ネットワークセキュリティ：暗号学からファイアウォールまで
ネットワークセキュリティは、インターネットを通じて転送されるデータの機密性、完全性、認証、可用性を保証する技術です。
この記事では、暗号学の基本概念（対称鍵、公開鍵）、メッセージ完全性と電子署名、認証プロトコル、SSL/TLS、IPsec、ファイアウォール、そして侵入検知システム（IDS）を見ていきます。
1. ネットワークセキュリティの4大要素
ネットワークセキュリティの核心要素
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1. 機密性（Confidentiality）
- 意図された受信者のみがメッセージを読める
- 実装：暗号化（Encryption）
2. 完全性（Integrity）
- メッセージが転送中に改ざんされていないことを保証
- 実装：ハッシュ、MAC、電子署名
3. 認証（Authentication）
- 通信相手の身元を確認
- 実装：認証プロトコル、証明書
4. 可用性（Availability）
- サービスが正常に利用可能な状態を維持
- 脅威：DDoS攻撃
攻撃者の脅威：
- 盗聴（Eavesdropping）：機密性の侵害
- 改ざん（Modification）：完全性の侵害
- なりすまし（Impersonation）：認証の侵害
- サービス拒否（DoS）：可用性の侵害
2. 対称鍵暗号（Symmetric Key Cryptography）
2.1 基本概念
送信者と受信者が同一の秘密鍵を共有して暗号化と復号化を行います。
対称鍵暗号の動作
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秘密鍵K（両者が共有）
| |
v v
[平文] --[暗号化]--> [暗号文] --[復号化]--> [平文]
"Hello" E_K() "xYz!@" D_K() "Hello"
特徴：
- 暗号化/復号化に同じ鍵を使用
- 高速な演算速度
- 鍵配布問題：両者が安全に鍵を共有する必要がある
2.2 代表的な対称鍵アルゴリズム
対称鍵アルゴリズム
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アルゴリズム | 鍵長 | ブロックサイズ | 状態
-------------+-------------+--------------+--------
DES | 56ビット | 64ビット | 脆弱（使用禁止）
3DES | 168ビット | 64ビット | 安全だが低速
AES | 128/192/256 | 128ビット | 現行標準
RC4 | 可変 | ストリーム | 脆弱（使用禁止）
ChaCha20 | 256ビット | ストリーム | モダン、TLS 1.3
AES（Advanced Encryption Standard）：
- 2001年にNISTがDESの代替として選定
- ブロック暗号：128ビットブロック単位で処理
- ラウンド数：10/12/14（鍵長に応じて）
- 現在最も広く使用されている対称鍵暗号
2.3 ブロック暗号の運用モード
ブロック暗号の運用モード
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1. ECB（Electronic Codebook）：各ブロックを独立に暗号化
[B1] -> [E] -> [C1]
[B2] -> [E] -> [C2]
問題：同じ平文ブロック -> 同じ暗号文ブロック（パターン露出）
2. CBC（Cipher Block Chaining）：前の暗号文とXOR後に暗号化
[B1 XOR IV] -> [E] -> [C1]
[B2 XOR C1] -> [E] -> [C2]
利点：同じ平文でも異なる暗号文を生成
3. CTR（Counter）：カウンタを暗号化して平文とXOR
[CTR+0] -> [E] -> XOR [B1] -> [C1]
[CTR+1] -> [E] -> XOR [B2] -> [C2]
利点：並列処理可能、ストリーム暗号のように動作
3. 公開鍵暗号（Public Key Cryptography）
3.1 基本概念
各ユーザーが公開鍵と秘密鍵のペアを持ちます。公開鍵で暗号化すると秘密鍵でのみ復号化できます。
公開鍵暗号の動作
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Bobの鍵ペア：（公開鍵Kb+、秘密鍵Kb-）
- 公開鍵：誰でも知ることができる
- 秘密鍵：Bobだけが知っている
AliceがBobにメッセージ送信：
