Authentication — 認証（5G-AKA / EAP-AKA'）¶

学習目標¶

このページを読み終えると、次のことができるようになります。

• Why（なぜ認証が必要か）を、なりすまし防止・課金の正当性・通信保護の土台として説明できる。
• 相互認証（ネットワークもUEを、UEもネットワークを確認する）という 5G-AKA / EAP-AKA' の本質を説明できる。
• 5G-AKA と EAP-AKA' の 2 方式の 違い（メッセージ構造・往復・EAP框組みの有無）を説明できる。
• 2 方式それぞれの Call Flow を、UE(USIM) / SEAF(AMF) / AUSF / UDM(ARPF) の登場順に追える。
• SUCI→SUPI の復号（de-concealment） が どこで・誰によって（UDM/SIDF） 行われるかを説明できる。
• 認証ベクトル(AV)生成 → RES*/XRES*・HRES*/HXRES*照合 → KAUSF/KSEAF導出 の各ステップを追える。
• MAC failure / Synch failure(SQN同期外れ) / RES*不一致 の 3 大失敗を切り分け、AUTS 再同期を説明できる。

前提知識¶

先に以下を理解しておくとスムーズです。まだの人は カリキュラム から始めてください。

• Registration の全体像（認証は登録手順の一部として概説済み） → Initial Registration
• SUCI / SUPI（本名SUPIと、それを秘匿したSUCI） → Registration の Basic Concept
• NAS / N1（UE⇔AMF の制御メッセージを運ぶ層） → N1
• 認証に関わるNFの役割 → AMF / AUSF / UDM

この章で学べること¶

本章は 一次認証（Primary Authentication）そのもの に焦点を絞ります。すなわち 5G-AKA と EAP-AKA' の 2 方式について、メッセージ往復の詳細・鍵導出の各ステップ・失敗と再同期を精密に扱います。

• 認証の概要・登録全体の中での位置づけは Registration 章 を、
• 鍵階層(Key Hierarchy)の全体図は AUSF の鍵階層 を参照してください（本章では重複を避け、手順の中の鍵導出に集中します）。

なお、二次認証（Secondary Authentication、外部DNとのPDUセッション単位の認証）は本章の範囲外です（Next Step 参照）。

Why — なぜ認証が必要なのか¶

Why（なぜ必要か）から始めます。 ネットワークが端末を無条件に受け入れると、次の問題が起きます。

• なりすまし — 他人の契約になりすまして通信・課金を横取りされる。
• 課金の不正 — 誰が使ったか確定できず、正しく課金できない。
• 通信保護の土台が無い — 暗号化・完全性保護に使う共有鍵が確立できない。

認証(Authentication)は「この端末は本当に契約者本人か」を暗号技術で確かめ、同時に以降の通信を守る鍵を合意する手続きです。5G の認証は一方通行ではなく 相互認証（mutual authentication） である点が重要です。

• ネットワーク → UE: UEが正規の契約者か確認する（レスポンス RES* の照合）。
• UE → ネットワーク: 接続先が偽基地局(なりすまし網)でないか確認する（AUTN の検証）。

Overview — 概要¶

一次認証は、次の三者の関係で成り立ちます。

• AMF(SEAF) — 認証の 起点。UEに一番近く、認証をトリガし、UEとチャレンジ/レスポンスをやり取りする。SEAF(Security Anchor Function)はAMFに同居。
• AUSF — 認証の サーバ。UDMとAMFの間に立ち、レスポンスを検証し、アンカー鍵 KSEAF を導出する。
• UDM(ARPF/SIDF) — 認証情報の 源泉。永続鍵Kを持つ ARPF が認証ベクトル(AV)を生成し、SIDF が SUCI→SUPI を復号する。

flowchart LR
    UE([UE / USIM]) -->|"1.認証トリガ(SUCI)"| AMF["AMF / SEAF"]
    AMF -->|"2.認証要求 (N12)"| AUSF[AUSF]
    AUSF -->|"3.AV要求 (N13)"| UDM["UDM (ARPF / SIDF)"]
    UDM -->|"4.SUCI復号 + AV生成"| AUSF
    AUSF -->|"5.RAND/AUTN"| AMF
    AMF -->|"6.チャレンジ/レスポンス"| UE

Basic Concept — 初心者向け説明¶

一次認証の核は AKA = Authentication and Key Agreement（認証と鍵合意）です。名前の通り「認証（本人確認）」と「鍵合意（共有鍵の確立）」を同時に行います。

