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Security応用 — 5GCセキュリティの多層防御を俯瞰する

難易度: 中級〜上級 ／ 想定学習時間: 25分 ／ 前提: 認証（5G-AKA/EAP-AKA'）, NAS/AS Security・SUCI

学習目標

この章を読み終えると、次のことができるようになります。

  • 5GCのセキュリティが アクセス層・NAS層・SBA層・ローミング境界 という 多層 で構成されることを地図として説明できる
  • SUCI/SUPI秘匿 がなぜ重要か（IMSIキャッチャ対策・プライバシー保護）を説明できる
  • 鍵階層（K → CK/IK → K_AUSF → K_SEAF → K_AMF → NAS鍵/AS鍵）の全体像を俯瞰できる
  • SBA間のセキュリティ（NF間TLS、NRFによるOAuth 2.0トークン認可、Service Meshの相互TLS）の目的を説明できる
  • NIA0/NEA0（Null完全性/Null暗号）が緊急通報など特殊ケース限定であることを説明できる

前提知識

この章の焦点

基本認証（5G-AKA/EAP-AKA'）、鍵導出の計算式、SUCI生成の手順は 認証 と NAS/AS Security で扱います。この章はそれらを前提に、「5GCのセキュリティが全体としてどう多層で守られているか」 という俯瞰図を与えることに徹します。

Why — なぜ多層で守るのか

5GCのセキュリティは、単一の仕組みでは守れません。守るべき対象と脅威が場所ごとに違うからです。

  • 無線区間 では、傍受・改ざん・なりすまし（偽基地局＝IMSIキャッチャ）が脅威。→ 暗号化・完全性保護・恒久識別子の秘匿で守る。
  • 端末とコア（AMF）間の制御信号（NAS） では、位置登録やセッション制御メッセージの保護が必要。→ NAS Securityで守る。
  • コア内部のNF間通信（SBA） では、正規でないNFのなりすまし・盗聴が脅威。→ TLSとOAuth認可で守る。
  • 事業者網の境界（ローミング） では、他事業者網を経由する信号の保護が必要。→ SEPP/N32で守る。

例え話: 5GCのセキュリティは「城の多重防御」です。外堀（無線区間）、城門の通行証（NAS）、城内の各部屋の入室許可（SBA認可）、隣国との国境検問（ローミング境界）と、層ごとに違う守り方をします。どれか1つが破られても、次の層で止められることが狙いです。

What — 4つの層と特殊ケース

5GCのセキュリティは、大きく4つの層で捉えられます（TS 33.501）。

graph TD
    subgraph Access["アクセス層 — 無線区間"]
        A1["AS Security
UE ⇔ gNB
RRC/User Plane 暗号・完全性"]
    end
    subgraph NAS["NAS層 — 端末⇔コア制御信号"]
        N1["NAS Security
UE ⇔ AMF
NAS暗号・完全性 + SUCI秘匿"]
    end
    subgraph SBA["SBA層 — コア内NF間"]
        S1["NF間TLS + OAuth 2.0
NRFがトークン発行
相互TLS (Service Mesh)"]
    end
    subgraph Roam["ローミング境界 — 事業者網間"]
        R1["SEPP / N32
PRINS or TLS"]
    end
    Access --> NAS --> SBA
    NAS -. ローミング時 .-> Roam
    SBA -. ローミング時 .-> Roam

各層の役割を対比します。

層 守る区間 主な仕組み 主なNF 委譲先
アクセス層 UE ⇔ gNB（無線） AS Security（RRC/UP の暗号・完全性） gNB NAS/AS Security
NAS層 UE ⇔ AMF（制御信号） NAS Security、SUCI秘匿 AMF, AUSF 認証
SBA層 NF ⇔ NF（コア内） TLS、OAuth 2.0トークン認可 NRF 本章 How
ローミング境界 vPLMN ⇔ hPLMN SEPP / N32（PRINS or TLS） SEPP roaming.md

