原文首发于公号“360 IoT安全” (https://mp.weixin.qq.com/s/JUQEgWCxdu_oGibEPcjdjw)
一分钟阅读摘要
Syed Rafiul Hussain 在今年的CCS‘19会议上的一篇名为5GReasoner的论文，并且他报告的漏洞已被收录GSMA CVD-2019-0029。经分析我们认为论文中的漏洞大部分是已知问题，实现相关的，或利用难度很高风险很小。对使用4G/5G连接的IoT设备，我们建议的CheckList为：1) 终端是否允许降级到2G？2) 业务怕不怕DoS攻击？3）应用层安全是否足够强？
论文的主要内容
CCS 2019会议中，一篇论文 5GReasoner: A Property-Directed Security And Privacy Analysis Framework For 5G Cellular Network Protocol。作者利用自己的分析方法，系统性的检查了5G的NAS层协议与RRC层的协议的安全性，发现了多个潜在的安全风险。第一作者Syed Rafiul Hussain也是去年 LTEInspector 论文的作者，我们去年写过一篇对LTEInspector的解读文章在团队的blog上。
5GReasoner沿用了LTEInspector的方法论，都是对协议构造一种数学模型，可以自动化的系统性的，全方位无死角的检查协议在安全方面的完备性。5GReasoner相比LTEInspector进一步的扩展了模型的能力，比如从单层扩展到多层协议栈（主要就是NAS和RRC），把协议payload的建模做得更完善，攻击者在模型中的行为更复杂化。
5GReasoner发现的潜在的风险主要集中在DoS攻击，用户身份信息的泄露（大部分是临时身份信息），以及位置信息泄露，广播消息的伪造等。这些5G中的风险点主要由于在初始的上下行交互流程中，一些控制消息是不进行加密和完整性保护的；同时为了给手机提供必要的接入参数以及寻呼等作用，系统消息和寻呼消息都是以明文广播的形式散发给手机的，这些消息是可以进行伪造的。
DoS攻击是很难避免的，就算协议标准为了保护这些初始消息而进行了额外的保护，但是攻击者同样可以使用大功率干扰的措施简单粗暴的DoS到所有用户的连接。而对初始连接的消息进行保护的代价很高，因为此时的5G安全上下文还没有建立，无法保护在此之前的消息。
在3GPP SA3中有一个Study Item（研究项目），TR 33.809 Study on 5G security enhancements against false base stations，其中就有以上几类比较典型的安全漏洞。这些消息可以通称为’Unprotected unicast messages and system information’。
首先这些漏洞均是协议方面的设计漏洞，所有厂商的设备都会受到影响。其次，3GPP目前还没有讨论出一个更新的，大家都接受的，能够平衡安全和成本的方案。
所以敲黑板！划重点！
- 5G仍然会存在伪基站
- 5G仍然会存在DoS类攻击（包含降级攻击）
- 5G仍然存在广播消息伪造
如果以后各位读者再看到新闻说到以上几类5G问题，不要惊讶，这几个顽固的问题还没有解决。
（DoS攻击的段位体现在是用暴力斧头砍断，还是妙手飞针挑断；防守的段位体现在能否’看见’谁下的刀，以及挂掉以后能不能快速复活）
那么5GReasoner中提到的几种其他危害：可追踪用户位置；可以消耗流量使被攻击者产生天价账单；可以获取永久身份信息SUPI。这几种漏洞的危害如何呢？
GSMA CVD项目对媒体的回答是：
Spokes person Claire Cranton said the vulnerabilities were “judged as nil or low-impact in practice.” 在实际网络中危害非常低。
我们在分析了论文之后，也请教了华为和中国移动相关的安全专家（没有官方表态，仅限技术交流讨论），大家一致的观点是：大部分是已知问题，实现相关的（意思就是跟具体代码实现有关，与标准无关），可规避的（通过实现规避），或利用难度很高风险很小。
详细技术分析
