HW期间，为防范钓鱼，即日起FreeBuf将取消投稿文章的一切外部链接。给您带来的不便，敬请谅解~
0x00 前言
而在众多研究者打算投身于5G网络安全研究的时候，一个难题自然而然的摆在大家眼前：5G网络对于一些基本设施、专业设施有着极高的要求，由此成为了一道研究5G安全的门槛所在。
因此，找到一种简单的5G网络模拟方式，用以进行5G网络的学习进而发现5G网络可能存在的安全问题成为了必须工作。
下文介绍了基于free5gc模拟5G核心网和UERANSIM模拟5G用户设备的模拟5G网络环境的部署搭建方法，并且通过完成相关配置，简单实现测试5G用户设备接入核心网的注册流程、去注册流程，模拟了一个用户设备通过模拟核心网进行实际的数据业务的过程。
这样一套模拟5G环境，可以有效缓解研究者所面临的没有实际5G环境可用以及实际环境过于复杂等问题，为5G安全研究提供一个可行的途径。
0x01 安装前准备工作
0x011 确认Linux内核版本
使用命令：uname -a
此命令用于确认安装的虚拟机内核版本，要求的内核版本为5.0.0-23-generic或5.4.0及之后的版本 ：
若当前虚拟机内核版本不符合要求，则需要更换内核，使用以下命令安装5.0.0-23-generic的内核：
sudo apt install 'linux-image-5.0.0-23-generic'
sudo apt install 'linux-headers-5.0.0-23-generic
安装完成后，需要重启虚拟机，并在启动时连按shift键，进入grub引导页，更换启动的Linux内核
0x012 通过apt安装部分基础支持组件
sudo apt install git-all
sudo apt-get install curl
sudo apt install make
sudo apt -y install gcc
sudo apt -y install g++
sudo apt -y install autoconf
sudo apt -y install libtool
sudo apt -y install pkg-config
sudo apt -y install libmnl-dev
sudo apt -y install libyaml-dev
！安装完成后，需要执行以下命令：
git config --global url."https://hub.fastgit.org".insteadOf https://github.com
此命令可以使得之后的git clone下载时，可以通过国内镜像源下载，以回避github不稳定的问题
0x013 安装go语言环境
！注意安装go语言环境时必须为普通用户安装，否则会导致后续安装出现问题
输入命令go以确认是否存在其他版本的go，若存在，则通过以下命令删除：
sudo rm -rf /usr/local/go
之后开始安装需要的go语言环境：
cd ~
wget https://dl.google.com/go/go1.15.7.linux-amd64.tar.gz
sudo tar -C /usr/local -zxvf go1.15.7.linux-amd64.tar.gz
安装完成后，需要通过以下命令配置环境变量：
mkdir -p ~/go/{bin,pkg,src}
echo 'export GOPATH=$HOME/go' >> ~/.bashrc
echo 'export GOROOT=/usr/local/go' >> ~/.bashrc
echo 'export PATH=$PATH:$GOPATH/bin:$GOROOT/bin' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
之后，需要通过以下命令配置go语言模块下载代理，默认的模块下载地址由于国内网络原因，不可用：
#下面三条配置用于保证在不同go语言版本中配置代理一定生效，建议都执行
export GOPROXY=https://goproxy.io
export GO111MODULE=on
go env -w GOPROXY=https://goproxy.io
安装完成后，以普通用户权限运行命令go，确认是否安装成功，若安装成功，再补充安装以下模块，该模块为free5gc独立部署的日志模块，独立部署时必须安装：
go get -u github.com/sirupsen/logrus
注：此步为free5gc独立部署的必须步骤
0x014 安装docker环境
通过官方安装脚本安装docker：
curl -fsSL https://get.docker.com | bash -s docker --mirror Aliyun
安装完成后，运行命令docker --version验证
之后需要安装docker-compose，通过以下命令完成：
