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IPsecとは？初心者向けにわかりやすく３分で解説

IT-Skills

IPsec (Security Architecture for Internet Protocol) は、IPパケットを暗号化することでセキュリティを確保して通信を実現するためのプロトコルです。

参考　Internet Protocolとは？

主にインターネットVPNを実現するためのプロトコルとして用いられており、これにより信頼性と機密性を確保しながらデータの送受信が可能となります。

このページではIPsecの技術的な仕組みを１から分かりやすく初心者向けに解説します。

このページで学べる内容
  • IPsecとは？
    • AH (Authentication Header)
    • ESP (Encapsulating Security Payload)
    • IKE (Internet Key Exchange)
  • IPsecの仕組み
    • SA (Security Association)
    • トンネルモード/トランスポートモード

ネットワークエンジニアを目指す方であれば知らないと恥ずかしい基本知識の１つ。是非最後までご覧ください。

読者特典　ゼロから学ぶネットワーク入門　

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IPsecとは？

IPsec (Security Architecture for Internet Protocol：あいぴーせっく) とは、通信内容を暗号化することにより盗聴を防ぎ、通信内容が改ざんされていないことを担保するためのプロトコル群です。

ざっくりいうと、①通信内容の盗聴防止、②通信内容の改ざん防止、③通信相手の認証の３点がIPsecの目的です。

  1. 通信内容の盗聴防止
    • IPsecによってデータが暗号化されるため、第三者には内容を読むことができなくなる。→盗聴された場合でも情報が漏れるリスクが低減。
  2. 通信内容の改ざん防止
    • IPsecはデータの整合性を担保。→通信内容が途中で改ざんされた場合でもその変更を検知することが可能になる。
  3. 相手の認証
    • IPsecは通信相手が本当に信頼できる相手かどうかを確認するための認証を提供する。→身元が不正な相手との通信を防ぐことができる。

IPsecの主要な要素

IPsecは、インターネットプロトコル上での通信のセキュリティを確保するための複数のプロトコルから成る１つのスイートです。

"Security Architecture for Internet Protocol " という名の通り、IPsecはセキュリティを強化するためのプロトコルの総称（＝スイート）であり、大きく以下の３つのプロトコルから成立します。

IPsecプロトコル説明
AH (Authentication Header)・パケットが "改ざん" されていないことを確認する
ESP (Encapsulating Security Payload)・パケットが "改ざん" されていないことを確認する
・通信内容を暗号化する
IKE (Internet Key Exchange)・IPsecで利用する秘密鍵の交換を行う
（これがないと暗号化されたデータを復元できない）
IPsecのプロトコル群

AH / ESP / IKE のプロトコルが目的の役割を果たすことによって、全体としてIPsecの目的であるセキュリティを確保した通信が可能になるという仕組みです。

IPsecと一言にいっても、上記３つのプロトコルがそれぞれに連携して成立しているという点をまずは頭に入れておきましょう！

では具体的にどのようにして盗聴・改ざんの防止を行っているのか？中核をなす3つの主要なプロトコル（ESP、AH、IKE）がどのように動作するのかを見ていきましょう。

IPsecの仕組み

IPsecは、SA (Security Association) というコネクションを確立してセキュアな通信を行います。

分かりやすく言えば、通信内容を外部から守るために作るトンネルのようなものがSAです。SAというコネクションの中で通信を行うことで外部からの盗聴を防ぐというわけです。

参考　コネクション型/コネクションレス型通信

IPsecの仕組み理解するための前提知識
  • SA (Security Association)
    • IPsec通信のための設定やキーの情報。通信のパラメータを定義する。
  • キー
    • 暗号化・復号の際に必要な秘密の情報。通信の相手と安全に共有する必要がある。

IPsecはSAの確立～実際のデータ通信までの流れを３ステップに分けて以下に示します。

  • ステップ１：IKE SAの確立（IKEフェーズ１）
    →ステップ２の準備
  • ステップ２：SAの確立（IKEフェーズ２）
    →安全な通信経路の確立
  • ステップ３：IPsecデータ通信
    →実際のデータ通信
IPsec IKE
図1：IPsec/IKE

ステップ1：IKE SAの確立（IKEフェーズ1）

IPsecの最初のステップは、通信を始める前の下準備をすること。

  • 目的:
    • 通信相手の正体を確認し、次のステップで使う一時的な情報を生成する。
  • 詳細:
    • 通信相手との間で認証を行い、お互いの正体を確認。
    • Diffie-Hellmanという技術を使い、セキュアにキー交換を行う。
    • このステップの終わりに、一時的なマスターキーが生成される。

このステップで用いられるのが鍵交換プロトコル：IKE (Internet Key Exchange)です。

IPsecプロトコル説明
IKE (Internet Key Exchange)・IPsecで利用する秘密鍵の交換を行う
（これがないと暗号化されたデータを復元できない）
IPsecのプロトコル群

ステップ2：SAの確立（IKEフェーズ2）

次のステップで、実際のデータ通信に必要な詳細な設定やキーを確立します。

  • 目的:
    • 実際のデータ通信のための詳細な設定やキーを定義する。
  • 詳細:
    • フェーズ1で生成したマスターキーを基に、データ通信の詳細なパラメータやキーを確立。
    • 通信の暗号化・認証の方法を選択。これにより、通信が外部から盗聴・改ざんされるリスクを低減。

ステップ１で通信相手の確認を確認。ステップ２ではその相手との秘密の通信回線を敷くようなイメージ。

ステップ3：IPsecデータ通信

フェーズ2で確立されたSAを使用して、実際のデータの暗号化・認証・送受信を行います。

  • 目的:
    • セキュアなデータ通信を実行。
  • 詳細:
    • フェーズ2で確立したSAの情報を使用して、データを暗号化・認証。
    • 通信の途中でキーが古くなったり、セキュリティが低下するリスクがある場合、キーを更新する。

