5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全及發(fā)展需求分析

李揚(yáng)

摘? 要：5G在給社會(huì)、人民的生活帶來(lái)便利的同時(shí)也存在安全隱患，文章首先介紹5G網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅，之后從5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面研究了其安全性的需求。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);業(yè)務(wù)場(chǎng)景;網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu);SDN;NFV;網(wǎng)絡(luò)切片

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）26-0073-02

Abstract： 5G not only brings convenience to the society and people's life， but also has security risk. This paper first introduces the security threats faced by 5G network， and then studies the security requirements of 5G network architecture from the level of 5G network architecture.

Keywords： 5G network; business scenario; network architecture; SDN; NFV; network slicing

引言

3G網(wǎng)絡(luò)致力于“人與人”之間的連接;4G網(wǎng)絡(luò)致力于“人與信息”之間的連接;而5G是萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代。即將到來(lái)的5G涵蓋了社會(huì)生活的方方面面：無(wú)人駕駛、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、以及由5G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的智慧城市等等。毫不夸張的說(shuō)“4G改變了人類的生活，而5G改變了我們的社會(huì)”。5G時(shí)代帶來(lái)的是速率、連接數(shù)的百倍十倍的提升，但是響應(yīng)用時(shí)卻大大縮減，僅為原來(lái)的20%。那么在這個(gè)新的時(shí)代網(wǎng)絡(luò)安全是否也應(yīng)該跟上節(jié)奏的變化呢？答案是肯定的：5G產(chǎn)業(yè)需要5G安全保駕護(hù)航。

1 5G網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅[1]

5G的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)主要包括uRLLC（低時(shí)延高可靠）、eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)）三大典型場(chǎng)景。同時(shí)由于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、大數(shù)據(jù)以及萬(wàn)物互聯(lián)的消費(fèi)者體驗(yàn)產(chǎn)品種類越來(lái)越豐富，導(dǎo)致移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)。多樣化的場(chǎng)景需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備容量和性能提出了更高的要求。因此，未來(lái)的5G在速率更高、時(shí)延更低的基礎(chǔ)上將滲透到萬(wàn)物互聯(lián)的方方面面，與工業(yè)、交通、醫(yī)療、教育、農(nóng)業(yè)、城市管理緊密聯(lián)系在一起。5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相較于現(xiàn)有的4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，具有更多的應(yīng)用場(chǎng)景以及多樣化的應(yīng)用條件和極致的性能挑戰(zhàn)。所以，網(wǎng)絡(luò)安全顯得尤其重要。

1.1 URLLC業(yè)務(wù)場(chǎng)景

URLLC（低時(shí)延高可靠）主要用于物聯(lián)網(wǎng)及其垂直的行業(yè)如AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)、智能交通、遠(yuǎn)程工業(yè)制造、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程手術(shù)等的特殊應(yīng)用上，為用戶提供了端到端的毫秒級(jí)的時(shí)延和接近100%的高可靠性業(yè)務(wù)保證。5G網(wǎng)絡(luò)要求時(shí)延必須極低：在工業(yè)自動(dòng)化控制方面時(shí)延大約需要10ms;而在無(wú)人駕駛方面，則要求更嚴(yán)格，必須具備低至1ms的傳輸時(shí)延。為了實(shí)現(xiàn)即時(shí)互聯(lián)互通在一些重要的領(lǐng)域如遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景就需要5G網(wǎng)絡(luò)提供更加可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了避免在遠(yuǎn)程醫(yī)療上出現(xiàn)手術(shù)操作錯(cuò)誤及無(wú)人駕駛時(shí)出現(xiàn)車輛碰撞等問(wèn)題，需要5G網(wǎng)絡(luò)能夠在保證可靠性的前提下提供低至1ms的低時(shí)延QoS保障。這就需要5G網(wǎng)絡(luò)提供低時(shí)延的安全算法和協(xié)議;5G網(wǎng)絡(luò)中采用了超密集部署技術(shù)，它的應(yīng)用使得單個(gè)接入節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍非常小，若車輛等其他的一些終端在快速移動(dòng)狀態(tài)下，則網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理過(guò)程會(huì)非常之頻繁，故安全上下文的移動(dòng)性管理相關(guān)的功能單元和流程需要作出簡(jiǎn)化和優(yōu)化，這樣才能保證達(dá)到低時(shí)延的目標(biāo)。同時(shí)還要支持邊緣計(jì)算架構(gòu)、支持隱私和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保護(hù)。

