5G Security Architecture 安全架構初探

引言
理論上，5G（第五代流動通信）不但具有更快的速度、更高的頻譜效益，還有更高的安全性。 其中一個具體例子，就是手機註冊流程。相比起 4G 使用的 EPS-AKA，5G 使用的 5G AKA 既能更加有效防止竊聽者的追蹤，也能減少在漫遊下，手機身分被盜用的風險。

本文章會先分析 5G Core 中，與保安相關的 Functional Entities 的名稱及功能。然後在下一篇文章，會詳細解釋 5G-AKA 的運作原理，以及與 4G EPS-AKA 的異同之處。

基本保安架構

名詞解釋：

• ME = Mobile Equipment 
• USIM = Unique Subscriber Identity Module
• 3GPP / Non-3GPP AN = 3GPP / Non-3GPP Access Network
• SN = Serving Network
• HE = Home Environment

簡單來說，就是 ME（手機）會與 USIM（電話卡）交換資料，為上層的應用提供保安。
而手機會利用 3GPP AN（例如基地台）或 Non-3GPP AN（例如 Wi-Fi 熱點）與 Serving Network（最就近的網絡）溝通。同時，Serving Network 也需要索取有關你 USIM 的資料，用作認證身分。而且，Serving Network 有時未必是 Home Environment（你訂購的網絡）（例如漫遊情況下）。所以，兩者會一起合作，為上層提供保安。

四個主要的保安個體 (Four Fundamental Entities)

• UE (User Equipment) - 毋庸置疑，手機終端是最重要的個體。
  手機中會插著 USIM 卡，而且手機正正就是資料的使用者。
• AMF (Access and Mobility Management Function) - 它與 4G EPC 的 MME (Mobility Management Entitiy) 十分相似。與 MME 不同：它不會處理與 Session 相關的工作，只會把 Session 相關的訊息 forward 去 SMF 處理。但是，與 MME 相似：它也會處理 Mobility Event 的 Notification。在保安方面，它只會負責做 SEAF (Security Anchor Functionality)，把 SUPI / SUCI 的 request / response forward 去 AUSF / UE。
• AUSF (Authentication Server Function) - 它只負責做 Authentication 相關的工作，也就是處理所有來自 3GPP / Non 3GPP AN 的 5G AKA / EAP-AKA' / EAP-TLS 的請求。
• UDM (User Data Function) - 又稱 ARPF (Authentication credential Repository and Processing Function)。它就是一個儲存 SUPI 和所有 secret key 的倉庫。與 4G 的 HSS 一樣，它只會回應合法的請求。而且，它保證所有 Secret keys 都不會離開它，因為它只會回應 hashed keys / calculated keys。而與 4G HSS 不同：4G HSS 有很多其他功能，而 UDM 只有這一個功能，所以相對簡單。

5GC 的明確分工，不但有助防止伺服器過度繁忙，更令局部強化變得簡單。例如：如果有非常多人進行 5G-AKA，只需要開多一台 AUSF 即可解決。又例如，如果某一天需要改掉 secret key 的加密方法，我們只需要更新一下 UDM 就可以，而不會影響 HSS 的其他功能。

註：SMF (Session Management Function) 與 4G 的 SGW 相似，它只做 Session Management，並不提供保安相關功能。而 UPF (User Plane Function) 也一樣，只根據用戶身分，進行 application detection 和 QoS control，同樣不會提供保安相關功能。

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參考：

[1] 3GPP 23.501 V15.7 - https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3144

[2] 3GPP 33.501 - V15.2 - https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3169

在 Mac OS X Catalina 下運行 FAME

FAME (Fast Attribute-based Message Encryption) 是由 Visa 及 Microsoft 的研究人員發表的 ABE (Attribute-based Encryption) 。不論加密速度，解密速度，以及私鑰大小，均比最主流的 BSW (John Bethencourt,  Amit Sahai,  Brent Waters) 所發布的方法更快 [1]。而近年來，隨著 Functional Encryption 的概念越來越流行，FAME 的作者也使用 Charm Crypto Framework [2] 來實作了 FAME 的雛型。

