社団法人電子情報通信学会 信学技報
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, TECHNICAL REPORT OF IEICE
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
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実用性を重視した暗号通信方式の提案
増田 真也
†渡邊 晃
††名城大学大学院理工学研究科 〒468-8502 名古屋市天白区塩釜口 1-501 E-mail: †[email protected], [email protected]
あらまし 近年，ネットワークにおけるセキュリティ上の脅威が問題となっており，ネットワークセキュリティ 技術が重要視されてきている．暗号技術を用いたセキュリティ技術として，IP 層での技術である IPsec が挙げられ るが，セキュリティは強靭なものの，NA(P)T やファイアウォールとの相性が悪い，フラグメントが発生するなど 多くの課題がある．そこで本研究では，既存システムに影響を与えず，またオリジナルパケットとサイズを変えな いまま，本人性確認（正当な相手であることの保証）とパケットの完全性保証（パケットが改竄されていないこと の保証）を行うことができる暗号通信方式 PCCOM(Practical Cipher COMmunication protocol)を提案する．本方式では，
パケット長が変化しないため十分なスループットが期待できる上，NA(P)T やファイアウォールを通過できる実用 的なシステムを構築できる．
キーワード 暗号通信，ネットワークセキュリティ，PCCOM
The Proposal of Practical Cipher Communication Systems
Shinya MASUDA
†and Akira WATANABE
‡† Postgraduate Course in Science and Technology, Meijo University 1-501 Shiogamaguchi, Tenpaku-ku, Nagoya-shi, Aichi, 468-8502 Japan
E-mail: † [email protected], [email protected]
Abstract In recent years, threads via network have become serious problem, hence people place a special emphasis on network security technologies. IPsec, the technology on IP layer, has been studied as the most popular protocol. However, it has a lot of subjects to be solved. Those are the compatibility problems with NA(P)T and Firewall, and occurrence of fragments, etc. In this paper, we propose the cipher communication systems, called PCCOM(Practical Cipher COMmunication protocol), which can authenticate sender and receiver, guarantee the integrity of the packets. It does not give any influences to the existing systems because it is familiar with NA(P)T and Firewall, and we can expect high throughput systems, because it does not change the packet size.
Keyword Cipher Communication，Network Security，PCCOM
1. は じ め に
近 年 ， ネ ッ ト ワ ー ク に お い て 様 々 な セ キ ュ リ テ ィ 上 の 脅 威 が 問 題 と な っ て お り ， そ れ に 伴 い ネ ッ ト ワ ー ク に お け る セ キ ュ リ テ ィ が 重 要 視 さ れ て き て い る ． そ の 中 で も ， ネ ッ ト ワ ー ク 自 体 の セ キ ュ リ テ ィ を 確 保 す る ネ ッ ト ワ ー ク セ キ ュ リ テ ィ 技 術 は ， 利 用 す る ア プ リ ケ ー シ ョ ン を 意 識 す る こ と な く 安 全 を 確 保 で き る こ と か ら ， ネ ッ ト ワ ー ク の 根 本 的 な セ キ ュ リ テ ィ 対 策 と し て 非 常 に 有 効 な 手 段 と さ れ て い る ．
ネ ッ ト ワ ー ク に お け る セ キ ュ リ テ ィ 上 の 脅 威 は イ ン タ ー ネ ッ ト だ け で な く ， イ ン ト ラ ネ ッ ト に も 存 在 す る ． 実 際 ， 企 業 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 不 正 ア ク セ ス 被 害 の う ち 半 数 近 く が 企 業 内 部 か ら の も の で あ る と い う
報 告 が 出 さ れ て い る
[1]．こ の よ う な こ と か ら ，イ ン タ
ー ネ ッ ト の み な ら ず イ ン ト ラ ネ ッ ト も 含 め た 総 合 的 な セ キ ュ リ テ ィ 対 策 を 適 用 し た い と い う ニ ー ズ が 最 近 増 加 し て い る ． イ ン ト ラ ネ ッ ト を 視 野 に 入 れ た 場 合 ， 通 信 経 路 上 にNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル が 存 在 す る こ と が あ り ， こ れ ら 既 存 シ ス テ ム と の 相 性 を 十 分 に 考 慮 す る 必 要 が あ る が ， こ れ ら が 普 及 を 阻 害 す る 原 因 と な る こ と が し ば し ば あ る ． ゆ え に ， 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え る こ と な く 容 易 に 導 入 で き る こ と が ， 実 用 性 を 考 え る 上 で 重 要 な ポ イ ン ト と な る ． 最 近 で は ，QoS
対 応 ル ー タ の よ う に 上 位 層 の プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る タ イ プ が 多 く 出 て き た が ， こ れ ら も ま た セ キ ュ リ テ ィ 技 術 と の 相 性 が 悪 い と い う 問 題 が あ る ． 今 後 も 様 々 な 面2/8
で ネ ッ ト ワ ー ク の 発 展 は 期 待 さ れ る が ， セ キ ュ リ テ ィ 技 術 が こ れ ら の 発 展 を 阻 害 す る こ と が あ っ て は な ら な い ．既 存 の ネ ッ ト ワ ー ク セ キ ュ リ テ ィ 技 術 の 代 表 と し て ，
IP
パ ケ ッ ト の 暗 号 方 式 な ど を 規 定 し て い るIPsec
が 挙 げ ら れ る[2]
～[5]
．IPsec
の 中 で も 暗 号 通 信 方 式 に つ い て 規 定 し て い る の がESP
で ，盗 聴 を 防 止 す る 暗 号 化 以 外 に ， な り す ま し を 防 止 す る 本 人 性 確 認 （ 正 当 な 相 手 で あ る こ と の 保 証 ） や 改 竄 を 防 止 す る パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証（ パ ケ ッ ト が 改 竄 さ れ て い な い こ と の 保 証 ） な ど の 機 能 を 提 供 し て い る ． し か しIPsec