1.2 eMBB業(yè)務(wù)場(chǎng)景

eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）該業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要滿足諸如超高清視頻、沉浸式游戲、全息視頻等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。它為用戶提供了無(wú)論該用戶是在靜止還是高速移動(dòng)狀態(tài)，無(wú)論是身處熱點(diǎn)覆蓋中心還是覆蓋的邊緣，均能夠隨時(shí)隨處獲得100Mbps以上的無(wú)縫、高速、極致的通信體驗(yàn)，且用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)服務(wù)仍具有連續(xù)性。由于應(yīng)用了eMBB，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)囊括了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)兩大應(yīng)用模式，使得5G網(wǎng)絡(luò)具有支持更廣維度應(yīng)用體系的特點(diǎn);且5G網(wǎng)絡(luò)相較傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在信息容量密度及網(wǎng)絡(luò)速率上均有了大幅的提升。正是由于這部分的差異，5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生許多小站（Small Cell Femtocell）。這些小站將會(huì)在部署方式、部署條件以及功能等方面具有更加靈活多變的特點(diǎn)。隨著站點(diǎn)的密集程度不斷增加導(dǎo)致了其組網(wǎng)能力和組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)安全隱患的。

1.3 mMTC業(yè)務(wù)場(chǎng)景

mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)）是以智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火等需要傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景。它能夠支撐百萬(wàn)級(jí)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端的連接服務(wù)。有數(shù)據(jù)顯示未來(lái)到2020年，大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備將達(dá)到500億臺(tái)之多。顯然資源受限、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜等特性的存在使得在5G網(wǎng)絡(luò)中，大量終端設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有較大的威脅。未來(lái)大規(guī)模終端設(shè)備的數(shù)量及需要信息認(rèn)證的安全問(wèn)題的量都是前所未有，為了確保信息的精確性，就必須加強(qiáng)機(jī)器之間進(jìn)行通信的安全機(jī)制建設(shè)。傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有考慮到龐大的認(rèn)證信令問(wèn)題，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)針對(duì)每條消息進(jìn)行單獨(dú)的安全認(rèn)證，則需要耗費(fèi)大量的資源、精力和時(shí)間。所以未來(lái)的5G低功耗網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)安全機(jī)制進(jìn)行輕量化處理從而適應(yīng)時(shí)延受限及功耗受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求;同時(shí)為了解決海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證時(shí)所帶來(lái)的信令風(fēng)暴問(wèn)題需要通過(guò)群組認(rèn)證機(jī)制來(lái)解決;最后為了解決設(shè)備安全能力不足被攻擊者利用，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)起攻擊的危險(xiǎn)，需要加入抗DDOS攻擊機(jī)制。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)安全性研究

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)全連接且全移動(dòng)的端到端的生態(tài)通信系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了整個(gè)社會(huì)的互連互通。傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)不能承載一些互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，究其原因是因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把注意力放在了網(wǎng)絡(luò)的底層傳送能力上，忽略了網(wǎng)絡(luò)向上層應(yīng)用和業(yè)務(wù)開(kāi)放的能力。最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)缺少流程化的能力開(kāi)放接口，業(yè)務(wù)很難靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)的能力，故需要采用一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)如使用應(yīng)用層專用協(xié)議進(jìn)行糾錯(cuò)、流量均衡、應(yīng)用加速等來(lái)彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不足。5G是一個(gè)全新設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，是從硬件到軟化、集中化智能和分布化處理、全I(xiàn)P化、IT化的徹底軟化的網(wǎng)絡(luò)。為垂直行業(yè)提供敏捷靈活的組網(wǎng)模式，但是這種全新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架在安全性上也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

2.1 基于SDN/NFV的5G網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)及其安全性研究

5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以SDN[2]（Soft Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）為關(guān)鍵技術(shù)。基于SDN、NFV技術(shù)的新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)軟硬件雙解耦的特征，能夠很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與控制的分離以及安全資源虛擬化。正是運(yùn)用了SDN、NFV技術(shù)使得5G網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)的靈活性、效率及成本上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是一次革命性、全局性的架構(gòu)重構(gòu)，故SDN及NFV成為當(dāng)下最熱門(mén)的5G核心技術(shù)之一。

