5G核心网安全认证实战:AMF/SMF认证与安全架构落地路径

5G核心网安全认证实战:AMF/SMF认证与安全架构落地路径

一次核心网云化后的内部检查,发现了一个让人不太安心的事实:网元之间的服务化接口调用,靠的是"网络可达即信任"------只要地址通、端口开,任何一台接入到这张网络的机器,都能调用 AMF 的服务接口。

没有网元身份校验,没有接口级别的授权,也没有调用留痕。检查组的结论很直接:这套架构把安全边界寄托在"别人进不来"上,而云化环境里,这条边界已经不成立了。

坐标先立 :3GPP TS 33.501 定义的核心网安全架构大致分三块:终端与网络之间的认证 (主认证与二次认证)、网元之间的身份与接口保护 、用户标识与切片的隔离 。本篇聚焦中间这块------网元侧。终端接入认证与专网访问控制在 D6-3 里已经展开,这里讲的是核心网内部:网元凭什么互相信任、接口凭什么被授权调用、用户标识怎么在链路上不暴露。

01 | 核心网的安全边界,从"机房围墙"变成"网元身份"

传统核心网的安全模型很像一座机房:边界清晰、设备固定、进出有门禁。网元部署在专属硬件上,网元之间的通信跑在专网里,"能连上"本身就是一种身份证明。

云化与服务化架构(SBA)之后,这个模型不再成立:

• 网元不再固定。虚拟化网元可以按需部署、动态扩缩、跨资源池迁移,"IP 地址等于身份"在这套环境里没有任何意义------地址会变,身份不会。
• 网元之间互相调用。服务化架构把网元能力拆成服务接口,一个网元向多个网元发起调用,调用关系从"固定的几条链路"变成"一张网状图"。任何一处身份校验缺失,都会被这张网放大。
• 用户标识在链路上传递。用户身份标识在接入与信令流程中需要被传递与查询,如果在链路上以明文出现,等于把用户身份暴露在沿途每一个节点上。
• 切片共享同一套基础设施。不同业务切片跑在相同的资源池上,如果隔离只靠配置,一旦授权出错,切片之间就可能互相访问。

这四点带来一个共同结论:核心网的安全边界,已经从"机房围墙"变成了"网元身份"------不再靠"在哪里",而是靠"你是谁、你能做什么"。

5G 核心网的三道门

  [门一:网元身份]      网元与网元之间 ------ 双向证书认证
        │               解决:是谁在调用我
        ▼
  [门二:接口授权]      服务化接口调用 ------ 令牌 + 服务范围
        │               解决:它能调用我哪些能力
        ▼
  [门三:标识与隔离]    用户标识与切片 ------ 标识隐藏 + 切片授权
                        解决:用户身份不暴露、切片之间不串

02 | 网元之间凭什么互相信任:三层机制

三道门对应三层机制,它们作用在不同层次,缺一层就有一种攻击面裸露在外:

层次	机制	解决什么问题	缺失的后果
传输层	双向证书认证(网元证书)	通信双方身份真实	任意主机可冒充网元接入
服务层	令牌 + 服务范围授权	谁能调用哪些接口	一个网元被攻破后可调用全网元能力
标识层	用户标识隐藏、切片授权	用户身份不暴露、切片不串	标识在链路泄露、越权跨切片访问

三层机制的思路是一致的:把"网络可达"与"有权访问"彻底分开。网络可达只是前提,能不能建立通道取决于证书,建立通道后能不能调用某个接口取决于令牌里的服务范围,调用时传的数据里用户标识是否可见则取决于标识保护机制。

网元证书和人的证书,有什么不一样

网元证书容易被当成"服务器证书的翻版",但两者的运维方式差别很大:

维度	人的证书(UKEY/员工)	网元证书
签发方式	人工申请、审核后签发	自动化签发,无人工介入
有效期	通常一年以上	相对更短,需自动轮换
数量级	百到千级	与网元实例数同阶,随扩缩容变化
吊销时机	人员离职、设备丢失	实例下线、证书异常、密钥疑似泄露
私钥位置	硬件介质内	网元安全模块或硬件密码模块内

