IPsec完全ガイド：IKEv2・ESP・NAT‑Tの仕組みと推奨暗号、導入・運用のベストプラクティス

2025年11月20日 最終更新日時 : 2025年11月20日 エバープレイ編集部

IPsecとは：概要

IPsec（Internet Protocol Security）は、IPレイヤーでの通信に対して認証・機密性・完全性・リプレイ防止などのセキュリティ機能を提供するプロトコルスイートです。主にインターネット上での仮想プライベートネットワーク（VPN）構築や、サイト間接続、ホスト間の保護に広く使われています。OSやルータ、ファイアウォールなどに組み込まれており、アプリケーションに依存せずにトラフィック全体を保護できる点が特徴です。

主要コンポーネントと用語

  • AH（Authentication Header）：IPパケットの認証と改ざん検出（完全性）を提供しますが、暗号化（機密性）は行いません。IPヘッダの一部が保護されますが、NATとの相性が悪く実運用では利用が限られます（プロトコル番号51）。
  • ESP（Encapsulating Security Payload）：暗号化（機密性）と認証（完全性／認証）を提供します。現在の主流で、トラフィックの暗号化を行うために使用されます（プロトコル番号50）。
  • SA（Security Association）：通信を保護するための一方向のセキュリティパラメータの集合。SPI（Security Parameters Index）で識別され、暗号アルゴリズム、鍵、ライフタイムなどを含みます。両方向の通信は通常、双方向SAまたは2つの片方向SAで実現します。
  • IKE（Internet Key Exchange）：SAの確立と鍵交換を行うプロトコル。IKEv1とIKEv2があり、IKEv2（RFC 7296）が現在の標準で、より簡潔で拡張性・安定性が向上しています。通常UDP/500を使用し、NAT越えではUDP/4500が使われます。
  • モード：トランスポート / トンネル：
    • トランスポートモード：元のIPヘッダは保持し、ペイロード（L4以降）を保護します。ホスト間の通信で利用されることが多い。
    • トンネルモード：元のIPパケット全体を新しいIPパケットにカプセル化して保護します。サイト間VPN（ゲートウェイ間）で一般的です。

プロトコルの流れ（IKEとSA確立の概念）

一般的な流れは以下の通りです（IKEv2を前提に簡潔に説明）：

  • 1) IKE SA の確立：両端での認証方式（PSK、証明書、EAPなど）と鍵交換（Diffie-Hellman）を行い、IKE SAを作成。
  • 2) Child SA の確立：実際にIPsec（ESP/AH）で使う鍵やアルゴリズムを交渉し、1つまたは複数のChild SA（トラフィックを保護するSA）を生成。
  • 3) 通信：確立されたChild SAを使い、ESPまたはAHでパケットが送受信される。
  • 4) SA更新/再協議：鍵のライフタイム終了などに伴い定期的に再交渉され、PFS（Perfect Forward Secrecy）を設定することもできる。

暗号アルゴリズムと推奨設定

IPsecは複数の暗号スイートをサポートしますが、設計時には次を検討します。

  • 暗号（機密性）：AES（特にAES-GCMがAEADとして推奨）。古い3DESは非推奨。
  • 認証／ハッシュ：SHA-256以上を推奨。SHA-1は既に弱体化のため避ける。
  • 鍵交換：強力なDiffie-Hellmanグループ（例：2048ビットDH、またはECDH曲線）を使用。
  • AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）：AES-GCMやChaCha20-Poly1305などの統合方式を使用すると、安全性と効率が向上。

NAT越えとUDPカプセル化

NAT環境ではIPアドレスやポートが書き換えられ、AHが保護する領域と衝突します。ESPも従来はIPプロトコル番号で扱われ、それをNAT機器が扱えない／書き換える問題があります。これを解決するためにNAT-Traversal（NAT-T）が導入され、ESPパケットをUDPにカプセル化して送る方式（UDP/4500）が広く使われます。IKE自体は通常UDP/500で動作しますが、NAT検出後はUDP/4500へフォールバックします。

導入と運用上の注意点

  • ファイアウォールの設定：UDP/500（IKE）、UDP/4500（NAT-T）、ESP（プロトコル50）およびAH（プロトコル51、AH使用時）を適切に許可する。
  • MTUと断片化：トンネルモードおよびUDPカプセル化によりパケットが大きくなり、断片化やPath MTU問題が発生しやすくなる。MSSクランプやMTU調整を検討する。
  • 証明書と時刻同期：証明書認証を用いる場合、時刻同期（NTP）は重要。証明書の有効期限管理も運用上の重要事項。
  • ログとトラブルシュート：IKE/ESPのログ、SAリスト、パケットキャプチャでIKEネゴシエーションやESPパケットの状況を確認する。IKEフェーズでのミスマッチ（アルゴリズム、認証、PSKなど）がよくある原因。
  • パフォーマンス：暗号化はCPU負荷が高い。AES-NIなどのハードウェアアクセラレーションや専用VPNアクセラレータを活用することでスループットが向上する。

利用ケースとメリット・デメリット

  • 主な利用ケース：
    • 拠点間VPN（サイト間VPN）
    • リモートアクセスVPN（IPsec/XAuthやIKEv2＋EAPなど）
    • クラウドとオンプレ間のセキュア接続
  • メリット：
    • OSIモデルで低い階層（IP层）で保護するためアプリケーション透明性が高い。
    • 標準化が進んでおり、多くのベンダーで相互運用可能。
  • デメリット・課題：
    • NATやファイアウォールとの調整が必要。
    • 設定の複雑さ（特に証明書管理やポリシー運用）。
    • 暗号処理によるパフォーマンス負荷。

最新動向とベストプラクティス

最近は、IKEv2の採用、AES-GCMやChaCha20-Poly1305などのAEAD暗号の使用、ECDHなどの楕円曲線暗号の利用が推奨されています。SHA-1や3DES、弱いDHグループは避け、定期的な鍵・証明書の更新やセキュリティポリシーの見直しを行うことが重要です。また、クラウド環境ではプロバイダが提供するマネージドVPNと組み合わせるケースも増えています。

まとめ

IPsecは、IPレイヤーで通信の機密性や完全性を確保するための成熟した技術です。適切なアルゴリズム選定、NAT対応、運用での鍵管理やパフォーマンス対策を行えば、企業ネットワークやクラウド接続において強力なセキュリティ基盤となります。一方で設計・運用の難しさやNAT周りの注意点があるため、要件に応じた設計と検証が不可欠です。

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