1. 共有秘密鍵 K とチャレンジ・レスポンス¶

• 共有秘密鍵 K — USIM（UE側）とネットワーク側の ARPF（UDMに論理的に属する）だけが持つ長期鍵。電波には絶対に流れません。
• チャレンジ・レスポンス — ネットワークが乱数 RAND（お題）を送り、UEが K を使って計算した答え RES* を返す方式。K を知らなければ正しい答えは作れないため、本人確認になります。

2. 相互認証（双方向の確認）¶

• ネットワークは UE を確認する（RES* を XRES* と照合）。
• UE はネットワークを確認する（AUTN = Authentication Token を USIM が検証）。AUTN には MAC（改ざん検知）と SQN（シーケンス番号）が含まれ、正規網でなければ作れません。

3. 鍵合意（KAUSF → KSEAF）¶

認証が成功すると、同じ AKA 演算から両側で同じ鍵が導出されます。この鍵が上位鍵 KAUSF → KSEAF → KAMF → … と派生し、NAS/AS の暗号化・完全性保護に使われます（階層の全体像は AUSF の鍵階層）。

4. SUCI / SUPI / SIDF（誰が本名を復号するか）¶

• SUPI — 加入者の本名（IMSI相当）。電波に平文で載せてはいけない。
• SUCI — SUPI をホームネットワーク公開鍵で暗号化して隠したもの。電波に載せてよい。
• SIDF (Subscription Identifier De-concealing Function) — SUCI を ホームネットワーク秘密鍵で復号し SUPI に戻す機能。UDM に属し、秘密鍵を扱えるのは SIDF だけです（TS 33.501 §6.12.2）。

Architecture¶

一次認証に関わる機能要素と、それらを結ぶInterfaceです。SIDF が SUCI復号を担う点、AVをARPFが生成する点がこの章の主役です。

flowchart LR
    subgraph UEside["UE"]
      USIM["USIM
(K を保持)"]
    end
    subgraph Serving["Serving / 訪問先網"]
      SEAF["AMF / SEAF"]
    end
    subgraph Home["Home / ホーム網"]
      AUSF["AUSF
(KAUSF/KSEAF 導出)"]
      UDM["UDM"]
      ARPF["ARPF
(K保持・AV生成)"]
      SIDF["SIDF
(SUCI→SUPI 復号)"]
    end

    USIM -- "N1 (NAS)" --> SEAF
    SEAF -- "N12 (Nausf)" --> AUSF
    AUSF -- "N13 (Nudm)" --> UDM
    UDM --- ARPF
    UDM --- SIDF

• USIM — 共有鍵 K を保持。AUTN検証・RES算出を行う耐タンパなカード。
• AMF / SEAF — 認証の起点。UEとチャレンジ/レスポンスをNASで往復し、HRES*照合とKSEAF受領を行う。
• AUSF — レスポンス検証とKAUSF/KSEAF導出。UDMとAMFの中継。
• UDM / ARPF / SIDF — ARPFがAV生成、SIDFがSUCI復号。認証情報の源泉。

詳細な鍵階層図は重複を避け AUSF の鍵階層 に集約しています。本章は「手順の中で、どのステップでどの鍵が生まれるか」に集中します。

Network Function（登場NF）¶

Interface / Protocol¶

この手順で使うInterfaceとProtocolです。

Protocolの詳細は Protocol辞典、Interface一覧は Interface辞典 を参照してください。個別ページは N12（AMF⇔AUSF）/ N13（AUSF⇔UDM）をどうぞ。

Procedure — Call Flow¶

このページの心臓部です。 一次認証には 2 方式があり、どちらを使うかは UDM が選択します（SUCI/SUPI と加入者データに基づく。TS 33.501 §6.1.2）。AMF(SEAF) は Nausf に対して方式を指定せず、UDM の決定に従います。

(A) 5G-AKA の Call Flow¶

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE as UE / USIM
    participant SEAF as AMF / SEAF
    participant AUSF
    participant UDM as UDM (ARPF / SIDF)