この章で「深追いしない」もの

各層の詳細は委譲先に譲ります。この章の役割は、それらが 1枚の地図 としてどう繋がるかを示すことです。

How — 各トピックを俯瞰する

SUCI/SUPIの秘匿 — プライバシー保護

SUPI（Subscription Permanent Identifier） は加入者の恒久識別子（IMSI相当）です。これを無線区間で 平文のまま送ると、偽基地局（IMSIキャッチャ）が捕捉し、個人の追跡が可能 になってしまいます。

5Gでは、SUPIを ホーム網（hPLMN）の公開鍵で暗号化した SUCI（Subscription Concealed Identifier） として送ります。復号できるのはホーム網（UDM/SIDF）だけなので、途中の誰にもSUPIは見えません。暗号方式には ECIES（Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme） が使われます（TS 33.501）。

なぜ重要か

SUCI秘匿は「誰がそこにいるか」を隠すプライバシー保護の要です。4G以前にIMSIキャッチャが問題視されたことへの、5Gの構造的な対策です。SUCIの生成手順・鍵の詳細は NAS/AS Security を参照してください。

鍵階層の概観

認証（5G-AKA/EAP-AKA'）が成功すると、1つの根鍵から用途別の鍵が 階層的に 導出されます。層が下るほど利用範囲が狭まり、上位鍵が漏れても直ちに全鍵が破られない構造です（TS 33.501）。

段 鍵 どこで使う（概観）
根 K USIM / ホーム網に格納された永続鍵
↓ CK / IK 認証で導出される暗号鍵・完全性鍵
↓ K_AUSF AUSFに保持される中間鍵
↓ K_SEAF サービング網（SEAF＝AMF内機能）用のアンカ鍵
↓ K_AMF AMF用鍵。以降のNAS/AS鍵の親
↓ NAS鍵 / AS鍵 NAS Security（UE⇔AMF）、AS Security（UE⇔gNB）で実際に使う鍵

詳細は委譲

各鍵の具体的な導出関数（KDF）・入力パラメータ・更新条件は 認証 と NAS/AS Security で扱います。ここでは「階層があり、下位ほど範囲が狭い」という全体像だけ押さえます。

SBA間のセキュリティ — NF同士のなりすまし防止

コア内部でも、NF（AMF, SMF, UDM…）同士のSBI通信を守る必要があります。SBAでは3つの仕組みが重なります（TS 33.501）。

  • TLS — NF間のSBI（HTTP/2）通信を暗号化・完全性保護する。盗聴・改ざんを防ぐ。
  • OAuth 2.0トークン認可 — NFがサービスを呼ぶとき、NRF が発行する アクセストークン を提示する。呼ばれる側はトークンを検証し、正規に認可されたNFだけを受け付ける。これで「正規でないNFのなりすまし」を防ぐ。
  • 相互TLS（mTLS） / Service Mesh — 実装によってはService Meshで相互TLSを張り、双方向でNFを認証する。
仕組み 目的 発行/管理
TLS SBI通信の暗号化・完全性 NF間で確立
OAuth 2.0トークン NFサービス呼び出しの認可（なりすまし防止） NRF が発行
相互TLS / Service Mesh 双方向のNF認証 実装依存

認証と認可は別物

「そのNFが本物か（認証＝TLS/mTLS）」と「そのNFがこのサービスを呼んでよいか（認可＝OAuthトークン）」は別の話です。SBAはこの両方を重ねて守ります。

ローミング境界のセキュリティ

ローミング時、サービング網（vPLMN）とホーム網（hPLMN）の間の信号は、直接ではなく SEPP（Security Edge Protection Proxy） を経由し、N32 インタフェースで保護されます。保護方式には PRINS（アプリ層メッセージ保護、IPX中継対応）と TLS（直接接続）があります。

詳細は roaming.md へ

SEPP/N32・PRINS/TLSの詳細は同階層の ローミング で扱います。ここでは「事業者網の境界にも独立した守りがある」という位置づけだけ確認します。SEPP自体の詳細は SEPP を参照。

NIA0 / NEA0 — 「保護なし」が許される特殊ケース

  • NEA0（Null Encryption Algorithm） — 暗号化を行わないアルゴリズム。
  • NIA0（Null Integrity Algorithm） — 完全性保護を行わないアルゴリズム。