sudo curl -L "https://github.com/docker/compose/releases/download/1.28.5/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m)" -o /usr/local/bin/docker-compose
再之后，我们需要更换docker源，默认源下载速度过慢，会导致之后部署时出现下载超时错误：
sudo vim /etc/docker/daemon.json
写入内容：
{"registry-mirrors": ["https://docker.mirrors.ustc.edu.cn"]}
之后重启docker服务即可完成docker的部署：
systemctl restart docker
完成后，需要将当前普通用户加入docker用户组，docker用户组在上述安装时自动创建，无需手动创建：
sudo gpasswd -a $USER docker #将当前普通用户加入docker用户组
newgrp docker #更新docker用户组
此步目的在于防止后续free5gc容器化部署时，到make base步骤，出现以下错误：
注：此步为free5gc容器化部署的必须步骤
0x015 安装cmake
！此处装的cmake，需要3.17及以上版本，否则后续UERANSIM环境搭建会出错。
方法 1：
wget https://cmake.org/files/v3.20/cmake-3.20.0-rc3-linux-x86_64.tar.gz
tar zxvf cmake-3.20.0-rc3-linux-x86_64.tar.gz
sudo mv cmake-3.20.0-rc3-linux-x86_64 /opt/cmake-3.20.0
sudo ln -sf /opt/cmake-3.20.0/bin/* /usr/bin/
此方法优势在于安装的cmake版本可控，其中第一步的wget建议手动下载，wget方式下载速度比较慢
方法 2：
sudo snap install cmake --classic
此方法优势在于简单，一条命令执行即可
0x016 安装mongodb
sudo apt -y update
sudo apt -y install mongodb wget git
sudo systemctl start mongodb
注：此组件为free5gc的数据库组件，为free5gc独立部署的必须步骤
0x017 安装yarn
curl -sS https://dl.yarnpkg.com/debian/pubkey.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://dl.yarnpkg.com/debian/ stable main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/yarn.list
sudo apt update && sudo apt install yarn
注：此组件为free5gc的webui支持组件，为free5gc独立部署的必须步骤
0x02 free5gc容器化部署
0x021 构建GTP5G模块
！注意构建GTP5G模块时，需要用普通用户构建，否则后续使用时会出错
首先，通过git clone下载项目代码：
cd ~
git clone https://github.com/PriczOwO/gtp5g.git
cd gtp5g
编译代码：
make
sudo make install
注：gtp5g模块是free5gc模拟核心网的内核模块，无论何种部署方案，都必须安装
0x022 容器化部署free5gc模拟核心网
首先，通过git clone下载项目代码：
cd ~
git clone https://github.com/free5gc/free5gc-compose.git
cd free5gc-compose
按照官网提示的安装流程，此时应该执行make base容器化安装free5gc核心网，但是由于国内网络问题，在执行make base时，会导致脚本中git clone还有go get安装模块时出现超时错误，所以这里需要修改make base时执行的脚本，添加设置代理步骤：
cd base
vim Dockerfile
找到 **# Get Free5GC**一行，在此行之前添加以下代码：
RUN git config --global url."https://hub.fastgit.org".insteadOf https://github.com
#下面三条配置用于保证在不同go语言版本中配置代理一定生效，建议都写上
RUN export GOPROXY=https://goproxy.io
RUN export GO111MODULE=on
RUN go env -w GOPROXY=https://goproxy.io
如果不执行此步，直接运行make base，会报git下载失败，如下图：