    Note over UE,SEAF: 認証トリガ（SUCI or SUPI が確定済み）
    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate
(SUCI or SUPI, SN-name)
    Note right of SEAF: TS 33.501 §6.1.2
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get
(SUCI or SUPI, SN-name)
    Note right of UDM: SUCI なら SIDF が SUPI へ復号
TS 33.501 §6.12.2
    Note right of UDM: ARPF が方式=5G-AKA を選択し
HE AV(RAND,AUTN,XRES*,KAUSF) 生成
TS 33.501 §6.1.3.2
    UDM-->>AUSF: 5G HE AV (RAND, AUTN, XRES*, KAUSF) + SUPI
    Note right of AUSF: AUSF が XRES* から HXRES*、
KAUSF から KSEAF を導出→SE AV へ
    AUSF-->>SEAF: 5G SE AV (RAND, AUTN, HXRES*)
    SEAF->>UE: Authentication Request (NAS: RAND, AUTN, ngKSI, ABBA)
    Note right of UE: USIM が AUTN(MAC/SQN)検証→
RES 算出→ME(UE) が RES* を生成
    UE->>SEAF: Authentication Response (NAS: RES*)
    Note right of SEAF: SEAF が RES* から HRES* を計算し
HXRES* と照合（一次チェック）
    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate (RES*)
    Note right of AUSF: AUSF が RES* と XRES* を照合（最終判定）
TS 33.501 §6.1.3.2
    AUSF-->>SEAF: 認証結果 (成功) + KSEAF
    Note over UE,AUSF: 成功→KSEAF確立→KAMF導出へ

ステップ解説（番号は上図に対応）¶

1. SEAF→AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate で認証開始。SUCI(初回) または SUPI(GUTI既知時) と SN-name（Serving Network名）を渡す。
2. AUSF→UDM: Nudm_UEAuthentication_Get を発行。
3. （UDM内）SUCI復号: SUCIで来た場合、SIDF がホーム秘密鍵で SUPI へ復号（TS 33.501 §6.12.2）。
4. （UDM内）AV生成: ARPF が方式(5G-AKA)を選び、5G HE AV = RAND, AUTN, XRES*, KAUSF を生成（TS 33.501 §6.1.3.2）。
5. UDM→AUSF: HE AV と SUPI を返す。
6. （AUSF内）導出: AUSF が XRES*→HXRES* と KAUSF→KSEAF を計算し、5G SE AV = RAND, AUTN, HXRES* を作る（KSEAFはこの時点では保持し、成功後に渡す）。
7. AUSF→SEAF: SE AV(RAND, AUTN, HXRES*) を渡す。
8. SEAF→UE: Authentication Request(NAS)。RAND, AUTN に加え ngKSI（鍵セット識別子）と ABBA（下位互換防御パラメータ）を含む。
9. （USIM内）検証と算出: USIM が AUTN の MAC と SQN を検証（網の正当性確認）。OKなら RES を算出し、RES* を生成。
10. UE→SEAF: Authentication Response(NAS: RES*)。
11. （SEAF内）一次照合: SEAF が RES*→HRES* を計算し HXRES* と照合。ここで違えば SEAF が拒否できる（往復削減のための前段チェック）。
12. SEAF→AUSF: RES* を送り最終検証を依頼。
13. （AUSF内）最終照合: AUSF が RES* と XRES* を照合（TS 33.501 §6.1.3.2）。
14. AUSF→SEAF: 成功なら KSEAF を返す。SEAF はここから KAMF を導出し、以降の NAS セキュリティ確立へ進む。

(B) EAP-AKA' の Call Flow¶

EAP-AKA' は EAP(Extensible Authentication Protocol) 框組みの上で AKA' を実行します。AUSF が EAP サーバ、UE が EAP ピアとして振る舞い、AMF(SEAF) は EAP メッセージを NAS で中継するだけ（passthrough）です（TS 33.501 §6.1.3.1 / RFC 5448）。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE as UE / USIM (EAP peer)
    participant SEAF as AMF / SEAF (passthrough)
    participant AUSF as AUSF (EAP server)
    participant UDM as UDM (ARPF / SIDF)

