • L’équilibrage de charges
  • L’authentification et l’autorisation
  • L’observabilité (statistique, log, traces)
  • Le bon fonctionnement (et éventuellement le transfert via une réponse 3XX ou une erreur de service 5XX)

Le standard 3GPP a introduit le proxy SCP dans la R16 [6]. De ce fait, l’architecture SBA n’a pas besoin du proxy SCP dans son principe de fonctionnement. Mais dans le cas de fonction NF multi-distribués, le SCP va résoudre les problématiques de trafic de signalisation en fournissant un point d’entrée unique pour un groupe de fonctions réseau (qui sont enregistrées dans la fonction NRF). Cela permet au SCP de devenir le point de découverte délégué dans un centre de données, déchargeant le NRF des nombreux maillages de services distribués. Les règles de routage du SCP peuvent s’appuyer sur une ressource, un numéro de téléphone ou un identifiant IMSI. Dans le monde des Télécom, par comparaison (et abus de langage), le SCP joue un rôle similaire au proxy et routeur DIAMETER. Il s’agit d’une simple comparaison, le SCP permet l’échange de signalisation dans le réseau d’un opérateur, les agents DIAMETER DRA permettaient de mettre en relation tous les HSS/MME inter-opérateurs (et auparavant, le routage de la signalisation était géré par le réseau SS7 et les points sémaphores STP).

Figure 6 : SS7 -> DIAMETER -> HTTP2 – SCP

Le SCP est un sidecar centralisé, il a pour rôle de gérer la communication de services à services s’il est impliqué. En ce sens le SCP est attaché à chaque NF. Le rôle du SCP inclut l’interfonctionnement entre NF, la segmentation des services, le contrôle d’accès centré sur les services et l’équilibrage de charge. Le SCP apporte donc une abstraction réseau ce qui permet aux développeurs d’applications d’être indépendants de l’infrastructure.

Le SCP n’est pas une fonction réseau, il n’expose pas de service contrairement aux NF. Deux fonctions NF peuvent s’échanger des services directement ou indirectement en passant par le proxy SCP.

Figure 7 : Communication directe/indirecte de deux NF [6 – Fig 7.1.1.1]

Les rôles du SCP sont :

  • D’apporter une fiabilité des services NF.

[6] 5.21.3.4 Reliability of NF Services Si une défaillance de l’instance de service NF est détectée ou notifiée par la NRF (exemple plus disponible), le consommateur de service NF ou SCP sélectionne un autre NF Service Instance de service du même ensemble de services NF dans l’instance NF.

  • De sélectionner la fonction NF adéquate : une fonction NF (consommateur de service) interroge le SCP en transmettant les attributs souhaités de la fonction NF (producteur de service). A partir de ces informations suivantes permettent au SCP de trouver la fonction SMF (DNN, capacité UE, localisation)
  • Le transfert et le routage de message de signalisation
  • Les services de sécurités (ex : autorisation qu’un consommateur de service puisse accéder à l’API d’un producteur de service)
  • L’équilibrage de charge et contrôle de surcharge de trafic
  • Surveillance du réseau
  • Optionnellement interagit avec la base de donnée unifiée UDR pour la résolution de nom (IMSI, IMPI/IMPU, Identité UDM/HSS

 

Figure 8 : Implémentation du maillage de service via le SCP

Le maillage de service et le proxy SCP ajoute de la latence. Dans le cas du service MESH, au moins deux sauts de réseau supplémentaires sont ajoutés lorsqu’un service communique avec un autre service (le premier provient du proxy qui gère la connexion sortante de la source et le second provient du proxy qui gère la connexion entrante de la destination).

Pour l’architecture SBA, la communication entre service peut être directe ou indirecte, c’est-à-dire en passant par le SCP. Quoiqu’il en soit, la latence est sur le plan de contrôle et non le plan de transport.

 

Pour en savoir plus :

  • Linkerd, Istio, Consul, Kuma et Maesh.
  • https://www.infoq.com/fr/articles/service-mesh-ultimate-guide/
  • https://carrier.huawei.com/~/media/cnbgv2/download/products/core/strategy-analytics-5g-signaling-en.pdf

Références :

[1] https://docs.microsoft.com/fr-FR/azure/architecture/patterns/sidecarTS23.501 – System architecture

[2] https://jimmysong.io/en/blog/service-mesh-the-microservices-in-post-kubernetes-era/

[3] https://istio.io/

[4]  https://www.redhat.com/fr/topics/microservices/what-is-istio

[5] https://blog.envoyproxy.io/service-mesh-data-plane-vs-control-plane-2774e720f7fc

[6]  TS 23.501(3GPP  version 16.6.0)  System Architecture for the 5G System.

[7] https://www.metaswitch.com/blog/the-service-communication-proxy-5g-caught-up-in-a-service-mesh

 

 

 

Déploiement 5G-NSA : A quel moment le logo 5G apparait sur mon téléphone

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  1. Introduction et problématique

Le déploiement de la 5G-NSA option 3X sur la bande 3,5 GHz consiste à mettre en œuvre une double connectivité (DC – Dual Connectivity) entre la station de base 4G (eNB), appelée station de base maîtresse MNB, et la station de base 5G (en-gNb) appelée station de base secondaire SNB.

Un téléphone UE, compatible 5G, en mode de veille, s’accroche sur une cellule 4G. Pour passer en mode connecté, le mobile fait une demande d’accès aléatoire avec la station de base eNB (cf. méhode d’accès aléatoire).

Dans cet article, nous supposons que la station de base 4G dispose des capacités à mettre en œuvre la double connectivité EN-DC pour une session DATA IP (hors appel VoIP).

Lorsque le mobile fait une requête de service (message NAS Service Request), la station de base 4G transfère la requête de service du mobile à l’entité MME en vue du ré-établissement d’un bearer IP. Ensuite (cf. Double Connectivité), la station de base 4G déclenche la double connectivité entre la station de base 5G et le mobile. A partir de ce moment, le mobile fait une demande d’accès aléatoire avec la station de base 5G (en-gNB) afin de pouvoir échanger des données sur la cellule 5G (cf. Acces aléatoire)

La question est donc de savoir à quel moment le logo 5G s’affiche sur mon téléphone, et est-il possible d’avoir le logo 5G sans pour autant recevoir la 5G ?

  1. Le logo 5G

II-1) Comment le mobile sait que la station de base 4G peut mettre en œuvre la Double Connectivité ?

L’échange de données 5G s’établit à partir du moment où la double connexion est mise en œuvre, donc lorsque le mobile est en mode connecté.

Toutefois, on peut observer le logo 5G sur son téléphone lorsque celui-ci est en mode de veille (aucune session IP). Par conséquent, le mobile est accroché à une station de base 4G maîtresse sur laquelle la double connectivité EN-DC peut être mise en œuvre. La station de base 4G transmet cette information par un message RRC à travers le système d’information SIB2 et plus particulièrement par le paramètre ULI – Upper Layer Indication positionné à la valeur vrai ‘true’.

