第1章移動通信安全實驗平臺介紹3
1.15G網絡基礎3
1.1.15G網絡架構與關鍵技術3
1.1.25G網絡通信協議安全需求5
1.2移動通信安全實驗平臺簡介6
1.3實驗管理繫統8
1.3.1登錄界面8
1.3.2案例主界面9
1.3.3設備管理界面9
1.3.4單個案例界面9
1.3.5管理員界面14
1.3.6常見問題及修復17
1.3.7工具介紹18
1.4移動通信安全實驗平臺設備22
1.4.1實驗平臺的核心網22
1.4.2真實5G基站23
1.4.3模擬基站24
1.4.4模擬終端25
1.5實驗報告25
1.6思考題26

第2章5G燒卡放號與終端接入實驗27
2.1實驗目的27
2.2原理簡介27
2.3實驗環境29
2.4真實終端接入與上網實驗步驟29移動通信網絡安全實驗教程目錄2.4.1實驗準備30
2.4.2核心網放號32
2.4.3終端SIM卡燒制38
2.4.4配置真實終端40
2.4.5真實終端接入、信令查看與上網測試44
2.5模擬終端接入實驗步驟46
2.5.1實驗準備46
2.5.2核心網放號47
2.5.3配置模擬終端47
2.5.4模擬終端接入、信令查看與上網測試48
2.6實驗報告51
2.7思考題52

第3章移動通信網絡及接入認證機制53
3.12G網絡及鋻權機制53
3.1.12G網絡53
3.1.2GPRS網絡56
3.1.32G鋻權機制57
3.23G網絡及鋻權機制58
3.2.13G網絡58
3.2.23G網絡鋻權機制60
3.34G網絡及鋻權機制62
3.3.14G網絡62
3.3.24G網絡鋻權機制64
3.45G網絡及鋻權機制67
3.4.15G繫統架構基礎67
3.4.25G繫統架構68
3.4.35G網絡鋻權機制71
3.5小結77

第4章5G接入認證機制實驗78
4.1實驗目的78
4.2原理簡介78
4.3實驗環境80
4.4實驗A： SUPI接入認證實驗步驟80
4.4.1實驗準備81
4.4.2訂閱信令82
4.4.3真實終端接入83
4.4.4查看真實終端接入認證過程83
4.5實驗B： SUCI接入認證實驗步驟87
4.5.1實驗準備88
4.5.2生成密鑰及注入公私鑰89
4.5.3重啟核心網91
4.5.4模擬終端接入91
4.5.5查看模擬終端接入認證過程92
4.6實驗報告101
4.7思考題101

第5章移動通信網絡完整性保護與加解密機制102
5.12G完整性保護與加解密機制102
5.1.1A5加密算法103
5.1.2A3/A8加密算法104
5.1.3A5/1加密算法105
5.23G完整性保護與加解密機制106
5.2.1f8算法107
5.2.2f9算法108
5.2.3與CDMA 2000的比較110
5.34G完整性保護與加解密機制110
5.3.14G中完整性保護/校驗算法111
5.3.24G中加密/解密算法111
5.45G完整性保護與加解密機制112
5.4.15G完整性保護算法113
5.4.25G加密/解密算法114
5.5小結115

第6章5G完整性保護機制實驗116
6.1實驗目的116
6.2原理簡介117
6.3實驗環境117
6.4實驗A： 5G NAS消息完整性保護流程分析實驗步驟118
6.4.1實驗準備119
6.4.2訂閱信令120
6.4.3真實終端接入121
6.4.4學習AMF與UE協商完整性保護算法流程121
6.5實驗B： MAC計算實驗步驟124
6.5.1實驗準備125
6.5.2訂閱信令125
6.5.3模擬終端接入126
6.5.4獲取信令MAC值128
6.5.5獲取MAC計算參數129
6.5.6計算並驗證信令的MAC值130
6.6實驗C： 接入流程中驗證MAC值實驗步驟132
6.6.1實驗準備133
6.6.2設置SMC消息斷點134
6.6.3訂閱信令134
6.6.4模擬終端接入135
6.6.5計算SMC消息MAC值137
6.6.6MAC配置與終端驗證139
6.7實驗報告141
6.8思考題141