    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate (SUCI/SUPI, SN-name)
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get (SUCI/SUPI, SN-name)
    Note right of UDM: SIDF が SUCI 復号 / ARPF が方式=EAP-AKA' を選択
AV(RAND,AUTN,XRES,CK',IK') 生成
TS 33.501 §6.1.3.1
    UDM-->>AUSF: EAP-AKA' AV + SUPI
    AUSF-->>SEAF: EAP-Request/AKA'-Challenge (RAND, AUTN, MAC)
    SEAF->>UE: Authentication Request (NAS に EAP をカプセル化)
    Note right of UE: USIM が AUTN 検証→RES 算出→MAC 計算
    UE->>SEAF: Authentication Response (NAS に EAP)
    SEAF->>AUSF: EAP-Response/AKA'-Challenge (RES, MAC)
    Note right of AUSF: AUSF が RES と XRES、MAC を照合
成功なら KAUSF→KSEAF 導出
    AUSF-->>SEAF: EAP-Success + KSEAF
    SEAF->>UE: Authentication Result (NAS: EAP-Success)
    Note over UE,AUSF: 成功→KSEAF確立

ステップ解説（番号は上図に対応）¶

1-2. SEAF→AUSF→UDM は 5G-AKA と同じ入口（Nausf → Nudm_UEAuthentication_Get）。 3. （UDM内） SIDFがSUCI復号、ARPFが方式=EAP-AKA'を選択し、EAP-AKA'用AV（RAND, AUTN, XRES, CK', IK'）を生成（TS 33.501 §6.1.3.1）。 4. UDM→AUSF: AV と SUPI を返す。 5. AUSF→SEAF→UE: EAP-Request/AKA'-Challenge（RAND, AUTN, MAC）を、SEAF が NAS(Authentication Request)にカプセル化して UE へ。 6. （USIM内） AUTN検証→RES算出→応答MAC計算。 7. UE→SEAF→AUSF: EAP-Response/AKA'-Challenge（RES, MAC）を NAS で運び AUSF へ。 8. （AUSF内） RES と XRES、MAC を照合。成功なら KAUSF→KSEAF を導出。 9. AUSF→SEAF→UE: EAP-Success を通知（NAS では Authentication Result として運ぶ）。KSEAF は Nausf 応答で SEAF へ渡る。

Signal Flow¶

主要メッセージ／サービスオペレーションを表で整理します。

主要IE用語: RAND(乱数チャレンジ) / AUTN(網→UEの認証トークン) / RES*(UE→網の応答) / XRES*(網が期待する正解) / HXRES*(XRES*のハッシュ、SEAF照合用) / KSEAF(アンカー鍵) / KAUSF(AUSF保持鍵) / ABBA(下位互換防御) / SUCI(秘匿ID) / SUPI(本名) / AUTS(SQN再同期トークン)。詳細は Message辞典 を参照。

State Machine¶

USIM/UE から見た一次認証の状態遷移です（根拠: TS 33.501 §6.1 / TS 24.501 §5.4.1）。

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle: 認証前
    Idle --> AwaitChallenge: SEAFが認証開始 (Nausf/Nudm でAV取得)
    AwaitChallenge --> VerifyingAUTN: Authentication Request 受信 (RAND,AUTN)
    VerifyingAUTN --> ComputingRES: AUTN検証OK
    VerifyingAUTN --> MACFailure: MAC不一致
    VerifyingAUTN --> SynchFailure: SQN範囲外
    ComputingRES --> Success: RES*/XRES* 照合一致
    ComputingRES --> ResMismatch: RES*/XRES* 不一致
    MACFailure --> [*]: Authentication Failure(cause=MAC failure)→Reject
    SynchFailure --> Resync: Authentication Failure(cause=Synch failure, AUTS)
    Resync --> AwaitChallenge: 網がAUTSでSQN再同期→新AV
    ResMismatch --> [*]: Authentication Reject
    Success --> [*]: KSEAF確立→NASセキュリティへ

• VerifyingAUTN — USIM が AUTN の MAC と SQN を検証する過渡状態。ここで 2 種の失敗に分岐する。
• MAC failure — AUTN の MAC が合わない＝鍵不一致/偽網の疑い。UE は認証失敗として拒否方向。
• Synch failure — MAC は合うが SQN が範囲外（網側とUE側のカウンタずれ）。UE は AUTS を返して再同期を要求する。
• ResMismatch — 網側で RES*/XRES* が一致せず、Authentication Reject。

Packet Analysis (Wireshark)¶

一次認証は NASメッセージなので、nas-5gs で捕捉します。NASはNGAP(N2)にネストされて運ばれる点は Registration の Packet Analysis と同じです。