下面详细讨论一下论文中列出的一些漏洞。在论文的第6部分，共列举了11种漏洞。这部分稍微细节了一点，不感兴趣的话，可以直接跳到末尾，看3G/4G/5G IoT设备常见的安全检查点有哪些。
6.1.1 NAS Counter Reset
DoS类和账单欺诈。为了防重放攻击，NAS层的数据包有序列号，序列号就有溢出重置的情况。这个攻击方法就是用中间人（伪基站+伪终端），首先保存一次0号数据包（Security Mode Command 和 Security Mode Complete），然后再某个合适的时间重放一次，于是终端（UE，User Equipment）与网络(AMF: Mobility Management Function)的连接的counter就失去同步了，然后连接中断，终端会重新发起连接建立。“Causing DoS and user-battery depletion”。前面说了DoS类攻击确实是存在的，不用过于忧虑。
但这个攻击还提到了：“It is also possible to replay the same user-plane packets over and over again with same (key_gNB) to cause over billing to the client.” 意思是说，重放用户面的数据包，会导致计费系统记上额外的流量费用。这个问题，要看计费系统究竟是如何实现的了，未经验证，很难说。
6.1.2 Uplink NAS Counter Desynchronization
DoS类。它的原理是中间人不断的向UE发送sec_mode_command消息，当然UE能认出这是假消息，于是UE回应sec_mode_reject。标准中没有规定如果不断收到这种异常消息UE应该怎么办，所以是由实现决定的。UE可能失败一定次数之后，发起重新建立连接的过程。
6.1.3 Exposing NAS Sequence Number
隐私泄露类。因为sec_mode_command和sec_mode_complete是在安全上下文建立前的消息，也就是RRC层还没有加密，所以这两条消息中的NAS序号是明文的。所以如果一直监听某个用户的信号，可以观察到它什么时候建立了一个session，counter是多少，大致估计一下这个用户的手机的流量活动情况。我们认为，这个观察能挖掘的信息非常非常有限。
6.1.4 Neutralizing TMSI Refreshment
DoS类和追踪类。攻击方法是拦截网络发出的config_update_command消息，使UE的TMSI更新不成功，于是当网络对UE发起寻呼的时候，会先使用新TMSI，发现失败之后会使用旧TMSI。最终效果可以使攻击者追踪TMSI。但我们觉得其中有两个难点：第一，攻击者需要猜出哪个消息是config_update_command，这个消息一般是被RRC层加密的；第二，网络侧发出的config_update_command如果是要求acknowledgement的话，网络侧就会知道TMSI更新不成功，所以这是实现相关的，需要实验测试。
6.1.5 Cutting off the Device
DoS类。初始连接消息，registration request 和 deregistration request 都是不加密无完保的。那么攻击者可以怎么做呢？UE本来连接在网络上，攻击者用这个UE的C-RNTI（临时身份）发起注册或者取消注册的请求，然后呢，当然这个请求流程是走不通的，于是该UE的连接就断了，然后该UE只好发起重新连接。
6.2.1 Denial-of-Service with rrc_setup_request
DoS类。跟6.1.5的问题类似，只不过是RRC层的问题。攻击者可以向网络发出RRC连接建立请求，重建请求，resume请求，然后网络就中断之前跟UE建立好的连接，启动连接建立流程。
6.2.2 Installing Null Cipher and Null Integrity
