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基于free5gc+UERANSIM的5G注册管理流程及安全服务分析（上）

29 Sep, 2021 行业新闻

基于free5gc+UERANSIM的5G注册管理流程及安全服务分析（上）

一、前言

随着5G的快速建设，5G的安全问题受到越来越多的关注。本文首先借助free5gc和UERANSIM这两个5G开源项目分析了《3GPP TS 23.502》标准中定义的用户注册管理流程，并对《3GPP TS 33.501》5G系统安全结构和流程标准中定义的安全服务进行了流量、代码分析，以帮助安全研究人员增进对5G核心网安全，从而进行安全分析与测试。

本系列分为上下两个部分，上半部分主要介绍《3GPP TS 23.502》中定义的5G用户注册管理的概念，并结合模拟环境对用户注册管理进行分析。下半部分则基于模拟环境对《3GPP TS 33.501》中定义的相关安全服务进行详细分析。

本篇为该系列上半部分。

二、用户注册管理介绍

用户注册管理是用于 UE / 用户和网络之间进行注册和注销，在网络建立上下文的过程，一个 UE / 用户想要获取网络提供的业务必须先向网络进行注册。

注册类型包含以下四种：

初次注册（initial registration）

位置变更引起的网络重新注册（Mobility Registration Update）

周期性注册（Periodic Registration Update）

紧急业务引发的注册（Emergency Registration）

注册管理涉及到的应用场景如下：

UE初次注册网络

UE周期性注册网络

UE位置变更引起的网络重新注册

紧急业务引发的网络注册

三、模拟环境介绍

本节简单介绍了UERANSIM+free5gc环境，用户可以通过使用arp、ifconfig、docker inspect及网桥brctl 相关命令，来收集容器IP及Mac地址相关信息，绘制的组网示意图如下：1632885091_6153d9632a94d8d919f75.png?1632885078984

如上图所示：环境基于ubuntu 20.04 VMware虚机部署，5gc网元分别部署在虚机的docker容器中。5gc各模拟网元与模拟RAN 通过虚拟网桥进行数据交换。物理机上的VMware 虚拟网卡作为DN(互联网节点)通过虚拟网桥与容器中的UPF对接。详细的搭建方法可以参考沉烽网络安全实验室的文章《free5gc+UERANSIM模拟5G网络环境搭建及基本使用》 。

四、5G注册管理流程分析

参考3GPP TS 23.502 V16.7.0，其协议的流程如下图所示。1632885118_6153d97e4a9abd9516f9a.png?1632885106964

下文将基于UERANSIM+free5gc 模拟环境的报文、项目代码、协议标准三位一体的对该注册管理流程进行分析。

4.1 UE发送注册请求

UE发送注册请求(Registration Request)给RAN侧，请求消息中包含了用户的标识(SUPI或SUCI或GUTI)，还包含了本次注册的注册类型，UE的能力等。

协议流程的位置：

对应流程图中step1

4.2 AMF选择

RAN侧收到注册请求后开始做AMF的选择(AMF Selection)，RAN将根据GUTI或者RAT+NSSAI选择一个AMF，如果选择不到，就选择默认的AMF。

协议流程的位置：

对应流程图中step2

4.3 RAN侧向New AMF发送注册请求

RAN向New AMF发送注册请求Registration Request(这里是根据GUTI来选择AMF的)。

协议流程的位置：

对应流程图中step3

报文捕获：1632885140_6153d994de6e8a637e6fd.png?1632885128519

4.4 New AMF会向Old AMF获取UE的上下文信息

由于核心网是不认识GUTI的，所以New AMF会向Old AMF获取UE的上下文信息(SUPI号码)。

协议流程的位置：

对应流程图中step4，step5

代码实现：

定位到free5gc amf项目/amf/ngap/handler.go中的HandleInitialUEMessage函数

func HandleInitialUEMessage(ran *context.AmfRan, message *ngapType.NGAPPDU) {
amfSelf := context.AMF_Self()
​
var rANUENGAPID *ngapType.RANUENGAPID
var nASPDU *ngapType.NASPDU
var userLocationInformation *ngapType.UserLocationInformation
var rRCEstablishmentCause *ngapType.RRCEstablishmentCause
var fiveGSTMSI *ngapType.FiveGSTMSI
// var aMFSetID *ngapType.AMFSetID
var uEContextRequest *ngapType.UEContextRequest
// var allowedNSSAI *ngapType.AllowedNSSAI
​
var iesCriticalityDiagnostics ngapType.CriticalityDiagnosticsIEList
​