Figure 1 : Information ULI portée par le SIB2 [1]

II-2) Est-il possible d’avoir le logo 5G sans pouvoir recevoir la 5G

Initialement, la bande de fréquence d’ancrage de la station de base maîtresse eNB pour la 5G-NSA était la fréquence de 700 MHz. Actuellement les autres bandes 4G (800 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz ou 2600 MHz) peuvent également être des bandes d’ancrages pour le déclenchement de la double connectivité EN-DC. Quelle que soit la fréquence de la bande d’ancrage, on constate que la fréquence 4G est toujours plus basse que la fréquence 5G, laquelle est située à 3,5 GHz. L’atténuation de l’onde étant fonction de la fréquence, la couverture 5G est plus faible que la couverture 4G dans les mêmes conditions radio.

Figure 2 : Couverture 4G et 5G dans les mêmes conditions radios

Un mobile hors bande 5G reçoit toujours les informations diffusées par la station de base 4G et par conséquent peut afficher le logo 5G sans être sous la couverture de la station de base en-gNB. On parle de configuration D du mobile, lorsque le mobile affiche le logo 5G sous la couverture de la station de base maitresse 4G sans détecter le bloc de signal SSB (synchronisation/diffusion) de la station de base 5G.

Dans les fait, pour des sites co-localisés, la couverture 5G est identique à la couverture 4G : les ingénieurs radio des opérateurs mobiles tiltent les antennes 4G de manière à avoir la même couverture. Dans ce cas, nous ne sommes plus dans les mêmes conditions radio.

Par conséquent, le mobile peut donc afficher le logo 5G même s’il est en veille sur la cellule 4G. Evidemment, un terminal mobile non compatible 5G n’affichera pas le logo 5G puisqu’il ignore l’information ULI porté par le SIB2.

Dans le cadre classique d’attachement, voici le call flow correspondant pour un abonné qui a souscrit à l’offre 5G :

Figure 3 : Procédure d’attachement 5G-NSA Call flow avec un abonnement 5G [3]

  1. Le terminal fait une demande d’attachement (ou de mise à jour de sa localisation) avec le bit DCNR à 1 indiquant au cœur de réseau qu’il est compatible 5G-NSA
  2. L’entité MME met en œuvre :
    1. La procédure d’authentification du mobile avec le serveur HSS
    2. La mise en sécurité de l’interface NAS
    3. La mise en sécurité de l’interface AS
  3. L’entité MME informe le serveur HSS qu’il est le serveur d’enregistrement de l’abonné.
  4. Le serveur HSS met à jour sa table de correspondance IMSI/MME et transmet au MME le type d’abonnement de l’abonné avec des valeurs AMBR maximales pour la 5G via l’AVP extended (AVPs « Extended-Max-Requested-BW-UL » and « Extended-Max-Requested-BW-DL »: 4 294 967 295 bps)
  5. L’entité MME procède à l’établissement des bearers par défaut
  6. L’entité PGW reçoit une demande d’établissement de tunnel avec une demande de débit AMBR élevé. Le PGW interroge l’entité PCRF (message DIAMETER Credit Control CCR-I) avec les valeurs AMBR reçues par le MME.
  7. L’entité PCRF transmet au PGW les caractéristiques de QoS du bearer afin d’établir que l’entité PGW puisse établir sa table d’acheminement.
  8. Le PGW transmet les caractéristiques du bearer et l’@IP du mobile au SGW lequel transfère l’information au MME (Le document [3], le SGW et le PGW sont sur la même entité S/PGW et le SGW n’apparait pas. De plus, la flèche est dans le moment sens sur ce document).
  9. L’entité MME transmet la valeur maximale autorisée UE-AMBR au mobile (10 Gbps) si l’abonne à les droits d’accès 5G. Dans le cas contraire, l’entité MME informe la station de base de la restriction d’accès NR (« RestrictDCNR » bit to « Use of dual connectivity with NR is restricted »)
  10. La station de base eNB transmet la réponse Initial Context Setup à destination du MME permettant de définir les caractéristiques du bearer radio RAB.
  11. La station de base eNB transmet au MME la réponse de l’UE validant l’attachement et l’établissement du bearer par défaut.

Lors de la procédure d’attachement (figure 3), l’entité MME supporte les fonctionnalités suivantes pour la 5G-NSA :

  • Procédure de modification E-RAB

Dans le cas de la 5G-NSA option 3X, l’option SCG (Secondary Cell Group) est activée pour supporter la double connectivité DCNR sur la gNB. La procédure de modification E-RAB permt à l’eNB peut commuter le bearer radio vers la station de base 5G sans modification du tunnel de signalisation S1-MME.

  • Sélection du SGW/PGW

Lorsque le serveur HSS accepte l’option 5G-NSA, le serveur DNS fourni au MME les informations de sélection des entités SGW/PGW pour la mise en œuvre de la double connectivité :

  1. x-3gpp-sgw:x-s5-gtp+nc-nr
  2. x-3gpp-pgw:x-s5-gtp+nc-nr

Mais qu’en est-il si le terminal est compatible 5G, alors que le client n’a pas souscrit à l’offre 5G ?

II-3) Le client n’a pas souscrit à l’offre 5G

Lorsque le mobile s’attache, il émet la requête NAS ATTACH REQUEST à la station de base 4G eNB. Cette requête est relayée par l’eNB vers le MME. Au cours de cette demande d’attachement, le terminal informe le MME qu’il est compatible 5G-NSA à travers le bit d’information nommé DCNR (dual connectivity with NR supported). Le MME interroge le serveur HSS pour l’authentification de l’abonné (cf Attachement et sécurité ).

Une fois l’abonné authentifié, le HSS conserve l’identité du MME sur lequel le mobile est attaché. L’entité MME envoie la requête DIAMETER ULA Update Location Answer en indiquant que le mobile est compatible 5G-NSA et le HSS répond au MME par la requête Update Location Request ULR que la 5G-NSA ne fait pas partie du forfait de l’utilisateur (« Access-Restriction » avec comme précision « NR as Secondary RAT Not Allowed »). Ainsi, le MME va informer la station de base de la restriction de la double connectivité par le message RestrictDCNR=1 (Use of dual connectivity with NR is restricted » in the EPS network feature support IE), ce qui va de plus interdire le mobile de faire des mesures 5G (évènements B1 et B2).

Lorsque le mobile fait un changement de MME (par la requête TAU – Tracking Area Update par exemple), les messages ULR/ULA seront échangés entre le serveur HSS et la nouvelle entité MME. Si le client change de forfait et que le mobile est attaché, alors le serveur HSS met à jour les informations auprès du MME par le message DIAMETER IDR/IDA (Insert-Subscription-Data-Request/Answer).

Pour plus de détail, reprenons la spécification 3GPP:

« If the RestrictDCNR bit is set to “Use of dual connectivity with NR is restricted” in the EPS network feature support IE of the Attach Accept/Tracking Area Update Accept message, the UE provides the indication that dual connectivity with NR is restricted to the upper layers.”

Figure 4 : Procédure d’attachement 5G-NSA Call flow sans abonnement 5G[4]

Si le terminal est compatible 5G mais l’abonne n’a pas souscrit à l’offre 5G alors le terminal n’est pas supposé fonctionner en 5G. Toutefois, je n’ai pas personnellement fait le test, on peut lire dans des forums une procédure pour contourner l’attachement en forçant dans un premier temps l’attachement sur le réseau 3G et ainsi ne pas transmettre la restriction DC puis de lever ce forçage pour que le mobile sélectionne une station de base 5G.

  1. 4G attach in any MME
  2. put the phone in 3G: Preferred Network Type : Prefer 3G
  3. change Preferred Network Type : Prefer 5G. (Most likely the MME takes the profile from 3G SGSN and it doesn’t get any 5G restriction from there since the SGSN doesn’t know what 5G is. The 5G restriction is set in HSS.)
  4. Enjoy 5G.