は ， セ キ ュ リ テ ィ は 強 靭 な も の の ， パ ケ ッ ト の 暗 号 化 や 完 全 性 保 証 に よ っ てNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き な く な る こ と や ， パ ケ ッ ト 長 の 増 加 に よ っ て フ ラ グ メ ン ト が 発 生 す る こ と な ど が 問 題 と さ れ て い る ． ま た ， 上 位 層 の プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る ル ー タ な ど は ， ヘ ッ ダ の 追 加 や 暗 号 化 さ れ て い る こ と な ど に よ っ て 正 し く 処 理 で き な い 場 合 が 多 い ．こ れ に 対 し ， 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え な い よ う 暗 号 化 範 囲 を 規 定 し ， パ ケ ッ ト 長 を 変 え ず に 暗 号 化 を 行 う 方 式 も 提 案 さ れ て い る（ 以 下 ，単 に 置 換 方 式 と 呼 ぶ ）
[6]
． し か し ， こ の 方 式 に お い て もTCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム[7]～[9]の 書 き 換 え を 行 うNA(P)T
を 通 過 で き な い こ と や ， 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 考 慮 し て い な い と い う 課 題 が あ る ．IPsec
と 置 換 方 式 以 外 で は ，暗 号 通 信 方 式 を 規 定 し て い る も の は ほ と ん ど な い ． そ こ で ， 本 研 究 で は 従 来 の 置 換 方 式 の 利 点 を 継 承 し ， か つ 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 も 確 実 に 行 え る 暗 号 通 信 方 式PCCOM(Practical Cipher COMmunication protocol)
を 提 案 す る ． 本 方 式 で は ， パ ケ ッ ト 長 が 変 化 し な い た め 十 分 な ス ル ー プ ッ ト が 期 待 で き る 上 ，NA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き る 実 用 的 な シ ス テ ム を 構 築 で き る ． ま た ， 上 位 層 の プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る ル ー タ な ど と も 相 性 が 良 い ．PCCOM
の 実 現 性 を 確 認 す る た め に 試 作 シ ス テ ム を 開 発 し た ．PCCOM
が パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 崩 さ な い で 処 理 す る 方 式 で あ る こ と が ， 実 装 の 容 易 さ を も た ら す こ と に つ い て 述 べ る ．以 下 ，
2
章 で 既 存 の 暗 号 通 信 方 式 と そ の 課 題 ，3
章 で 実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 方 式 の 要 件 と 提 案 方 式 ，4
章 で 試 作 シ ス テ ム の 仕 様 と 構 成 お よ び 実 装 方 式 ，5
章 で 既 存 技 術 と の 比 較 検 討 ，6
章 で ま と め と 今 後 の 課 題 に つ い て 述 べ る ．2. 既 存 の 暗 号 通 信 方 式 と そ の 課 題
IPsec
は ，IP
層 の セ キ ュ リ テ ィ と し て 盛 ん に 研 究 が 行 わ れ て い る ．ESP
に は ， ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド と トン ネ ル モ ー ド が あ り ， 前 者 は
End-to-End
のIPsec
通 信 を 適 用 す る 際 に 利 用 し ， 後 者 は 主 に セ キ ュ リ テ ィ ゲ ー ト ウ ェ イ 間 でIPsec
通 信 を 適 用 す る 際 に 利 用 す る ．し か し 実 際 に は ，
ESP
ト ン ネ ル モ ー ド を ， イ ン タ ー ネ ッ ト を 介 し て 分 散 し た 拠 点 を 結 ぶVPN(Virtual Private Network)[10]
の 構 築 手 段 と し て 利 用 し て い る 場 合 が 多 い ．こ れ は ，IPsecに お け る 設 定 の 複 雑 さ や 以 下 で 述 べ るNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と の 相 性 問 題 な ど が 原 因 で ，VPNの よ う な 特 定 の 用 途 以 外 で は 利 用 が 困 難 な た め で あ る ．そ こ で ，以 下 で は
VPN
以 外 に 考 え ら れ る 用 途 を 例 に 挙 げ ， ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド と ト ン ネ ル モ ー ド の い ず れ に お い て もNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 が 不 可 欠 で あ る こ と を 示 す ．WWW
を 代 表 と す る ク ラ イ ア ン ト/
サ ー バ シ ス テ ム にIPsec
を 適 用 す る 場 合 ， サ ー バ 側 に は セ キ ュ リ テ ィ ゲ ー ト ウ ェ イ を 設 置 す る の で ， 自 ず と ト ン ネ ル モ ー ド を 利 用 す る こ と に な る ． こ の と き ， プ ラ イ ベ ー ト ア ド レ ス の ク ラ イ ア ン ト が 外 部 サ ー バ に ア ク セ ス す る 場 合 はNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 は 必 須 で あ る ． 近 年 急 増 し て い るP2P(Peer-to-Peer)
ネ ッ ト ワ ー ク で は ，個 人 間 の 通 信 が 主 体 と な っ て お り ，IPsec
を 適 用 す る 場 合 はEnd-to-End
で あ る ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド の 利 用 が 望 ま し い ．こ の と き ，NA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 経 由 す る こ と は 十 分 に あ り 得 る （ 図1）．
ま た ， イ ン ト ラ ネ ッ ト で
IPsec
を 適 用 す る 場 合 は ト ン ネ ル モ ー ド と の 併 用 が 考 え ら れ る ． 企 業 ネ ッ ト ワ ー ク で は ， 部 門 間 に フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 設 置 す る こ と が 多 く ， フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 は 必 須 で あ る ．こ の よ う に ， い ず れ の モ ー ド に せ よ
NA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 は 欠 か せ な い ． し か し ，IPsec
は こ れ ら 既 存 シ ス テ ム と の 相 性 が 問 題 と さ れ て い る ．図
1 ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド で NA(P)T
を 経 由 す る 例Fig.1 Example of NA(P)T traversal with transport mode.
3/8
図
2 ESP
ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ トFig.2 Packet format of ESP transport mode.
図
3 ESP
ト ン ネ ル モ ー ド の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ トFig.3 Packet format of ESP tunnel mode.