请求IE包括：

id-RAN- UE-NGAP-ID

id-NAS-PDU

id-UserLocationInformation

id-RRCEStablishmentCause

id-UEContextRequest

接着由于UERANSIM+free5gc模拟环境属于未部署UDSF场景，New AMF会向Old AMF获取UE的上下文信息，代码实现如下：

if ranUe == nil {
var err error
ranUe, err = ran.NewRanUe(rANUENGAPID.Value)
if err != nil {
ran.Log.Errorf("NewRanUe Error: %+v", err)
}
ran.Log.Debugf("New RanUe [RanUeNgapID: %d]", ranUe.RanUeNgapId)
​
if fiveGSTMSI != nil {
ranUe.Log.Debug("Receive 5G-S-TMSI")
​
servedGuami := amfSelf.ServedGuamiList[0]
​
// 5G-S-TMSI> := AMF Set ID>AMF Pointer>5G-TMSI>
// GUAMI := MCC>MNC>AMF Region ID>AMF Set ID>AMF Pointer>
// 5G-GUTI := GUAMI>5G-TMSI>
tmpReginID, _, _ := ngapConvert.AmfIdToNgap(servedGuami.AmfId)
amfID := ngapConvert.AmfIdToModels(tmpReginID, fiveGSTMSI.AMFSetID.Value, fiveGSTMSI.AMFPointer.Value)
​
tmsi := hex.EncodeToString(fiveGSTMSI.FiveGTMSI.Value)
​
guti := servedGuami.PlmnId.Mcc + servedGuami.PlmnId.Mnc + amfID + tmsi
​
// 如果自上次注册请求过程以来服务AMF已更改，则调用Namf_Communication_UEContextTransfer
// Described in TS 23.502 4.2.2.2.2 step 4 (without UDSF deployment)
if amfUe, ok := amfSelf.AmfUeFindByGuti(guti); !ok {
ranUe.Log.Warnf("Unknown UE [GUTI: %s]", guti)
} else {
ranUe.Log.Tracef("find AmfUe [GUTI: %s]", guti)
​
if amfUe.CmConnect(ran.AnType) {
ranUe.Log.Debug("Implicit Deregistration")
ranUe.Log.Tracef("RanUeNgapID[%d]", amfUe.RanUe[ran.AnType].RanUeNgapId)
amfUe.DetachRanUe(ran.AnType)
}
// TODO: stop Implicit Deregistration timer
ranUe.Log.Debugf("AmfUe Attach RanUe [RanUeNgapID: %d]", ranUe.RanUeNgapId)
amfUe.AttachRanUe(ranUe)
}
}
}

4.5 AMF向UE来获取身份信息

如果UE的上下文信息获取失败的话，NEW AMF只能向UE来获取身份信息。NEW AMF向UE发送Identity Request。UE向NEW AMF返回Identity Response，发送SUPI或SUCI给NEW AMF。

协议流程的位置：

对应流程图中step6，step7

报文捕获：1632885183_6153d9bf55978727876aa.png?1632885171424

代码实现：

定位到free5gc amf项目/amf/ngap/handler.go中的AuthenticationProcedure函数

func AuthenticationProcedure(ue *context.AmfUe, accessType models.AccessType) (bool, error) {
ue.GmmLog.Info("Authentication procedure")
​
// 判断ue有没有SUCI或SUPI
if IdentityVerification(ue) {
ue.GmmLog.Debugln("UE has SUCI / SUPI")
if ue.SecurityContextIsValid() {
ue.GmmLog.Debugln("UE has a valid security context - skip the authentication procedure")
return true, nil
}
} else {
// 如果没有，amf向ue发送identity request消息，获取SUCI
gmm_message.SendIdentityRequest(ue.RanUe[accessType], nasMessage.MobileIdentity5GSTypeSuci)
return false, nil
}

4.6 AUSF Selection

NEW AMF基于获取的SUPI或SUCI信息来选择一个AUSF，为用户执行接入认证。

协议流程的位置：

对应流程图中step8

报文捕获：1632885201_6153d9d180148bd3f3149.png?1632885189364

代码实现：

定位到free5gc amf项目/amf/ngap/handler.go中AuthenticationProcedure函数

// 基于SUCI来选择AUSF网元
param := Nnrf_NFDiscovery.SearchNFInstancesParamOpts{}
resp, err := consumer.SendSearchNFInstances(amfSelf.NrfUri, models.NfType_AUSF, models.NfType_AMF,  err != nil {
return err
}
}

继续定位到free5gc amf项目/amf/gmm/handler.go中的communicateWithUDM函数

func communicateWithUDM(ue *context.AmfUe, accessType models.AccessType) error {
ue.GmmLog.Debugln("communicateWithUDM")
amfSelf := context.AMF_Self()
​
// UDM selection described in TS 23.501 6.3.8
// TODO: consider udm group id, Routing ID part of SUCI, GPSI or External Group ID (e.g., by the NEF)
param := Nnrf_NFDiscovery.SearchNFInstancesParamOpts{
Supi: optional.NewString(ue.Supi),
}
//基于SUPI来选择UDM
resp, err := consumer.SendSearchNFInstances(amfSelf.NrfUri, models.NfType_UDM, models.NfType_AMF,  ue.PcfUri == "" {
				ue.GmmLog.Error("AMF can not select an PCF by NRF")
			} else {
				break
			}
		}
		time.Sleep(500 * time.Millisecond) // 如果NF接口获取失败这里增加一段延时