Cette procédure semble fonctionner sur un cœur de réseau Huawei (l’auteur du blog étant situé en roumanie : https://volteromania.blogspot.com/p/5gproblem.html)

III) Conclusion

Pour pouvoir afficher le logo 5G, il est déjà nécessaire d’avoir un smartphone compatible 5G et un abonnement 5G.

L’alliance GSMA proposé 4 configurations :

  • Configuration D : le mobile est en mode de veille sous la couverture d’une station de base 4G eNB qui diffuse l’information UpperLayerIndication=true dans le SIB2.
  • Configuration C : Le mobile est en mode connecté avec une station de base 4G et la station de base 4G configure l’interface radio du mobile pour faire des mesures 5G (SS-RSRP).
  • Configuration B : Le mobile est attaché sur une station de base 4G qui diffuse l’information UpperLayerIndication=true dans le SIB2 et le mobile mesure en plus la présence d’une station de base 5G (SS-RSRP)
  • Configuration A : Le mobile est connecté en double connectivité sur la station de base 4G et 5G.

 

Biblio

[1] TS 36.311 Radio Resource Control (RRC); Protocol specification (3GPP TS 36.331 version 15.3.0 Release 15) – ASN1 SystemInformationBlockType2 information element

[2] TS 29.272 V15.5.0 (2018-09) – Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol

[3] https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/wireless/asr_5000/21-16_6-10/5G-NSA/21-16-5G-NSA-Solution-Guide/21-16-5G-NSA-Solution-Guide_chapter_010.html

[4] https://www.telecomhall.net/t/ue-restrictdcnr-use-of-dual-connectivity-with-nr-is-restricted/10352/20

Les informations UCI portées par le canal PUCCH

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Canal PUCCH et les données UCI

Le mobile UE (User Equipment) émet vers la station de base des informations de contrôle (du lien montant) UCI (Uplink Control Information) parmi la liste suivante :

  • ACK/NAK confirmant ou non la bonne réception du message descendant précédent
  • Le rapport de mesure CSI (Channel State Information) permettant à la station de base d’adapter le mode de transmission et le schéma de modulation et de codage MCS (Modulation Coding Scheme) à partir de l’indicateur CQI (Channel Quality Indicatot), le rang de la matrice de transmission RI (Rank Indicator) et le rang du code pour le précodage PMI (Pre-coding Matrix Indicator) estimé par le mobile.
  • SR (Scheduling Request) pour une demande de transmission de données en UL.

Ces informations de contrôle sont portées en général par le canal physique PUCCH (Physical Uplink Control Channel), mais elles peuvent être transmises par le canal physique PUSCH si celui-ci est présent.

Selon la taille des informations de contrôle UCI à transmettre,le canal PUCCH est défini parmi l’un des 4 différents formats suivant (format de contrôle 0 à 4) :

Figure 1 : Le canal PUCCH et les différents formats

Le format permet de spécifier la taille du message, le codage canal, le type de modulation et le multiplexage avec le signal de référence DMRS si possible : les formats 1 et 4 autorisent le multiplexage de l’UCI avec le signal de référence DMRS dans le PRB afin d’améliorer la démodulation (détection synchrone). Le format 0 ne met pas en œuvre de détection synchrone, car le gain de démodulation n’est pas suffisamment important.

Les formats 0 et 2 sont nommés format courts (SHORT PUCCH) car ils n’occupent qu’un seul ou deux symbole OFDM (soit 12 à 24 éléments de ressources), en général sur le dernier ou les deux derniers symboles d’un slot.

Les formats 1, 3 et 4 sont nommés format long car ils occupent 4 à 14 symboles OFDM. Un format long est utilisé pour des informations de tailles importantes ou par répétition pour améliorer la couverture (exemple format 1).

Figure 2 : La transmission du canal PUCCH court/long sur l’interface NR

Au niveau de l’interface LTE, le canal PUCCH est transmis dans les bandes de fréquences PRB extrêmes permettant une diversité sur les fréquences hautes/basses et une diversité temporelle au niveau des slots.

Au niveau de l’interface NR, le format PUCCH court est transmis sur un ou deux symboles dans un slot et le format PUCCH long sur 4 à 14 symboles du slot (figure 2).

Avant d’être transmis sur le bloc physique de ressource PRB, les informations de contrôles UCI sont modulées par une chaîne de transmission comprenant :

  • un générateur de séquence de longueur 12 basé sur l’algorithme de Zadoff-Chu.
  • une modulation (formats 1,2,3 et 4) ;
  • un code DFT d’embrouillage (formats 2,3,4).

Figure 3 : Chaine de traitement de l’information de contrôle UCI (Source Matlab 1)

Le codage canal est un codage :

  • De répétition si la taille de l’UCI est de 1 bit;
  • Code correcteurs linéaires : code simplexe (taille de 2 bits) ou Reed Muller (Taille de 3 à 11 bits) ;
  • Code polaire (taille > 11 bis).

La chaîne de transmission est codée par :

  • Une séquence de Zadoff Chu (générateur de séquence s) ;
  • Un déphasage cyclique v ;
  • Un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code) w.

Figure 4 : Illustration de la chaîne de transmission du canal PUCCH

  • PUCCH Format 0

Le PUCCH format 0 est configuré sur 1 ou deux symboles OFDM dans un slot et dans un seul PRB. L’information portée par le format 0 (PF0) est soit un acquittement HARQ-ACK soit un bit SR ou les deux. Ainsi, un ou deux bits d’informations sont à transmettre ce qui définit une variable mcs qui vaut, selon le codage de gray :

  • mcs =0 pour le bit 0 ou mcs =6 pour le bit 1
  • mcs =0 pour les bits (00), mcs =3 pour les bits (01), mcs =6 pour les bits (11) et mcs =9 pour les bits (10)

Le générateur de séquence émet une séquence de Zadoff-Chu de longueur 12, initialisée par la valeur NID de la cellule.

Afin de permettre un multiplexage entre plusieurs terminaux, la séquence de zadoff-chu est affectée d’un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11. Cette séquence est nommée low PAPR et le décalage cyclique m0 est défini par un message de configuration dédié RRC via le paramètre InitialCyclicShift dans la configuration PUCCH-Config IE> PUCCH-Resource > PUCCH-Format 0 (TS 38.311) par BWP :

Ainsi, la séquence émise est un décalage en fréquence de valeur (m0 + mcs).

L’information UCI pour les transmissions URLLC utilisent de préférence le PF0 (PUCCH Format 0).

  • Le canal PUCCH Format 1

Le canal PUCCH de format 1 transporte 1 à 2 bits UCI (HARQ-ACK et/ou SR) et est étalé sur 4 à 14 symboles permettant le multiplexage par code pour transmettre plusieurs acquittements de mobiles différents. Le signal UCI est codé par un code orthogonal OCC (Orthogonal Cover Code).

La modulation utilisée est soit la modulation BPSK (1 bit) ou QPSK (2 bits) et est multipliée par la même séquence de Zadoff-Chu de longueur 12. Un décalage cyclique m0 dont la valeur est configurée entre 0 et 11 est utilisé en plus du codage OCC (de longueur 2 ou 4) afin d’augmenter le nombre de terminaux qui émettent simultanément leur acquittement.