差异集中在两点:一是自动化 ------网元实例随扩缩容动态产生,证书不可能靠人工申请;二是短周期与即时吊销------网元证书一旦泄露,影响面比单个员工账号大得多,吊销必须是分钟级生效,而不是等下一次同步。

密钥分层:网元侧的三级密钥关系

核心网里跑的密钥不止一种,它们之间是有层级的。层级分不清,就会出现"拿会话密钥去加密长期存储数据"这类错配:

层级	作用	存放位置	生命周期
根密钥	保护下层的密钥	硬件密码模块内,不以明文外出	长期,极少更换
网元密钥	网元身份与通道保护	网元安全模块 / 硬件密码模块	与证书有效期同步,自动轮换
会话密钥	单次会话的数据保护	会话建立时协商产生	一次会话,用后销毁

层级关系的意义在于:任何一把下层密钥泄露,都不能直接推出上层密钥。会话密钥泄露只影响当前这次会话;网元密钥泄露影响该网元,需要立即轮换并吊销证书;根密钥始终留在硬件里,不参与具体业务运算。演示环节 5 里"旧会话密钥解不开新会话数据",对应的就是最下层的隔离效果。

03 | 先跑通:网元认证与授权的五个环节

下面这段用国密算法把五个环节跑一遍:网元双向认证、服务化接口授权、用户标识隐藏、切片授权隔离、会话密钥轮换(演示用固定密钥与测试标识):

# -*- coding: utf-8 -*-
# 5G 核心网网元认证演示(国密 SM2/SM3/SM4)
# 场景:网元双向认证 + 服务化接口授权 + SUPI 隐藏 + 切片授权 + 会话密钥轮换
import json
from gmssl import sm2, sm3, sm4, func

def sm3h(b: bytes) -> str:
    return sm3.sm3_hash(func.bytes_to_list(b))

def digest(b: bytes) -> bytes:
    return bytes.fromhex(sm3h(b))

def sm4_enc(k: bytes, b: bytes) -> bytes:
    c = sm4.CryptSM4(); c.set_key(k, sm4.SM4_ENCRYPT); return c.crypt_ecb(b)

def sm4_dec(k: bytes, b: bytes) -> bytes:
    c = sm4.CryptSM4(); c.set_key(k, sm4.SM4_DECRYPT); return c.crypt_ecb(b)

def try_dec(k: bytes, b: bytes):
    try:
        return sm4_dec(k, b)
    except Exception:
        return None

def try_dec_sm2(c, b: bytes):
    try:
        return c.decrypt(b)
    except Exception:
        return None

def pub_of(p: str) -> str:
    return sm2.CryptSM2(private_key=p, public_key="00")._kg(int(p, 16), sm2.default_ecc_table["g"])

def line(t: str, ok: bool):
    print(f"[{t}] = {'True' if ok else 'False'}")

# 网元证书私钥(实际存于网元安全模块/HSM,永不明文出硬件)
AMF_P   = "5a6b7c8d9e0f1a2b3c4d5e6f708192a3b4c5d6e7f8091a2b3c4d5e6f708192a3"
SMF_P   = "6b7c8d9e0f1a2b3c4d5e6f708192a3b4c5d6e7f8091a2b3c4d5e6f708192a3b4"
ROGUE_P = "7c8d9e0f1a2b3c4d5e6f708192a3b4c5d6e7f8091a2b3c4d5e6f708192a3b4c5"  # 未获授权的第三方网元
K_SIGN  = "20240601123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef012345678"

AMF   = sm2.CryptSM2(private_key=AMF_P,   public_key=pub_of(AMF_P))
SMF   = sm2.CryptSM2(private_key=SMF_P,   public_key=pub_of(SMF_P))
ROGUE = sm2.CryptSM2(private_key=ROGUE_P, public_key=pub_of(ROGUE_P))
# 各网元只持有对端证书里的公钥
AMF_HOLDS_SMF   = sm2.CryptSM2(private_key=None, public_key=pub_of(SMF_P))
SMF_HOLDS_AMF   = sm2.CryptSM2(private_key=None, public_key=pub_of(AMF_P))