[平文m] --[Kb+で暗号化]--> [暗号文] --[Kb-で復号化]--> [平文m]
特性：
- Kb+(m)はKb-でのみ復号化可能
- Kb+からKb-を計算することは計算的に不可能
- 鍵配布問題を解決（公開鍵は自由に配布）
- 対称鍵より演算が遅い（100~1000倍）
3.2 RSAアルゴリズム
RSAの動作原理
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鍵生成：
1. 大きな素数p、qを選択（各1024ビット以上）
2. n = p x qを計算
3. z = (p-1)(q-1)を計算
4. zと互いに素なeを選択（公開鍵の一部）
5. e x d mod z = 1となるdを計算（秘密鍵の一部）
公開鍵：(n, e)
秘密鍵：(n, d)
暗号化：c = m^e mod n
復号化：m = c^d mod n
安全性の根拠：
- nからp、qを見つけること = 素因数分解問題
- 現在の技術で2048ビット以上のnは分解不可能
3.3 実際の使用：ハイブリッド暗号
ハイブリッド暗号システム
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公開鍵暗号は遅いため、実際にはセッション鍵の交換にのみ使用
1. Aliceがランダムな対称鍵（セッション鍵）Ksを生成
2. AliceがBobの公開鍵でKsを暗号化して送信
Kb+(Ks) --> Bobに送信
3. Bobが秘密鍵でKsを復号化
Kb-(Kb+(Ks)) = Ks
4. 以後両者がKsでAES対称鍵暗号を使用
利点：
- 公開鍵：安全な鍵交換（遅いが1回のみ）
- 対称鍵：高速なデータ暗号化（大量データ）
4. メッセージ完全性
4.1 暗号学的ハッシュ関数
ハッシュ関数の特性
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H(m) = 固定長のハッシュ値（メッセージダイジェスト）
要件：
- 一方向性：H(m)からmを逆算不可
- 衝突耐性：H(m) = H(m')となる異なるm、m'を見つけることが困難
- 雪崩効果：入力が1ビット変わっても出力が大きく変化
代表アルゴリズム：
MD5： 128ビット出力（脆弱、使用禁止）
SHA-1： 160ビット出力（脆弱、使用禁止）
SHA-256：256ビット出力（現行標準）
SHA-3： 可変出力（次世代標準）
4.2 MAC（Message Authentication Code）
MACの動作
==========
送信者（Alice）： 受信者（Bob）：
メッセージm 受信：m + MAC
秘密鍵s 秘密鍵s
MAC = H(m + s) MAC' = H(m + s)
送信：m + MAC MAC == MAC'? --> 完全性確認
HMAC（Hash-based MAC）：
HMAC = H(K XOR opad || H(K XOR ipad || m))
- 単純なH(m+s)より安全な構造
- TLS、IPsecなどで標準として使用
4.3 電子署名（Digital Signature）
電子署名の動作
================
署名生成（Alice）：
1. メッセージmのハッシュを計算：h = H(m)
2. 秘密鍵でハッシュを暗号化：sig = Ka-(h)
3. 送信：m + sig
署名検証（Bob）：
1. メッセージmのハッシュを計算：h = H(m)
2. Aliceの公開鍵で署名を復号化：h' = Ka+(sig)
3. h == h'? --> 署名有効
電子署名が提供するもの：
- 認証：Aliceが署名したことを確認
- 完全性：メッセージが改ざんされていない
- 否認防止：Aliceは署名の事実を否認できない
4.4 証明書とCA
公開鍵証明書（PKI）
=====================
問題：Bobが受け取った公開鍵は本当にAliceのものか？
解決：信頼できる第三者（CA）が保証
証明書構造：
+----------------------------------+
| 発行対象：alice.com |
| 公開鍵：Ka+ |
| 発行者：DigiCert（CA） |
| 有効期間：2026.01.01 ~ 2027.01.01|
| 署名：CAの秘密鍵で署名済み |
+----------------------------------+
検証過程：
1. Bobがalice.comの証明書を受信
2. CAの公開鍵で証明書の署名を検証
3. 有効であれば証明書内のKa+を信頼
代表的なCA：DigiCert、Let's Encrypt、GlobalSign
