IPsec

読み：あいぴーせっく　／　英語表記：IP Security

ネットワーク層（IP）で、通信の暗号化や認証を行うためのプロトコル群。暗号化と認証を行うESP、認証だけを行うAH、鍵を交換するIKEなどからなる。拠点間を結ぶVPNでよく使われる。

イマシルちゃんの解説

TLSは、Webやメールみたいな、アプリケーションごとに暗号化する仕組みだったよね。

IPsecは、もっと下の「IPのレベル」で暗号化しちゃうんだ。
だから、上で動いているのがWebでもメールでも何でも、まとめて守れるんだよ！
本社と支社をインターネット越しに、安全なトンネルでつなぐときなんかに大活躍するんだ。

より深い解説

定義

IPsec（IP Security）は、RFC 4301などで定められた、IP層でパケットの機密性、完全性、送信元の認証、リプレイ攻撃の防止などを実現するためのプロトコル群である。IP層で動作するため、上位のアプリケーションは、IPsecを意識せずに保護を受けられる。

構成するプロトコル

プロトコル	役割	IPのプロトコル番号 / ポート
ESP（Encapsulating Security Payload）	暗号化と認証（完全性）	プロトコル番号50
AH（Authentication Header）	認証（完全性）だけ。暗号化はしない	プロトコル番号51
IKE（Internet Key Exchange）	暗号化のアルゴリズムの合意と、鍵の交換	UDPの500番（NAT越えでは4500番）

SA（セキュリティアソシエーション）

IPsecで通信する2つの機器の間で、どの暗号アルゴリズムと鍵を使うかなどの取り決めを、SA（Security Association）という。SAは片方向ごとに作られるため、双方向の通信には、少なくとも2つのSAが必要になる。SAは、SPI（Security Parameter Index）という番号で識別され、ESPやAHのヘッダーに含まれる。

SAの取り決めや鍵の交換は、IKEが自動で行う。ESPやAHのヘッダーそのものが、アルゴリズムを交渉することはない。

2つのモード

モード	保護する範囲	主な用途
トランスポートモード	元のIPパケットのデータ部だけ（元のIPヘッダーはそのまま）	ホスト同士の通信
トンネルモード	元のIPパケットの全体を、新しいIPヘッダーでカプセル化する	VPN装置同士（拠点間VPN）

ESPのトンネルモードでは、元のIPヘッダーも暗号化されるため、拠点の内部で使っているIPアドレスを、インターネット上から隠すことができる。

使われる主なアルゴリズム

目的	主なアルゴリズム
暗号化	AES（CBC、GCM）、3DES（現在は非推奨）
認証（完全性）	HMAC-SHA-256、HMAC-SHA1
鍵交換	Diffie-Hellman

HMAC-SHA1などのHMACは、改ざんを検出するためのメッセージ認証のアルゴリズムであり、暗号化のアルゴリズムではない。AES-GCMのように、暗号化と認証を同時に行う方式（認証付き暗号）もある。

IPsecとNAT

AHは、IPヘッダーも含めて完全性を保証するため、途中のNATでIPアドレスが書き換えられると、認証に失敗する。ESPも、ポート番号を持たないため、NAPTを通過できない。この問題を解決するため、ESPのパケットをUDPの4500番でカプセル化するNATトラバーサル（NAT-T）が使われる。

TLSとの比較

	IPsec	TLS
動作する層	ネットワーク層	トランスポート層とアプリケーション層の間
保護の対象	IPパケット（すべてのアプリケーション）	TLSに対応したアプリケーションの通信
主な用途	拠点間VPN、リモートアクセスVPN	HTTPS、SSL-VPN