ここの暗号化で用いられるプロトコルががAH (Authentication Header) or ESP (Encapsulating Security Payload) という仕組みです。

IPsecプロトコル説明
AH (Authentication Header)・パケットが "改ざん" されていないことを確認する
ESP (Encapsulating Security Payload)・パケットが "改ざん" されていないことを確認する
・通信内容を暗号化する
IPsecのプロトコル群

簡単に言えば、SAはIPsec通信の「設定や鍵の情報」を保持しているもので、IKEを通じてコネクションを確立。そして、実際のデータの暗号化や認証の際に、このSAの情報が使用されるということ。

IPsecを利用する際、正しいSAが確立されているかを確認することが、通信の安全性を保つための鍵となります。

トンネルモード / トランスポートモード

IPsecには主に2つの動作モード（トンネルモードとトランスポートモード）が存在します。

これらのモードは、データをどのように暗号化・認証するかを決定するもので、IPsecの基本的な要素の１つです。

イメージ　トンネルモード vs トランスポートモード

トンネルモード:
| IPヘッダ | データ |

暗号化後のトンネルモード:
| 新しいIPヘッダ | 暗号化された(IPヘッダ + データ) |

------------------------------------------------------------

トランスポートモード:
| IPヘッダ | データ |

暗号化後のトランスポートモード:
| IPヘッダ | 暗号化されたデータ |

簡単に言うと、IPヘッダごと暗号化するか、IPヘッダはそのままにデータだけを暗号化するかどうかの違いです。

１．トンネルモード

トンネルモードは、元のIPパケット全体（ヘッダー含む）を暗号化し、その暗号化されたパケットを新しいIPヘッダーで包み込む方法を採用しています。

このモードは、2つのネットワーク間の安全な「トンネル」を作成する際に特に利用され、元の送信元や宛先の情報を隠蔽することが可能です。主にVPN接続などで使用されるのがこちらのトンネルモードです。

トンネルモード:
| IPヘッダ | データ |

暗号化後のトンネルモード:
| 新しいIPヘッダ | 暗号化された(IPヘッダ + データ) |
  • 概要:
    • トンネルモードでは、元のIPパケット全体を暗号化し、新しいIPヘッダーを追加する。
  • 具体的な動作:
    1. 送信するデータ全体（元のIPヘッダー含む）を暗号化。
    2. 暗号化されたデータの外側に、新しいIPヘッダーを追加。
    3. この新しいパケットを送信。
  • 使用場面:
    • VPN（Virtual Private Network）のように、インターネット上での仮想的なプライベートネットワークを構築する場面でよく使用されます。トンネルモードを使うことで、インターネット上で安全な「トンネル」を作ることができます。

参考　パケットとは？（通信方式の基本）

２．トランスポートモード

トランスポートモードでは、IPパケットのペイロード部分のみを暗号化し、元のIPヘッダーは変更されずにそのまま使用されます。

このモードは、エンドツーエンドの通信をセキュアに保護する際に適しています。送信元や宛先のIPアドレスはそのまま保持されるため、データの中身を保護しつつも、ネットワークの経路選択や管理が容易に行える特徴があります。

トランスポートモード:
| IPヘッダ | データ |

暗号化後のトランスポートモード:
| IPヘッダ | 暗号化されたデータ |
  • 概要:
    • トランスポートモードでは、IPヘッダーはそのままで、IPペイロードのみを暗号化。
  • 具体的な動作:
    1. 送信するデータのペイロード部分（実際のデータ内容）を暗号化。
    2. 元のIPヘッダーをそのまま利用し、暗号化されたペイロードと合わせて送信。
  • 使用場面: エンドツーエンドの通信で安全性を高めたい場合や、特定のアプリケーション間の通信をセキュアにする場合などに利用されます。

トランスポートモードが採用される理由は、主に次の二つ。

  1. 効率性:
    • トランスポートモードは、エンドツーエンドの通信に最適化されています。ネットワークのルーティング情報を保持したままデータを保護できるため、ルーターやゲートウェイでの処理が簡素化され、全体的な通信効率が向上します。
  2. 適用範囲の柔軟性:
    • トランスポートモードは、特定のアプリケーションやプロセス間の通信に対してセキュリティを適用する場合に便利です。例えば、特定のサーバ間でのみ暗号化を行いたい場合などに使用されます。

一方、トンネルモードは異なるネットワーク間の接続に適しており、VPNなどでよく用いられます。トンネルモードはパケット全体を暗号化するため、中継地点でのデータの内容や送信元、送信先を隠すことができます。

このように、トンネルモードとトランスポートモードの主な違いは、暗号化の対象となる部分と、その結果としてのパケット構造の変化にあります。

IPsecのまとめ

IPsecの要点

  • 定義:
    • インターネットプロトコル上での通信をセキュアにする技術群。
  • 主な目的:
    • 通信の暗号化: データの秘密性を保持。
    • 通信の認証: データの完全性を保証。
    • 通信相手の認証: 正当な相手との通信を確保。
  • 構成プロトコル:
    • ESP: データの暗号化と認証。
    • AH: データの認証と整合性の保護。
    • IKE: セキュアなキー交換とセッションの管理。
  • 動作モード:
    • トンネルモード: 全体のIPパケットを暗号化し、新しいIPヘッダーを追加。
    • トランスポートモード: IPパケットのペイロードのみを暗号化、元のIPヘッダーを保持。

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