Une nouvelle architecture basée sur la blockchain pour les opérateurs de réseaux mobiles : au-delà de la 5G

A novel blockchain-based architecture for mobile network operators : Beyond 5G

• Auteur / Autrice : Fariba Ghaffari
• Direction : Noël Crespi, Emmanuel Bertin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, données, IA
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....) - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Réseaux, Systèmes, Services, Sécurité / R3S
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Anceaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Axel Küpper, Mika Ylianttila, Abdelkader Lahmadi, Cigdem Sengul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Axel Küpper, Mika Ylianttila

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryptographie

Authentification

Intelligence artificielle

Mots clés libres

Blockchain

Smart contract

Authentication and Access control

Cellular network

Resource management

Networking

Résumé

Alors que l'architecture centralisée et autonome existante des opérateurs de réseaux mobiles (ORM) fournit une connectivité à des milliards d'utilisateurs, ils souffrent d'un manque de mécanismes techniques pour améliorer la collaboration entre les MNO et les autres fournisseurs.Cela a des impacts sur les coûts de mutualisation, ainsi que sur la consommation d'énergie et l'impact environnemental. Cela peut également empêcher l'avènement de modèles commerciaux plus collaboratifs avec d'autres fournisseurs ou même avec des clients. De plus, la complexité des réseaux au-delà de la 5G peut dépasser la capacité d'un ORM à gérer le coût et la complexité. Enfin, les architectures MNO existantes souffrent également de leur centralisation, problèmes techniques et vulnérabilités.Relever ces défis n'est pas un voyage simple. Cependant, nous croyons qu'il y a un intérêt à proposer à la communauté de la recherche en télécommunications une approche de table rase. De telles solutions alternatives doivent - au moins - avoir un écosystème distribué/décentralisé, assurer la fiabilité entre les acteurs dans l'environnement méfiant, partager les ressources entre les parties prenantes, apporter une automatisation plus élevée et fournir une sécurité et une confidentialité suffisantes.La blockchain est une technologie de registre distribué peer-to-peer qui ne peut être mise à jour que par consensus entre la majorité des nœuds participants sur le réseau. En raison de ses caractéristiques intrinsèques, la Blockchain et les smart contrats peuvent réduire le coût, la latence et la complexité de la collaboration entre les entités d'un réseau cellulaire multi-acteurs tout en augmentant la fiabilité, la traçabilité et les capacités de supervision.Ce travail propose un système de connectivité mobile multi-acteurs qui fournit une solution distribuée et sécurisée prou les entités et les acteurs de l'écosystème du réseau cellulaire. Pour ce faire, ce travail fournit dans un premier temps une étude complète des défis existants dans les réseaux cellulaires actuels concernant les aspects commerciaux et de collaboration, les problèmes techniques et la sécurité. Les résultats de ces études nous ont amenés à proposer deux contributions principales, l'une concernant la coopération entre les différents acteurs de l'écosystème des réseaux cellulaires, et l'autre pour la collaboration entre les ORM pour la gestion des identités et des profils.Plus précisément, la première contribution propose un nouvel écosystème de télécommunications hybride (distribué-décentralisé) pour façonner la conception des réseaux au-delà de la 5G et de la 6G. Cette méthode offre la possibilité d'éliminer toute autorité centrale, d'augmenter la tolérance aux pannes du système, de simplifier les procédures informatiques et de sécuriser le paiement entre les entités.La deuxième contribution introduit une nouvelle gestion des profils d'utilisateurs et un portage des numéros et des profils mobiles en plus de la Blockchain et des contrats intelligents. Cette méthode vise à éliminer l'autorité centrale dans la procédure de portage en créant un système plus collaboratif et distribué dans ce but, à augmenter l'automatisation et la confiance, et à remédier à la latence élevée de la méthode existante de portage des ORM. De plus, il offre la possibilité de porter les profils des utilisateurs vers l'ORM destinataire ainsi que le numéro de téléphone avec une procédure automatisée sans autorité centralisée ni tiers.Pour évaluer le système proposé et analyser sa faisabilité de mise en œuvre, nous avons proposé trois scénarios de déploiement dans lesquels la Blockchain peut être logiquement positionnée soit en RAN, cœur de réseau, ou couche de service. Les résultats de l'évaluation montrent que le système est suffisamment évolutif en ce qui concerne le nombre d'acteurs et de collaborateurs, et en fonction des exigences du réseau, ses performances et son niveau de sécurité sont ajustables.

While the existing centralized and stand-alone architecture of Mobile Network Operators (MNO) provides connectivity to billions of users, they suffer from a lack of technical mechanisms to enhance collaboration between MNOs and other providers.This has impacts on mutualization costs, as well as on energy consumption and environmental impact. This may also prevent the advent of more collaborative business models with other providers or even with customers. Moreover, the complexity of 5G and beyond 5G networks may surpass the capability of one MNO to manage the cost and the complexity of connection. Finally, existing MNO architectures also suffer from their centralization, resulting in several technical issues and vulnerabilities.Addressing these challenges is not a straightforward journey. MNO architectures have been defined for nearly three decades by well-established standardization bodies. However, we believe there is an interest in proposing to the telecom research community a clean-slate approach. Such alternative solutions need to -at least- have a distributed/ decentralized ecosystem, provide trustworthiness between actors in the distrusted environment, share the resources among stakeholders, bring higher automation, and provide sufficient security and privacy. Any alternative addressing these requirements would be a promising potential solution.Blockchain is a peer-to-peer distributed ledger, cryptographically secure, append-only, immutable, traceable, and transparent technology that is only updateable via consensus among a majority of the participating nodes on the network. Due to its intrinsic features, Blockchain, and smart contracts can decrease the cost, latency, and complexity of collaboration among entities in multi-actor cellular network while increasing the trustworthiness, traceability, and supervision abilities.This work proposes a multi-actor mobile connectivity system that provides a distributed, trustful, automated, low-cost, and secure solution for the entities and actors of the cellular network ecosystem. To do so, this work provides at first a comprehensive study of the existing challenges in current cellular networks regarding business and collaboration aspects, technical issues, and security. The results of these studies have led us to propose two main contributions, one regarding the cooperation among different actors of the cellular network ecosystem (i.e., MNOs, service providers, small-scale businesses, vendors, and end-users) and another for collaboration among MNOs (and potentially with regulation bodies) for identity and profile management.More precisely, the first contribution proposes a novel hybrid (distributed-decentralized) telecommunication ecosystem to shape the beyond 5G and 6G network design. This method provides the opportunity to eliminate any central authority, increase the fault tolerance of the system, simplifies IT procedures, and provide secure payment among entities.The second contribution introduces a new user profile management and mobile number and profile porting on top of Blockchain and smart contracts. This method aims to eliminate the central authority in the porting procedure by creating a more collaborative and distributed system to this aim, increase automation and trustfulness, and address the high latency of the existing method for porting the MNOs. Moreover, it brings the opportunity of porting the users' profiles to the recipient MNO as well as the phone number with an automated procedure without a centralized authority or third parties.To evaluate the proposed system and analyze its implementation feasibility, we proposed three deployment scenarios in which the Blockchain can be logically positioned either in RAN, core network, or service layer. The evaluation results show that the system is scalable enough regarding the number of actors and collaborators, and based on the network requirements, its performance and security level are adjustable.