第7章5G加解密機制實驗142
7.1實驗目的142
7.2原理簡介143
7.2.15G NAS信令加密流程143
7.2.25G NAS加密算法143
7.3實驗環境144
7.4實驗A： 5G NAS消息加密流程分析實驗步驟144
7.4.1實驗準備145
7.4.2訂閱信令146
7.4.3真實終端接入147
7.4.4學習AMF與UE協商加密流程147
7.5實驗B： 加密算法替換實驗步驟150
7.5.1實驗準備151
7.5.2訂閱信令151
7.5.3配置模擬終端支持加密算法151
7.5.4修改核心網加密算法優先級152
7.5.5模擬終端接入153
7.5.6不同加密算法下獲取UE IP 154
7.6實驗C： 密文解碼實驗步驟156
7.6.1實驗準備157
7.6.2訂閱信令158
7.6.3檢查核心網加密算法158
7.6.4模擬終端接入159
7.6.5獲取消息碼流161
7.6.6獲取解密參數162
7.6.7對碼流進行解密164
7.6.8驗證解密結果165
7.7實驗報告167
7.8思考題167
第二篇移動通信網絡攻擊實驗
第8章終端身份克隆攻擊實驗1718.1實驗目的171
8.2原理簡介171
8.3實驗環境171
8.4實驗步驟172
8.4.1實驗準備172
8.4.2訂閱信令174
8.4.3合法終端接入175
8.4.4惡意終端攻擊175
8.4.5查看被攻擊終端的狀態177
8.5實驗報告177
8.6思考題178

第9章DDoS攻擊核心網實驗179
9.1實驗目的179
9.2原理簡介179
9.3實驗環境179
9.4實驗步驟180
9.4.1實驗準備180
9.4.2訂閱信令184
9.4.3模擬終端發動DDoS攻擊184
9.4.4真實終端接入187
9.4.5查看被攻擊終端的狀態187
9.5實驗報告188
9.6思考題188

第10章終端無服務攻擊實驗189
10.1實驗目的189
10.2原理簡介189
10.2.1終端側發起的注銷流程189
10.2.2網絡側發起的注銷流程191
10.3實驗環境192
10.4實驗A： 終端側主動注銷實驗步驟192
10.4.1實驗準備193
10.4.2訂閱信令194
10.4.3模擬終端接入195
10.4.4終端主動注銷195
10.4.5查看注銷信令197
10.5實驗B： 網絡側惡意注銷實驗步驟197
10.5.1實驗準備198
10.5.2訂閱信令199
10.5.3模擬終端接入199
10.5.4偽裝UDM發起惡意注銷攻擊200
10.5.5查看信令201
10.6實驗報告202
10.7思考題202

第11章虛假控制命令攻擊實驗203
11.1實驗目的203
11.2原理簡介203
11.2.1核心網SBA架構203
11.2.2N服務接口205
11.3實驗環境206
11.4實驗A： 核心網SBA架構實驗步驟206
11.4.1實驗準備208
11.4.2通過NRF獲取已信息209
11.4.3注銷信令流程213
11.4.4UDM下線後的接入驗證215
11.4.5注冊信令流程217
11.5實驗B： 核攻擊實驗步驟218
11.5.1實驗準備220
11.5注銷攻擊220
11.5.3接入227
11.6實驗報告232
11.7思考題232

