5G 边缘 UPF 安全问题研究

摘要：本文聚焦 5G 边缘 UPF 安全问题展开研究。随着 5G 网络普及，边缘 UPF 虽提升了用户体验，但也面临诸多安全挑战。文章先阐述研究背景、现状、内容与方法，接着介绍 5G 边缘 UPF 在网络架构中的功能、部署模式，深入剖析其在物理环境、网络传输层面的安全风险，进而提出一系列针对性的安全防护技术与策略，涵盖物理安全防护、网络安全防护等方面。

关键词：5G 边缘 UPF；防护技术；安全策略

一、引言

1.1 研究背景与意义

随着 5G 网络的迅速普及，其高速率、低时延和大连接的特性推动了众多新兴应用的发展，如工业互联网、智能驾驶、远程医疗等。在 5G 网络架构中，用户面功能（UPF）负责数据包的转发、路由和服务质量（QoS）处理等关键任务。边缘 UPF 的部署，将数据处理功能下沉至网络边缘，极大地降低了业务时延，提升了用户体验。然而，这种分布式的部署模式也带来了新的安全挑战。边缘 UPF 直接与各类终端设备和应用系统相连，面临着来自物理环境、网络传输、数据以及应用层面的多重安全威胁。研究 5G 边缘 UPF 的安全问题，对于保障 5G 网络的稳定运行、保护用户数据安全以及促进 5G 业务的健康发展具有至关重要的意义。

1.2 国内外研究现状

国内外学者和研究机构对 5G 边缘 UPF 的安全问题已开展了广泛研究。在国外，一些领先的通信企业和科研团队专注于分析 5G 网络协议中的潜在漏洞，以及针对边缘 UPF 的新型攻击手段。他们通过建立仿真模型和实际测试，提出了一系列基于加密技术和访问控制的安全防护方案。国内方面，相关研究主要集中在结合我国 5G 网络建设的实际需求，探索适合不同应用场景的边缘 UPF 安全架构。

二、5G 边缘 UPF 概述

2.1 5G 网络架构

5G 网络采用了全新的架构，分为控制面和用户面。控制面负责管理网络连接、会话控制等功能，而用户面则承担数据的传输和处理。在这种架构下，UPF 作为用户面的关键节点，负责将终端设备的数据转发至核心网或互联网，并对数据流量进行调度和管理。与传统网络架构相比，5G 网络的控制面和用户面实现了分离，提高了网络的灵活性和可扩展性。

2.2 5G 边缘 UPF 的功能和部署模式

UPF 在 5G 网络中扮演着至关重要的角色。它不仅负责数据包的转发，还能根据网络策略对不同类型的业务流量进行分类和标记，确保关键业务的 QoS。5G 边缘 UPF 的部署模式主要有园区部署、基站侧部署和边缘数据中心部署。园区部署模式适用于企业园区、工业园区等场景，将 UPF 部署在园区内，可实现对园区内设备的本地化数据处理和管理，减少数据回传带来的时延。边缘数据中心部署模式则将 UPF 部署在靠近用户的边缘数据中心，利用数据中心的资源优势，实现对多个基站或园区的集中管理。

三、5G 边缘 UPF 面临的安全挑战

3.1 物理环境安全风险

3.1.1 物理攻击威胁

边缘 UPF 设备通常部署在室外或边缘站点，这些位置相对容易受到物理攻击。例如，不法分子可能会破坏设备的硬件组件，导致设备无法正常运行。或者通过物理连接篡改设备的配置信息，从而获取网络权限。物理攻击不仅会影响设备的正常工作，还可能导致数据泄露和网络瘫痪。

3.1.2 环境因素影响

边缘站点的物理环境复杂多样，温度、湿度、电磁干扰等环境因素可能对 UPF 设备的硬件性能产生负面影响。高温环境可能导致设备过热，影响芯片的正常工作，进而引发数据传输错误。湿度异常可能导致设备内部电路短路，损坏硬件。电磁干扰则可能干扰设备的无线通信信号，降低网络传输质量。

3.2 网络传输安全风险

3.2.1 传输链路安全

UPF 与核心网、基站等设备之间的传输链路是数据传输的关键通道。然而，这些链路可能面临数据被窃听、篡改和劫持的风险。攻击者可以通过在传输链路上部署窃听设备，获取用户数据。或者利用网络协议漏洞，篡改数据包的内容，干扰正常的业务流程。例如，在金融交易场景中，攻击者篡改支付数据，可能导致用户资金损失。

3.2.2 网络协议漏洞

5G 网络采用了一系列新的网络协议，如 5G 核心网协议、用户面协议等。这些协议在设计和实现过程中可能存在漏洞，攻击者可以利用这些漏洞对 UPF 进行攻击。例如，通过协议欺骗手段，攻击者可以伪装成合法设备，骗取 UPF 的信任，进而获取敏感信息或发动拒绝服务攻击，使 UPF 无法正常提供服务。

四、5G 边缘 UPF 安全防护技术与策略

4.1 物理安全防护措施

4.1.1 设备物理保护

采用物理防护设备，如加固机柜、防篡改锁具等，防止 UPF 设备遭受物理攻击。将设备安装在具有防火、防水、防盗功能的机房内，并设置严格的访问权限，只有授权人员才能进入机房。同时，对设备进行定期巡检，及时发现并修复设备的物理损坏。

4.1.2 环境监测与控制

部署环境监测设备，实时监测机房的温度、湿度、电磁干扰等环境参数。当环境参数超出正常范围时，自动启动环境调控设备，如空调、加湿器、电磁屏蔽装置等，确保设备处于适宜的运行环境。

4.2 网络安全防护技术

4.2.1 加密技术应用

在 UPF 数据传输过程中，采用 IPSec（互联网协议安全）和 TLS（传输层安全）等加密技术，对数据进行加密处理。IPSec 通过在网络层对数据包进行加密和认证，保障数据的机密性和完整性。TLS 则在传输层对数据进行加密，防止数据被窃听和篡改。通过加密技术，即使数据在传输过程中被窃取，攻击者也无法获取数据的真实内容。

4.2.2 防火墙与入侵检测系统

在 UPF 网络边界部署防火墙，阻止未经授权的网络流量进入。防火墙可以根据预设的安全策略，对网络流量进行过滤，只允许合法的流量通过。同时，部署入侵检测系统（IDS），实时监测网络流量，及时发现并报警异常流量和攻击行为。IDS 通过分析网络流量的特征和模式，识别潜在的攻击，如端口扫描、DDoS 攻击等。

五、结论与展望

5.1 研究成果总结

本文深入分析了 5G 边缘 UPF 面临的安全挑战，包括物理环境、网络传输、数据和应用安全等方面。提出了一系列针对性的安全防护技术与策略，如物理安全防护措施、网络安全防护技术、数据安全防护策略和应用安全管理措施。通过实际案例分析，验证了这些防护策略的有效性。研究成果为保障 5G 边缘 UPF 的安全提供了理论支持和实践指导。

参考文献​

[1] 王凯等. 5G MEC网络安全研究[J]. 邮电设计技术，2023.

[2] 潘江永等. 5G核心网安全方案实践[J]. 华信设计院学报，2023.

[3] 苗守野. 5G网络内生安全思考[J]. 中国联通技术报告，2023.

[4] Chang J. 移动边缘计算接入安全研究[D]. 信息工程大学，2023.

作者简介：

张博（1984—2月份），男，汉族，河北邢台人，高级工程师，大学本科学历，主要研究方向：5G核心网，5G边缘计算平台，5G安全