出现此错误原因在于make base一步实际上是指导一个docker镜像去安装部署free5gc环境，而此镜像中我们并没有配置代理，配置方法只能在指导文件Dockerfile中添加
！此步不可通过手动 git clone到/go/src中，原因在于虚拟机中的go环境并非docker镜像容器的go环境，手动git clone的代码并不能被docker镜像获得并用于构建环境
完成上述步骤后，后续即可继续执行：
cd ~/free5gc-compose
make base
docker-compose build
其中docker-compose build一步可能报版本错误，原因在于上面安装docker、docker-compose时可能安装了较低版本的docker、docker-compose，此时可以选择重装docker、docker-compose或者修改docker-compose.yaml文件中第一行版本号3.8为当前版本，建议优先选择重装docker、docker-compose，以回避未知错误
通过命令docker --version命令查询当前版本，并对应下面链接中的表格：
| Compose file format | Docker Engine release |
|---|---|
| Compose specification | 19.03.0+ |
| 3.8 | 19.03.0+ |
| 3.7 | 18.06.0+ |
| 3.6 | 18.02.0+ |
| 3.5 | 17.12.0+ |
| 3.4 | 17.09.0+ |
| 3.3 | 17.06.0+ |
| 3.2 | 17.04.0+ |
| 3.1 | 1.13.1+ |
| 3.0 | 1.13.0+ |
| 2.4 | 17.12.0+ |
| 2.3 | 17.06.0+ |
| 2.2 | 1.13.0+ |
| 2.1 | 1.12.0+ |
| 2.0 | 1.10.0+ |
| 1.0 | 1.9.1.+ |
至此，free5gc容器化部署完成
0x023 独立部署free5gc模拟核心网（可选项）
free5gc另外还存在一种直接独立部署在虚拟机环境中的方案，采用此方案，可以跳过上述安装docker的步骤以及容器化部署free5gc的步骤，此文重点关注容器化部署的方案，独立部署方案此处仅做简单介绍：
首先通过以下命令下载并获取源码：
cd ~
git clone --recursive -b v3.0.5 -j `nproc` https://github.com/free5gc/free5gc.git
之后编译源码：
cd ~/free5gc
make all
源码编译完成后，独立部署的free5gc的基本构建就已经完成了，关于和UERANSIM的联动使用，这一点容器化部署和独立部署的区别只在配置文件的编写，而其余部分使用独立部署和容器化部署并没有太大差异，独立部署方案中，通过以下命令启动模拟核心网：
cd ~/free5gc
./run.sh
启动模拟核心网后，独立部署方案中提供了一些可独立运行的测试脚本以供测试，如测试注册流程：
cd ~/free5gc
./test.sh TestRegistration
如果需要使用独立部署方案结合UERANSIM测试，则首先需要运行独立部署方案的webserver：
cd ~/free5gc/webconsole
go run server.go
之后配置UERANSIM的部分两种方案差别不大，差别产生原因在于独立部署方案的UERANSIM需要部署在另一台虚拟机上，这样会使得一些ip地址配置会有差异，另外，独立部署的情况下需要配置以下规则，用以使得free5gc可以访问互联网：
sudo sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o <dn_interface（用以访问互联网的网卡名）> -j MASQUERADE
sudo iptables -A FORWARD -p tcp -m tcp --tcp-flags SYN,RST SYN -j TCPMSS --set-mss 1400
sudo systemctl stop ufw
至此，free5gc独立部署完成
注：两种部署方案各有优劣，可按实际需要选用不同方案，另外不建议将两种方案安装在同一个虚拟机中，这样可能会产生一些冲突问题
0x03 UERANSIM模拟设备安装
0x031 源代码下载
cd ~
git clone https://github.com/aligungr/UERANSIM
0x032 依赖下载
sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install make
sudo apt install g++
sudo apt install libsctp-dev
sudo apt install lksctp-tools