La détection cohérente apporte un gain au niveau de la réception du format long. La séquence DMRS est générée pour avoir un faible PAPR et un décalage en fréquence est appliqué.

Deux motifs de transmissions sont supportés :

  • Motif d’extension ou le signal de référence DMRS et l’information UCI sont entrelacés ;
  • Méthode de perforation (puncturing) ou le signal de référence DMRS est au milieu du slot.

Figure 6 : Les motifs pour le canal PUCCH format 1

  • Le canal PUCCH Format 2

Le canal PUCCH de format 2 est un format court qui est utilisé pour transporter une quantité d’informations plus importantes que le PUCCH de format 0 ou 1 (CSI, ou plus que deux acquittement HARQ-ACK, par exemple dans le cas d’agrégation de porteuses). Plusieurs blocs de ressources PRB peuvent être utilisés pour des charges de données importantes, toutefois si le mobile doit acquitter plusieurs HARQ et qu’il n’est pas possible d’allouer assez de ressource radioélectrique, alors la priorité est donnée pour l’acquittement au dépend du rapport CSI.

Le codage utilisé est le code linéaire Reed-Muller pour une charge utile de 11 bits ou le code polaire au-delà avec l’ajout d’une entête CRC. Le signal est ensuite embrouillé par l’identité du terminal C-RNTI puis modulé en QPSK.

Plusieurs motifs de multiplexages en forme de peigne du signal DMRS et UCI sont proposées avec un rendement de ½, 1/3 ou ¼ comme le montre la figure 7 (sur le dernier symbole comme c’est le cas pour les formats PUCCH court).

Figure 7 : Les motifs pour le canal PUCCH format 2

  • Le canal PUCCH Format 3

Le PUCCH format 3 est au PUCCH format 2 ce que le PUCCH format 1 est au PUCCH format 0. On a ainsi les mêmes caractéristiques que le PUCCH format 2 en transmettant sur 4 à 14 symboles (PUCCH format long).

La position du signal de référence peut exploiter le saut de fréquence (frequency hopping).

  • Le canal PUCCH Format 4

Le PUCCH de format 4 est similaire au PUCCH de format 3 en ajoutant les codes OCC pour augmenter le nombre de transmission simultanées.

 

 

[1] Source Matlab : https://www.youtube.com/watch?v=Tc_ECMWSH30

[2] https://rfmw.em.keysight.com/wireless/helpfiles/89600B/WebHelp/Subsystems/newradio/content/newradio_dlg_config_pucch.htm

[3] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138200_138299/138213/15.06.00_60/ts_138213v150600p.pdf

[4] https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138300_138399/138331/15.03.00_60/ts_138331v150300p.pdf

 

 

 

Livre 5G NR – Chapitre 1 Architecture Fonctionnelle

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Le réseau NG-RAN : L’architecture fonctionnelle

extrait du livre : NG-RAN et 5G NR (sortie 19 octobre 2021)

L’objectif de cet ouvrage est de présenter de manière synthétique le déploiement de la 5G-NSA et de la 5G-SA.

Le chapitre 1 présente l’architecture de déploiement 5G-NSA et 5G-SA. L’ouvrage décrit les entités de l’accès radioélectrique et les fonctions du cœur de réseau 5G-SA en présentant les fonctions supportées par l’accès radioélectrique et le cœur de réseau 5GC

Extrait
1.2.1. Le réseau d’accès radioélectrique NG-RAN

Le réseau d’accès NG-RAN fournit à la fois une interface radioélectrique LTE et une interface radioélectrique 5G-NR.

Un nœud NG-RAN est :

  • une station de base 5G (gNB) qui fournit les services du plan de contrôle et la transmission des données du plan utilisateur à travers l’interface radioélectrique 5G-NR;
  • une station de base 4G évoluée (ng-eNB) fournissant des services du plan de contrôle et la transmission des données du plan utilisateur vers les mobiles via l’interface radioélectrique LTE.

Le nœud NG-RAN est responsable de la gestion des ressources radioélectriques, du contrôle de l’établissement du plan utilisateur et la gestion de la mobilité en cours de session (handover). Le mobile se connecte à l’un des nœuds radioélectriques.

Le nœud NG-RAN transfère les données de trafic provenant du mobile vers la fonction UPF, et celles provenant de la fonction UPF vers le mobile.

Lorsque le nœud NG-RAN reçoit des données de la part du mobile ou de la part de la fonction UPF, elle se réfère à l’identifiant QFI (QoS Flow Identifier) pour la mise en œuvre du mécanisme d’ordonnancement des données.

Le nœud NG-RAN peut effectuer pour les données sortantes, à destination de la fonction UPF, le marquage du champ DSCP (DiffServ Code Point) des paquets IP (Internet Protocol) en fonction de l’identifiant QFI affecté au flux.

Le nœud NG-RAN effectue la compression, le chiffrement des données de trafic et optionnellement le contrôle d’intégrité des données avec le mobile sur l’interface radioélectrique.

Le nœud NG-RAN effectue le chiffrement et le contrôle d’intégrité des données de signalisation échangées avec le mobile sur l’interface radioélectrique.

Le nœud NG-RAN effectue la sélection de la fonction AMF du cœur de réseau sur laquelle s’enregistre le mobile UE.

Le nœud NG-RAN traite la demande de paging émise par la fonction AMF pour sa diffusion dans la cellule. La cellule est une zone de couverture radioélectrique du nœud NG-RAN.

Le nœud NG-RAN diffuse également dans la cellule des informations systèmes contenant les paramètres de l’interface radioélectrique.

Afin de gérer les services d’un mobile, le nœud NG-RAN conserve un bloc d’information UE Context relatif au mobile. Les informations sauvegardées par le nœud radioélectrique dépendent de l’état du mobile. Le mobile est soit à l’état RRC connecté (RRC_CONNECTED), soit à l’état RRC inactif (RRC_INACTIVE) soit à l’état RRC de veille (RRC_IDLE).

A l’état de veille, la station de base n’a pas connaissance de la présence des mobiles qui sont à l’écoute des informations diffusées par le nœud radioélectrique. Concernant les mobiles à l’état RRC_IDLE, il n’y a pas de contexte UE au niveau du nœud radioélectrique.

Lorsque le mobile est à l’état radioélectrique connecté RRC_CONNECTED ou à l’état RRC_INACTIVE, l’identifiant radioélectrique du mobile est connu par le nœud respectivement via l’identifiant C-RNTI ou I-RNTI (Connected/Inactive Radio Network Temporary Identifier). Un bloc d’information (le contexte du mobile UE) est rattaché à l’identifiant radioélectrique RNTI. Le contexte est enregistré au niveau du nœud NG-RAN qui gère le mobile (nœud source) et il est transmis au nœud cible en cas de handover. Le contexte UE est également créé au niveau du nœud maitre et du nœud secondaire en cas de double connectivité.

Lorsqu’un mobile est en mode connecté, le nœud NG-RAN utilise les mesures effectuées par le mobile pour décider du déclenchement d’un changement de nœud en cours de session (handover), pour activer ou désactiver des cellules secondaires.

réf : https://www.amazon.fr/dp/B09BLKD3D5/ref=dp_kinw_strp_1

La sécurité des réseaux mobiles – Part 6

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Cet article est le dernier de la série – Sécurité des réseaux mobiles.

