An toàn, an ninh mạng 4g lte

MỤC LỤC

Lời Mở Đầu.................................................................................2
I. Mạng thông tin di động 4G/LTE............................................2

Hình 1. Kiến trúc mạng 4G/LTE [1].......................................3
II. An toàn, an ninh mạng trong mạng 4G/LTE..........................4

1. Kiến trúc bảo mật mạng 4G/LTE.........................................4
Hình 2. Kiến trúc an toàn, an ninh mạng 4G/LTE [2]...........5

2. Phân cấp khóa bảo mật 4G/LTE..........................................5
Hình 3. Phân cấp khóa 4G/LTE [2]........................................6

3. Quản lý khóa chuyển giao 4G/LTE......................................6
4. An ninh IMS..........................................................................7
Tài liệu tham khảo.......................................................................7

Lời Mở Đầu

Hệ thống thông tin di động 4G/LTE đã được triển khai và ứng dụng hiệu quả
trong thực tế. Bằng việc cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần
hiện có và băng tần mới, 4G/LTE cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa
trong điều kiện lý tưởng lên tới 1.5Gbps [1]. Tuy nhiên, việc đảm bảo an ninh
mạng khi triển khai thế hệ mạng thứ tư này vẫn đang là bài toán cần nhiều lời giải.
Bài báo dưới đây sẽ trình bày những vấn đề về an tồn, an ninh mạng 4G/LTE.

I. Mạng thông tin di động 4G/LTE

Mạng thông tin di động 4G/LTE (Generation/Long Term Evolution) là mạng
thế hệ thứ tư đang được triển khai rộng khắp trên thế giới và Việt Nam. 4G/LTE

được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói (Packet Switching - PS), khơng
hỗ trợ chuyển mạch kênh (Circuit Switching - CS) như trong các hệ thống thông
tin thế hệ trước. 4G/LTE cung cấp kết nối IP giữa thiết bị đầu cuối và mạng dữ liệu
gói (Packet Data Network - PDN).

Thuật ngữ LTE bao hàm mạng kết nối vô tuyến, đi kèm với kỹ thuật kết nối
hữu tuyến mới với khả năng cải tiến kiến trúc hệ thống (System Architecture
Evolution - SAE), bao gồm cả mạng lõi chuyển mạch gói cải tiến (Evolved Packet
Core - EPC). LTE và SAE cùng kết hợp tạo thành hệ thống mạng chuyển mạch gói
(Evolved Packet System - EPS). Hình 1 mơ tả kiến trúc tổng quát của mạng
4G/LTE với các thành phần chính và các giao diện kết nối.

2
Nhóm 17 - An tồn, an ninh mạng 4G/LTE

Hình 1. Kiến trúc mạng 4G/LTE [1]

Kiến trúc mạng 4G/LTE về cơ bản có thể chia thành ba thành phần chính:

 Thiết bị người dùng (User equipment – UE): Thiết bị di động là điểm đầu
cuối chính trong các mạng di động, tương tác với các trạm gốc eNodeB
thơng qua tín hiệu vơ tuyến, nhằm mục đích gửi và nhận thơng tin. Một UE
bao gồm: UICC chứa các khóa mã bí mật được chia sẻ trước với nhà khai
thác di động (Mobile Network Operator - MNO) trước khi nó được cấp tới
người dùng; IMSI là định danh cố định mà nhà mạng sử dụng để xác định
thuê bao.

 Mạng truy cập vô tuyến (Evolved Universal Terrestrial Radio Access
Network- E-UTRAN): Các thiết bị người dùng UE kết nối với E-UTRAN để
truyền dữ liệu tới mạng lõi. E-UTRAN là một mạng lưới bao gồm các trạm

gốc. Một trạm gốc hay e-NodeB điều chế và giải điều chế tín hiệu vơ tuyến
để liên lạc với các UE. eNodeB sau đó hoạt động như một điểm chuyển tiếp
tạo và gửi các gói tin IP đi và đến mạng lõi. Mạng di động được thiết kế
chuyển kết nối từ một thiết bị truy cập vô tuyến trong E-UTRAN này sang
E-UTRAN khác khi UE được kết nối thay đổi vị trí.

