5G网络切片应用及安全研究

杨红梅 谢君

（中国信息通信研究院安全研究所，北京 100191）

摘要：网络切片是5G网络架构的重要特征之一，运营商可通过5G网络切片为不同的行业应用提供服务，实现灵活高效的网络资源编排和调度n o c @，满足差异化的业务特征及安全性需求。介绍了5G网络切片的基本概念及实现方案，阐述了5G网络切片应用场景及安全需求，分析了5G网络切片面临的安全风险及应对方法，并梳理M % 7 g g q了5G网络切片国e h % o D j X [际国内标准化进展情况，最M 2 V E后对5G网络切片及行业应用安全的总体发展方向进行了展望。

关键词：5G网络切片；应用；安全；标准

1 引言

5G作为当前最具代表性的网络信息技术，已成为经济社会数字化转型的重要驱动力量。与4G相比，5G可提供至少10倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和每平方公里百万级的连接能力，关键性能指标得到了巨大的提升。5G实r H K 0 Z 6 5 ~现了全新的核心网网络架构、灵活的无线系统设计、新型信道编码和大规模天线技术等技? s @ { / #术创新，可满足移动互联网和物联网的多样化业务需求，应用场景更加广泛。2019年被称为5G商用元年，总体来看，全球5G商用进程加快，美国和韩国抢先开展5G商用，欧洲积极跟进，据全球移动P F [ o P供应商协会（GSA）统计，截止到2019年10月，共有109个国家的328家运营商正在投资建设5G网络，69家运营商宣布已部署5G网络。

5G商用初期，各运营商推出的业务主要以固定无线接入和增强移动宽带为主，比如4K/8K超高清视频、VR/AR等，同时5G在工业互联网、医疗等领域的应用也广受关注，这些应用对网络的服务质量要求和安全性要求具有明显差异。因此，运营商迫切需要基于同一张物理网络同时支持差异化需求的垂直行业应用，网络切片w h s Q x技术应运而生。基于网络切片技术，5G网络可为工业、交通、医疗等千5 y O 6 ^ + 8 N 8行百业提供端到端、可定制的智能化通信信息服务，将3 y = } F 1 8成为万物互联的纽带，从而对科技、经济、社会、民生e R 4各领域带来全方位、深层次的影. { E 1 2 J 网络架构、网络规划及部署模式，同时也给运营商开拓商业模式带来新的契机，如给垂直行业提供网络切片服务，使其可在给定的权限范围内控制运营商的网络切片，实现定制化服务。

2.2 网络切片实现方案

一个UE（用户设备）通过5G接入网可以同时连接到一个或多个网络切片（最多8个）。服务于UE的AMF（接( E X r # z & F入管理功能）在逻辑上属于为UE服务的每个网络q u p =切片，即该AMF对于服务于UE的网络切片来说属于共享网络功能。同时，由于切片隔离，AMF可能只为部分切片服务，因此终端发L R z N - A起注册请求时，接入网需要先进行初始Ai i s i L 7 ] cMF选择，然后AMF进一步进行切片选择，某些场景下可能会触发AMF的重选流程来适配终^ } | 策略，一旦被攻击利用形成设备s q ! | |僵尸网络，将会成为攻击源，进而引发对用户应用和后台系统等的网络攻击，带来网络中断、系统瘫痪等安全风险。因此，需要构建基于海量机器类通信场景的安全模型，优化终端设备接入安全机制，建立智能动态防御体系应对网络攻击，防止网络安全威胁横向扩散。

4 5G网络切片安全? v = n F分析

4.1 网j % I A O S络切片的安全需求

5G网络除了需要支持移动互联网业务场景之外，还需要支持工业互联网D ! X W & 2 G )、车联网以及物联网为典型代表的垂直行业应用场景，因此传统的安全防护机制将难以满足5G时代新的安全需求。5G网络切片是在统一的基础设施上，为不同用户按需提供专用服务，不同~ Y K 2专用服务对安全的需求也不尽相同。因此，网络g w a f [ ` P切片为不同业务提供定制化服务的同时，也需要提供量身定做的安全防护能力。

网络切片需要满足的安全需求主要包括授权用户才能接入网络切片、保证网络切片中重要网元的安全、保l Z h s l O d Z U障网络切片敏感信息的存1 Q 4 3域的安全责任主体划分问题U I 7 6面临挑战。下面具体介绍几种典型的安全风险。