Se référer à :

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

La sécurité des réseaux mobiles – Part 5

II-3-2) La sécurité sur l’architecture SBA

L’architecture 5G SBA est définie à l’article suivant :

Architecture SBA du réseau 5G : Microservices et SOA

Figure 20 : l’architecture SBA du réseau 5G

Les fonctions réseaux NF (Network Function) doivent supporter le protocole TLS pour l’échange d’information coté serveur et client.

Le proxy SEPP implémente un niveau de sécurité sur la couche application sur l’échange d’information de signalisation échangées entre deux fonctions réseaux NF entre deux opérateurs (nominal et visité). La transaction entre les deux opérateurs est sécurisée par un certificat d’autorité.

Le rôle du SEPP est d’apporter une sécurité de bout en bout (E2E core network interconnection security) en chiffrement et en sécurité lorsque la signalisation est prise en charge par un fournisseur de transport IPX.

La confidentialité et l’intégrité sont assurées par les fonctions SEPP de bout en bout (réseau visité, réseau nominal) à travers l’interface N32.*

Figure 21 : L’architecture SBA dans le cas du Home Routing (HR)

3. Le mécanisme EAP

Pour gérer différentes méthodes d’authentification, les réseaux de mobiles utilise le protocole EAP (extensible Authentication Protocol). Ce protocole est dit extensible car il supporte différentes méthodes d’authentification.  Pour que l’authentification réussisse, il faut supporter le même type d’authentification EAP sur le client et sur le serveur d’authentification.

Différents type d’authentification supportés par le protocole EAP sont :

  • EAP-MD5 : Authentification avec un mot de passe ;
  • EAP-TLS (Transport Layer Security) : Authentification mutuelle basée sur les certificats du client et du réseau. Le client et le serveur doivent posséder un certificat numérique issue d’une autorité de certification (CA – Certificate Authority) ;
  • EAP-TTLS : Le client authentifie le serveur grâce à une infrastructure à clés publique (PKI : Public Key Infrastructure) au niveau du serveur. L’authentification mutuelle est optionnelle (l’utilisation de la clé publique au niveau client est optionnelle). Lorsque le client a authentifié le serveur, le serveur met en place un tunnel chiffré avec le client. Ce tunnel permet au serveur d’authentifier le client par un login/mot de passe au niveau du client. Le mot de passe peut en plus être chiffré par la méthode CHAP;
  • EAP-PEAP : La méthode PEAP est similaire à la méthode TTLS. Pour la méthode TTLS le mot de passe est transmis dans la payload TLS, alors que dans la méthode PEAP, le mot de passe du client est encapsulé dans l’en-tête TLS.
  • EAP-FAST : Authentification mutuelle, basée sur un certificat. L’obtention du certificat est négociée par le client lors du premier échange. Si le client n’a pas de clé PAC (Crédit d’Accès Protégé – Protected Access Credential) secrète communiquée à l’avance, il peut envoyer une requête d’échange EAP-FAST afin d’en obtenir une dynamiquement du serveur du client et du réseau par l’intermédiaire d’un canal chiffré (ou tunnel) ;
  • EAP-SIM : Authentification via l’application SIM d’un téléphone 2G;
  • EAP-AKA : Authentification mutuelle sur le réseau 3G/4G/5G ;
  • EAP-AKA’ : Authentification mutuelle sur le réseau 5G.

Dans le cas des réseaux mobiles, la méthode d’authentification s’appuie sur une clé secrète connue uniquement par le client et par le serveur d’authentification. Aucun mot de passe n’est transmis. Ainsi, seules les méthodes EAP-SIM, EAP-AKA et EAP-AKA’ sont utilisées.

La méthode EAP-SIM est définie pour le réseau 2G et dans ce cas, seul le serveur authentifie le client. Pour les méthodes EAP-AKA et EAP-AKA’, l’authentification est mutuelle (Authentication and Key Agreement), le réseau authentifie le mobile et le mobile authentifie le réseau.

Le réseau 4G supporte la méthode EAP-AKA, les réseaux 5G supportent en plus les méthodes EAP-AKA’ et EAP-TLS. Le protocole EAP-TLS est utilisé pour les réseaux privés.

Le format des messages EAP est le suivant :

Figure 22 : Le format EAP

Le champ des données utiles (payload) est constitué d’un champ type et du vecteur d’authentification.

Le champ type défini la méthode d’authentification :

Tableau 2 : Différentes valeurs des types EAP

L’implémentation du protocole EAP nécessite trois composantes :

  • Une couche basse (lower layer) est responsable de la transmission/réception des trames EAP. La couche basse peut être une connexion PPP, un modem RTC, une connexion Ethernet, une connexion WiFi, une connexion cellulaire ;
  • Une couche EAP qui transmet les paquets EAP à la couche basse ou reçoit les paquets EAP en provenance de la couche basse. La couche EAP implémente une fonction de détection des doublons et une fonction de retransmission.
  • La méthode EAP implémente l’algorithme d’authentification

Dans le cadre des réseaux de mobiles, le client EAP est situé dans la carte UICC.

Figure 23 : Le protocole EAP (cas PPP)

Les trois méthodes qui sont présentées permettent l’authentification du mobile à partir d’un point d’accès WiFi.

III-1) La méthode EAP-SIM

La méthode EAP-SIM permet au téléphone de basculer sur la connexion 2G ou 3G sur le réseau WiFi. La figure 3 présente les messages échangés entre le terminal et un point d’accès WiFi.

Figure 24 : La méthode EAP SIM

La méthode EAP SIM permet d’authentifier le mobile à partir de la clé privée symétrique située dans l’application SIM de la carte UICC et dans la base de donnée HLR.

L’objectif de la méthode EAP SIM est de permettre au mobile de se connecter automatiquement et de manière sécurisée sur un réseau WiFi communautaire. La méthode EAP SIM ne nécessité pas de login/mot de passe ni de portail captif.

Le centre d’authentification est l’entité HLR/Auc et l’authentificateur est le serveur d’authentification RADIUS AAA (Authentication Autorisation Accounting).

Figure 25 : Le protocole d’authentification par la méthode EAP-SIM (Source CISCO [4])

III-2) La méthode EAP-AKA

La méthode EAP-AKA est un mécanisme de défi-réponse basé sur une clé symétrique dans le module USIM et dans l’environnement nominal (HLR).

Le mécanisme est similaire à l’authentification 4G-AKA, le serveur EAP (authentificateur) est un serveur AAA (Authentication, Authorization and Accounting) et le centre d’authentification est l’entité HLR/AuC. Le lien radioélectrique WiFi n’étant pas protégé, le support de données (bearer) sera transmis dans un tunnel VPN sécurisé par le protocole IPSEC (Internet Protocol Security). Ce tunnel s’établit entre le mobile et l’entité ePDG (evolved Packet Data Gateway).

Figure 26 : L’architecture du réseau 4G avec le point d’accès WiFi

Le mécanisme IPsec est mis en œuvre pour l’établissement d’un tunnel à l’issue de la phase d’authentification utilisant le mécanisme 802.1x.

Le plan de contrôle (signalisation) est mis en œuvre par le protocole de chiffrement IKEv2 qui gère l’association de sécurité SA (Security Association) pour les sessions IPsec. Le protocole IKEv2 permet d’authentifier les deux extrémités du tunnel (ePDG et le mobile). Le mobile est l’initiateur et l’entité ePDG est le répondeur. Le protocole IKEv2 négocie les algorithmes de l’association de sécurité et permet l’échange des valeurs publiques D-H (algorithme Diffie Hellman) et les nombres aléatoires Nonce.