ESP
ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド の 場 合 ， 図2
の よ う に ポ ー ト 番 号 が 暗 号 化 に よ り 見 え な く な る た め ， そ の パ ケ ッ ト が ど の よ う な 用 途 に 用 い ら れ る か が フ ァ イ ア ウ ォ ー ル で 判 別 で き な い ． そ の 結 果 ， フ ァ イ ア ウ ォ ー ル で は 全 て のIPsec
の 通 過 を 禁 止 し て し ま う こ と が 多 い ． ま た ，TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム が 暗 号 化 範 囲・完 全 性 保 証 の 範 囲 に 含 ま れ て い る た め チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え を 行 うNA(P)T
の 通 過 は で き な い ． こ の 問 題 に つ い て はUDP
ヘ ッ ダ で カ プ セ ル 化 す る こ と でNA(P)T
を 通 過 さ せ る “UDP Encapsulation of IPsec Packets
” が イ ン タ ー ネ ッ ト ド ラ フ ト と し て 公 開 さ れ て お り[11]～[13]，有
効 な 手 段 と し て 普 及 し つ つ あ る が ， カ プ セ ル 部 分 は 完 全 性 保 証 の 範 囲 に 含 ま れ て い な い ． ま た ， ヘ ッ ダ な ど の 追 加 に よ る オ ー バ ヘ ッ ド や フ ラ グ メ ン ト の 発 生 な ど の 問 題 が あ る ．ESP
ト ン ネ ル モ ー ド の 場 合 も ， 図3
の よ う に ポ ー ト 番 号 が 暗 号 化 さ れ て い る た め ， ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド と 同 様 に ， フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き な い 場 合 が 多 い ．こ の モ ー ド に お い て は ，IP
ペ イ ロ ー ド に ア ド レ ス に 依 存 し た デ ー タ が 存 在 し な け れ ばNAT
を 通 過 で き る ． し か し ， 多 く の 場 合 が ポ ー ト 番 号 の 変 換 も 伴 うNAPT
を 利 用 し て い る ．NAPT
の 場 合 は ， 変 換 時 にTCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え を 行 う の で ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド と 同 様 に ，NAPT
を 通 過 で き な い ． 更 に ， ト ン ネ ル モ ー ド の 場 合 は カ プ セ ル 化 を 行 う の で ， ト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド 以 上 に オ ー バ ヘ ッ ド や フ ラ グ メ ン ト が 発 生 す る 懸 念 が あ る ．ま た ， い ず れ の モ ー ド も ヘ ッ ダ の 追 加 や 暗 号 化 を 行 う の で ， 上 位 ヘ ッ ダ の プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る ル ー タ な ど は 正 し く 処 理 で き な い 場 合 が 多 い ．
一 方 ， 置 換 方 式 で は ， 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え な い よ う 暗 号 化 範 囲 を 規 定 し て い る が ， 図
4
の よ う にTCP/UDP
ヘ ッ ダ の 後 半 部 分 以 降 を 暗 号 化 し て い る た め ，TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え を 行 うNA(P)T
を 通 過 で き な い ． ま た ， こ の 方 式 は パ ケ ッ ト 長 を 変 え な い 暗 号 化 を 実 現 し て い る が ， 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 考 慮 し て い な い た め ， な り す ま し や 改 竄 の 恐 れ が あ る ．3. 実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 方 式 PCCOM の 提 案
3.1. 要 件
2
章 で 述 べ た 課 題 を 踏 ま え て ， 実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 方 式 の 要 件 を 以 下 の よ う に 整 理 す る ．(1)
既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え る こ と な く 容 易 に 導 入 で き る ．(2)
セ キ ュ リ テ ィ 技 術 の 導 入 に よ っ て 発 生 す る オ ー バ ヘ ッ ド や フ ラ グ メ ン ト を 極 力 抑 え る こ と が で き る ．(3)
パ ケ ッ ト の 暗 号 化 だ け で な く ，本 人 性 確 認 と 完 全 性 保 証 も 行 う こ と が で き る ．図
4 置 換 方 式 の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト
Fig.4 Packet format of the replace method.
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3.2. 提 案 方 式
実 用 性 を 考 え る 上 で 要 件
(1)
は 重 要 で あ る ．こ の 要 件 を 満 た す に は ，NA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 が 欠 か せ な い ． 最 近 で は 上 位 層 の プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る ル ー タ な ど が 出 て き て い る よ う に ， 既 存 シ ス テ ム に 限 ら ず 新 た な シ ス テ ム を 導 入 す る 際 に も 同 様 の こ と が 言 え る ． ま た ， 高 ス ル ー プ ッ ト を 実 現 す る た め に は 要 件(2)
が ポ イ ン ト と な る ．パ ケ ッ ト の 暗 号 化 に よ り 盗 聴 の 防 止 が 実 現 す る が ，要 件(3)で 示 し た 改 竄 や な り す ま し
の 対 策 も 不 可 欠 な 要 素 で あ る ．本 研 究 で は ， 置 換 方 式 の 利 点 を 継 承 し ， か つ 置 換 方 式 で 課 題 で あ っ た
NA(P)T
の 通 過 を 可 能 に し つ つ ， パ ケ ッ ト 長 を 変 化 さ せ な い ま ま ， 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 も 実 現 す る 方 式 と し てPCCOM(Practical Cipher COMmunication protocol)
を 提 案 す る ．PCCOM
は ，3.1
で 示 し た 要 件 を 全 て 満 た す こ と が で き る ． 尚 ，PCCOM
の 処 理 は 全 てIP
層 で 行 う ． ま た ，PCCOM
で 用 い る 暗 号 鍵 は 事 前 に 共 有 し て あ る こ と を 前 提 と す る ．(1)
暗 号 化 範 囲NA(P)T
で はTCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え が 行 わ れ る ． ま た ， フ ァ イ ア ウ ォ ー ル で は パ ケ ッ ト 判 別 時 に ポ ー ト 番 号 を チ ェ ッ ク す る ． よ っ て こ れ ら の フ ィ ー ル ド を 暗 号 化 し て は な ら な い ．PCCOM
で は ， 図5
の よ う に ユ ー ザ デ ー タ 部 分 の み を 暗 号 化 の 対 象 と す る ． す な わ ち ，TCP/UDP
ヘ ッ ダ を あ え て 暗 号 化 範 囲 か ら 外 す こ と で ，フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き る よ う に す る ． ま た ， パ ケ ッ ト 長 を 変 え ず に 暗 号 化 す る た め に ， 任 意長 の デ ー タ を 暗 号 化 で き る ブ ロ ッ ク 暗 号 の
CFB
モ ー ド を 用 い る ． よ っ て ，PCCOM
の 処 理 に よ る フ ラ グ メ ン ト は 発 生 し な い ．(2)