由於 Charm 的範例中已經包含 FAME 的演示源碼，故以下簡介 Charm 的安裝步驟：

1. 下載 Charm Crypto 的源碼  
網址： https://github.com/JHUISI/charm

2. 安裝 OpenSSL 及 LibreSSL
輸入 brew install openssl 及 brew install libressl
再將 LibreSSL 或 OpenSSL 放入 .zshrc 中：
export LDFLAGS="-L/usr/local/opt/libressl/lib"
export CPPFLAGS="-I/usr/local/opt/libressl/include"
echo 'export PATH="/usr/local/opt/libressl/bin:$PATH"' >> ~/.zshrc

3. 按指示安裝 Charm
先 checkout dev branch，執行 ./configure --enable-darwin，再 make install 及 make test

4. 下載 FAME 原作者的 main example
https://github.com/sagrawal87/ABE

5. 執行原作者的 example
python main.py 或 python3 main.py
如果發現有問題，可改一下 ac17.py 中的第 19 行：

-from msp import MSP
+from charm.toolbox.msp import MSP

儲存後重試即可。你也可修改 debug = True ，查看詳細運作原理。

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參考：

[1]: FAME - https://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3133956.3134014
[2]: Charm: a framework for rapidly prototyping cryptosystems - https://link.springer.com/article/10.1007/s13389-013-0057-3

Functional Encryption 初探

近年來，Functional Encryption 越來越引起大眾的關注。不同的 Libraries 也開始以 Functional Encryption 作為構思藍本，包括 CiFEr、GoFE 等等。事實上，FE 的概念，早在 2005 年左右就已經出現，而 Dan Boneh 在 2010 年發布的一篇論文「Functional Encryption: Definitions and Challenges」[1] 則正式地對這個詞語下了一些定義。

Functional Encryption 的定義，主要包括以下數項 [2]：

• 它是 Public Key Encryption 的一種（也就是非對稱加密）
• 「滿足既定條件，就能知道內容」
• 在傳統的 Public Key Encryption 中，「條件」只有一個，就是持有私鑰。
  而在 Functional Encryption 中， 加密者持有的，並非一對一的公鑰。
  而解密者即使持有的私鑰，也未必等於可以解開內容。
  
  例如 IBE 中，加密者可以根據受眾的名稱加密，
  而解密者只能解出以自己的名稱加密的內容。
  每個解密者會有不同的私鑰，但加密者卻只需要持有一套公鑰。
• 整個加密系統可以分成四個部分：Setup / Keygen / Encrypt / Decrypt
• Setup 是指由系統管理員產生 Public Key Parameters 及 Master Key。
  Public Key Parameters 可以公開，但 Master Key 只有系統管理員知道。
• Keygen（或者稱為 Extract）是指使用者向系統管理員索取 Secret Key。
  管理員會按著使用者的名稱、身分等不同屬性，用 Master Key 產生一條獨特的 Secret Key 給用家。
• Encrypt 是指加密，運用 Public Key Parameters 加上不同的屬性來加密內容。
• Decrypt 是指解密，以私鑰來解開內容。
  只有當 Secret Key 符合 Encrypt 時的屬性，密文才能解開。

典型例子：包括 IBE，ABE 及 CP-ABE 等。

有部分人會將 FE 跟 Fully Homomorphic Encryption (FHE) 混為一談 [3] 。
事實上，兩者不互相衝突，技術上也可以同時存在，只是學者們仍未提出具體的演算法。

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參考：

[1]: Functional Encryption: Definitions and Challenges - https://eprint.iacr.org/2010/543.pdf
[2]: Functional Encryption - http://cryptowiki.net/index.php?title=Functional_encryption
[3]: Forget Homomorphic Encryption, Here Comes Functional Encryption - https://research.kudelskisecurity.com/2019/11/25/forget-homomorphic-encryption-here-comes-functional-encryption/