La clé de chiffrement Ck et la clé d’intégrité Ik générées par le centre d’authentification sont transmises à la passerelle ePDG. Les clés Ck et Ik étant connues par le mobile, ces deux clés sont utilisées pour générer la clé maîtresse MSK (Master Session Key).

Une fois l’authentification réussie, le tunnel IPsec assure la protection des données. Le protocole IPsec se situe sur la couche IP et permet :

  • le chiffrement des données (payload) par le protocole ESP (Encapsuling Security Payload). C’est la totalité du paquet IP qui est chiffrée ;
  • l’intégrité et l’authentification par encapsulation de l’entête AH (Authentication Header). Le paquet chiffré est encapsulé dans un nouveau paquet IP avec un nouvel en-tête IP.

Pour plus d’information, se référer à l’article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/01/01/interfonctionnement-du-lte-et-du-wifi/

En 4G, l’accès WiFi vers le cœur de réseau est utilisé principalement pour le WiFiCalling.

Figure 27 : La mise en place d’un tunnel pour le protocole SIP

III-3) La méthode EAP-AKA’

La méthode EAP-AKA’ est proche de la méthode d’authentification 5G-AKA. La demande d’authentification est transmise selon le protocole EAP. Les messages EAP sont encapsulés dans les messages NAS entre le mobile et la fonction SEAF de l’AMF, et dans les API (JSON) entre la fonction SEAF et la fonction AUSF.

Le rôle de la fonction SEAF est néanmoins différent dans le cas de la méthode EAP-AKA’ puisque la fonction SEAF transfère de manière transparente les messages EAP sans être impliquée dans la décision comme c’est le cas pour la méthode 5G-AKA.

L’autre différence porte sur la dérivation des clés. Dans le cas de la méthode 5G-AKA, le clé KAUSF est calculée par la fonction ARPF de l’entité UDM. Dans la méthode EAP-AKA’, la clé EMSK (Extended Master Session Key) est calculée au niveau de la fonction AUSF et les 256 premiers bits de la clé EMSK forment la clé KAUSF.

 

Références :

[1] http://www-igm.univ-mlv.fr/~jyt/Crypto/3/GSM/S5.Brumley-comp128.pdf

[2] 3GPP TS 35.205 : System Aspects; 3G Security, Specification of the MILENAGE algorithm set, An example algorithm set for the 3GPP, authentication and key generation functions f1, f1*, f2, f3, f4, f5 and f5*. V9.0.0

[3] 3GPP TS 35.206 – LTE; 3G Security; Specification of the MILENAGE algorithm set: An example algorithm set for the 3GPP authentication and key generation functions f1, f1*, f2, f3, f4, f5 and f5*; Document 2: Algorithm specification. V9.0.0

[4] Source CISCO : Cisco SP Wi-Fi solution: use cases and call flows (Djordje Vulovic) https://www.cisco.com/c/dam/global/hr_hr/assets/ciscoconnect/2014/docs/cisco_connect_see_2014_sp_wi-fi_dvulovic.pdf

[5] 3GPP TS 33.102 3G security; Security architecture, version 11.5.1 Release 11

[6] Snow3G : https://www.gsma.com/aboutus/wp-content/uploads/2014/12/snow3gspec.pdf

[7] ZUC Specification : https://www.gsma.com/aboutus/wp-content/uploads/2014/12/eea3eia3zucv16.pdf

[8] https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=10425

[9] 3GPP TS 35.206, 3G Security, specification of the MILENAGE, Release 7 version 7.0.0

https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/135200_135299/135206/07.00.00_60/ts_135206v070000p.pdf

[10] https://labs.p1sec.com/2020/06/26/5g-supi-suci-and-ecies/

[11] Des failles de sécurité dans la future norme de communication mobile 5G ; https://factuel.univ-lorraine.fr/node/9972

[12] 3GPP TS 33.501 Security Architecture and Procedure – version 15.1.0 (figure 6.1.3.1.1) : https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/133500_133599/133501/15.01.00_60/ts_133501v150100p.pdf

 

Autres lectures : 

https://www.open.com.au/radiator/eap-sim-whitepaper.pdf

https://www.cablelabs.com/insights/a-comparative-introduction-to-4g-and-5g-authentication

ETSI TS 102 310 V6.0.0 (2004-12) : Extensible Authentication Protocol support in the UICC, Release 6

https://github.com/mitshell/CryptoMobile

https://github.com/CellularPrivacy/Android-IMSI-Catcher-Detector/issues/926

RFC3748 : Extensible Authentication Protocol (EAP) : https://tools.ietf.org/html/rfc3748

RFC 5998 : An Extension for EAP-Only Authentication in IKEv2 : https://tools.ietf.org/html/rfc5998

La sécurité des réseaux mobiles – Part 5

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Articles précédents :

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 Ki 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 dA. A partir de cette clé privée dA, la carte UICC calcule une clé publique QA. La clé publique QA est calculée à partir de la clé privée et d’un gradient G correspond à la courbe elliptique (cf. paramètre secp256k1). La clé publique QA 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 QA.

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 KSEAF. Ainsi, la clé d’ancrage est spécifique au réseau visité. La clé KSEAF joue le rôle de la clé KASME 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 KAUSF.

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 KSEAF.  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 KSEAF 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 Ki et de l’aléa RAND, la fonction ARPF calcule :

  • soit la clé de chiffrement CK’ et la clé d’intégrité IK’ si l’algorithme EAP-AKA’ est utilisée ;
  • soit la clé KAUSF si l’algorithme 5G-AKA est utilisée.

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

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

A partir de la clé KAUSF, la fonction AUSF dérive la clé KSEAF.

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 KSEAF 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 Ki 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 CK’ et IK’ ou la clé KAUSF à partir de la clé Ki et de l’aléa RAND;
  • l’entité AUSF dérive la clé KSEAF. La clé KSEAF 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 KAMF;
  • à partir de la clé KSEAF, la fonction AMF dérive les clés KNASenc, KNASInt, KgNB et la clé KN3IWF;
  • la clé KgNB est transmise à l’entité gNB qui dérive les clés Kupint, Kupenc, kRRCint, KRRCenc.

Les clés de chiffrements utilisées sont :

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

Les clés d’intégrités utilisées sont :

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

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

 

 

La sécurité des réseaux mobiles – Part 4

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Les précédents articles sur le même sujet :

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

II-2) La sécurité sur le réseau 4G

Le réseau en 4G est en réseau en tout IP, et par conséquent, plus sensible sur la sécurité IP. Au niveau de l’accès radioélectrique, la station de base 4G, nommé eNB, rassemble le contrôleur RNC avec la station de base.

Ainsi, le protocole PDCP se situe au niveau de l’eNB. Le chiffrement et l’intégrité sont réalisés par l’eNB en 4G.

Les algorithmes de chiffrement et d’intégrité ont été partiellement redéfinis dans le cas des réseaux de quatrième génération. Ils s’appuient sur deux algorithmes, respectivement fondés sur Snow 3G et AES.

Ainsi, deux standards ont été proposés pour la 4G :

  • chiffrement : Algorithme EEA (EPS Encryption Algorithm) ;
  • intégrité : Algorithme EIA (EPS Integrity Algorithm).