完 全 性 保 証 の 方 法PCCOM
で は ， 図5
の よ う に シ ス テ ム 構 成 に よ っ て パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 に 関 わ る 処 理 を 分 け る ．NA(P)T
を 経 由 し な い 特 定 の 環 境 に お い て 暗 号 通 信 を 適 用 し た い 場 合 は ，IP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 を 完 全 性 保 証 の 範 囲 に 含 め る ． こ の 場 合 は 本 方 式 を 独 立 し て 使 用 す る こ と が で き る ．NA(P)T
を 経 由 す る 環 境 で 暗 号 通 信 を 適 用 し た い 場 合 は ，IP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 を 完 全 性 保 証 の 範 囲 か ら 外 す ．IPア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 に つ い て は ， 他 の 技 術 と の 組 み 合 わ せ で 保 証 す る 方 式 を 提 案 す る ． 両 者 の 区 別 は 設 定 に よ る ．①
NA(P)T
な し の シ ス テ ム暗 号 化/復 号 の 際 は ，暗 号 鍵 と は 別 に
IV
（Initialization Vector
） と 呼 ば れ る ブ ロ ッ ク 暗 号 の 先 頭 ブ ロ ッ ク で 用 い る 初 期 値 を 与 え る 必 要 が あ る ．IV
は 暗 号 化/復 号 で 同 じ 値 で あ り ， 使 用 す る 度 に 異 な る 値 で あ る 必 要 が あ る ． ま た ， 第 三 者 に は 分 か ら な い 値 を 用 い る こ と が 望 ま し い ． そ こ で ， 図6
の よ う にIP
ヘ ッ ダ ，TCP/UDP
ヘ ッ ダ で 転 送 中 に 値 の 変 化 し な い フ ィ ー ル ド（IP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 を 含 む ．TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム を 除 く ．）と ，秘 密 裏 に 共 有 し て い る 暗 号 鍵 を 合 わ せ た ハ ッ シ ュ 値 をIV
と す る ． こ れ に よ り ， 暗 号 化/復 号 で 同 じ
値 で あ り ， パ ケ ッ ト ご と に 異 な るIV
を 生 成 す る こ と が で き る ．IVの 種 と し て 鍵 情 報 を 含 め て い る た め ，第 三 者 にIV
が 知 ら れ る こ と は な い ．更 に こ のIV
は ，以 下 で 述 べ る 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 の 役 割 も 果 た す ．IPsec ESP
で は ヘ ッ ダ に 認 証 デ ー タ を 追 加 す る こ と で 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 可 能 と し て い る が ，PCCOM
で は パ ケ ッ ト 長 を 変 え な い た め ヘ ッ ダ の 追 加 は せ ず ，TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム フ ィ ー ル ド を 用 い る こ と で 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 行 う ． 本 来TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム は ， デ ー タ の 誤 り 検 出 を 行 う た め に 用 い る が ，こ こ で はIP
層 に 独 自 の 処 理 を 追 加 す る こ と で 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 行 う ．送 信 側 で は デ ー タ の 暗 号 化 後 ， 図
7
の よ う に 暗 号 デ ー タ とIV
を 合 わ せ た ハ ッ シ ュ 値 を ユ ー ザ デ ー タ と 見 な し て （ 疑 似 デ ー タ と 呼 ぶ ） チ ェ ッ ク サ ム の 再 計 算 を 行 う ． 受 信 側 で は デ ー タ の 復 号 を 行 う 前 に ， 同 様 の 方 法 で 作 成 し た 疑 似 デ ー タ に よ っ て 計 算 し た チ ェ ッ ク サ ム を 検 証 し ， 復 号 後 に チ ェ ッ ク サ ム の 再 計 算 を 行 っ て 上 位 層 （TCP/UDP
） に 渡 す ． こ の 方 式 に よ り ， 暗 号 デ ー タ とIV
生 成 に 用 い た フ ィ ー ル ド の 完 全 性 を 保 証 す る こ と が で き る （ 図8
）．図
6 IV (Initialization Vector)
の 生 成Fig.6 Generation of IV (Initialization Vector).
図
5 PCCOM
の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ トFig.5 Packet format of PCCOM.
5/8
図
8 チ ェ ッ ク サ ム の 演 算 方 法 （ End-to-End
の 場 合 ）Fig.8 Flow of the Checksum execution (case of End-to-End).
パ ケ ッ ト を 改 竄 し た 場 合 ， 改 竄 者 は
TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム を 再 計 算 し よ う と す る が ， 正 当 な 者 し か 疑 似 デ ー タ を 作 る こ と は で き な い の で ， 改 竄 時 に 再 計 算 を 行 う こ と は で き な い ． こ の 方 式 で は ， 疑 似 デ ー タ に よ っ て 正 当 な 相 手 で あ る こ と が 保 証 さ れ る の で 本 人 性 確 認 も 実 現 す る ．こ の よ う に ， 疑 似 デ ー タ に よ る
TCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム の 計 算 を 行 う こ と で ， ヘ ッ ダ の 追 加 を せ ず に 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 が 実 現 す る ．② NA(P)Tあ り の シ ス テ ム
NA(P)T
を 経 由 す る 場 合 はIP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 が 変 化 す る た め ， こ れ ら をIV
生 成 の 範 囲 か ら 外 す 必 要 が あ る ． 同 時 にNA(P)T
で は ， チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え が 行 わ れ る ．こ こ で ，NA(P)T
に お け る チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え は 変 換 部 分 の 差 分 を 計 算 す る だ け な の で ，受 信 側 で 行 う チ ェ ッ ク サ ム の 検 証 に は 影 響 を 与 え な い
[14]
．こ の よ う な 環 境 で はIP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 の 完 全 性 保 証 は ， チ ェ ッ ク サ ム と は 別 の 方 法 で 実 現 す る 必 要 が あ る ． 例 え ば ， 図9
の よ う に 暗 号 通 信 に 先 立 っ て 行 うDPRP
（Dynamic Process Resolution Protocol
）[15], [19]
と 本 方 式 を 組 み 合 わ せ る こ と で ，IP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 の 完 全 性 保 証 を 実 現 で き る ．DPRP
は ， 暗 号 通 信 に 先 立 っ て 暗 号 化/復 号 な ど の 動
作 処 理 情 報 を 記 し た テ ー ブ ル を 作 成 す る ． テ ー ブ ル 作図
9 DPRP
と 組 み 合 わ せ た パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証Fig.9 Packet Integrity combined with DPRP.
図
7 疑 似 デ ー タ に よ る チ ェ ッ ク サ ム の 再 計 算
Fig.7 Recalculation of Checksum with Pseudo Data.