2.1.1 SDN網(wǎng)絡(luò)部署及其安全性需求

SDN把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分離為單獨(dú)的控制設(shè)備和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。它通過(guò)沒(méi)有中心的控制點(diǎn)和補(bǔ)丁式為網(wǎng)絡(luò)中的新業(yè)務(wù)進(jìn)行新老技術(shù)協(xié)議兼容拓展。這是與以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比最大的不同。控制與轉(zhuǎn)發(fā)間遵循標(biāo)準(zhǔn)的Openflow 協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)了控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層分離。網(wǎng)絡(luò)管理者通過(guò)在接口上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)編程靈活化;數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)元也可通過(guò)流量監(jiān)控進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。以上兩項(xiàng)技術(shù)的使用使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有更加靈活的組成，從而提高了到消費(fèi)者手機(jī)終端的下行傳輸速率。SDN技術(shù)的使用固然在更好地利用資源配置的基礎(chǔ)上提高了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率，但同時(shí)一些安全方面的需求也是必須要考慮的：如何將控制網(wǎng)元和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全隔離以及它們的管理問(wèn)題;SDN技術(shù)流表的正確執(zhí)行及安全部署。具體需求如下：第一，計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序需要認(rèn)證控制器身份和通信機(jī)制來(lái)保證通信私密性，同時(shí)計(jì)算機(jī)程序要加強(qiáng)安全系數(shù)，提升應(yīng)對(duì)惡意攻擊能力;第二，控制設(shè)備需具備限制速度、防護(hù)及檢測(cè)沖突能力;第三，位于南北向的接口設(shè)備需要雙向驗(yàn)證保證通信內(nèi)容完整，減少重復(fù)。

2.1.2 NFV網(wǎng)絡(luò)部署及其安全性需求

NFV就是所謂的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，利用軟硬件功能抽象及解耦，以虛擬化技術(shù)達(dá)到降低設(shè)備成本的目的;運(yùn)營(yíng)商可通過(guò)NFV技術(shù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行彈性伸縮、自動(dòng)部署、故障隔離等處理，將云計(jì)算虛擬化技術(shù)與承載各種網(wǎng)絡(luò)功能的通用硬件相結(jié)合;實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元虛擬化和虛擬網(wǎng)絡(luò)可編程的目標(biāo)，最終達(dá)到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)升級(jí)程序及降低新專用網(wǎng)絡(luò)硬件成本的目的。NFV的出現(xiàn)創(chuàng)建了一種全新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)即更快方式設(shè)計(jì)、分發(fā)和運(yùn)行。但是NFV的虛擬化特點(diǎn)也為5G網(wǎng)絡(luò)的安全性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)：一旦虛擬化，若管理層被非法入侵、攻克、控制，虛擬機(jī)會(huì)面臨失控的境地;網(wǎng)絡(luò)安全防線需全面評(píng)估，那是由于面對(duì)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，傳統(tǒng)安全機(jī)制的適用性將大大降低;多方信息的流通，降低了用戶對(duì)資源的控制，黑客特別容易對(duì)其進(jìn)行攻擊。它的安全性需求在于：提升NFV軟件的安全管理能力，把控軟件的訪問(wèn)權(quán)限、保護(hù)私密數(shù)據(jù);同時(shí)還必須進(jìn)行通信雙方認(rèn)證和安全區(qū)域識(shí)別等安全通信及組網(wǎng)安全性的需求。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)及其安全性研究

將某個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分割成無(wú)數(shù)個(gè)虛擬終端的過(guò)程叫做網(wǎng)絡(luò)切片[3]技術(shù)。運(yùn)營(yíng)商打造的這些個(gè)端到端的虛擬子網(wǎng)絡(luò)是為了滿足不同的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景需求。這些虛擬終端內(nèi)的接入設(shè)備、傳輸設(shè)備和中心網(wǎng)絡(luò)在邏輯上相互獨(dú)立，若某一個(gè)虛擬終端發(fā)生問(wèn)題，其他虛擬終端仍然可以正常工作。5G網(wǎng)絡(luò)是面向萬(wàn)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，它需要應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。故水平化的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須具備能為不同場(chǎng)景切出相應(yīng)的虛擬子網(wǎng)絡(luò)的功能。而這些眾多的虛擬子網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片安全性也是需要我們重點(diǎn)考慮的。為了有效防止本切片內(nèi)的資源被其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非法入侵必須提升網(wǎng)絡(luò)切片的安全性;為了讓用戶放心的將私有網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)放到云端之中，且不必對(duì)自己文件的安全問(wèn)題而過(guò)分擔(dān)憂也必然要求對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、資源以及數(shù)據(jù)的隔離進(jìn)行更高級(jí)別地保護(hù)。要讓用戶感受到像傳統(tǒng)私網(wǎng)一樣的安全。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將成為未來(lái)幾年內(nèi)十分關(guān)鍵的技術(shù)，它不僅與我們的生活息息相關(guān)也與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有密切聯(lián)系。故在進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建設(shè)時(shí)，需要對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)行充分考慮，這樣才能夠促進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)安全的快速提升，使5G 網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橹袊?guó)民生與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

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