print("== 环节1:网元双向认证(证书身份) ==")
N1 = "7f3a91c2e5b04d68a1f7c3902b6e5d41"          # AMF 下发的随机挑战
N2 = "c04b8e15d7a92f6301e8b4c7d29f5063"          # SMF 回敬的随机挑战
sig_smf = SMF.sign(digest(N1.encode()), K_SIGN)
line("SMF 身份校验通过(AMF 侧)", AMF_HOLDS_SMF.verify(sig_smf, digest(N1.encode())))
sig_amf = AMF.sign(digest(N2.encode()), K_SIGN)
line("AMF 身份校验通过(SMF 侧,双向)", SMF_HOLDS_AMF.verify(sig_amf, digest(N2.encode())))
sig_rogue = ROGUE.sign(digest(N1.encode()), K_SIGN)
line("伪造网元 冒充 SMF 失败", not AMF_HOLDS_SMF.verify(sig_rogue, digest(N1.encode())))

print("== 环节2:服务化接口授权(令牌 + 服务范围) ==")
def issue(entity, scope: str, exp: int):
    payload = json.dumps({"nf": entity, "scope": scope, "exp": exp},
                         ensure_ascii=False, sort_keys=True)
    return payload + "." + entity_sign(entity, payload)
def entity_sign(entity: str, payload: str) -> str:
    priv = {"SMF": SMF_P}[entity]
    s = sm2.CryptSM2(private_key=priv, public_key=pub_of(priv))
    return s.sign(digest(payload.encode()), K_SIGN)
def grant(token: str, need: str, now: int) -> bool:
    try:
        payload, s = token.rsplit(".", 1)
        p = json.loads(payload)
    except Exception:
        return False
    ok_sig = AMF_HOLDS_SMF.verify(s, digest(payload.encode()))
    return ok_sig and p["scope"] == need and p["exp"] > now

TOKEN = issue("SMF", "namf-comm", 1000)
line("合法令牌 授权通过", grant(TOKEN, "namf-comm", 500))
line("越权服务范围 授权拒绝", not grant(TOKEN, "namf-oam", 500))
line("令牌超期 授权拒绝", not grant(TOKEN, "namf-comm", 1500))

print("== 环节3:SUPI 隐藏(空口只传 SUCI) ==")
SUPI = b"imsi-001010000000001"                  # 演示用测试标识
UDM_P = "8d9e0f1a2b3c4d5e6f708192a3b4c5d6e7f8091a2b3c4d5e6f708192a3b4c5d6"
UDM = sm2.CryptSM2(private_key=UDM_P, public_key=pub_of(UDM_P))
SUCI = UDM.encrypt(SUPI)                        # 用归属网络公钥加密
line("空口传输的是 SUCI 密文", SUCI != SUPI)
line("归属网络 可还原 SUPI", UDM.decrypt(SUCI) == SUPI)
OTHER = sm2.CryptSM2(private_key=None, public_key=pub_of(AMF_P))
line("非归属网元 解不出 SUPI", try_dec_sm2(OTHER, SUCI) != SUPI)

print("== 环节4:切片授权隔离 ==")
SLICE_GRANT = {"SMF-01": ["01-000001"], "AMF-01": ["01-000001", "02-000001"]}
def slice_ok(nf: str, sst: str) -> bool:
    return sst in SLICE_GRANT.get(nf, [])
line("网元访问本切片 放行", slice_ok("SMF-01", "01-000001"))
line("跨切片未授权 拒绝", not slice_ok("SMF-01", "02-000001"))

print("== 环节5:会话密钥与轮换 ==")
K_SESS_1 = bytes.fromhex("aa" * 16)
K_SESS_2 = bytes.fromhex("bb" * 16)
UP = ("用户面数据|SUPI=imsi-001010000000001|用量=128MB").encode("utf-8")
ct1 = sm4_enc(K_SESS_1, UP)
line("会话密钥 加密通道可还原", sm4_dec(K_SESS_1, ct1) == UP)
ct2 = sm4_enc(K_SESS_2, UP)                     # 新一轮会话使用新密钥
line("轮换后 新会话用新密钥", sm4_dec(K_SESS_2, ct2) == UP)
line("旧会话密钥 解不开新会话数据", try_dec(K_SESS_1, ct2) != UP)

