Layer 2 Protection eXtended Application for E2 Interface in Open RAN Environments

국문 초록 (Abstract)

차세대 이동통신 기술의 도입과 함께 대규모 통신 환경이 가속화되고 있으며, 특히 IoT, VANET, IoD 등 다양한 응용 분야에서의 저지연, 초연결이 요구되고 있다. 이와 같이 빠르게 증가하는 모바일 트래픽을 처리하는 것에 대한 기존의 중앙화된 RAN 구조의 한계를 개선하기 위해, 서로 다른 벤더 간 하드웨어 및 소프트웨어 상호운용성을 지원하는 Open Radio Access Network（Open RAN）이 차세대 RAN으로 자리잡고 있다.
Open RAN을 선도하는 O-RAN Alliance는 Open RAN 프레임워크에 대한 잠재적인 위협과 이에 대응하기 위한 요구사항을 다루는 표준을 공개하였다. 공개된 표준에서는 Open RAN의 E2 인터페이스에 대한 보안 위협 중 하나로 Man-in-the-Middle （MitM） 공격을 명시하며, 해당 공격의 핵심적인 보안 제어 방안으로써 IPsec 사용을 명시하고 있다. 그러나 IPsec은 3계층 보안 프로토콜로써, 여전히 Address Resolution Protocol （ARP） 스푸핑과 같은 2계층 공격을 가능하게 한다.
따라서, 본 논문에서는 Open RAN 환경에서 MitM 공격 중 하나인 ARP 스푸핑이 가능함을 시뮬레이션한 후, 이러한 2계층 공격으로부터 개방화된 E2 인터페이스를 보호하기 위한 E2 protection xApp을 구현한다. E2 protection xApp은 Open RAN 환경의 규모에 따라 소규모 환경에서는 정적 ARP 캐시 기능, 대규모 환경에서는 동적 ARP 스푸핑 모니터링 기능을 활용하도록 설계한다. 또한, 구현한 E2 protection xApp이 기존의 ARP 스푸핑 완화 솔루션 및 방법보다 우수함을 보이기 위한 기능적인 비교와 성능 평가를 분석하고, 해당 xApp의 네트워크 복원력을 입증하기 위한 분석 결과를 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The introduction of next-generation mobile communication technologies is accelerating the expansion of large-scale communication environments, with demands for low latency and ultra-connectivity in diverse application fields such as the Internet of Things （IoT）, Vehicular Ad-hoc Network （VANET）, and Internet of Drones （IoD）. To overcome the limitations of existing centralized RAN architectures, such as non- interoperability, the Open Radio Access Network （Open RAN）, which supports hardware and software interoperability between different vendors, is establishing itself as the next generation RAN. Open RAN, led by O-RAN Alliance, has released standards addressing potential threats to the Open RAN framework and the requirements for countermeasures. The published standards identify Man-in-the-Middle （MitM） attacks as one of the security threats targeting an E2 interface on Open RAN and specify the use of IPsec as a core security control measure against such attacks. However, as a layer 3 security protocol, IPsec still allows layer 2 attacks such as Address Resolution Protocol （ARP） spoofing. Therefore, this thesis simulates the feasibility of ARP spoofing—one type of MitM attack—in an Open RAN environment and implements an E2 protection xApp to protect the exposed E2 interface against such layer 2 attacks. The E2 protection xApp is designed to utilize a static ARP cache function in small-scale environments and a dynamic ARP spoofing monitoring function in large-scale environments, depending on the scale of the Open RAN environment. Furthermore, it analyzes functional comparisons and performance evaluations to demonstrate that the implemented E2 protection xApp outperforms existing ARP spoofing mitigation solutions and methods and presents analysis results to prove the network resilience of this xApp.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Background of Research 1
• 1.2 Necessity of Research 3
• 1.3 Contribution of Research 5
• 1.4 Organization of Thesis 6
• II. Related Work 7
• 2.1 Open RAN 7
• 2.1.1 Open RAN Architecture 8
• 2.1.2 E2 Interface on Open RAN 12
• 2.2 Security Threats for E2 Interface 16
• 2.2.1 Security Threats by O-RAN Alliance Standard 17
• 2.2.2 Security Threats by Prior Research 20
• 2.3 Security Methods for E2 Interface 24
• 2.3.1 Security Methods for Existing E2 Interface Research 24
• 2.3.2 Security Methods for Existing Layer 2 Mitigation 27
• III. Proposed E2 Protection xApp 32
• 3.1 Experimental Environment 32
• 3.2 System Architecture 34
• 3.2.1 Static ARP Cache Function 38
• 3.2.2 Dynamic ARP Spoofing Monitoring Function 41
• 3.3 System Result for Several Cases 48
• 3.3.1 Case of ARP spoofing without IPsec and E2 Protection xApp 52
• 3.3.2 Case of ARP Spoofing with IPsec 56
• 3.3.3 Case of ARP Spoofing with E2 Protection xApp 62
• IV. Analysis 71
• 4.1 Functional Analysis 71
• 4.2 Performance Analysis 73
• 4.2.1 Processing Time 73
• 4.2.2 Overhead 76
• 4.2.3 Stability 79
• 4.3 Numerical Analysis 82
• 4.3.1 Stable State of Server Utilization of E2 Protection xApp 83
• 4.3.2 Number of Attackers Handled by E2 Protection xApp 86
• V. Conclusion 90
• References 92