IPsec VPNとは何か

IPsecは特定の1つの暗号化方式を指す言葉ではありません。 相手を認証する仕組み、暗号鍵を交換する仕組み、通信を保護するプロトコル、 通信条件を管理するSAなどを組み合わせた仕組みです。

まず全体の流れを理解する

本社LANと支社LANを、インターネット経由の拠点間IPsec VPNで接続する構成を考えます。

IPsec VPNは5段階で動作する

1. PC-Aが支社サーバーへ通信する 本社PCから支社サーバー宛てのパケットが、本社のVPN装置へ到着します。
2. VPN装置が保護対象の通信か確認する 宛先ネットワーク、ルーティング、暗号化ポリシー、トラフィックセレクターなどから、 IPsecで保護すべき通信かを判断します。
3. 必要であればIKEを開始する まだSAがない場合、VPN装置同士がIKEメッセージを交換し、暗号方式、鍵交換方式、認証方法を決めます。
4. 業務通信を保護するIPsec SAを作る 対象ネットワーク、ESPの暗号方式、鍵、有効期限、SPIなどを管理するSAを確立します。
5. 元のIPパケットをESPで保護する 元のパケットを暗号化し、VPN装置間で転送するための外側IPヘッダーを付けて送信します。
6. 対向VPN装置が検証・復号する SPIで利用するSAを特定し、完全性とシーケンス番号を確認してから復号します。
7. 元のパケットを支社LANへ転送する 復元されたパケットは、通常のIPパケットとして支社LAN内の宛先へ送られます。

IKE・SA・ESPの役割

IKEv2でトンネルを準備する流れ

IKEv2では、一般的な初回接続時に IKE_SA_INITとIKE_AUTHの2往復、合計4メッセージで、 IKE SAと最初のChild SAを確立します。

1．IKE_SA_INIT

最初の交換では、双方がIKE SAを保護するための暗号条件を決め、 Diffie-Hellman鍵交換に必要な情報とNonceを交換します。

この時点では、まだ相手の身元確認は完了していません。 ただし、以降のIKE_AUTHメッセージを暗号化・完全性保護するための鍵材料は用意されます。

2．IKE_AUTH

IKE_AUTHでは、双方が自分のIDを示し、事前共有鍵や証明書などを利用して相互認証します。 同時に、最初のChild SAで保護する通信範囲も交渉します。

• 接続相手のID
• 事前共有鍵または証明書による認証情報
• ローカル側とリモート側のトラフィックセレクター
• ESPで使用する暗号方式と完全性方式
• Child SAの鍵と有効期限

3．CREATE_CHILD_SA

最初のChild SAは通常IKE_AUTH内で作成されます。 その後、鍵の更新、新しい通信条件の追加、SAの再作成などでは、 CREATE_CHILD_SA交換が利用されます。

IKEv1とIKEv2の用語の違い

製品画面や現場の会話では、現在でも「Phase 1」「Phase 2」という言葉がよく使われます。 これは主にIKEv1の用語です。IKEv2では交換名称とSAの考え方が整理されています。

IPsec SAとSPIの考え方

SAは通信を保護するための状態情報

SA（Security Association）は、暗号化通信に必要な条件をまとめて管理する論理的な関係です。 代表的には次の情報を含みます。

• ESPまたはAHのどちらを使うか
• 暗号化アルゴリズムと鍵
• 完全性アルゴリズムと鍵
• トンネルモードまたはトランスポートモード
• ローカル／リモートの対象ネットワーク
• 有効期限
• シーケンス番号とアンチリプレイウィンドウ
• SPI

IPsec SAは片方向

IPsec SAは基本的に片方向です。 本社から支社へ送るSAと、支社から本社へ送るSAは別に管理されます。

SPIで利用するSAを特定する

SPI（Security Parameters Index）は、受信側が「このESPパケットをどのSAで処理するか」を判断するための値です。 受信側は、宛先IPアドレス、セキュリティプロトコル、SPIなどを使って対応するSAを特定します。

