5G NAS5G SUPI 和 SUCI 标识符详解

Posted 2022-08-23 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G SUPI 和 SUCI 详细介绍

       在电信系统中，网络运营商为每个SIM卡分配一个唯一标识符，在4G网络中称为IMSI（国际移动用户标识），在5G网络中称为SUPI（订阅永久标识符）。由于用户及其网络提供者之间的身份验证基于共享的对称密钥，因此只能在用户身份验证之后进行。然而，如果IMSI或者SUPI的值以明文形式通过无线链路发送，那么可以使用这些永久标识符识别、定位和跟踪用户。

       为了避免这种隐私泄露，所访问的网络会为SIM卡分配临时标识符（3G系统中称为临时移动用户标识符TMSI，而在4G和5G系统中称为GUTI）。然后，这些经常变化的临时标识符被用于无线链路上的身份认证。然而，在某些情况下，通过使用临时标识符进行身份验证是不可能的，例如，当用户第一次向网络注册时还尚未分配临时标识符；另一种情况是访问的网络无法从上报的TMSI或者GUTI中解析出IMSI或者SUPI。

       一些劫持者可以故意模拟这种场景，迫使不知情的用户暴露其长期身份认证标识符。这些攻击被称为”IMSI捕捉”攻击，并持续存在于今天的移动网络，包括4G LTE/LTE-A。

5G 对于“IMSI捕获攻击”的解决方案

       数十年来，IMSI捕获攻击一直威胁着移动通信（包括，2G、3G、4G）。由于遗留原因促进了向后兼容性，这个隐私问题似乎一直存在。然而，3GPP现在决定解决这个问题，在通过5G-GUTI识别失败的情况下，与前几代不同，5G安全规范不允许通过无线接口进行SUPI的明文传输。相反，通过使用椭圆曲线集成加密方案（ECIES）将SUPI封装在一个隐私保护标识符中进行传输。这个隐藏了SUPI的标识符称之为SUCI（订阅隐藏标识符）。

Subscription Permanent Identifier （SUPI）

       SUPI是分配给每个用户的5G全球唯一订阅永久标识符（SUPI），相关定义在3GPP规范TS 23.501中。SUPI的值存储在USIM和5G核心网的UDM或者UDR中。

一个有效的SUPI可以是以下任何一种形式：

• IMSI（国际移动用户标识符），定义在TS 23.503中，用于3GPP RAT；
• NAI（网络访问标识符），定义在RFC 4282中，用于非3GPP RAT。

SUPI通常是由15个十进制数字组成的字符串。前三位数代表移动国家代码（MCC），之后的两或三位数代表移动网络代码（MNC），表示网络营运者。剩下的九或十个数字被称为移动用户识别号码（MSIN），代表该特定运营商的个人用户。SUPI相当于唯一标识ME的IMSI，也是一个15位数字的字符串。

Subscription Concealed Identifier （SUCI）

       SUCI是一个隐私保护标识符，包含了隐藏的SUPI。UE使用基于 ECIES 的保护方案以及一个位于USIM中的归属网络的公钥（开卡的时候由运营商写入）来生成一个SUCI。

只有SUPI中的MSIN部分会使用保护策略加密，而归属网络标识符，例如，MCC/MNC，是直接用明文传输的。下图中给出了SUPI的数据结构：

• SUPI Type：取值范围为0 ~ 7。它指示隐藏在SUCI中的SUPI类型。定义了以下值：
  • 0：IMSI；
  • 1：Network Access Identifier (NAI)；
  • 2 to 7: 保留未来使用。
• Home Network Identifier：标识用户的归属网络。当SUPI Type为IMSI时，Home Network Identifier 由MCC和MNC组成。当SUPI类型为Network Access Identifier 时，归属网络标识符由一串可变长度的字符组成，这些字符代表一个域名，例如，[e-mail]；
• Routing Indicator：它由1到4位十进制数字组成，由归属网络运营商分配，并在USIM中提供；
• Protection Scheme Identifier：它是一个0 ~ 15范围内的值，用4 bit表示：
  • 0x0：null-scheme；
  • 0x1：Profile ；
  • 0x2：Profile ；
• Home Network Public Key Identifier：取值范围为0 ~ 255。它代表了一个由HPLMN提供的公钥，用于指示在SUPI保护方案中使用的是那个公钥。在使用 null-scheme 方案的情况下，这个数据字段应该设置为0；
• Protection Scheme Output：它由一串可变长度的字符或十六进制数字组成，具体值取决于使用的保护方案。

终端与网络之间的5G身份交换

       当终端尝试首次注册时，终端将SUPI封装到SUCI中，并发送带有SUCI的初始注册请求消息。AMF使用 Authentication Request 消息将SUCI转发给AUSF和UDM，以查询对应的SUPI。AUSF使用 Authentication Response 消息回复查询到的SUPI信息。之后，AMF为这个SUPI生成一个GUTI，并保存GUTI到SUPI的映射，以供下一步注册或PDU会话请求时使用。

在后续的注册请求中，UE发送带有GUTI的注册请求消息。这里有两种可能的场景：

1. AMF能够将GUTI映射为SUPI；
2. AMF无法将GUTI映射为SUPI。

在第一种情况下，AMF使用GUTI生成SUPI，使用AUSF的身份验证可以使用SUPI完成。在第二种情况下，当在AMF使用GUTI无法识别UE时，AMF向UE发送 Identity Request 消息，然后UE使用包含SUCI的 Identity Response 消息回复。

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