Proiectarea și implementarea unui sistem de securitate pentru rețelele 5G bazat pe criptografie avansată și blockchain

Abstract

Prezenta teză de master abordează problematica securității rețelelor de comunicații mobile de generația a cincea (5G), în contextul extinderii rapide a infrastructurilor virtualizate, al conectării masive a dispozitivelor IoT și al apariției unor amenințări cibernetice tot mai sofisticate. Deși standardele 3GPP definesc mecanisme avansate de securitate pentru 5G, acestea se bazează în continuare pe un model centralizat de încredere și pe algoritmi criptografici clasici, vulnerabili pe termen lung în fața progreselor din domeniul calculului cuantic. Această situație generează riscuri semnificative pentru confidențialitatea, integritatea și disponibilitatea serviciilor critice furnizate prin rețelele 5G. Obiectivul principal al lucrării constă în proiectarea și evaluarea unui cadru de securitate hibrid pentru rețelele 5G, care să îmbine criptografia post-cuantică, criptografia homomorfă și tehnologia blockchain, în vederea creșterii nivelului de protecție și a eliminării punctelor unice de eșec. Obiectivele specifice includ analiza arhitecturii de securitate 5G existente, identificarea limitărilor acesteia, studiul comparativ al algoritmilor de criptografie avansată și evaluarea aplicabilității tehnologiei blockchain în autentificarea descentralizată și managementul identității. În realizarea cercetării au fost utilizate metode teoretice și aplicative, precum analiza documentației de standardizare 3GPP, studierea literaturii de specialitate, analiza comparativă a soluțiilor criptografice post-cuantice și homomorfe, precum și modelarea conceptuală a unui sistem de securitate descentralizat bazat pe blockchain. De asemenea, au fost analizate mecanismele de consens adecvate mediilor 5G și IoT, precum și impactul acestora asupra performanței și scalabilității rețelei. Rezultatele obținute constau în elaborarea unui model conceptual de securitate 5G care integrează autentificarea descentralizată prin blockchain, protecția comunicațiilor prin algoritmi post-cuantici și procesarea confidențială a datelor prin criptografie homomorfă. Analiza tehnică evidențiază avantajele soluției propuse în ceea ce privește reziliența la atacuri, reducerea dependenței de entități centrale și pregătirea infrastructurii pentru amenințările cuantice viitoare, precum și limitările legate de overhead ul computațional și de complexitatea implementării.

This master’s thesis addresses the issue of security in fifth generation (5G) mobile communication networks, in the context of rapidly expanding virtualized infrastructures, massive Internet of Things (IoT) connectivity, and the emergence of increasingly sophisticated cyber threats. Although 3GPP standards define advanced security mechanisms for 5G networks, these solutions remain largely based on a centralized trust model and classical cryptographic algorithms, which are vulnerable in the long term to advances in quantum computing. The main objective of this thesis is the design and evaluation of a hybrid security framework for 5G networks that integrates post-quantum cryptography, homomorphic cryptography, and blockchain technology in order to enhance protection levels and eliminate single points of failure. The specific objectives include the analysis of the existing 5G security architecture, the identification of its limitations, a comparative study of advanced cryptographic algorithms, and the assessment of blockchain applicability for decentralized authentication and identity management. The research methodology combines theoretical and applied approaches, including the analysis of 3GPP standardization documentation, a review of relevant scientific literature, comparative evaluation of post-quantum and homomorphic cryptographic algorithms, and conceptual modeling of a decentralized security system based on blockchain technology. The results of the research consist in the development of a conceptual 5G security model that integrates decentralized authentication through blockchain, communication protection using post quantum cryptographic algorithms, and privacy-preserving data processing enabled by homomorphic encryption. The technical evaluation highlights the advantages of the proposed solution in terms of improved resilience against cyber-attacks, reduced dependence on centralized trust entities, and preparedness for future quantum threats, while also identifying limitations related to computational overhead and implementation complexity. Overall, the proposed framework represents a viable foundation for future research and implementation of secure, resilient, and quantum-resistant security architectures for next-generation mobile communication networks.