（1）网络切片安全隔离风险

如果网络切片之间的隔离出现问题，则攻击者将可能借助某m g ! f 8 7一个切片访问其他g @ 4 G i ? T H E切片，然后利用该访问发起攻击。例如，一个切片的扩缩容操作可能消耗其他切片的资源，导致资源不足，不e Y L Q 4 k I &能支持其他服务；攻击者可以通过非法访问其他切片中的功能或通过隐蔽通道攻击来窃取数据等[ R ) m $ ; #。因此，每个切片都应该具有独立的安全6 Z j { f策略，不同的网络S X Z k v 3切片的资源不应相互影响，当单个UE通过多个网络切片访问服务时，应该可以将切片彼此隔离，以尽量减少对数据机密性和完整性的攻击。

（2）网络切片安全机制差异化

网络切片对不同应用提供按需的安全能力n S J m U l e k，意味着每个切片需要配置特定于服务的安全机制（包括策略、协议和功能等），如果网络切片安全级别水平不够，访) & , + [ _ # D 0 L z括隔离策略、加密算法、完整性保护算法、密钥长度以及密钥到期策略等。

（3）UE的接入安全

UE可以同时访问多个网络切片，可以通过不同方式接入网络，比如3GPP和非3GPP等；另外，在物联网场景下，传感器和可穿戴设备的连接设备（UE）的类型和数量巨大，因此确保将合适的网络切片正确分配给相应的签约用户至关重要，否则将面临在网络切片选择过程中用户隐私信息泄漏风险。因此，需要提高交互消息的完整/ S S a性和+ V : 4 ~ a H Z安全

5G网络通过网络能力开放接口为授权的第三方提供创建和管理网络切片配置的能力，未授权的第三方可能利用这些接口来发起攻击，如非法访问其他应7 a x G ( 0 `用的API（应用程序接口）、访问和: e 0 = X 篡改网络核心数据等。可通过基于6 } I公共接口功能的能力开放架构（CAPIF架构）来应对风险，CAPIF架构对能力开放进行认证和授权并采用TLS（传输层）机制，保护传输信息h T F v }的安全性。

（5| ~ ^ = d H s 4 e）切片间通信安全

网络切片之间的接口面临安全风险。如果切片间通信不受保护，网络切片的功能可能受到阻碍。攻击c & p切片间接口的控制面可以劫持一个或多个UE的通信，可以破坏整个网络切G j ! k Q s n y Z片的功能或恶意操纵切片的行为方 $ i 9 . X Q式，因此如果接口不受保护，则可能会对服务造成严重影响；另外，攻击g N : / % Q用户面可以破坏或恶意转移用户数据，进而影响一个或多个UE。需要加强切片间的通信安全保护机制来应对此类风险。

5 5G网络S 8 c (切片标准进展

5.1 国际标准

5G网络切片相关的国际标准主要在第三代合作伙伴（3GPP）研究制定，目前重点研究网络切片架构、流程以及管理和编排等方面的内容，后续研究的热点包括智能切片及无线接入网切片等。其中，智能切片主要研究切片管理系统如何依据用户体验信息灵活、动态地调整资源配置；无线接入网切片主要研究切片空口资源保障及资源隔离等。

在网络切片安全方面，重点研究5G网络切片安全需求、认证架构及流程、隐私@ z } v C ~ H 28.533）、性能保障（3GPP TS 28.550）、性能测量和保障（3GPP TS 28.552）、端到端KPI指标（u o F 8 D S p3GPP TS 28.554）、网络资源模型（3GPP TS 28.540、3GPP TS 28& ? ; p J ..541）等。

5.2 国内标准

我国5Y $ ` t eG网络切片相关标准主要在E S z * L中国通信标准化协会（CCSA）研究制定，目前在研项目Z x W ) D g d主要包括移动Q y 9通信网网络切片管理技术要求、5G核心网络切片场景及关键技术研究、5G核心网智能切A , e C f片的应用研究、5G网络切片安全技术研究、支持5G承载的IP网络切片技术研究、传送网网络切片技术研究等行业标准和研究课题。

