IPsec完全攻略 — VPNトンネルの動作原理から構築まで

IPsec (IP Security) = IP層（L3）で動作するセキュリティプロトコルスイート

構成要素:
├── AH (Authentication Header): 認証のみ（完全性 + 送信元確認）
├── ESP (Encapsulating Security Payload): 暗号化 + 認証（実務で99%）
├── IKE (Internet Key Exchange): 鍵交換 + SAネゴシエーション
└── SA (Security Association): セキュリティ接続情報の格納庫

SA = 2つのデバイス間の「セキュリティ合意書」

含まれる情報:
├── SPI (Security Parameter Index): SA識別子（32bit）
├── 暗号化アルゴリズム: AES-256-GCM
├── 認証アルゴリズム: SHA-256 HMAC
├── 鍵の値: 共有秘密鍵
├── 有効期間: 3600秒または100GB
└── モード: トンネル / トランスポート

SAは一方向 → 双方向通信にはSAが2つ必要！

[トランスポートモード（Transport Mode）]
  ホスト間の直接通信
  元のIPヘッダーを保持、ペイロードのみ暗号化

  ┌──────────┬──────────┬────────────────┐
  │ IP Header│ESP Header│ 暗号化された    │
  │ (元の)   │          │ Payload        │
  └──────────┴──────────┴────────────────┘

[トンネルモード（Tunnel Mode）] ← Site-to-Site VPN
  ゲートウェイ間（元のパケット全体を包む）
  新しいIPヘッダーを追加、元のIPも暗号化！

  ┌──────────┬──────────┬─────────────────────────┐
  │ 新しいIP │ESP Header│ 暗号化された             │
  │ Header   │          │ [元のIP + Data]          │
  └──────────┴──────────┴─────────────────────────┘

ESPパケット構造:

┌─────────────────────────────────────────────┐
│ IP Header（新しい、トンネルモード）           │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ ESP Header                                  │
│  ├── SPI (32bit): どのSAを使うか            │
│  └── Sequence Number (32bit): リプレイ防止   │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 暗号化領域（Encrypted）                      │
│  ├── 元のIP Header（トンネルモード）         │
│  ├── 元のPayload（TCP/UDP + Data）          │
│  └── ESP Trailer（Padding + Next Header）   │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ ESP Auth (ICV): HMAC-SHA256（完全性検証）    │
└─────────────────────────────────────────────┘

# ESP暗号化プロセス（疑似コード）
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM
import os

def esp_encrypt(original_packet, sa):
    """ESP暗号化（AES-256-GCM）"""
    # 1. SAから鍵とアルゴリズムを取得
    key = sa.encryption_key  # 256-bit
    spi = sa.spi
    seq = sa.next_sequence_number()

    # 2. ESP Header生成
    esp_header = spi.to_bytes(4, 'big') + seq.to_bytes(4, 'big')

    # 3. Padding追加（ブロックサイズに合わせる）
    pad_len = (16 - (len(original_packet) + 2) % 16) % 16
    padding = bytes(range(1, pad_len + 1))
    esp_trailer = padding + bytes([pad_len, 4])  # 4 = IP-in-IP

    # 4. 暗号化（AES-256-GCM）
    nonce = os.urandom(12)
    aesgcm = AESGCM(key)
    plaintext = original_packet + esp_trailer
    ciphertext = aesgcm.encrypt(nonce, plaintext, esp_header)  # AAD = ESP Header

    # 5. 新しいIP Header + ESP Header + 暗号化データ
    new_ip = create_ip_header(sa.tunnel_src, sa.tunnel_dst)
    return new_ip + esp_header + nonce + ciphertext

目的: 安全なチャネルの確立（以降のPhase 2を保護）

[Initiator]                    [Responder]
    │                              │
    │──── SA Proposal ────────────▶│  暗号化/ハッシュ/DHグループ提案
    │◀─── SA Accepted ────────────│  合意
    │                              │
    │──── DH Public Value ────────▶│  Diffie-Hellman鍵交換
    │◀─── DH Public Value ────────│  双方が同じ秘密鍵を導出！
    │                              │
    │──── Auth (PSK/Cert) ────────▶│  事前共有鍵または証明書
    │◀─── Auth ────────────────────│  相互認証
    │                              │
    ╔══════════════════════════════╗
    ║  IKE SA確立（暗号化チャネル） ║
    ╚══════════════════════════════╝

IKE SAで保護されたチャネル内で:

[Initiator]                    [Responder]
    │                              │
    │──── IPsec SA Proposal ──────▶│  ESP/AH、暗号化アルゴリズム
    │◀─── IPsec SA Accepted ──────│  合意
    │                              │
    │──── Traffic Selector ────────▶│  どのIP/Port範囲を保護？
    │◀─── Traffic Selector ────────│  合意
    │                              │
    ╔══════════════════════════════╗
    ║  IPsec SA確立（x2、双方向）   ║
    ║  → 実データの暗号化開始！     ║
    ╚══════════════════════════════╝

# DH鍵交換 — 盗聴者が見ても秘密鍵は分からない！
p = 23  # 大きな素数（実際: 2048/4096 bit）
g = 5   # 生成元

# Alice
a = 6   # Aliceの秘密値
A = pow(g, a, p)  # 5^6 mod 23 = 8  → 公開送信

# Bob
b = 15  # Bobの秘密値
B = pow(g, b, p)  # 5^15 mod 23 = 19 → 公開送信

# 共有秘密鍵の導出（同じ値！）
alice_secret = pow(B, a, p)  # 19^6 mod 23 = 2
bob_secret = pow(A, b, p)    # 8^15 mod 23 = 2

assert alice_secret == bob_secret  # ✅ 同じ秘密鍵！
# 盗聴者: p=23, g=5, A=8, B=19を知っていても
# aやbが分からなければ秘密鍵2は求められない（離散対数問題）

オンプレミス (192.168.1.0/24)
    │
    ├── Customer Gateway (IPsec)
    │       │
    │       │ ══ IPsecトンネル1 (Active) ══
    │       │ ══ IPsecトンネル2 (Standby) ══
    │       │
    ├── Virtual Private Gateway
    │
AWS VPC (10.0.0.0/16)

# LinuxでIPsec VPN設定（strongSwan）
sudo apt install strongswan

# /etc/ipsec.conf
cat << 'EOF'
conn aws-vpn
    type=tunnel
    auto=start
    left=203.0.113.1          # ローカルパブリックIP
    leftsubnet=192.168.1.0/24 # ローカルネットワーク
    right=52.10.20.30         # AWS VGW IP
    rightsubnet=10.0.0.0/16   # AWS VPC CIDR
    ike=aes256-sha256-modp2048
    esp=aes256-sha256
    keyexchange=ikev2
    authby=secret
EOF

# /etc/ipsec.secrets
echo '203.0.113.1 52.10.20.30 : PSK "MyPreSharedKey123"' | sudo tee /etc/ipsec.secrets

# 起動
sudo ipsec restart
sudo ipsec status