5G中的主动攻击弹性：认证与密钥协商的新视角

随着5G网络扩展到关键基础设施，安全高效的用户认证比以往任何时候都更加重要。由3GPP在TS 33.501中标准化的5G-AKA协议是当前5G部署中认证的核心。它提供了相互认证、用户隐私和密钥保密性。然而，尽管已被采用，5G-AKA在安全性和性能方面都存在已知的局限性。虽然它侧重于保护隐私免受被动攻击者的攻击，但最近的研究显示了其对主动攻击的脆弱性。它还依赖序列号机制来防止重放攻击，这要求设备与核心网络之间完美同步。这种有状态的设计增加了复杂性，导致不同步，并产生额外的通信开销。更关键的是，5G-AKA缺乏完美前向保密性，如果长期密钥被泄露，过去的通信将暴露——在复杂威胁日益增多的背景下，这是一个日益令人担忧的问题。本文提出了一种增强的认证协议，该协议建立在5G-AKA设计的基础上，同时解决了其缺陷。首先，我们引入了一个无状态版本，消除了对序列号的依赖，在保持与现有SIM卡和基础设施兼容的同时降低了复杂性。然后，我们扩展了该设计，以最小的密码学开销增加了完美前向保密性。使用ProVerif对两种协议进行了严格分析，确认它们符合所有主要安全要求，包括抵抗被动和主动攻击，以及3GPP和学术研究定义的要求。我们还对两种协议进行了原型实现，并评估了它们相对于5G-AKA和5G-AKA'的性能。我们的结果表明，所提出的协议提供了更强的安全性，且仅增加了微小的计算开销，使其成为适用于5G及未来网络的实用、面向未来的解决方案。