これらは通常は使いません。緊急通報（未認証端末での緊急呼など） のような、認証できないが通信させるべき特殊ケースでのみ許容されます（TS 33.501）。

通常運用では使わない

NIA0/NEA0は「守らない」選択肢です。緊急通報など限定用途に閉じ込め、通常のトラフィックには適用しません。緊急通報でのこれらの扱いの詳細は 緊急通報 を参照してください。

3GPP Specification

仕様 内容
TS 33.501 Security architecture and procedures for the 5G System（5Gセキュリティアーキテクチャ全体。SUCI/SUPI・鍵階層・SBAセキュリティ/OAuth・NIA0/NEA0を包含）

節番号の粒度

TS 33.501 が5Gセキュリティの主要仕様であることは確実です。ただし各トピック（SUCI/ECIES、鍵階層、OAuthトークン等）の具体的な節番号は版により異なるため、精密な引用時は 要確認。事業者ごとの適用範囲・運用（どのアルゴリズムを有効化するか等）は 実装依存 です。

FAQ

Q. なぜSUPIを直接送らずSUCIにするのですか？

SUPIを平文で送ると偽基地局（IMSIキャッチャ）が捕捉し、個人の追跡が可能になるためです。ホーム網の公開鍵でECIES暗号化したSUCIとして送れば、途中の誰にもSUPIは見えず、復号できるのはホーム網だけになります。

Q. SBAでTLSがあるのに、なぜOAuthトークンも要るのですか？

役割が違うためです。TLSは「相手NFが本物か・通信が盗聴されていないか（認証・暗号化）」を守り、OAuthトークンは「そのNFがこのサービスを呼んでよいか（認可）」を守ります。認証と認可を重ねることで、正規でないNFのなりすましやサービス濫用を防ぎます。

Summary

  • 5GCのセキュリティは アクセス層・NAS層・SBA層・ローミング境界 の 多層防御（TS 33.501）
  • SUCI/SUPI秘匿 はプライバシー保護の要。ホーム網公開鍵によるECIES暗号でIMSIキャッチャを無力化
  • 鍵階層（K → CK/IK → K_AUSF → K_SEAF → K_AMF → NAS/AS鍵）は下位ほど範囲が狭い
  • SBA層 は TLS（暗号）＋ OAuth 2.0トークン（NRF発行の認可）＋ 相互TLSでNFなりすましを防ぐ
  • ローミング境界 は SEPP/N32（PRINS or TLS）で守る（詳細は roaming.md）
  • NIA0/NEA0 は緊急通報など特殊ケース限定の「保護なし」。通常は使わない

理解度チェック

Q1. 5GCのセキュリティを構成する4つの層を挙げ、それぞれが守る区間を説明してください。

アクセス層（UE⇔gNB、無線区間をAS Securityで）、NAS層（UE⇔AMF、制御信号をNAS Securityで、加えてSUCI秘匿）、SBA層（コア内NF⇔NF間をTLS＋OAuth認可で）、ローミング境界（vPLMN⇔hPLMN間をSEPP/N32で）。守る対象と脅威が場所ごとに違うため、層ごとに異なる守り方をする。

Q2. SBA層でTLSとOAuth 2.0トークンがそれぞれ担う役割を区別して説明してください。

TLS はNF間SBI通信の暗号化・完全性保護（＝相手が本物か・盗聴されないか＝認証と機密性）。OAuth 2.0トークン はNRFが発行し、NFがサービスを呼ぶ際の認可（＝そのNFがこのサービスを呼んでよいか）。認証と認可は別物で、両方を重ねてなりすましを防ぐ。

Q3. NIA0/NEA0とは何か、どのような場合に許容されるか説明してください。

NEA0はNull暗号（暗号化なし）、NIA0はNull完全性（完全性保護なし）のアルゴリズム。通常運用では使わず、緊急通報（未認証端末での緊急呼など） のように認証できないが通信させるべき特殊ケース限定で許容される（詳細は緊急通報の章）。

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