用戶標誌與位置標誌

用戶標誌分為永久標誌與非永久標誌兩種:

  • 永久標誌
    一旦用戶綁定便不會修改，具備一定程度的隱私性

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    1. SUPI
    2. 通用公共訂閱標誌(GPSI)
    3. 永久設備標誌(PEI)

  • 非永久標誌
    用於臨時標示用戶，3GPP會不定期更標示符號

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    1. 5G 全球臨時統一標示符(5G-GUTI)
    2. SUCI

    位置標誌包含小區位置跟蹤標誌(TAI)、跟蹤區編碼(TAC)

SUPI

SUPI為永久標誌，5G系統中每個簽約的用戶都會被分配到一個5G SUPI，用於在3GPP系統中標示該簽約用戶
SUPI標誌存於UDM/UDR(一種NF) 之中，功能類似4G的IMSI。
SUPI可包含IMSI訊息或是用於私有網路的特定網路標誌(network-specific identifier)

IMSI格式:

封包 MCC MNC MSIN
長度 3bit 2~3bit <=10bit
PLMN PLMN
  • In 漫遊場景: SUPI需要攜帶所歸屬網路的地址資訊:MNC、MCC
  • 若與 EPC Network互通: SUPI總是基於IMSI

通用公共訂閱標誌 (GPSI)

GPSI為永久標誌，用於在非3GPP網路之中來標示一個3GPP的簽約
GPSI與3GPP的對應關係會儲存在簽約資料中；GPSI在系統內部與外部都可作為公共標誌。
GPSI可以是MSISDN或其他外部標誌

永久設備標誌(PEI)

PEI為永久標誌，針對存取5G網路的3GPP UE的標誌
不同類型的UE和不同使用場景，PEI可能會有不同格式
UE可在發送PEI的同時，攜帶對應 該PEI所使用格式的指令訊息
若UE支援至少一種3GPP存取技術，則UE的PEI系需使用IMEI或IMEISV格式

5G 全球臨時統一標示符(5G-GUTI)

5G-GUTI是一個非永久標誌，由AMF為UE臨時分配(於註冊流程時分配)的，用於標示該UE
使用不同存取方式(3GPP,non-3GPP)，使用相同的5G-GUTI

  • 5G-GUTI的結構:

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    <5G-GUTI>:=<GUAMI><5G-TMSI> (:= 為 " 定義為 " 的符號)
    <GUAMI>:用於標示一個或多個AMF
    <5G-TMSI>:用於識別唯一的UE

  • GUAMI的結構:

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    <GUAMI>:= <MCC><MNC><AMF Region ID><AMF Set ID><AMF Pointer>

    <AMF Region ID>: 用於標示區域
    <AMF Set ID>: 在AMF區域中唯一標示一組AMF
    <AMF Pointer>: 在AMF組中唯一標示一個AMF

  • 5G-S-TMSI是GUTI的縮短形式，用於無線signalling(尋呼或業務請求流程)提升傳輸效率

  • 5G-S-IMSI-結構:

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    <5G-S-TMSI>:= <AMF Set ID><AMF Pointer><5G-TMSI>

  • 5G-TMSI的10位最低有效位元被NG-RAN用來決定UE的呼叫時機

    • 所以該10位最低有效位元應平均分布，使不同UE的尋呼時機均勻分布
MCC MNC AMF Region ID AMF Set ID AMF Pointer 5G-TMSI
12bit 8/12bit 16bit 4bit 4bit 32bit
PLMN PLMN AMF ID AMF ID AMF ID
GUAMI GUAMI GUAMI GUAMI GUAMI
5G-S-TMSI 5G-S-TMSI 5G-S-TMSI
5G-GUTI 5G-GUTI 5G-GUTI 5G-GUTI 5G-GUTI 5G-GUTI

SUCI

SUCI是非永久性標誌，基於 SUPI(Subscription Permanent Identifier) 加密形式構成用於保護隱私的標誌
由於每個簽約用戶的SUPI是永久且唯一的，直接傳輸會有隱私風險

UE(USIM或ME)可以根據ECIES,甚至是Null-Scheme生成SUCI
當AMF收到SUCI後，觸發授權(Authentication)流程，之後在UDM/SIDF中使用解密演算法(SIDF)將收到的SUCI解碼成SUPI，以利完成後續授權工作

TAI&TAC

皆為位置性標誌
TAI: 跟蹤區標誌
TAC: 跟蹤區編碼

  • 格式:
    MCC MNC TAC
    12bit 8/12bit 20bit
    PLMN ID PLMN ID TAC
    TAI TAI TAI

安全架構與流程

UE在RAN或在不同網路間移動時，需要與網路進行相互認證，確保雙方是可信賴的
UE與網路之間的相互認證需要5G安全架構的支援
5G安全架構應包含:

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- 緩解和降低攻擊
- 支援驗證和授權機制
- 支持密鑰相關功能

安全架構特點

  • 與存取方式(3GPP、non3GPP)無關的安全架構，使用統一的驗證方法與密鑰架構
  • 增強安全(4G → IMSI → 不安全 | 5G → SUCI/SUPI → 安全)
  • 差異化認證: 5G支援USIM,憑證,帳密等多種認證方式
  • 服務化架構和開放介面安全

安全架構所涉及的NF，包含: ARPF,AUSF,SEAF,SIDF

  • ARPF:
    • 與UDM一起部屬
    • 負責儲存根密鑰 $Ki$ 和相關的簽約資料
    • 計算5G授權向量
  • AUSF:
    • 提供EAP認證伺服器的功能，進行EAP認證以推導出錨點密鑰
  • SEAF:
    • 與AMF一起部屬
    • 負責根據錨點密鑰來推導出下層的NAS與AS密鑰，5G AKA 完成授權結果比較功能
  • SIDF:
    • 與UDM一起部屬
    • 負責將SUCI解碼成SUPI

安全流程

  • 由UE發起Request，發送SUCI或5G-GUTI訊息給SEAF
  • SEAF將SUCI或SUPI(若5G-GUTI有效)發送給來源網路(歸屬地網路)的AUSF
  • AUSF進行認證完後，將訊息發送給來源網路的 UDM
  • UDM收到SUCI，將其解碼為SUPI，並通過用戶資料，選擇相應的認證演算法，透過後續流程完成身分認證

目前5G支援的認證演算法: EAP-AKA’ 和 5G AKA -3GPP TS 33.501

參考資料

https://cat.chriz.hk/2019/12/5g-security-architecture.html