5. SSL/TLS
5.1 TLSの役割
TLS（Transport Layer Security）はTCPの上で動作し、Web通信のセキュリティを提供します。HTTPS = HTTP + TLSです。
TLSの位置
==========
[HTTP、SMTP、FTPなど]
[TLS/SSL]
[TCP]
[IP]
[リンク層]
TLSが提供するセキュリティ：
- 機密性：データ暗号化（AESなど）
- 完全性：MACで改ざん検出
- 認証：サーバ証明書で身元確認
5.2 TLSハンドシェイク
TLS 1.2ハンドシェイク
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クライアント サーバ
| |
|--- ClientHello ------------------>|
| （サポート暗号リスト、ランダム値）|
| |
|<-- ServerHello -------------------|
| （選択された暗号、ランダム値） |
|<-- Certificate -------------------|
| （サーバ証明書） |
|<-- ServerHelloDone ---------------|
| |
|--- ClientKeyExchange ------------>|
| （プリマスタシークレット、 |
| サーバ公開鍵で暗号化） |
|--- ChangeCipherSpec ------------->|
|--- Finished --------------------->|
| |
|<-- ChangeCipherSpec --------------|
|<-- Finished ----------------------|
| |
|=== 暗号化されたアプリケーションデータ ===|
TLS 1.3の改善点：
- 1-RTTハンドシェイク（TLS 1.2は2-RTT）
- 0-RTT再接続サポート
- 安全でない暗号の削除
- より強力な鍵交換（ECDHE必須）
6. IPsecとVPN
6.1 IPsecの役割
IPsecはネットワーク層でセキュリティを提供します。すべてのIPトラフィックを保護できます。
IPsecプロトコル
================
1. AH（Authentication Header）
- 認証と完全性を提供
- 暗号化は提供しない
- あまり使用されない
2. ESP（Encapsulating Security Payload）
- 認証 + 完全性 + 暗号化をすべて提供
- 最も多く使用
動作モード：
トランスポートモード（Transport Mode）：
元： [IPヘッダ][データ]
ESP： [IPヘッダ][ESPヘッダ][データ（暗号化）][ESPトレーラ][ESP認証]
--> ホスト間の直接通信時に使用
トンネルモード（Tunnel Mode）：
元： [IPヘッダ][データ]
ESP： [新IPヘッダ][ESPヘッダ][元IPヘッダ + データ（暗号化）][ESPトレーラ]
--> VPNゲートウェイ間の通信時に使用
6.2 VPN（Virtual Private Network）
VPNの動作
==========
本社 支社
[内部ネットワーク] -- [VPN GW] ===IPsecトンネル=== [VPN GW] -- [内部ネットワーク]
10.1.0.0/16 インターネット 10.2.0.0/16
パケットの流れ：
1. 10.1.0.5から10.2.0.10へパケット送信
2. 本社VPN GWがパケットをIPsec ESPで暗号化
3. 新IPヘッダ：送信元=本社GW、宛先=支社GW
4. インターネットを通じて暗号化されたパケットを送信
5. 支社VPN GWが復号化して10.2.0.10に転送
IKE（Internet Key Exchange）：
- IPsec SA（Security Association）設定のためのプロトコル
- 相互認証と鍵交換を実行
7. ファイアウォール（Firewall）
7.1 ファイアウォールの種類
ファイアウォールの種類
========================
1. パケットフィルタリング（Packet Filtering）
- IPアドレス、ポート、プロトコルに基づいてフィルタリング
- ステートレス：各パケットを独立に判断
- 高速だが精緻な制御が困難
2. ステートフルパケットフィルタリング（Stateful Packet Filtering）
- TCP接続状態を追跡
- 接続が確立されたパケットのみ許可
- より精緻なセキュリティ