6/8
成 時 に 流 れ るDPRP
パ ケ ッ ト の 情 報 は 暗 号 化 さ れ て い る た め ， 信 頼 性 の あ る テ ー ブ ル が 作 成 さ れ る ． 暗 号 通 信 は ， そ の テ ー ブ ル を 基 に 行 う ． 動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル に はIP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 の 情 報 が 含 ま れ て お り ，IPア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 と 上 位 層 の プ ロ ト コ ル 番 号 の ハ ッ シ ュ 値 を 検 索 キ ー と し て テ ー ブ ル 検 索 を 行 う ． す な わ ち ， 受 信 側 で テ ー ブ ル 検 索 に ヒ ッ ト し た らIP
ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 は 改 竄 さ れ て い な か っ た こ と が 保 証 さ れ る ． 尚 ，DPRP は 手 段 の ひ と つ で あ り ， こ の 考 え 方 を 用 い れ ば 他 の 手 段 と の 併 用 も 考 え ら れ る ．4. 試 作 シ ス テ ム の 開 発
PCCOM
の 実 現 性 を 確 認 す る た め に 試 作 シ ス テ ム を 開 発 し ， 動 作 検 証 を 行 っ た ． 本 章 で は 試 作 シ ス テ ム の 概 要 を 述 べ ， シ ス テ ム の 仕 様 と 構 成 お よ び 実 装 方 式 に つ い て 記 述 す る ．4.1. 試 作 システムの概 要
現 在 我 々 は ，
FPN(Flexible Private Network)[16]の 構
築 を 目 指 し て お り ， そ れ を 実 現 す る た め の ネ ッ ト ワ ー ク セ キ ュ リ テ ィ ア ー キ テ ク チ ャGSCIP(Grouped Secure Communication for Internet Protocol;
ジ ー ス キ ッ プ)[16]
～
[23]
の 開 発 を 行 っ て い る ．GSCIP
はPCCOM
以 外 に ， 暗 号 通 信 に 先 立 っ て 行 う 事 前 交 渉 プ ロ ト コ ルDPRP
， セ キ ュ ア 鍵 配 送 プ ロ ト コ ルSKDP(Secure Key Distribution Protocol)，移 動 端 末 が 通 信 中 に 移 動 し て も
通 信 が 保 証 さ れ る 移 動 体 通 信 処 理 プ ロ ト コ ルMobile P2P， グ ロ ー バ ル ア ド レ ス 空 間 か ら プ ラ イ ベ ー ト ア ド
レ ス 空 間 へ の ア ク セ ス と 可 能 と す るNATF(NAT Free protocol)， 渡 り 歩 き 検 知 機 能 な ど か ら 構 成 さ れ る ．
試 作 シ ス テ ム は ，
PCCOM
の 動 作 に 最 低 限 必 要 な ，PCCOM
モ ジ ュ ー ル と 一 連 の 処 理 を 組 み 立 て る メ イ ン モ ジ ュ ー ル を ， 端 末 に 実 装 す る ソ フ ト ウ ェ ア 型 暗 号 装 置 と し て 開 発 し た ．PCCOM
モ ジ ュ ー ル は ， 呼 び 出 し 時 に 与 え ら れ る 暗 号 化/復 号 な ど の 動 作 内 容 を 記 し た
動 作 処 理 情 報 を 基 に 処 理 を 行 う ． 動 作 内 容 が 暗 号 化 の 場 合 は 送 信 側 の 処 理 と し て ， 動 作 内 容 が 復 号 の 場 合 は 受 信 側 の 処 理 と し て 図8
の 手 順 に 基 づ き 処 理 す る ．4.2. システムの仕 様 と構 成
試 作 シ ス テ ム の 仕 様 を 表
1
に 示 す ． テ ー ブ ル 検 索 に は ハ ッ シ ュ 探 索 （ チ ェ イ ン 法 ） を 採 用 し た ． パ ケ ッ ト の 暗 号 方 式 は 提 案 方 式 で あ るPCCOM， 暗 号 ア ル ゴ リ
ズ ム はAES[24]
， 鍵 長 は128
ビ ッ ト と し た ． ハ ッ シ ュ 関 数 は ，AES
で 用 い るIV
が128
ビ ッ ト で あ る こ と か らMD5[25]
を 用 い た ． 尚 ， 暗 号 ラ イ ブ ラ リ と し てOpenSSL[26]
を 採 用 し た （Version : openssl-0.9.-7d
）．試 作 シ ス テ ム の モ ジ ュ ー ル 構 成 を 表
2
に 示 す ． 試 作 シ ス テ ム は ， メ イ ン モ ジ ュ ー ル と そ の サ ブ モ ジ ュ ー ル で あ るPCCOM
モ ジ ュ ー ル ， そ し てPCCOM
の サ ブ モ表
1 試 作 シ ス テ ム の 仕 様 Table 1 Specification of the trial system.
項 目 内 容 テーブル検 索 方 式 ハ ッ シ ュ 探 索 （ チ ェ イ ン 法 ）
暗 号 方 式
PCCOM
暗 号 アルゴリズム
AES
（CFBモ ー ド ）鍵 長
128
ビ ッ トハッシュ関 数
MD5
表
2 試 作 シ ス テ ム の モ ジ ュ ー ル 構 成 と 機 能 Table 2 Function table of the trial system.
モ ジ ュ ー ル 機 能 メ イ ン
テ ー ブ ル 検 索 機 能 ，パ ケ ッ ト 判 別 機 能 ，
PCCOM
モ ジ ュ ー ル を 呼 び 出 し ， 一 連 の 処 理 を 組 み 立 て る ．PCCOM
本 提 案 方 式 の メ イ ン ．各 サ ブ モ ジ ュ ー ル を 呼 び 出 し ，一 連 の 処 理 を 組 み 立 て る ．
IV
生 成IP
ヘ ッ ダ ，TCP/UDP
ヘ ッ ダ で 転 送 中 に 変 化 し な い フ ィ ー ル ド と 暗 号 鍵 を 合 わ せ た ハ ッ シ ュ を 生 成 す る ．暗 号 化/復 号 入 力 デ ー タ を ブ ロ ッ ク 暗 号 の
CFB
モ ー ド で 暗 号 化/復 号 す る ．疑 似 デ ー タ 生 成 暗 号 デ ー タ と
IV
を 合 わ せ た ハ ッ シ ュ を 生 成 す る ．チ ェ ッ ク サ ム 再 計 算
通 常 ま た は 疑 似 デ ー タ に よ る 独 自 の 計 算 範 囲 で チ ェ ッ ク サ ム の 再 計 算 を 行 う ．
チ ェ ッ ク サ ム 検 証 疑 似 デ ー タ に よ る 独 自 の 計 算 範 囲 で チ ェ ッ ク サ ム の 検 証 を 行 う ．
ジ ュ ー ル で あ る
IV
生 成 モ ジ ュ ー ル ， 暗 号 化/復 号 モ ジ
ュ ー ル ， 疑 似 デ ー タ 生 成 モ ジ ュ ー ル ， チ ェ ッ ク サ ム 再 計 算 モ ジ ュ ー ル ， チ ェ ッ ク サ ム 検 証 モ ジ ュ ー ル か ら 構 成 さ れ る ．4.3. 実 装 方 式
試 作 シ ス テ ム は ，
IP
層 の 詳 細 な 処 理 フ ロ ー に 関 す る 情 報 が 多 いFreeBSD（5.1 Release） の カ ー ネ ル 内 に ，
4.2
で 述 べ た モ ジ ュ ー ル を 組 み 込 む こ と で 実 現 し た ． 図10
の よ う に ，IP 層 で 行 わ れ る 既 存 の 処 理 に 一 切 の 変 更 を 加 え ず ，IP
層 の 入 出 力 の 最 適 な 場 所 で メ イ ン モ ジ ュ ー ル に 処 理 を 渡 し ， 処 理 を 終 え た ら 差 し 戻 す 形 を 採 用 し て い る ． こ れ は ，PCCOM
が オ リ ジ ナ ル の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 崩 さ ず に 処 理 す る 方 式 だ か ら 実 現 で き る こ と で あ る ． ヘ ッ ダ の 追 加 な ど パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト に 変 更 が あ る 場 合 は ，IP