ESPでパケットを保護する仕組み

拠点間VPNでは、ESPのトンネルモードが広く使われます。 元のIPパケット全体を保護対象として包み、VPN装置間を転送するための外側IPヘッダーを追加します。

暗号化前のパケット

ESPトンネルモードで保護したパケット

外側IPヘッダーは、インターネット上のルーターがVPN装置AからVPN装置Bへパケットを転送するために必要です。 そのため、外側の送信元・宛先IPアドレスは通常暗号化されません。

ESP送信処理

1. 対象SAを選択する 送信するパケットの送信元・宛先・プロトコルなどから、適用するIPsec SAを決定します。
2. ESPヘッダーを付ける SPIとシーケンス番号を設定します。
3. 保護対象を暗号化する トンネルモードでは、元のIPパケット全体を暗号化対象にします。
4. 完全性情報を計算する 選択した方式に応じて、改ざんを検知するための認証データを作成します。
5. 外側IPヘッダーを付けて送信する VPN装置同士のグローバルIPアドレスを利用してインターネットへ送信します。

ESP受信処理

1. SPIから受信用SAを特定する ESPヘッダーのSPIを利用し、どの鍵と方式で処理するかを判断します。
2. シーケンス番号を確認する 受信済みの番号ではないかを確認し、再送攻撃を検知します。
3. 完全性を確認する 途中で改ざんされていないことを確認します。
4. 暗号化部分を復号する 受信SAに保存された鍵を使い、元のIPパケットを復元します。
5. 復元したパケットを内部へ転送する ルーティングやファイアウォールポリシーに従って、社内LANへ転送します。

トンネルモードとトランスポートモード

NAT-Tとポート・プロトコル番号

IPsec VPNを通過させるために確認する通信は、TCPやUDPのポート番号だけではありません。 ESPはIPプロトコル番号50を使用し、AHはIPプロトコル番号51を使用します。

なぜNAT-Tが必要なのか

NATはIPアドレスやポート番号を書き換えます。 一方、ESPそのものにはTCPやUDPのポート番号がありません。 また、IPsecの完全性確認や通信識別に影響するため、NATを経由すると問題が発生する場合があります。

NAT-T（NAT Traversal）では、ESPパケットをUDPで包み、通常はUDP 4500として送信します。 NAT装置は一般的なUDP通信として変換・セッション管理できます。

両拠点で一致させる主な設定

IPsec VPNは、両側が同じ方式で通信できることが前提です。 製品ごとに画面名や設定コマンドは異なりますが、確認する考え方は共通しています。

新規設計で意識したい暗号方式

具体的な採用方式は組織のセキュリティ基準、製品対応、性能、接続相手との互換性で決めます。 一般に、AES-GCMのような認証付き暗号、またはAESとSHA-2を組み合わせた方式が候補になります。

障害切り分けの確認順序

IPsec VPN障害では、設定を最初から全部見直すのではなく、 「どの段階まで成功しているか」を順番に確認します。

代表的な確認コマンド

次はCisco IOS／IOS XE系で見かける代表例です。 実際のコマンド、表示形式、利用可否は機種とソフトウェアバージョンによって異なります。

出力例の読み方

IPv4 Crypto IKEv2 SA
Tunnel-id  Local                 Remote                Status
1          203.0.113.10/500      198.51.100.20/500     READY

Crypto map tag: VPN-MAP, local addr 203.0.113.10
  local  ident (addr/mask/prot/port): (192.168.10.0/255.255.255.0/0/0)
  remote ident (addr/mask/prot/port): (192.168.20.0/255.255.255.0/0/0)
  #pkts encaps: 1250, #pkts encrypt: 1250
  #pkts decaps: 1218, #pkts decrypt: 1218

READY

IKEv2 SAが確立していることを示す代表的な状態表示です。

local ident

自拠点側の保護対象ネットワークです。

remote ident

対向拠点側の保護対象ネットワークです。

encaps／encrypt

自装置がIPsecで包み、暗号化して送信したパケット数です。

decaps／decrypt

対向から受信し、IPsecを外して復号したパケット数です。

症状から切り分ける

IPsec VPNに関するよくある勘違い

自分の言葉で説明する課題