 EPC: Mạng lõi có chức năng điều khiển thiết bị đầu cuối và thiết lập các tải
tin (payload), bao gồm 2 node chính. Thứ nhất, khối quản lý di động
(Mobility Management Entity - MME) là thực thể điều khiển mấu chốt cho
mạng truy cập 4G/LTE. Đây là node điều khiển, xử lý tín hiệu giữa thiết bị
đầu cuối và mạng lõi. Thứ hai là khối quản lý thuê bao (Home Subcriber
Server - HSS) cung cấp thông tin thuê bao thường trú, lưu giữ thông tin
những mạng gói dữ liệu PDN mà thuê bao có thể kết nối đến.

3
Nhóm 17 - An tồn, an ninh mạng 4G/LTE

Bộ thông số kỹ thuật của 4G/LTE được xem là tốt hơn đáng kể so với hệ thống
di động UMTS trước đó khơng chỉ về mặt chức năng mà còn liên quan đến khả
năng bảo mật và quyền riêng tư cho thuê bao. Vấn đề lớn của các hệ thống truyền
thông vô tuyến và di động là đảm bảo bí mật thơng tin người dùng và tính sẵn sàng
của thiết bị di động và trạm gốc. Việc nghiên cứu, phân tích các tấn cơng lên mạng
di động thế hệ mới là một hướng nghiên cứu tiềm năng nhằm có được những kiến
thức, kinh nghiệm khuyến cáo tới người dùng cũng như đề xuất các giải pháp an
toàn về kỹ thuật, nghiệp vụ chống lại các nguy cơ tấn cơng.

II. An tồn, an ninh mạng trong mạng 4G/LTE

1. Kiến trúc bảo mật mạng 4G/LTE

Hình 2 mơ tả năm mức bảo mật được 3GPP [3] xác định để đối mặt với các mối
đe dọa và đạt được các yêu cầu bảo mật nhất định, cụ thể:

 Mức I: Bảo mật truy cập mạng cung cấp quyền truy cập an toàn vào các dịch
vụ cho người dùng và bảo vệ chống lại các cuộc tấn công liên kết truy cập
vô tuyến.

 Mức II: Bảo mật miền người dùng cung cấp cách thức an toàn để truyền dữ
liệu báo hiệu và dữ liệu người dùng.

 Mức III: Bảo mật miền người dùng cung cấp quyền truy cập an toàn vào các
trạm di động bao gồm cơ chế xác thực giữa mơđun nhận dạng th bao tồn
cầu (USIM) và UE.

 Mức IV: Bảo mật miền ứng dụng đảm bảo trao đổi tin nhắn bảo mật của các
ứng dụng trong miền người dùng và nhà cung cấp.

 Mức V: Khả năng hiển thị và khả năng cấu hình của bảo mật. Mức độ này
cho phép người dùng kiểm sốt các thơng báo để kiểm tra hoạt động của tính
năng bảo mật và việc sử dụng, cung cấp dịch vụ có nên phụ thuộc vào các
tính năng bảo mật hay không.

4
Nhóm 17 - An toàn, an ninh mạng 4G/LTE

Hình 2. Kiến trúc an toàn, an ninh mạng 4G/LTE [2]

2. Phân cấp khóa bảo mật 4G/LTE

Mạng 4G/LTE sử dụng hàm dẫn xuất khóa trực tiếp để lấy nhiều loại khóa. Hệ

thống phân cấp khóa được mơ tả như Hình 3, trong đó:

 K là khóa master cố định được lưu trữ an toàn trong USIM và trung tâm xác
thực (AuC).

 CK và IK là khóa mã hóa và khóa giải mã có nguồn gốc từ USIM và AuC từ
K để mã hóa và kiểm tra tính tồn vẹn.