層 全 体 に 渡 っ て 処 理 の 変 更 が 必 要 と な る ．7/8 5. 既 存 技 術 と の 比 較 検 討
IPsec ESP
と 置 換 方 式 ，PCCOMを ６ つ の 項 目 に お い て 比 較 し た 結 果 を 表3
に 示 す ．IPsec ESP
は ，TCP/UDPヘ ッ ダ を 暗 号 化 範 囲 に 含 め て い る が ， 特 殊 な 処 理 ・ 設 定 を 行 わ な い とNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き な い ． ま た ， ヘ ッ ダ の 追 加 に よ る オ ー バ ヘ ッ ド や フ ラ グ メ ン ト が 発 生 す る ．PCCOM
は ，TCP/UDP
ヘ ッ ダ を 暗 号 化 範 囲 に 含 め な い 代 わ り に ，NA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 通 過 で き る ． ま た ， 置 換 方 式 の 課 題 で あ る 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 も 行 え る ． パ ケ ッ ト 長 が 変 化 し な い た め ，PCCOM
の 処 理 に よ る フ ラ グ メ ン ト は 発 生 し な い ．IPsec
が 強 力 な 認 証 機 能 を 提 供 す る の に 対 し ，PCCOM
は 認 証 値 と し てTCP/UDP
チ ェ ッ ク サ ム フ ィ ー ル ド を 用 い て お り ， フ ィ ー ル ド 長 が16
ビ ッ ト と 短 い ． し か し ， 実 用 上 は 十 分 な も の で あ りNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の 通 過 が 可 能 に な る な ど ， 実 用 性 が 高 い と 言 え る ．IPsec
は ，セ キ ュ リ テ ィ は 強 靭 だ がNA(P)T
や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と の 相 性 問 題 を は じ め と し た 多 く の 課 題 が あ る ． 強 力 な セ キ ュ リ テ ィ を 要 す る 場 合 は ， こ れ ら の 問 題 に 注 意 し な が ら 導 入 を 検 討 す る こ と が 重 要 で あ る ． そ れ に 対 しPCCOM
は ， 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え な い よ う 配 慮 し て い る た め ， 実 用 性 が 高 く 比 較 的 容 易 に 導 入 で き る と 考 え ら れ る ．6. む す び
実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 方 式 と し て ， 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え ず ， ま た オ リ ジ ナ ル パ ケ ッ ト と サ イ ズ を 変 え な い ま ま ， 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 行 う こ と が で き る 暗 号 通 信 方 式
PCCOM
を 提 案 し た ．表
3 既 存 技 術 と の 比 較
Table 3 Comparison with existing technologies.
機 密 性 本 人 性 確 認
完 全 性
保 証
NA(P)T
ﾌｧｲｱ ｳｫｰﾙﾌﾗｸﾞ ﾒﾝﾄ
IPsec ESP
◎ ◎ ◎ △ △ ×置 換 方 式 ○ × × × ○ ○
PCCOM
○ ○ ○ ○ ○ ○PCCOM
の 実 現 性 を 確 認 す る た め に 試 作 シ ス テ ム を 開 発 し ， そ の 実 装 方 式 に つ い て 述 べ た ．今 後 は 試 作 シ ス テ ム の 性 能 測 定 を 行 い ， 既 存 技 術 と の 定 量 的 な 比 較 を 行 う 予 定 で あ る ． ま た ， 正 常 な パ ケ ッ ト を 多 量 に 送 り つ け る リ プ レ イ 攻 撃 の 対 策 や ，
UDP
パ ケ ッ ト に お け る フ ラ グ メ ン ト の 扱 い に つ い て も 検 討 す る 予 定 で あ る ．文 献
[1] R. Richardson, “Issues and Trends: 2003 CSI/FBI C- omputer Crime and Security Survey”, CSI Press Rel- ease, Jun 2003.
[2] S. Kent and R. Atkinson “Security Architecture for the Internet Protocol”, RFC2401, Aug. 1998.
[3] R. Atkinson, “IP Authentication Header” RFC2402, Dec. 1998.
[4] R. Atkinson, “IP Encapsulation Security Payload (E- SP)”, RFC2406, Dec. 1998.
[5] D. Harkins and D. Carrel, “The internet key exchan- ge (IKE)”, RFC2409, Dec. 1998.
[6]
渡 邊 晃 ， 厚 井 裕 司 ， 井 手 口 哲 夫 ， 横 山 幸 夫 ， 妹 尾 尚 一 郎 ，“ 暗 号 技 術 を 用 い た セ キ ュ ア 通 信 グ ル ー プ の 構 築 方 式 と そ の 実 現 ，” 情 処 学 論 ，vol.38, no.4, pp.904-914, Apr 1997.
[7] R. Braden, D. Borman, and C. Partridge, “Computing the Internet Checksum”, RFC1071, Sep. 1988.
[8] T. Mallory and A. Kullberg, “Incremental Updating of the Internet Checksum”, RFC1141, Jan. 1990.
[9] A. Rijsinghani, “Computation of the Internet Check- sum via Incremental Update”, RFC1624, May. 1994.
[10] E. Rosen and Y. Rekhter “BGP/MPLS VPNs”, RFC2- 547 Mar. 1999.
[11] A. Huttunen, B. Swander, V. Volpe, L. Diburro, and M. Stenberg, “UDP Encapsulation of IPsec Packets”, Internet Draft,draft-ietf-ipsec-udp-encaps-09.txt, M- ay. 2004.
[12] B. Aboba and W. Dixon, “IPsec-Network Address Tr- anslation (NAT) Compatibility Requirements”, RFC- 3715, Mar. 2004.
[13] T. Kivinen, A. Huttunen, B. Swander and V. Volpe,
“Negotiation of NAT-Traversal in the IKE”, Internet Draft, draft-ietf-ipsec-nat-t-ike-08.txt, Feb. 2004.
[14] K. Egevang and P. Francis, “The IP Network Address Translator (NAT)”, RFC1631 May. 1994”.
