Towards Quantum-Safe O-RAN -- Experimental Evaluation of ML-KEM-Based IPsec on the E2 Interface

Probleemstelling

Met de uitbreiding van Open Radio Access Network (O-RAN) implementaties en de opkomst van kwantumcomputers, ontstaat een kritieke beveiligingsuitdaging. Adversairs gebruiken momenteel strategieën zoals "store-now, decrypt-later" (opslaan nu, ontsleutelen later), waarbij ze versleutelde verkeer opslaan in de hoop dat toekomstige kwantumcomputers de huidige cryptografie kunnen kraken.

• Kwetsbaarheid: O-RAN-intervallen, specifiek de E2-interface tussen de 5G Node B (gNB) en de Near-Real-Time RAN Intelligent Controller (Near-RT RIC), zijn cruciaal voor het beheer en de optimalisatie van het netwerk. Deze interface heeft strikte latentie-eisen (milliseconden).
• Bedreiging: De huidige beveiliging van IPsec en TLS is afhankelijk van klassieke publieke-sleutelprimitieven (zoals RSA en ECDH), die kwetsbaar zijn voor Shor's algoritme op kwantumcomputers.
• Gat in kennis: Hoewel er veel theoretisch werk is gedaan over Post-Quantum Cryptografie (PQC), ontbreekt er empirisch bewijs over de prestatie-impact van het integreren van PQC-algoritmen (zoals ML-KEM) in de E2-interface van O-RAN. Operatoren hebben geen data over de afweging tussen kwantumveiligheid en de noodzakelijke responsiviteit van het netwerk.

Methodologie

De auteurs hebben een open-source, reproduceerbaar testbed ontwikkeld om de prestaties van ML-KEM (Module-Lattice-based Key-Encapsulation Mechanism, vroeger CRYSTALS-Kyber) in IPsec te evalueren.

• Testbed Architectuur:
  • O-RAN Componenten: srsRAN (voor gNB/DU/CU simulatie), Open5GS (5G Core), en FlexRIC (Near-RT RIC platform met xApps).
  • Beveiliging: strongSwan (versie 6.0.1) geïntegreerd met liboqs (Open Quantum Safe library) om ML-KEM te ondersteunen binnen het IKEv2/IPsec protocol.
  • Hardware: Een server met dual Intel Xeon Gold CPU's en 256 GB RAM, waarop de componenten draaien in gescheiden Virtual Machines (VM's) om realistische netwerktrappen en isolatie te simuleren.
• Experimentele Opzet:
  Drie configuraties werden vergeleken onder realistische signaalwerklasten:
  1. Geen IPsec: Baseline voor prestaties.
  2. Klassiek IPsec: Gebruikmakend van ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman, Curve25519) voor sleuteluitwisseling.
  3. ML-KEM IPsec: Gebruikmakend van NIST-gestandaardiseerde ML-KEM (parametersets 512, 768 en 1024) voor sleuteluitwisseling.
• Gemeten Metrieken:
  • Tunnel-opzet latentie: Tijd van IKEv2-initiatie tot het volledig opgezet zijn van de IPsec Security Association (SA).
  • xApp-stabiliteit: Impact op de runtime van Near-RT RIC xApps en controlelussen tijdens het opzetten van de tunnel.
  • Steady-state latentie: Impact op de doorvoersnelheid en latentie van het verkeer nadat de tunnel is opgezet.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Empirische Evaluatie: Dit paper biedt, voor zover bekend, de eerste experimentele evaluatie van ML-KEM-based IPsec specifiek op de O-RAN E2-interface binnen een gestandaardiseerd, open testbed.
2. Reproduceerbaar Framework: Het paper documenteert een volledig open-source architectuur die andere onderzoekers en operatoren kunnen gebruiken om PQC in telecomnetwerken te bestuderen.
3. Kwantificering van Trade-offs: Het levert kwantitatieve data die aantoont dat de overgang naar PQC haalbaar is zonder de kritieke timing-eisen van O-RAN te schenden.

Resultaten

De experimenten leverden de volgende cruciale inzichten op:

• Tunnel-opzet Latentie: De integratie van ML-KEM voegt een kleine, beheersbare overhead toe aan het opzetten van de IPsec-tunnel.
  • In vergelijking met klassiek ECDH-IPsec, resulteert ML-KEM in een extra vertraging van ongeveer 3 tot 5 milliseconden (afhankelijk van de parameterset; ML-KEM-768 voegde ~3 ms toe, ML-KEM-1024 ~4.7 ms).
  • De IKE-Authenticatie en Child SA-setup tijden bleven vergelijkbaar; de vertraging zat voornamelijk in de initiële IKE-initiatie (sleuteluitwisseling).
• Steady-State Prestaties: Zodra de tunnel is opgezet, is er geen waarneembare impact op de runtime van de Near-RT RIC xApps of de controlelussen. De encryptie van de payload (AES-256-GCM) blijft gelijk in alle scenario's, waardoor de doorvoersnelheid niet wordt beïnvloed door het type sleuteluitwisseling.
• Stabiliteit: De Near-RT RIC en de xApps functioneerden stabiel onder alle drie de configuraties, wat aantoont dat de extra wiskundige complexiteit van PQC de real-time besturing niet verstoort.

Betekenis en Conclusie

De bevindingen van dit onderzoek zijn van groot belang voor netwerkoperatoren en beleidsmakers:

• Haalbaarheid: Het integreren van kwantumveilige cryptografie (ML-KEM) in de E2-interface van O-RAN is praktisch haalbaar op huidige serverhardware.
• Migratiestrategie: De kleine overhead van enkele milliseconden tijdens het opzetten van de tunnel is acceptabel voor de meeste O-RAN-scenario's. Dit ondersteunt de overgang naar "crypto-agile" ontwerpen en gefaseerde migratiestrategieën naar PQC voordat kwantumcomputers een reële bedreiging vormen.
• Toekomstperspectief: Hoewel PQC de sleuteluitwisseling veilig maakt, suggereert het paper dat toekomstig werk zich moet richten op het beveiligen van andere interfaces (zoals A1, O1, O2) via TLS en het onderzoeken van Federated Learning om PQC-implementaties verder te optimaliseren en anomalieën te detecteren.

Kortom, het paper weerlegt de angst dat PQC de prestaties van real-time 5G-netwerken onacceptabel zal vertragen, en biedt een blauwdruk voor een veilige, toekomstbestendige O-RAN-architectuur.