A partir de l’algorithme SNOW3G [6], la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA1/128-EIA1.

A partir de l’algorithme AES (Advanced Encryption Standard), la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA2/128-EIA2.

A partir de l’algorithme ZUC [7], la 3GPP propose les algorithmes 128-EEA3/128-EIA3.

Tableau 1 : La méthode de chiffrement et la complexité

Les clés de chiffrement et d’intégrité sont calculées à partir de la clé Ki privée et du numéro aléatoire (aléa RAND) fournit au mobile pour l’authentification. Nous allons donc revenir sur la procédure d’authentification en 4G.

Figure 12 : La procédure d’authentification 4G

Se référer aux articles :

La figure 12 présente la procédure d’attachement avec le calcul des clés et les algorithmes associés :

Figure 13 : Procédure d’authentification 4G [8]

Comme en 3G (se référer à la figure 6), le jeton d’authentification contient trois champs :

  • le numéro de séquence SQN embrouillé avec la clé d’anonymat Ak ;
  • la valeur du champ d’authentification AMF ;
  • la signature MAC du message.

La signature est calculée par l’algorithme f1.

Les clés Ck, IK, AK et le résultat d’authentification du mobile RES sont calculés par les algorithmes f2, f3, f4 et f5. La spécification [9] fournit les algorithmes en langage de programmation C.

Figure 14 : le calcul des clés pour la procédure d’authentification en 4G

La carte USIM contient la clé privé Ki. La valeur AMF est fourni avec le vecteur AUTN. OP est une valeur codée sur 128 bits qui est définie par l’opérateur nominal. La clé peut être publique ou secrète. La clé OPc est dérivée de la clé OP à partir de la clé Ki. La clé OPc est stockée dans la carte UICC.

La carte UICC stocke la valeur SQN (cette valeur change à chaque authentification).

Figure 15 : L’algorithme MILENAGE [9]

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

  • L’entité HSS dérive les clés CK et IK;
  • l’entité HSS dérive la clé KASME à partir de Ck et Ik;
  • l’entité MME dérive les clés KNASenc, KNASInt, KeNB à partir de la clé KASME;
  • l’entité eNB dérive les clés Kupint, Kupenc, kRRCint, KRRCenc.

Les clés de chiffrements utilisées sont :

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

Les clés d’intégrités utilisées sont :

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

La fonction USIM sur la carte UICC réalise l’étape 1 (dérive les clés CK et IK ). Le mobile dérive toutes les autres clés (étapes 2 à 4).

Figure 16 : Le calcul des clés en 4G

Si le mobile fait une procédure d’accès sur le réseau WiFi, le cœur de réseau 4G réalise une nouvelle procédure d’authentification par la méthode EAP-AKA. Celle-ci est décrite en section 3.

Les deux faiblesses de la méthode d’authentification EPS-AKA sont :

  • la transmission en clair de l’identité IMSI. Même si un identifiant temporaire GUTI (Globally Unique Temporary Identity) est ensuite utilisé pour cacher l’identité IMSI sur l’interface radioélectrique LTE, cette identifiant n’est pas modifié assez fréquemment, et l’identité est prédictible. De plus, un réseau pirate peut demander au mobile de retransmettre son identité IMSI en clair ;
  • le réseau nominal fournit au réseau visité le vecteur d’authentification. Il délègue la décision d’authentification au réseau visité.

 

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 3

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Précédents articles : 

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 1

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

2. La protocole AKA

II-1) La sécurité sur le réseau 3G :

Le protocole d’authentification GSM n’est pas fiable. D’une part, l’authentification étant unilatérale, le mobile peut s’attacher à un réseau pirate et d’autre part, l’algorithme COMP128 a été cassé en 1997 (figure 3 : attaque Narrow Pipe en 1998) :

Figure 5 : L’algorithme COMP128 [1]

De plus, le réseau pouvant négocier l’algorithme de chiffrement en 2G, il est possible de récupérer en clair les données échangées.

Afin de sécuriser l’attachement du mobile et interdire l’attachement sur un réseau pirate, le protocole AKA (Authentication and Key Agreement) exige une authentification bilatérale.

Le cœur de réseau 3G est identique au cœur de réseau 2G, l’amélioration de la sécurité est apportée au niveau du mobile par l’application USIM sur la carte UICC et d’une mise à jour de la fonction AuC du serveur d’authentification HLR. Pour réaliser l’authentification du réseau, une nouvelle clé AMF (Authentication Management Field) est inscrite dans la carte UICC et dans le HLR.

Le vecteur d’authentification généré par l’AuC contient :

  • l’aléa RAND sur 128 bits ;
  • le résultat d’authentification attendu SRES (32 bits à 128 bits);
  • le sceau d’authentification du réseau opérateur AUTN (128 bits);
  • une clé de chiffrement Ck(128 bits) ;
  • une clé d’intégrité Ik (128 bits).

Le résultat SRES, le sceau AUTN, les clés de chiffrements Ck et Ik sont calculés à partir de l’aléa RAND, de la clé privé symétrique Ki et d’une séquence SQN (figure 6).

Figure 6 : Calcul du vecteur d’authentification 3G

Le vecteur d’authentification est transmis à l’authentificateur VLR ou SGSN. Ce dernier envoie l’aléa RAND et la sceau d’authentification AUTN au mobile, lequel le transfert à la carte UICC.

Le sceau d’authentification est composé de 3 champs qui sont embrouillés par une séquence de 128 bits :

  • une clé d’anonymat Ak (Anonimity Key) sur 48 bits ;
  • la valeur AMF (Authentication Management Field) sur 16 bits ;
  • d’un message de signature d’authentification MAC.

f1 et f2 sont deux fonctions d’authentification. f3, f4 et f5 sont des fonctions de génération de clés (KDF : Key Derivation Function).

Le choix des algorithmes f1, f2, f3, f4 et f5 est spécifique à l’opérateur. Cependant un choix d’algorithmes appelé MILENAGE est proposé par la spécification 3GPP [2] [3].

A partir de sa clé Ki, et de l’aléa, l’application USIM calcule d’abord la clé d’anonymat et récupère ainsi la valeur SQN (par un OU exclusif avec AK et le premier champs AUTN).

Ensuite, le mobile calcule :

  • le message d’authentification XMAC=f1(Ki, AMF, SQN) ;
  • le résultat RES attendu par le cœur de réseau f2(Ki,RAND).

Le résultat RES calculé au niveau de la carte UICC est transmis au mobile qui l’envoie à l’authentificateur. L’authentificateur compare le résultat RES du mobile avec la valeur attendue SRES.

Enfin, la carte UICC vérifie la correspondance entre la signature XMAC calculée avec le champ MAC contenu dans le sceau d’authentification AUTN. Cela permet d’éviter les attaques de type Man In The Middle. Si les valeurs sont identiques, l’application USIM calcule le résultat d’authentification (figure 7).

Figure 7 : Les étapes d’authentification pour la 3G et détection d’une station de base pirate

Ensuite, le mobile dérive les clés de chiffrement Ck et d’intégrité Ik à partir des fonctions f3 et f4.

Alors qu’en 2G le chiffrement et le déchiffrement sont réalisés au niveau de la BTS pour les sessions téléphoniques et au niveau du SGSN pour le trafic IP, en 3G le chiffrement et le déchiffrement s’effectuent au niveau du RNC (Radio Network Controller).