[15]
渡 邊 晃 ，井 手 口 哲 夫 ， 笹 瀬 巌 ，“ イ ン ト ラ ネ ッ ト 閉 域 通 信 グ ル ー プ の 物 理 的 位 置 透 過 性 を 可 能 に す る 動 的 処 理 解 決 プ ロ ト コ ル の 提 案 ，” 信 学 論(D-I), vol.J84-D-I, no.3, pp.269-284, Mar 2001.
図
10 試 作 シ ス テ ム の 実 装 方 式
Fig.10 Implementation of the trial system.
8/8 [16] Flexible Private Network, Watanabe lab. Division of
Information Sciences, Meijo University, http://www- is.meijo-u.ac.jp/ ~ watanabe/research/fpn.html
[17]
竹 内 元 規 ， 渡 邊 晃 ，“ 移 動 体 通 信 に お け る コ ネ ク シ ョ ン を 維 持 し た 通 信 方 式 の 研 究 ”， 情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-463，Mar 2004．
[18]
加 藤 尚 樹 ， 渡 邊 晃 ，“NAT
を 意 識 し な い 個 人 ネ ッ ト ワ ー ク を 管 理 す るHome Fire Wall
の 提 案 ”， 情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-469
，Mar 2004
．[19]
鈴 木 秀 和 ， 渡 邊 晃 ，“GSCIP
を 構 成 す るDPRP
の 仕 組 み の 検 討 ”，情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-479
，Mar 2004
．[20]
竹 尾 大 輔 ， 渡 邊 晃 ，“GSCIP
を 構 成 す る 渡 り 歩 き 検 出 機 能 の 仕 組 み の 検 討 ”，情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-481，Mar 2004．
[21]
増 田 真 也 ， 渡 邊 晃 ，“ 閉 域 通 信 グ ル ー プ に お け る 暗 号 化 通 信 方 式 の 検 討 ”，情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-483， Mar 2004．
[22]
保 母 雅 敏 ， 渡 邊 晃 ，“ 多 段 構 成 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 鍵 配 送 方 式 の 一 検 討 ”，情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-495
，Mar 2004
．[23]
前 羽 理 克 ， 渡 邊 晃 ，“ 生 体 認 証 を 利 用 し た セ キ ュ ア ネ ッ ト ワ ー ク 通 信 ”，情 報 処 理 学 会 第66
回 全 国 大 会 講 演 論 文 集3-503， Mar 2004．
[24] Daemen. J and Rijmen. V, “AES Proposal: Rijndael”, http://csrc.nist.bov/encryption/aes/rijndael/Rijndael.
[25] R.Rivest, “The MD5 Message-Digest Algorithm”, R -FC1321 Apr. 1992.
[26] The OpenSSL Project, http://www.openssl.org/
実用性を重視した暗号通信方式の提案
名城大学大学院理工学研究科 名城大学大学院理工学研究科 増田 増田 真也 真也 渡邊 渡邊 晃 晃
The Proposal of Practical Cipher Communication Systems
は じ め に
• ネットワークにおけるセキュリティ上の脅威
→ セキュリティ技術の重要性
• アプリケーションセキュリティ – SSL/TLS 、 SSH…
• ネットワークセキュリティ – IPsec…
アプリケーションに依存することなく安全を確保
主な対策
盗聴 改ざん
なりすまし
パケットの完全性保証
パケットの暗号化
送信元の本人性確認
は じ め に
• しかし、セキュリティ上の脅威は・・・
– インターネットだけでなく、イントラネットにも存在する
→ イントラネットも含めた総合的なセキュリティ対策 – イントラネットを視野に入れた場合
• 通信経路上に NA(P)T やファイアウォールが存在することがある
これら既存システムとの相性を十分に考慮する必要性
セキュリティ対策の普及を阻害
実用性を考える上で重要なポイント
既存システムに影響を与えず、 容易に導入できる
は じ め に
• 更に最近では・・・
– QoS 対応ルータのように上位層プロトコルの情報を見るタ イプの出現
これらもセキュリティ技術との相性が悪い
• 今後も様々な面でネットワークの発展は期待される
セキュリティ技術がこれらの発展を
阻害することがあってはならない
既存技術とその課題
• 既存のネットワークセキュリティ技術
– IPsec ・・・ IP 層の技術で、強力なセキュリティを提供
• IPsec ESP （ Encapsulation Security Payload ） ・・・暗号通信方式について規定
IPヘッダ ESP
ﾍｯﾀﾞ TCPヘッダ データ ESPﾄﾚｰﾗ ESP 認証値 完全性保証（転送中に変化しないフィールド）
暗号部分
IPsec ESP
（トランスポートモード）
オリジナル
ポート番号
ポート番号を監視
？
IPsec 通信を禁止
チェックサム
オーバヘッドやフラグメントの発生
パケットの付加による
→ アドレス・ポート変換時に、チェックサムの書き換えも行う
TCP/UDPチェックサムの計算範囲
NA(P)T
IP アドレス・ポート番号を変換
暗号部分で、書き換えられない
改ざんと見なされる
PCCOMの提案
これらを可能にしつつ
本人性確認と完全性保証も確実に行う暗号通信方式
PCCOM （ Practical Cipher COMmunication protocol ）
提 案
NA(P)T 、ファイアウォールを通過できる
パケット長を変化させない
オリジナル
PCCOMの概要
• 暗号化範囲・暗号方式
– ファイアウォールの通過
– 上位層プロトコルの情報を見るタイプのルータと相性が良い
• 疑似データによる本人性確認・完全性保証
– パケット長を変えないまま実現
• 他の技術と組み合わせた、 IP アドレス・ポート番号の 完全性保証
– NA(P)T の通過
PCCOM 暗号化範囲・暗号方式
暗号化範囲をあえてユーザデータ部分のみとする
→ ファイアウォールの通過
平文と暗号文をそのまま置き換え、パケット長は変化させない
→ PCCOM の処理によるフラグメントは発生しない
手段として・・・ 任意長のデータを暗号化できる、ブロック暗号の CFB モードを利用
システム構成によって、完全性保証に関わる処理を分ける
PCCOM
PCCOM システム構成例
NA(P)T を経由しない通信
本方式を独立して使用可能
IPアドレス・ポート番号を変換
→ 完全性保証の範囲から外す
他の技術との組み合わせで保証