为了更好地支撑切片. t =的商用部署，加快制定端到端切片配套的标准，CCSA专门成立了“5G网络端到端切片特设项目组”，2019年12月3P I F0日，项目组召开了第一次会议。会议提出建立5G网W v *络切片标准体系，该标准体系主要包括切片基础能力和切片SLA（服务等级协议）保障两T . { & , I k K大部分。V ; M随着研究工作的进展，后续还会对该体系进行进一步修改完善。后续将加紧制定以下行业标准及研究课题：

●《5G网络切片 端到端总体W H # C : W技术要求》

●《5G网络切片 基于切片分组网络（SPN）承载的端到端+ 7 {切片对接技术要求》

●《5G网络B G ( n a ^ E f E切片 基于IP承载的端到端切片对接技术要求》

●《5G网络切片 服务等级协议（SLA）保障技术要求》

●《5G网络端到端切片标识研究》

6 结束语

随Q 2 S B 2 + [ @着5G商用进程的A ; p G ^ L K快速推进，5G发展已进入落地应用阶段，加快5G应用部署，赋能垂直行业，培育应用生态，成为当前业界关注的焦点；同时，由于5G应用涉及到人们生产生活的方方面面，其安全问题也受到高度重视。5G网络切片是实现不同行业应用场景、差异化业务要求以及用户极致体验需求的关键技术，其带来便利性的同时也面临着Y s 1 z # l #新的安全风险和挑战。5G网络切片及行业应用安全相关国际国内标准尚未完全成熟，需要产业链各环节（包P & 1括网络设备商、运营商、行业应用提供商、安全设备商、研究机构）共同探索建立满足* i U G c5G多样化需求的安e &全体系，在标准推进、产业研发、网络运营等各个环节加大投入，共同应对5G网络安全风F U f H险，以便部署满足行业发展需求的安全可靠@ G -的5G网络，从而推动5h n u d + ; ! R SG安全和5G产业同步规划、同步建设、同步发展。

参考文献

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Application and security analysis of 5G Netwo2 L E X rk slice

YANb k z X yG Hongz U fmei，W D } d v d @XIE Jun

(China Aca; ~ p o ^ { ) @demy o| r ( G Gf Information a9 * bnd Communications Technology, Beijing 100191H V ^ R V # ` q,A x :Cc ~ (hina)

Abstract:：Network sliH s ] 8 } P /cing is one of the important characteristi^ C ` Z b Ccs of 5G network aJ & _rchitecture. Operators can sY S 5 Bupport different vertical industry applications by 5G Network slicing, realize flexible and efficienK l dt network res` _ g m # Oource arrangem^ 6 G Qent and scheduling, and meet the differentiated business characteristn d Z - U *ics and security requirements. This article introduces the concept andn { Q E M i [ implementatio} I 1 _ B B # r %n scheme of 5G network sliciy o { fng, describes the application scenario and security requirements of 5G Networkn F O a sliciv g j } V I / F Ing, analyzes the security riskl G i } = ) l Ys and the countermeasures, iy F . o ~ntroduces the related inteE ( | [ ~ 9 {rnational and doF c B f rmestic specifications, Finally, the development trend of 5G Network slV . D - ) e icing is prospected.

Key words：5G Network slic= k % *ing; application; se0 s }curn Y % u ( ^ @ity; specification

作者简介

杨红梅：中国信息通信研究院安全研究所重要通信研究部副主任，高级工程师，IMT-2020(5G)推进组安全工作组组长，中国通信标准化协会TC5 WG12副组长，长期从事移? a L w / F I M动通信K { % E Q Q v核心网、网络安全技M ^ , K 3术研究的相关工作，多次获得中国通信标准化协会科学技术一等奖、三等奖，牵头完成多项国家重大专项

谢君r v r J Q / J：中国信息通信研究院安全研% , 4 K ( m / }究所重要通信研究部助理工程师，从事移动通信核心网相关技术的研究工作

论文引用格式：

杨红梅，谢君. 5G网络切片应用及安全研究. 信息通信技术与政策, 2020(20 & . v 5 a h * h):25-29.

本文刊S b C ; C _ V d y于《信息通信技术与政策》2020年第2期

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业) V `学术% N k e d { C期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，^ M 3 k信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、& H , _公共政策、 国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经{ ; 3 6 h V T u济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产5 x x业政/ h ? S P . { $ ~策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。