3. アプリケーションゲートウェイ（Application Gateway）
- アプリケーションデータを検査
- HTTP、FTPなどプロトコル別の細かな制御
- プロキシサーバとして動作
7.2 ファイアウォールルールの例
パケットフィルタリングルールの例
==================================
ルール | 方向 | 送信元IP | 宛先IP | プロトコル| ポート | 動作
-------+---------+---------------+---------------+----------+------+------
1 | インバウンド| * | 10.1.0.0/16 | TCP | 80 | 許可
2 | インバウンド| * | 10.1.0.0/16 | TCP | 443 | 許可
3 | インバウンド| * | 10.1.0.5 | TCP | 22 | 許可
4 | アウトバウンド| 10.1.0.0/16| * | TCP | * | 許可
5 | * | * | * | * | * | 拒否
解釈：
ルール1：外部から内部Webサーバ（80）へのHTTPアクセスを許可
ルール2：外部から内部Webサーバ（443）へのHTTPSアクセスを許可
ルール3：外部から特定サーバへのSSHアクセスを許可
ルール4：内部から外部への全TCPを許可
ルール5：それ以外はすべて拒否（デフォルトポリシー）
8. IDSとIPS
8.1 侵入検知システム（IDS）
IDSの種類
==========
1. シグネチャベースIDS
- 既知の攻撃パターン（シグネチャ）とマッチング
- 利点：既知の攻撃に対して正確な検知
- 欠点：新しい攻撃（ゼロデイ）は検知不可
2. 異常検知ベースIDS
- 正常なトラフィックパターンを学習し異常を検知
- 利点：新しい攻撃も検知可能
- 欠点：誤検知（false positive）が高い場合がある
配置位置：
インターネット --> [ファイアウォール] --> [IDS] --> [内部ネットワーク]
IPS（Intrusion Prevention System）：
- IDS + 自動ブロック機能
- 検知された攻撃をリアルタイムでブロック
8.2 代表的なネットワーク攻撃
ネットワーク攻撃の種類
========================
1. IPスプーフィング（Spoofing）
- 送信元IPアドレスを偽造
- 対策：イングレスフィルタリング（Ingress Filtering）
2. DoS/DDoS
- 大量のトラフィックでサービスを麻痺
- SYN Flood：TCP 3-wayハンドシェイクを悪用
- 対策：SYNクッキー、トラフィックフィルタリング
3. 中間者攻撃（Man-in-the-Middle）
- 通信経路に割り込んで盗聴・改ざん
- 対策：TLS、証明書検証
4. ARPスプーフィング
- 偽のARP応答でトラフィックを傍受
- 対策：静的ARPテーブル、802.1X
5. DNSスプーフィング
- 偽のDNS応答でフィッシングサイトに誘導
- 対策：DNSSEC
9. まとめ
| 概念 | 核心内容 |
| ---------------- | -------------------------------------------- |
| 対称鍵暗号 | 同じ鍵で暗号化/復号化、高速、鍵配布問題 |
| 公開鍵暗号 | 公開鍵で暗号化、秘密鍵で復号化、鍵配布を解決 |
| RSA | 素因数分解の困難さに基づく公開鍵暗号 |
| ハッシュ関数 | 一方向、固定長出力、完全性検証 |
| 電子署名 | 秘密鍵で署名、公開鍵で検証、否認防止 |
| TLS | TCP上のセキュリティ層、HTTPSの核心 |
| IPsec | ネットワーク層セキュリティ、VPN実装の基盤 |
| ファイアウォール | パケットフィルタリングで不正アクセスを遮断 |
| IDS/IPS | 侵入検知および自動ブロック |
次の記事では、ネットワーク管理とSNMPプロトコルを見ていきます。
参考資料
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 8
- RFC 5246 - TLS Protocol Version 1.2
- RFC 4301 - Security Architecture for the Internet Protocol (IPsec)
- RFC 2104 - HMAC: Keyed-Hashing for Message Authentication
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