sudo apt install iproute2
0x033 编译源代码
cd ~/UERANSIM
make
0x04 全套环境配置并运行
0x041 启动free5gc环境
cd ~/free5gc-compose
docker-compose up -d
0x042 UERANSIM配置设置
查看并记录虚拟机网卡地址：
ifconfig
注：上一步启动free5gc后，会在本地虚拟化出一系列的网卡，这一步需要关注的是原先虚拟机自带的网卡，通常这类网卡的ip地址均处于192.168.*.*网段，网卡名类似ens33，eth0之类，可以以此特征区分出来
接下来需要查看并记录amf网元的ip地址：
docker inspect amf
找到上面记录有”IPAddress”: 的一行，后面记录的即是amf的ip地址：
记录下这两个ip地址后，就可以完成UERANSIM中gnb的配置了，通过修改free5gc-gnb.yaml配置文件完成这一步操作：
cd ~/UERANSIM/config/
vim free5gc-gnb.yaml
需要修改其中的ngapIp、gtpIp为本机ip
修改其中的amfconfig一项下的address为amf的ip
！每次重启机器后，amf地址可能改变，注意更改
至此，UERANSIM的基站配置完成，接下来需要在free5gc中注册UERANSIM的UE部分：
访问地址 http://localhost:5000/可进入到free5gc的webui处，登录：
用户名：admin
密码：free5gc
之后通过free5gc的webui新增一个ue的注册信息：
注：此处配置的UE信息原则上需要和~/UERANSIM/config/free5gc-ue.yaml中的信息一致，但由于此处UERANSIM的代码作者已经设置好，所以实际上无需做任何更改
0x043 启动UERANSIM模拟设备
#启动一个shell，执行启动gnb的流程
cd ~/UERANSIM/build
#通过nr-gnb程序，指定使用的gnb配置文件，启动模拟基站
./nr-gnb -c ../config/free5gc-gnb.yaml
#另起一个shell，执行启动UE的流程
cd ~/UERANSIM/build
#通过nr-ue程序，指定使用的ue配置文件，启动模拟用户设备
sudo ./nr-ue -c ../config/free5gc-ue.yaml
#此处因为需要虚拟出一张ue的网卡，所以需要root权限执行
启动完成后，执行ifconfig可以看到多了一张名为uesimtun0的网卡；另外，在free5gc的webui处，查看REALTIME STATUS可以看到有一个UE处于连接状态，此时即证明UERANSIM的环境启动成功：
注：启动的两个shell不可关闭，可以后台执行，但建议前台执行方便实时查看状态信息
0x05 模拟5g网络基本使用演示
0x051 free5gc模拟核心网基本信息查看
上述环境搭建完成，并且启动free5gc容器后，我们可以通过以下命令查看free5gc单个容器的一些状态信息：
docker inspect <容器名(如amf)>
查询效果如下：
可以通过下面一条命令，查询出所有容器及其对应的ip地址：
docker inspect -f '{{.Name}} - {{range .NetworkSettings.Networks}}{{.IPAddress}}{{end}}' $(docker ps -aq)
查询效果如下：
通过下面一条命令，可以查询出所有容器及其对应的mac地址：
docker inspect -f '{{.Name}} - {{range .NetworkSettings.Networks}}{{.MacAddress}}{{end}}' $(docker ps -aq)
查询效果如下：
如果我们期望进入到各个容器的交互界面，则可以通过以下命令实现：
docker exec -it <容器ID或容器名(如amf)> sh
运行效果如下：
0x052 free5gc模拟核心网基本网络结构分析
free5gc模拟环境搭建完成后，其会虚拟出一个网桥，以及数个和网元对应的虚拟端口，网元通过这些端口和网桥、gnb连接，可以安装bridge-utils工具，以使用brctl命令查看相关信息：
brctl show
此命令可用于查看当前网桥信息及对应端口号，可以看到，之前ifconfig查询出来的虚拟网卡，实际上都是网桥的虚拟端口：
通过以下命令，可以看到网桥上连接设备的mac地址信息：
brctl showmacs <网桥名>
查询结果如下，其中排在前面的几个mac地址实际上是网元的mac地址，下面的则是虚拟端口的mac地址：
在此基础上经过一定分析后，可画出当前free5gc+ueransim模拟5g网络的组网图大致如下：
0x053 UERANSIM模拟gnb建立
通过以下命令即可建立起虚拟的gnb，并且可以在前台看到相关的建立信息：