跑起来,五个环节的结论如下:

== 环节1:网元双向认证(证书身份) ==
[SMF 身份校验通过(AMF 侧)] = True
[AMF 身份校验通过(SMF 侧,双向)] = True
[伪造网元 冒充 SMF 失败] = True
== 环节2:服务化接口授权(令牌 + 服务范围) ==
[合法令牌 授权通过] = True
[越权服务范围 授权拒绝] = True
[令牌超期 授权拒绝] = True
== 环节3:SUPI 隐藏(空口只传 SUCI) ==
[空口传输的是 SUCI 密文] = True
[归属网络 可还原 SUPI] = True
[非归属网元 解不出 SUPI] = True
== 环节4:切片授权隔离 ==
[网元访问本切片 放行] = True
[跨切片未授权 拒绝] = True
== 环节5:会话密钥与轮换 ==
[会话密钥 加密通道可还原] = True
[轮换后 新会话用新密钥] = True
[旧会话密钥 解不开新会话数据] = True

逐段注解 :环节 1 演示的是双向 认证------AMF 校验 SMF 的身份,SMF 同时校验 AMF 的身份,两边各持对方证书里的公钥,自己的私钥留在安全模块内。第三条是关键:一个未获授权的网元即便能接入网络,没有对应私钥就签不出能被接受的签名。这正是"网络可达 ≠ 有权访问"的技术落点。环节 2 把授权从传输层提到服务层:令牌里写明"哪个网元、能调用哪些服务范围、什么时候过期",三条同时满足才放行。第二条尤其值得注意------篡改服务范围会让签名校验直接失败 ,因为签名覆盖了整个令牌内容,而不是只覆盖了其中一部分;第三条演示超期拒绝,避免令牌被长期复用。环节 3 处理用户标识:标识在链路上以密文形态传递,只有归属网络的网元能用私钥还原,沿途经过的其他网元拿到的是一段解不开的密文------这就是"标识隐藏"的实际效果。环节 4 演示切片授权:同一张网络上,网元能访问哪些切片由授权关系决定,跨切片访问默认拒绝,隔离不依赖"配置没写错"。环节 5 是会话密钥的轮换:新一轮会话使用新密钥,旧密钥解不开新会话的数据,单次会话密钥泄露不会影响后续会话。

验证点(现场怎么演):用一台不在网元清单里的主机去调用服务接口,应当在证书校验阶段就被拒绝;把令牌里的服务范围改成未授权值,应当被拒绝;抓取信令链路,用户标识字段应当是密文;用未授权切片标识发起访问,应当被拒绝;查看网元证书,应当能看到签发者、有效期与吊销状态。

网元证书的生命周期怎么走

把证书体系落到运维上,四个动作必须自动化,否则规模化之后必然失控:

动作	触发时机	关键要求
签发	网元实例创建	与实例标识绑定,由证书系统自动签发
轮换	到期前自动触发	不中断业务,新旧证书有重叠期
吊销	实例下线、密钥疑似泄露	分钟级生效,避免"已下线仍能访问"
审计	每次证书操作	谁在什么时候签发/吊销了哪张证书,可追溯

其中吊销的生效速度最容易被低估。网元实例下线后,如果证书要等到过期才失效,这段窗口里旧证书仍然可用------实例虽然关了,但拿着一张还没过期的证书和对应的私钥,照样能建立通道。所以吊销必须是主动推送、即时生效,而不是"依赖过期时间兜底"。

04 | 落地动作:三条线分别怎么做

身份线:让每个网元都有可信身份

• 一实例一证书:证书与网元实例绑定,私钥在网元侧安全模块或硬件密码模块内生成与保存,不以明文形式落到文件系统。
• 自动化签发与轮换:通过证书管理能力对接资源编排流程,实例创建即签发、到期前自动轮换,运维人员不接触私钥。
• 即时吊销:实例下线、异常检测、密钥疑似泄露时主动吊销,并确保各网元及时刷新信任列表。
• 证书生命周期留痕:签发、轮换、吊销全程记录,便于事后核查与合规举证。