Ainsi, la clé CK doit être transférée du VLR au RNC via la commande security mode command gérée par le protocole RANAP (Radio Access Network Application Part). Ensuite, le RNC active le chiffrement au niveau du mobile via le message RRC security mode command.

Figure 8 : La procédure d’authentification et de chiffrement [5]

La clé Ck est calculée à chaque processus d’authentification. Le chiffrement est réalisé par un ou exclusif entre un bloc de données et un flux de chiffrement. Le flux de chiffrement est calculé à partir de l’algorithme f8 avec comme paramètres :

  • la clé Ck;
  • un compteur COUNT-C sur 32 bits ;
  • l’identité du support radio (BEARER) sur 5 bits ;
  • la direction de transmission (UpLink =0/DownLink =1) ;
  • la longueur du flux de chiffrement (le bloc de donnée à chiffrer).

Figure 9: Le chiffrement des données

L’algorithme f9 est utilisé pour le calcul d’intégrité :

Figure 10 : La signature d’intégrité des données

La valeur FRESH est une variable aléatoire généré par le RNC. La clé IK étant générée lors de l’enregistrement, celle-ci n’est pas modifiée tant que le mobile ne se détache pas. La valeur FRESH permet de modifier régulièrement la signature. Cette valeur est transmise au mobile au cours de la demande de connexion RRC.

D’un point de vue implémentation algorithmique, la valeur FRESH n’est pas réellement aléatoire, elle est souvent prise égale à la valeur du BEARER.

Le compteur COUNT-I protège le récepteur d’une attaque Man In The Middle : le prochain message, le compteur est incrémenté et la signature MAC pour le même message sera différente.

Les algorithmes d’authentification sont connus sous le nom de MILENAGE.

Les algorithmes de chiffrement f8 et f9 sont des algorithmes de KASUMI (déjà utilisé en 2G pour l’algorithme A5/3). Plus récemment, l’algorithme Snow 3G est un algorithme de chiffrement à flot pouvant remplacer l’algorithme KASUMI. L’algorithme SNOW3G est aussi utilisé pour fournir un message d’intégrité MAC (aussi nommé algorithme UIA2).

Figure 11 : Le calcul des clés en 3G

L’intégrité est calculé au niveau de la couche RRC, le chiffrement est réalisé au niveau de la couche RLC (sauf pour le mode transparent ou le chiffrement est réalisé par la couche MAC)

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 2

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  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 Ki, la fonction A3 calcule un résultat nommé SRES sur 32 bits, et la fonction A8 calcule une clé Kc de longueur 64 bits (figure 1).

Figure 1 : L’algorithme COMP128

L’entité HLR transmet le triplet d’authentification (RAND, SRES, Kc) 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 Kc. 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 Kc 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 Kc 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

 

 

 

La sécurité sur les réseaux de mobiles – Part 1

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Merci à Tony Boucheau pour la relecture de l’article

 Introduction

A l’exception des appels d’urgence, le client mobile n’a accès à aucun des services offerts par le cœur de réseau mobile tant que celui-ci n’est pas authentifié.

Les échanges liés au processus d’authentification sont relayés par le point d’accès vers le serveur d’authentification. Le point d’accès est en général une station de base 2G/3G/4G/5G. Toutefois, le point d’accès WiFi est également vu comme une passerelle radioélectrique permettant de connecter l’utilisateur mobile au cœur de réseau 5G.

Une fois le client authentifié, le point d’accès laisse passer le trafic. Afin de garantir le secret des informations échangées, les données sont chiffrées et un contrôle d’intégrité par une signature MAC (Message Authentication Code) permet de vérifier l’authenticité de l’émetteur.

Le chiffrement est mis en place entre les acteurs de la transaction ce qui garantit que la session devient inintelligible aux autres personnes. Enfin, pour se prémunir des attaques de type Man in the Middle (IMSI Catcher), l’intégrité des données permet de vérifier que les données de signalisation échangées n’ont pas été altérées (de manière fortuite ou intentionnelle). Le chiffrement et l’intégrité sont réalisés au niveau du terminal et :

  • si le point d’accès est une station de base 4G ou 5G, celle-ci apporte un chiffrement sur le trafic de données et sur le trafic de signalisation ainsi qu’un contrôle d’intégrité sur la signalisation. Optionnellement, pour le réseau 5G, le contrôle d’intégrité peut aussi s’appliquer sur le trafic des données. Les clés de chiffrement et d’intégrité sont dérivées à partir d’une clé secrète et à partir des paramètres échangés lors du processus d’authentification ;
  • si le point d’accès est une station de base 2G, le chiffrement est réalisé au niveau de la station de base pour les communications téléphoniques et au niveau du SGSN pour les sessions IP ;
  • si le point d’accès est une station de base 3G, le chiffrement est réalisé au niveau du contrôleur RNC ;
  • si le point d’accès est un point WiFi, un tunnel est mis en œuvre entre le mobile et une entité de passerelle WAG (Wireless Access Gateway). Cette entité se nomme ePDG (evolved Packet Data Gateway) pour le réseau 4G et N3IWF pour le réseau 5G.

 

Le processus d’authentification a pour objectif de vérifier l’identité d’un client (aussi nommé pair ou supplicant). Le protocole d’authentification spécifie le format des messages échangés (requêtes/réponses) entre le client et l’authentificateur. En se basant sur l’identité présumée du client, l’authentificateur transmet au client un défi (un challenge). A partir du défi, le client calcule sa réponse qu’il transmet à l’authentificateur. Cette réponse permettra à l’authentificateur soit d’authentifier le client soit de démasquer un usurpateur d’identité.

L’architecture d’authentification est composée d’un point d’accès, d’un authentificateur et d’un serveur d’authentification. Dans le cas des réseaux de mobiles, l’authentificateur et le serveur d’authentification sont deux entités distinctes : le serveur d’authentification correspond à l’entité HSS pour les réseaux de mobiles 4G ou à l’entité UDM pour les réseaux de mobiles 5G. Le serveur d’authentification (HSS/UDM) est situé en back-end de l’authentificateur. La fonction d’authentificateur est gérée par l’entité MME en 4G ou par la fonction AMF en 5G.

Les étapes d’authentification sont les suivantes :

  • L’authentificateur reçoit une demande d’identification de la part d’un client comprenant l’identité du client. Cette requête peut être initiée par le client ou par l’authentificateur. A partir de cette demande d’identification, l’authentificateur transmet un défi au client ;
  • Le client calcule la réponse au défi et transmet la réponse à l’authentificateur ;
  • L’authentificateur contrôle la réponse en comparant la réponse du client à la réponse attendue.

L’authentificateur interroge le serveur d’authentification en lui fournissant l’identité du client. Le serveur d’authentification vérifie l’existence de l’identité du client, et le cas échéant génère un défi. Le client peut supporter plusieurs méthodes d’authentification. Le défi est choisi selon la méthode d’authentification supportée par le client. Le défi et la réponse sont transmises à l’authentificateur.

Pour les réseaux de mobiles, le client est la carte UICC et les méthodes d’authentifications sont définies dans l’application USIM (et dans l’application ISIM pour l’authentification avec le réseau IMS).

La carte UICC contient une identité IMSI unique et une clé d’authentification Ki. Ces deux informations sont stockées au niveau du serveur d’authentification.