 KASME có nguồn gốc từ CK và IK, và nó được chia sẻ giữa UE và MME
để tạo ra một loạt các khóa phiên.

 KeNB có nguồn gốc từ UE và MME hoặc e-NodeB từ KASME theo trạng
thái của UE.

 KNASint và KNASenc là một cặp khóa được UE và MME lấy từ KASME để
bảo vệ lưu lượng NAS.

 KUPenc có nguồn gốc từ UE và eNodeB từ KeNB để bảo vệ lưu lượng mặt
phẳng người dùng.

5
Nhóm 17 - An toàn, an ninh mạng 4G/LTE

Hình 3. Phân cấp khóa 4G/LTE [2]

3. Quản lý khóa chuyển giao 4G/LTE

Mạng 4G/LTE hỗ trợ cả chuyển giao vô tuyến và chuyển giao nội bộ E-
UTRAN. Việc chuyển giao nội bộ E-UTRAN có chuyển giao nội bộ MME và
chuyển giao giữa các MME. Việc chuyển giao nội bộ MME xảy ra giữa các e-

NodeB trong cùng một MME được kết nối với nhau bằng giao diện X2, trong khi
chuyển giao giữa các MME dựa vào giao diện S1 và liên quan đến MME trong quá
trình này. Quy trình chuyển giao giữa MME ln thực thi thủ tục EPS-AKA hồn
chỉnh để đạt được mơi trường an tồn, trong khi chuyển giao giữa MME chỉ đơn
giản chuyển giao KeNB mới (K*eNB) từ e-NodeB nguồn sang e-NodeB mục tiêu. Việc
tách khóa ngược của dẫn xuất khóa phiên trong chuyển giao MME nội bộ đạt được
bằng cách sử dụng hàm một chiều, tức là e-NodeB khơng thể lấy được các khóa
phiên từ các khóa hiện tại. Đồng thời, cần thực hiện tách khóa chuyển tiếp để đảm
bảo rằng e-NodeB nguồn khơng thể dự đốn khóa của e-NodeB đích. Điều này đạt
được bằng cách sử dụng khóa bước truyền kế tiếp (NH) và bộ đếm chuỗi NH để
tạo khóa mới.

6
Nhóm 17 - An tồn, an ninh mạng 4G/LTE

K*eNB có thể được lấy bằng cách sử dụng dẫn xuất khóa ngang hoặc dẫn xuất
khóa dọc. Thủ tục trước dẫn xuất K*eNB từ KeNB trước đó và nó xảy ra khi eNodeB
nguồn khơng có cặp (NH, NCC) mới hoặc giá trị NCC trong eNodeB không nhỏ
hơn giá trị nhận được từ MME. Thủ tục sau phổ biến và an tồn hơn, nó dẫn xuất
từ K*eNB sử dụng khóa NH nhận được từ MME. Nó được sử dụng khi giá trị NCC
trong eNodeB nguồn nhỏ hơn giá trị NCC nhận được từ MME.

4. An ninh IMS

Việc xác thực EPS-AKA và IMS-AKA nên được thực hiện trước khi UE có
quyền truy cập vào các dịch vụ đa phương tiện. Trong IMS, môđun nhận dạng thuê
bao IMS mới (ISIM) được phân bổ trong mỗi UE. Tương tự như USIM, ISIM lưu
trữ các khoá và chức năng xác thực IMS được sử dụng để kết nối mạng LTE/LTE-
A. S-CSCF xử lý các yêu cầu UE để thực hiện việc xác thực sử dụng HSS, giữ bản
sao của các khóa xác thực IMS.

Hiểu rõ về mạng 4G/LTE và kiến trúc an toàn, an ninh mạng thế hệ thứ tư
này sẽ giúp chúng ta phát hiện ra các tấn công phổ biến lên mạng 4G/LTE, đồng
thời giúp những chuyên gia an tồn, an ninh mạng có những giải pháp để phịng
chống các tấn cơng đó.

Tài liệu tham khảo
/>105881

7
Nhóm 17 - An tồn, an ninh mạng 4G/LTE