授权线:让接口调用可授权、可追溯

• 接口粒度授权:按网元与服务范围划分权限,一个网元只拿到它真正需要调用的服务范围,避免"一个网元被攻破、全网元能力可用"。
• 令牌短周期:令牌有效期设短,过期需重新获取;避免长期有效的令牌在链路中反复使用。
• 调用留痕:谁调用了谁、什么时间、什么服务范围、结果如何,记录并保护其完整性,作为异常行为的追溯依据。
• 切片隔离落到授权:切片之间的访问关系用授权表达,新切片上线时默认拒绝跨切片访问,而不是默认放通再逐个收紧。

标识线:让用户身份不在链路上裸奔

• 标识隐藏常态化:用户标识在链路上以密文形态传递,只有归属网络的网元可以还原。
• 按需解密、最小暴露:需要用到用户标识的网元才申请解密能力,其余节点只处理密文。
• 与其他标识分开管理:用户标识、设备标识、切片标识分属不同管理维度,避免一处泄露带来全量关联。

跨域互联:运营商之间怎么保护信令

当业务需要跨网络互通(例如漫游或跨运营商业务),信令要经过网络边界。这条链路上的保护要点是:边界处的身份校验不能省------跨域互通的两端需要有明确的身份认证与消息保护机制,而不是依赖链路本身的私密性。同时,跨域传递的用户标识范围要按业务最小化,能不带就不带,必须带时确保以受保护的形态传递。

运维面怎么收口

网元自身的运维通道(网管、编排、配置下发)是另一条高危路径,核心网里被滥用的运维账号往往比外部攻击更接近数据。网管侧的访问控制与双因素认证做法与专网场景相通(详见 D6-3):权限按角色划分、高危操作二次确认、全量操作留痕。区别在于核心网的网管权限更集中,一个账号可能触及多个网元的配置,因此角色划分要更细、审批链路要更严。

边缘节点下沉之后,认证链路有什么变化

5G 边缘计算把一部分网元能力下沉到靠近现场的节点,认证链路随之变化:

• 沿途节点更多。数据不再只经过中心机房,链路上可能经过多个边缘节点,标识与数据的保护范围要覆盖到边缘侧,而不是到中心为止。
• 物理环境更弱。中心机房的物理防护条件通常好于现场机房或一体化机柜,边缘节点上的密钥存储更依赖硬件保护,不能只靠文件权限。
• 带宽与时延受限。边缘到中心的链路不适合承载大量证书申请与吊销同步操作,证书与密钥管理需要支持本地缓存与断链续传,避免链路抖动导致认证不可用。
• 授权边界要显式。边缘节点既服务本地低时延业务,又可能与中心网元通信,授权关系不能默认放通,而要逐条显式声明。

边缘场景的安全要求可与 GB/T 42564(边缘计算安全)对照落实。判断标准在哪儿都一样:节点有没有可信身份、私钥在不在硬件里、授权是不是显式的。

一个落地样本:从"网络可达即信任"到"一实例一证"

某运营商核心网完成云化后,网元实例随业务需要动态扩缩。原先网元之间靠地址段互信的做法在一次内部检查中暴露了问题:说不清"谁调用过谁",也无法在实例下线后立即切断访问。

整改按三步走:先给每个网元实例签发独立证书,私钥在安全模块内生成与保存,不进文件系统;再把接口调用改为按服务范围授权,令牌有效期缩短、过期即失效;最后把证书的签发、轮换、吊销纳入自动化流程------实例创建即签发、到期前自动轮换、下线即吊销,全过程留痕。

结果:实例下线后旧证书即时失效,不再出现"实例已经关了、凭旧证书仍能建立通道"的情况;接口调用关系可以按服务范围逐条核对;一旦出现异常调用,能通过记录回溯到具体实例。