cd ~/UERANSIM/build
./nr-gnb -c ../config/free5gc-gnb.yaml
查看效果如下，同时我们可以看到ue接入（图中黄方框内部分）时，gnb处打印出了相关信息：
0x054 UERANSIM模拟ue建立与注册、去注册
通过以下命令即可建立出虚拟的ue设备，同时该命令还会将ue设备在核心网处注册：
cd ~/UERANSIM/build
sudo ./nr-ue -c ../config/free5gc-ue.yaml
运行后，可以看到ue成功完成注册，而且虚拟化出了一张属于ue的虚拟网卡，也因此，此命令必须用root权限执行：
根据上面的分析，我们可以在网桥处抓到尽可能完整的数据包，在ue注册前启动wireshark抓包，可以抓取到ue注册时的交互数据包（通过ngap规则过滤）：
此后，我们测试去注册的流程，通过以下命令，可以进入到ue的命令行交互界面：
cd ~/UERANSIM/build
#这一步可以用于查询当前正在运行的gnb和ue的名称
./nr-cli -d
#这一步指定ue名称，即可进入ue的命令行交互界面，同理，也可以指定gnb名称进入gnb的交互界面
./nr-cli imsi-208930000000003
进入交互界面后，可以通过以下命令去注册：
#此步用于查询可用命令
commands
#此步可以查看去注册相关命令选项
deregister
#此步以正常情况去注册
deregister normal
执行效果如下：
此时，wireshake抓包处可以捕获到去注册相关的部分数据包（通过ngap规则过滤）：
至此，我们完成了5g网络中简单的UE注册和去注册的流程测试，并抓取到了部分交互数据包进行分析。
0x055 free5gc实际数据业务模拟
如果需要实现实际数据业务，则首先需要配置出核心网的Internet接口，通过虚拟机软件，在物理机上虚拟化出一张虚拟网卡（此处为Vnet3），用作Internet的接口：
此网卡的IP地址配置为和核心网一致网段，并且在虚拟机环境中，再虚拟化一张网卡（此处为ens34），与上面的网卡作桥接：
之后需要在物理机中配置UE所在网段的路由，图中10.100.200.5网段为upf1（对应UPF anchor-1）的地址，该值视实际中数据包的出口upf确定：
此外，还需要在虚拟机中，将虚拟机中新虚拟化出的网卡与网桥进行桥接：
#此前需要安装bridge-utils工具
sudo brctl addif <网桥名称，如br-1ddc4e374522> <上步中虚拟化出的网卡名，如ens34>
#通过以下命令查看是否添加成功
brctl show
上述配置完成后，在虚拟机中指定UE网卡向外发送ping包，即可看到ping包正常收发：
网桥上抓包查看ping包情况，可以看到数据包确实是经过核心网后再发送的：
仔细分析这部分ping数据包，可以发现，原始载荷在网元upfb（对应UPF branch）处封装后，由某种路由规则发送给了upf1（对应UPF anchor-1），之后再从upf1处发送到互联网；互联网处的回包经过upf1到upfb封装后，再回到ue侧，数据载荷成功通过核心网。
注：上处提到的某种路由规则在~/free5gc-compose/config/uerouting.yaml中有所体现
0x06 总结与后记
全文介绍了基于free5gc+ueransim的模拟5G网络环境搭建，实现5G网络的简单研究：实现模拟ue注册、去注册、模拟数据业务。
实际中的5G网络情况自然是要远比上文所述的复杂的，但是对于5G本身而言，这样一套模拟系统足以模拟研究绝大部分情况；这套系统针对于5G协议实现了5G核心网的部分网元功能，所以可以用以研究5G协议本身可能存在的一些问题。
最后，本文所研究的5G模拟网络搭建及实现，实际上只是整一个5G模拟网络的一小部分，整个5G模拟网络的功能远不止于此，仍然有着更多的功能等待着各位研究者深入探索发现。
参考文献：
free5gc官方网站的独立部署教程：
https://www.free5gc.org/installations/stage-3-sim-install-tw/
UERANSIM官方github文档：
https://github.com/aligungr/UERANSIM/wiki/Configuration
free5gc主干项目github地址
https://github.com/free5gc/free5gc
free5gc容器化部署项目github地址：
https://github.com/free5gc/free5gc-compose
free5gc官方论坛：
https://forum.free5gc.org/search?q=free5gc-compose
来源：freebuf.com 2021-04-02 14:36:42 by: 中兴沉烽实验室
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