4.14 获取接入和移动策略控制信息AMPolicyControlCreate

AMF 执行AM Policy Association Establishment/Modification，获取接入和移动策略控制信息

协议流程的位置：

对应流程图中step16

报文捕获：1632885362_6153da72de07395e76492.png?1632885350253

返回201 Created1632885373_6153da7d961fdcec4e609.png?1632885360752

代码实现：

定位到free5gc amf项目/amf/consumer/am_policy.go中的AMPolicyControlCreate函数

func AMPolicyControlCreate(ue *amf_context.AmfUe, anType models.AccessType) (*models.ProblemDetails, error) {
	configuration := Npcf_AMPolicy.NewConfiguration()
	configuration.SetBasePath(ue.PcfUri)
	client := Npcf_AMPolicy.NewAPIClient(configuration)

	amfSelf := amf_context.AMF_Self()

	policyAssociationRequest := models.PolicyAssociationRequest{
		NotificationUri: amfSelf.GetIPv4Uri() + "/namf-callback/v1/am-policy/",
		Supi:            ue.Supi,
		Pei:             ue.Pei,
		Gpsi:            ue.Gpsi,
		AccessType:      anType,
		ServingPlmn:  i  len(uplinkNasTransport.ProtocolIEs.List); i++ {
		ie := uplinkNasTransport.ProtocolIEs.List[i]
		switch ie.Id.Value {
		case ngapType.ProtocolIEIDAMFUENGAPID:
			aMFUENGAPID = ie.Value.AMFUENGAPID
			ran.Log.Trace("Decode IE AmfUeNgapID")
			if aMFUENGAPID == nil {
				ran.Log.Error("AmfUeNgapID is nil")
				return
			}
		case ngapType.ProtocolIEIDRANUENGAPID:
			rANUENGAPID = ie.Value.RANUENGAPID
			ran.Log.Trace("Decode IE RanUeNgapID")
			if rANUENGAPID == nil {
				ran.Log.Error("RanUeNgapID is nil")
				return
			}
		case ngapType.ProtocolIEIDNASPDU:
			nASPDU = ie.Value.NASPDU
			ran.Log.Trace("Decode IE NasPdu")
			if nASPDU == nil {
				ran.Log.Error("nASPDU is nil")
				return
			}
		case ngapType.ProtocolIEIDUserLocationInformation:
			userLocationInformation = ie.Value.UserLocationInformation
			ran.Log.Trace("Decode IE UserLocationInformation")
			if userLocationInformation == nil {
				ran.Log.Error("UserLocationInformation is nil")
				return
			}
		}
	}

	ranUe := ran.RanUeFindByRanUeNgapID(rANUENGAPID.Value)
	if ranUe == nil {
		ran.Log.Errorf("No UE Context[RanUeNgapID: %d]", rANUENGAPID.Value)
		return
	}
	amfUe := ranUe.AmfUe
	if amfUe == nil {
		err := ranUe.Remove()
		if err != nil {
			ran.Log.Errorf(err.Error())
		}
		ran.Log.Errorf("No UE Context of RanUe with RANUENGAPID[%d] AMFUENGAPID[%d] ",
			rANUENGAPID.Value, aMFUENGAPID.Value)
		return
	}

	ranUe.Log.Infof("Uplink NAS Transport (RAN UE NGAP ID: %d)", ranUe.RanUeNgapId)

	if userLocationInformation != nil {
		ranUe.UpdateLocation(userLocationInformation)
	}

	nas.HandleNAS(ranUe, ngapType.ProcedureCodeUplinkNASTransport, nASPDU.Value)
}

最后定位到free5gc amf项目/amf/gmm/handler.go中的HandleRegistrationComplete函数

func HandleRegistrationComplete(ue *context.AmfUe, accessType models.AccessType,
	registrationComplete *nasMessage.RegistrationComplete) error {
	//返回注册完成
    ue.GmmLog.Info("Handle Registration Complete")

	if ue.T3550 != nil {
		ue.T3550.Stop()
		ue.T3550 = nil // clear the timer
	}

五、总结

本文借助free5gc+UERANSIM模拟5G网络环境，通过抓包和源码分析的方式介绍了用户注册管理流程的相关步骤。希望能帮助到对5G知识感兴趣的读者，不足之处请多多指正。

作者：中兴沉烽实验室_lwc、中兴沉烽实验室_lyc

参考资料

沉烽网络安全实验室：《free5gc+UERANSIM模拟5G网络环境搭建及基本使用》
https://www.freebuf.com/articles/wireless/268397.html

沉烽网络安全实验室：《基于UERANSIM+free5gc 5G模拟环境的5G_AKA协议解析》
https://www.freebuf.com/articles/wireless/273792.html

张忠琳：【5G核心网】free5GC 注册请求流程源码分析
https://www.it610.com/article/1292406752595222528.htm

3GPP TS 23 502

3GPP TS 33.501

free5gc https://github.com/free5gc/free5gc

UERANSIM https://github.com/aligungr/UERANSIM

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