05 | 避坑清单:8 条最容易踩的坑

#	坑	后果	怎么验证避开了
1	网元间只做单向认证	一方身份可被冒充	检查配置,应双向校验证书
2	私钥以文件形式存放在网元上	备份或镜像泄露即私钥泄露	排查文件系统,私钥应在硬件内
3	证书长期有效、不轮换	泄露后长期可用	查看证书有效期与轮换记录
4	实例下线不吊销证书	已下线实例仍可建立通道	下线实例后尝试连接,应被拒绝
5	所有网元共用一张证书	一处泄露全网元失守	核对证书与实例的对应关系
6	接口授权粒度粗、按网元整体放通	一个网元被攻破即全网元可达	检查授权范围是否按服务细分
7	令牌有效期过长	令牌泄露后可长期冒用	检查令牌有效期与刷新机制
8	只保护外部接口,内部调用不留痕	异常调用事后无法追溯	抽查调用记录是否完整可查

第 5 条在实践中并不少见:为了省事,一批网元共用一张证书。短期看运维简单,代价是一旦其中一个实例的私钥泄露,攻击者可以用同一张证书冒充这一批里的任意一个网元,排查时也分不清到底是哪个实例出了问题。

06 | 合规视角:核心网要对上哪些要求

• 3GPP TS 33.501:5G 系统安全架构与流程的技术依据,涵盖终端认证、网元间安全、用户标识保护等内容,是核心网安全设计的主要参照。
• YD/T 4204 等行业标准:面向 5G 核心网安全的行业要求,落地时需与 3GPP 体系结合使用。
• GB/T 42564(边缘计算安全):涉及边缘计算场景时,边缘节点与核心网之间的身份与数据保护要求需要一并考虑。
• 等保 2.0 与关基保护要求:电信网络属关键信息基础设施范畴,核心网系统普遍按等保三级及以上定级,身份鉴别、访问控制、通信加密、审计留痕都是明确测评项。
• 密评要求:密码应用层面需按 GB/T 39786 落实算法合规、密钥管理与有效性验证(整改与算法迁移路径详见 D7-1)。

07 | 落地答案:身份认证与密码运算怎么承接

把三道门落到组件上,安当体系里对应 ASP 与 HSM 两件:

• ASP 统一身份认证平台:提供统一身份管理与认证能力,支撑网元与运维账号的身份认证、令牌签发与权限划分;支持双因素认证与 RADIUS 等对接方式,可用于网管与运维通道的访问控制。对应"门一"与"门二"的身份与授权。
• HSM 硬件密码模块:网元证书私钥与签名运算在硬件内完成,私钥不以明文形态离开硬件;提供签名验签与加解密能力,支撑网元间的双向认证与信令保护。对应避坑第 2 条。
• KSP 密钥管理系统:统一管理网元证书相关的密钥与会话密钥,支持版本化轮换、归档与操作留痕(全生命周期做法详见 D6-2)。对应"门三"的会话密钥与会话隔离。

一句话:这套组合要解决的是"每个网元都有可信身份、每次调用都有授权依据、每段标识都不裸奔"------三件事同时成立,核心网的安全才不依赖于"别人进不来"。

08 | 验收清单与下一步

检查项	当场动作	应得结果
双向认证	检查网元间通信配置	双方互验证书
私钥保护	排查网元文件系统	无私钥明文
一实例一证	核对证书与实例	一一对应,无共用
证书轮换	查看轮换记录	有周期、有重叠期
吊销生效	下线实例后尝试连接	被拒绝
接口授权	用未授权服务范围调用	被拒绝
令牌超期	用过期令牌调用	被拒绝
标识隐藏	抓取链路查看标识字段	密文
切片隔离	跨切片发起访问	被拒绝
调用留痕	抽查调用记录	完整可查

趋势:核心网的安全正在从"静态边界防护"走向"持续身份验证"------网元身份随实例动态变化,授权随调用关系动态调整,信任不再是一次性建立的,而是每一次调用都要重新确认。早一步把证书体系、接口授权与标识保护建起来,后面无论是切片扩容、边缘节点下沉还是跨域互通,都是在既有地基上叠加。

下一篇预告 :电信线的核心网部分到此告一段落。下一篇我们把视角切回公共事业------燃气 SCADA 与调度数据的安全防护,看工控场景下的操作员认证与数据保护有哪些不一样的门道:为什么工控现场不能照搬 IT 的做法、老旧设备的认证怎么补、现场数据怎么做到既加密又不影响实时性。

文章作者:安当加密-焱垚