隐私泄露和追踪类。这个攻击方法，我们强烈怀疑是不可行的。5G不是对IMSI加密了吗？也就是把永久ID，SUPI加密为SUCI。这个方法是这样的，在RRC连接建立过程中，中间人冒充AMF，骗UE说我不支持完保不支持加密，于是UE没法只好进入“有限服务模式（limited Service mode）”，也就是只能拨打紧急呼叫电话的状态。此时呢，中间人再去询问UE，你的ID是什么，作者认为UE可能会报告SUPI，“UE may expose its SUPI in plaintext”。我们认为，UE很可能不会报告SUPI，这个取决于运营商对SIM卡的配置。
6.2.3 Lullaby Attack
DoS类。攻击者发送RRC Reconfiguration消息给UE，UE做完整性检查以后发现消息不对，于是UE会重新启动连接建立过程。
6.2.4 Incarceration with rrc_reject and rrc_release
DoS类。基本原理就是，当UE发起连接的时候，伪基站不断的say NO。这个确实是可行的。实际情况是，在NAS层say NO，效果更好。不同的UE反应不同，取决于实现。
6.3.1 Exposing Device’s TMSI and Paging Occasion
追踪类。这个攻击需要知道攻击目标的手机号。做法基本上跟以前3G/4G那种paging追踪类似，把UE的RRC连接打断，然后给攻击目标不停的拨打电话，于是网络会不断发出paging消息，paging的时候会携带TMSI，于是攻击者就知道目标的TMSI了。TMSI是一个临时ID，更新的周期由运营商决定，可长可短，所以追踪效果说不好。
6.3.2 Exposing Device’s I-RNTI
追踪类。I-RNTI (Inactive RNTI)是UE处于Inactive状态的一个临时ID，与6.3.1攻击类似，可以不停的拨打电话，产生paging消息，从paging消息中获得对应的I-RNTI。
以上总结了论文中列举的11种漏洞。关于如何修复，实际上3GPP SA3一直（持续很多年了）在讨论这些unicast messages 和 system information 如何保护的问题。但是这些消息本身的功能有限，只能实现DoS攻击。而DoS攻击是很难避免的，就算协议标准为了保护这些初始消息而进行了额外的保护，但是攻击者同样可以使用大功率干扰的措施简单粗暴的DoS到所有用户的连接。对这些消息进行保护的代价很高，寻呼信道的劫持，以及TMSI身份信息的泄露这些问题估计会一直存在，因为安全性危害较小，不足以花费巨大的成本去更改自2G以来就一直沿袭的一些设计理念。
另外，对于追踪类风险，实际上除了手机的4G/5G之外，还有WiFi MAC地址追踪，蓝牙MAC地址追踪。对应的防御技术有WiFi地址随机化和蓝牙地址随机化。今年有一个研究成果就是讨论蓝牙追踪风险的，我们也有相应的讨论。这两年无线耳机普及得非常快，而无线耳机的蓝牙地址通常是固定的，值得关注。
IoT安全检测要点
在我们做安全测评的时候，对使用3G/4G/5G类网络接口的IoT设备，通常会在我们的4G/5G实验网（电磁屏蔽室内）中对终端做检查，包括：
- DoS类攻击测试。各种协议类DoS攻击测试，包括暂时性DoS攻击和长期DoS攻击。有些终端会挂掉直到上电重启才会恢复，这取决于各厂商实现。
- 4G/5G内网侧开放端口扫描。这里指内网网段的终端间的互通，由于各运营商设置不同，内网中终端互通的数据包过滤能力不一样。对于高安全要求的业务来说，可以假设内网防护是不够的，端口对外可见。
- 4G/5G流量抓取和分析。检查应用层加密是否已启用，强度是否足够。对于高安全要求的业务来说，可以假设4G/5G流量对攻击者是可获取的，管道永远是不可信任的。这个方向，是可以持续深挖无止境的。比如百度安全实验室今年BlackHat的议题，腾讯KeenLab对特斯拉的远程攻击。
对业务团队来说，当使用4G/5G网络连接时，需要思考几个问题：
- 终端是否允许降级到2G？一旦允许，那短板就很明显了。
- 这个业务如果遇到DoS攻击，影响大吗？DoS攻击一般是近场攻击，比如伪基站的距离可以在几十到几百米，这个业务场景中攻击者有机会靠近目标吗？对于低时延，需要及时响应的场景，DoS攻击的危害就比较大。
- 应用层加密和鉴权是否足够强？攻击者突破加密的难度，突破鉴权的难度如何，是否与业务数据的价值相匹配。怎样算“足够”？这个标准就得各业务团队自己拿捏了。
最后，业务团队和安全团队综合考虑风险和防御成本，设计合适的安全方案。