參考文獻233

習近平總書記指出“沒有網絡安全就沒有國家安全”。移動通信網絡是未來網絡基礎設施的基石，據STL Partners預測，到2030年，第5代移動通信繫統在工業互聯網、智能電網、智慧醫療等8個主要行業的應用將為全球GDP貢獻1.4，第6代移動通信繫統將把人類生活的所有方面連接到網絡中從而為人類提供便利。在賦能全行業乃至全社會的同時，移動通信網絡的安全性顯得尤為重要。
移動通信網絡是我國的關鍵信息基礎設施，一旦遭到破壞、喪失功能或者數據洩露，可能嚴重危害國家安全、國計民生、公共利益，移動通信網絡中的攻防對抗態勢日益嚴峻。世界各國已經部署並正在開展移動通信網絡安全研究工作。2021年1月5日，美國國防部發布《5G戰略實施計劃》，在戰略層面將評估、緩解並通過5G漏洞作戰提上日程。2020年8月25日，我國國家發展和改革委員會發布《推進5G安全體繫建設》，強調要加大對5G安全技術研發的投入，推動漏洞挖掘、數據保護等方面的技術研究與產品研發。各大高校積極響應國家號召，從2016年至今陸續建立網絡空間安全學科與專業，針對性地開設了密碼學、信息網絡安全、網絡攻防等課程，並致力於網絡空間安全基礎理論與關鍵技術研究以及教學實驗，移動通信網絡安全教學實驗是其中的重要部分。
目前已有的移動通信原理類教材，以講解移動網絡結構、通信技術和應用方式為典型內容，缺乏5G網絡安全內容。已有的網絡空間安全類教材尚未完整覆蓋5G網絡，缺乏在真實移動通信網絡中的攻防對抗實驗。因此，目前亟需一本面向網絡空間安全等專業的移動通信網絡安全實驗教材。針對上述問題，本教材作者團隊結合建設北航網絡空間安全專業的經驗，在校企協同育人項目支持下，緊密結合關鍵信息基礎設施防護的實際需求，全新編寫了移動通信網絡實驗教材。本教材具有三大特色： ①聚焦前沿的5G移動通信網絡，結合3GPP 5G標準全面講解5G終端、接入網和核心網的安全機制； ②基於真實5G實驗平臺進行實操，實驗平臺完整實現3GPP R15標準，所有實驗操作均在真實的5G手機和自建5G網絡中開展； ③實驗內容源自真實5G網絡的攻防對抗，本書的實驗選題源自主編作為“全國技術能手”參與“護網行動”的攻防實踐，覆蓋運營商運維管理移動網絡時遇到的典型攻擊與應對手段，可指導讀者有效應對移動網絡安全事件。綜上，本書是一本滿足5G時代移動通信網絡安全教學需求的實驗教材。
本書為移動通信網絡安全實驗指導教材，主要關注蜂窩移動通信網絡方向，包含移動通信網絡安全機制實驗和移動通信網絡攻擊實驗兩部分。移動通信網絡安全機制與實驗部分主要內容為簡介移動通信網絡安全情況，介紹實驗的平臺與工具，開展放號入網的基礎性實驗。隨後介紹移動通信網絡接入認證、加解密等安全機制的理論，並在5G中開展相應的實驗。移動通信網絡攻擊實驗部分主要內容為開展移動通信網絡攻擊實驗，包括終端身份克隆攻擊實驗、DDoS攻擊核心網實驗、終端無服務攻擊實驗和虛假控制命令攻擊實驗。本書從理論到實驗，從標準到繫統，引導讀者深入理解和實踐移動通信網絡安全機制與攻擊。
隨著移動通信網絡的迅猛發展和安全威脅的日益增加，編者不斷努力創新教學方法和研究教學內容，以適應時代的需求和挑戰。本書聚焦前沿的5G移動通信網絡，結合3GPP 5G標準全面講解了5G知識架構，並基於真實5G實驗平臺進行實操，實驗平臺完整實現3GPP R15標準，實驗內容源自真實5G網絡的攻防對抗，致力於探索移動通信網絡安全教育的最佳實踐。本書通過綜合的教學內容和實踐操作，能夠引導學生全面了解和掌握移動通信網絡安全的知識和技能，學習移動通信網絡的安全威脅和防護方法，增強對網絡安全的意識。
在本書的編寫過程中，北京航空航天大學的劉建偉、中國科學院計算技術研究所的田霖均給予編寫團隊深切的關懷與支持。感謝教學團隊的孫茜、武廣智的支持與配合。特別感謝北京航空航天大學的王嘉銘、劉新宇等，中國科學院計算技術研究所的劉玉潔、代璐璐等，鄭州大學的黨田濱、路淼順等為提高本書的質量做了實驗驗證、文字校對等工作。作者在此一並向他們表示真誠的感謝。
盡管本書積累了作者們多年的實踐經驗和教學成果，但由於內容涉及的知識面廣，實驗設備和工具較多，加之編寫時間緊張，可能存在不足之處，懇請廣大讀者批評和指正。

作者 2024年1月