IPSec（Internet Protocol Security）技術解説書

作成日: 2023年10月

1. IPSecの概要と目的

IPSec（Internet Protocol Security）は、インターネットプロトコル（IP）通信において、パケット単位で暗号化や認証を行うためのプロトコルスイートです。本来セキュリティ機能を持たないIP層（OSI参照モデルの第3層：ネットワーク層）を拡張し、通信の機密性、完全性、および真正性を確保することを目的としています。

VPN（Virtual Private Network）の構築において最も広く利用されている技術の一つであり、インターネットという安全ではない公衆網を経由して、安全なプライベートネットワーク接続を実現します。

• 機密性 (Confidentiality): 通信内容を暗号化し、第三者による盗聴を防ぎます。
• 完全性 (Integrity): データが通信途中で改ざんされていないことを保証します。
• 認証 (Authentication): 通信相手が正当な送信元であることを確認します。

2. IPSecのアーキテクチャ

IPSecは単一のプロトコルではなく、複数のプロトコルが連携して動作するフレームワークです。主に、セキュリティ機能を提供するプロトコル（AH/ESP）と、鍵交換を行うプロトコル（IKE）から構成されます。

このように、IPsecには様々な種類があり、様々なプロトコルが使われます。このような処理はルーターで行われるため、IPsecを活用したVPNを構築する場合には、IPsec対応したルーターが必須です。

3. IPSecの主要コンポーネント

IPSecを構成する3つの主要なプロトコルについて詳述します。

3.1. AH (Authentication Header)

プロトコル番号: 51
データの「認証」と「完全性」のみを提供します。パケットが改ざんされていないこと、送信元が正しいことは保証しますが、暗号化機能を持たないため、盗聴を防ぐことはできません。現在ではESP単体で認証も可能なため、AH単独での利用は減少しています。

3.2. ESP (Encapsulating Security Payload)

プロトコル番号: 50
データの「暗号化」、「認証」、「完全性」の全てを提供します。ペイロード（データ部分）を暗号化するため、盗聴防止に有効です。現代のVPN構築において主役となるプロトコルです。

3.3. IKE (Internet Key Exchange)

UDPポート: 500 / 4500
暗号化通信を行うための鍵交換を自動的に行うプロトコルです。通信相手との認証を行い、使用する暗号化アルゴリズムや鍵情報を安全に共有して、セキュリティアソシエーション（SA）を確立します。

4. トランスポートモードとトンネルモード

IPsecでは、情報漏洩や改ざんを防ぐ処理として「AH」または「ESP」が使われます。そして動作方法としては「トランスポートモード」と「トンネルモード」の２種類があります。そして、最もよく使われているのが「ESP」を使った「トランスポート」です。

IPSecには、パケットのどの部分を保護するかによって2つの動作モードがあります。

モード	特徴	主な用途
トランスポートモード	元のIPヘッダをそのまま使用し、データ部分（ペイロード）のみを保護します。オーバーヘッドが少ないです。	端末間（End-to-End）の通信 L2TP/IPSecなど
トンネルモード	元のパケット全体を暗号化し、新しいIPヘッダを付加してカプセル化します。	拠点間（Gateway-to-Gateway）のVPN接続 異なるネットワーク間の接続

5. IPSecの動作フロー（IKEフェーズ）

IPSec通信を開始するためには、IKEによって安全な通信路を確立する手順が必要です。これは大きく2つのフェーズに分かれます。

• フェーズ1 (Main Mode / Aggressive Mode):
  IPSec通信を行うための制御用通信路（ISAKMP SA）を確立します。お互いに認証し、この後の通信を暗号化するための共通鍵を生成します。
  
• IKEフェーズ1におけるネゴシエーションには、Main ModeとAggressive Modeの2種類があります。Main Modeは認証を行う際に相手の特定をIPアドレスにて行うことが前提となっています。一方、Aggressive Modeでは接続する相手の特定を、IPアドレスには依存せず、自身及び相手のIDにおいて行います。このため、企業が複数拠点を結んでVPNを構築するようなケースであれば、各拠点が固定IPアドレスを持つことができるためMain Modeが使われることが多くなります。その一方で、ポータブルなPC等を用いて公共のホットスポットやモバイルネットワークを経由して閉域ネットワークにアクセスするような場合は、IPアドレスを固定することが困難であるためAggressive Modeが利用されます。
  
• フェーズ2 (Quick Mode):
  フェーズ1で作られた安全な通信路を使って、実際にユーザーデータを流すための通信路（IPSec SA）を確立します。どのパケットを暗号化するかなどの詳細を決定します。
  

6. 暗号化アルゴリズムと認証方式

IPSecの強度は、使用するアルゴリズムの組み合わせに依存します。

カテゴリ	アルゴリズム	推奨度・備考
暗号化 (機密性)	AES (128/256bit) 3DES DES	AES が現在の標準であり強く推奨されます。 DES/3DESは脆弱性のため非推奨。
ハッシュ関数 (完全性・認証)	SHA-2 (SHA-256/512) SHA-1 MD5	SHA-2 が推奨されます。 MD5/SHA-1は衝突攻撃のリスクがあり非推奨。
鍵交換	Diffie-Hellman Group 14, 19, 20 etc.	ビット数が大きいグループほど安全だが、計算負荷も高い。現在はGroup 14以上が推奨。

7. セキュリティアソシエーション（SA）

SA（Security Association）は、IPSec通信を行う二者間で合意されたセキュリティパラメータのセット（契約のようなもの）です。

• SAは単方向です。双方向通信を行う場合、行きと帰りでそれぞれ1つずつ、計2つのSAが必要です。
• SAはSPI（Security Parameter Index）、宛先IPアドレス、プロトコル識別子の3つで一意に識別されます。
• 
  SAには寿命（ライフタイム）があり、一定時間または一定通信量ごとに再生成（Re-key）され、セキュリティを維持します。
  

8. 実装例とユースケース

8.1. 拠点間VPN (Site-to-Site VPN)

本社と支社のルーター同士をIPSecトンネルモードで接続します。ユーザーはVPNを意識することなく、透過的に相手側のLANへアクセスできます。

8.2. リモートアクセスVPN

外出先のPCやスマートフォンから、社内ネットワークへ安全に接続します。PCにインストールしたVPNクライアントソフトがIPSec（トランスポートモードをL2TPでカプセル化するなど）を開始します。

リモートアクセスVPNを実現するためには「Mode ConfigとXAUTH」の技術を実装する必要があります。
　IKE Mode Configは、IPsec機器間で設定パラメータをセキュアに送受信するためのIPsecの拡張技術です。
　例えば、VPNクライアントがVPNサーバの認証を完了した後、VPNサーバ側のLANでアクセスできるために、
　VPNクライアントにIPアドレスを割り当てる際に使用する機能です。

8.3. クラウド接続

オンプレミスのデータセンターとAWSやAzureなどのパブリッククラウド（VPC/VNet）をIPSec VPNで接続し、ハイブリッドクラウド環境を構築します。

9. メリットとデメリット