主要 Display Filter¶

Decode の見どころ（主要IE）¶

• RAND / AUTN（Authentication Request 内）— チャレンジ乱数と網の認証トークン。
• RES*（Authentication Response 内）— UE のレスポンス。
• ngKSI / ABBA（Authentication Request 内）— 鍵セット識別子と下位互換防御パラメータ。
• Authentication failure parameter (AUTS)（Authentication Failure 内）— Synch failure 時の再同期トークン。
• EAP-AKA' の場合は NAS に EAPメッセージがカプセル化されて見える。

Configuration¶

一次認証を成立させるための設定の構造レベルの要点です。具体値・ベンダー固有(Cisco 等)は実装依存であり、ここでは架空の値を書きません。

UE/USIM 側¶

• K（加入者の永続鍵）と OPc（オペレータ鍵から導出される値）の書き込み。これが網側と一致しないと MAC failure になります。
• SUPI/IMSI と ホームネットワーク公開鍵（SUCI 生成用）、Protection Scheme の設定。

UDM/UDR 側（例: Open5GS / free5GC）¶

• 加入者(SUPI/IMSI)の登録と、認証情報(K, OPc) のプロビジョニング（USIM側と一致必須）。
• SQN（シーケンス番号）カウンタの管理。ずれると Synch failure の原因。
• ホームネットワーク秘密鍵（SIDF が SUCI 復号に使用）と Protection Scheme の設定。
• ARPF が選択する認証方式（5G-AKA / EAP-AKA'）の設定。

Trouble Shooting¶

代表的な認証失敗の切り分けです。Cause値の詳細は Cause辞典 を参照してください。

EPCとの比較¶

4G(EPC) の EPS-AKA と 5G の認証を対比します。

Release差分¶

不確かなものは要確認とし、断定しません。

• Rel-15 — 5G-AKA / EAP-AKA' の一次認証、SUCI/SUPI・SIDF、KAUSF/KSEAF、ABBA が確立（TS 33.501 の基礎）。
• Rel-16 — セキュリティ機能の拡張が進んだ世代（認証手順本体への織り込み範囲は要確認）。
• Rel-17 / Rel-18(5G-Advanced) — 機能拡張が継続（一次認証手順への具体差分は要確認）。

3GPP Specification¶

FAQ¶

Summary¶

• 一次認証は 相互認証（網→UE と UE→網の双方向確認）で、認証と鍵合意を同時に行う（AKA）。
• 三者関係は AMF(SEAF)=起点 / AUSF=サーバ・最終照合・KSEAF導出 / UDM(ARPF=AV生成, SIDF=SUCI復号)=源泉。
• 方式は 5G-AKA と EAP-AKA' の2つで、選択者は UDM。
• 5G-AKA は RES*/XRES* + SEAFのHRES*/HXRES*一次照合、EAP-AKA' は EAP框組みで SEAF素通し。
• SUCI→SUPI 復号はホームの UDM/SIDF が行い、秘密鍵を外に出さない。
• 失敗3大パターン: MAC failure(鍵不一致) / Synch failure(SQN→AUTS再同期) / RES*不一致(Reject)。
• 根拠は TS 33.501 §6.1（§6.1.3.1 EAP-AKA' / §6.1.3.2 5G-AKA）/ TS 24.501 §5.4.1。

Practice — 理解度チェック・演習¶

理解度チェック¶

演習¶

問: 次の 5G-AKA 主要ステップを正しい順に並べ替えてください。

A. AUSF が RES* と XRES* を照合（最終判定）
B. SEAF → AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate(認証開始)
C. USIM が AUTN を検証し RES/RES* を算出
D. AUSF → UDM: Nudm_UEAuthentication_Get
E. SEAF が HRES* と HXRES* を照合（一次チェック）
F. UDM(SIDFがSUCI復号, ARPFがAV生成) → AUSF: HE AV(RAND,AUTN,XRES*,KAUSF)
G. SEAF → UE: Authentication Request(RAND,AUTN,ngKSI,ABBA)
H. AUSF が XRES*→HXRES*, KAUSF→KSEAF を導出し SE AV を SEAF へ

Next Step¶

理解を深めるための次の一歩です。

• Security 章（NASセキュリティ・鍵階層 KSEAF/KAMF の詳細）
• PDU Session 章（二次認証 Secondary Authentication を含む）
• 関連NF: AUSF（鍵階層図あり） / UDM（ARPF/SIDF） / AMF（SEAF同居）
• 手順の全体像: Initial Registration（認証の位置づけ）
• 辞典: Message辞典 / Cause辞典 / Protocol辞典 / NF辞典 / Interface辞典