NA(P)T を経由する通信
PCCOM NA(P)Tを経由しない通信
• IV （ Initialization Vector ）の生成
– IV とは・・・ 暗号化 / 復号の際に、暗号鍵とは別に必要な初期値
→ 全ての条件を満たせる
更に・・・ 本人性確認と完全性保証の役割も果たす
IV の条件
• 暗号化 / 復号で同じ値
• パケットごとに異なる値 （セキュリティ上の問題）
• 第三者に知られない値 （必須ではないが推奨）
暗号化 復号
平文 暗号文 平文
ポイント！
NA(P)T は経由しない場合なので、
IP アドレス・ポート番号を含む
PCCOM NA(P)Tを経由しない通信
• 本人性確認とパケットの完全性保証
– パケット長を変えないため、ヘッダの追加はしない
→ TCP/UDP チェックサムを用いる
従来の計算範囲： TCP/UDP 疑似ヘッダ、 TCP/UDP ヘッダ、データ
疑似データと呼ぶ
• 疑似データによって正当な相手であることが保証される
→ 送信元の本人性確認
暗号データと IV のハッシュ値をユーザデータと見なして、再計算 / 検証を行う 独自の計算方式
鍵情報を含む
暗号データと IV のハッシュ値
→ 暗号部分と IV 生成に用いたフィールドの完全性を保証
PCCOM NA(P)Tを経由しない通信
• 改ざん検出の流れ
破棄
改ざん 異なる値
疑似データ生成
チェックサムで改ざん検出
PCCOM NA(P)Tを経由する通信
• NA(P)T を経由する場合
– IP アドレス、ポート番号が変換される
→ IV 生成の範囲から外す
– TCP/UDP チェックサムが書き換えられる
NA(P)T は、独自の計算（疑似データによる再計算）ができないのでは？
• IP アドレスとポート番号の完全性保証
→ 他の技術との組み合わせで保証する 例 ： PCCOM
DPRP （ Dynamic Process Resolution Protocol ） ：
暗号通信に先立って行われる事前交渉プロトコル
+ DPRP
再計算ではなく、変換部分の差分計算を行うだけで問題ない 改ざんと見なされない
ポイント！
DPRP 通信 暗号通信
送信側 受信側
DPRPと組み合わせた完全性保証
• DPRP （ Dynamic Process Resolution Protocol ）
– 暗号通信に先立って暗号化 / 復号などの動作処理情報を記したテーブルを作成
• DPRP が作成したテーブルを基に暗号通信を行う
• 動作処理情報テーブル
– IP アドレスとポート番号の情報
– IP アドレスとポート番号とプロトコル番号のハッシュ値を検索キーとしてテーブル検索
DPRP は手段のひとつ
動作処理情報テーブルの作成 テーブル検索
完全性保証
（暗号部分、 IV 生成に用いるフィールド）
完全性保証
（ IP アドレス、ポート番号）
テーブル検索にヒット
→ IP アドレスとポート番は
改ざんされていなかった
試作システムの開発
• PCCOM の有効性確認として、試作システムを開発
• 実装方式
– FreeBSD (R 5.1) のカーネルにモジュールを組み込む – IP 層で行われる既存の処理に一切変更を加えない
– IP 層の入出力の最適な場所でメインモジュールに処理を渡 し、処理を終えたら差し戻す方式
IP Layer ip_input
Data-link Layer Transport Layer
Send Packet PCCOM
Main
Check Packet Type
Call
Search Table
ip_output
Call
Receive Packet
試作システムの開発
• 試作システムの仕様
MD5 ※ ハッシュ関数
128 ビット 鍵長
AES （ CFB モード） ※ 暗号アルゴリズム
PCCOM 暗号方式
ハッシュ探索（チェイン法）
テーブル検索方式
内 容 項 目
– 端末に実装するソフトウェア型暗号装置として開発 – 暗号鍵は事前に共有
– 動作処理情報テーブルは事前に作成
※ 暗号ライブラリとして openssl-0.9.7d を使用
試作システムによる性能評価
• 実験目的
– 試作システムと IPsec （ KAME スタック）を実装した 2 台の端 末間の通信性能を測定し、定量評価を行う
– IPsec の設定
• ESP トランスポートモード
• 暗号アルゴリズム ： AES （鍵長 128 ビット）
• 認証アルゴリズム ： HMAC-MD5
• リプレイ防御機能 ： OFF
試作システムによる性能評価
• スループットの測定
– ネットワークベンチマークソフト Netperf を使用
• 考察
– Normal と試作システム（ PCCOM ）は NIC の上限まで性能を発揮してお り、性能低下は見られない
– 長パケットの場合、 IPsec （ KAME スタック）は Normal から約 9.7% 低下 – 短パケットの場合は約 28.5% 低下
85.04 94.12
94.12 94.12 94.12 94.12
81.21 83.6
67.28 74.53
0 20 40 60 80 100
64 128 256 512 1024
Message Size (bytes)
T h ro ug h p ut ( M bps )
Normal 試作システム（PCCOM） IPsec(KAMEスタック)
試作システムによる性能評価
• FTP による性能測定
– 500MB のファイルをダウンロードするのに掛かった時間を測定
• 考察
– Normal と試作システム（ PCCOM ）は同じ結果となり、性能低下は見 られない
– IPsec （ KAME スタック）は、 Normal から約 12.6% 低下
→ 長パケットでのスループットの結果とほぼ等しい結果 49.1 IPsec （ KAME スタック）
42.9 試作システム （ PCCOM ）
42.9 Normal
ダウンロード時間 （秒）
項 目
比較検討
既存技術の比較
○
○
○
○
○ PCCOM ○
×
△
△
◎
◎ IPsec ESP ◎
ﾌﾗｸﾞﾒﾝﾄ ﾌｧｲｱｳｫｰﾙ
NA(P)T 完全性保証
本人性確認 機密性
• IPsec ESP
– TCP/UDPヘッダを暗号化・完全性保証の範囲に含めている
→ NA(P)T やファイアウォールを通過できない
“UDP Encapsulation of IPsec Packets” インターネットドラフト カプセル部分は完全性保証の範囲ではない
– ヘッダの追加によるオーバヘッドやフラグメントの発生
• PCCOM
– TCP/UDP ヘッダを暗号化範囲に含めない代わりに
→ NA(P)T やファイアウォールを通過できる
– パケット長が変化しないため、 PCCOM の処理によるフラグメントは発生しない
む す び
• まとめ
– 実用性を重視した暗号通信方式 PCCOM
• NA(P)T 、ファイアウォールを通過できる
• パケット長を変えないまま本人性確認と完全性保証も行える
– 試作システムの性能評価
• 100BASE の環境において、上限まで性能を発揮
強力なセキュリティ 但し、既存システムとの相性などに十分注意
IPsec
既存システムに影響を与えないので比較的容易に導入できる
PCCOM
• 今後の課題
– ギガビットイーサを用いた、より精度の高い測定
– 端末同士ではなく、通信径路上で PCCOM 、 IPsec の処理
をした場合の性能測定と評価
お わ り
※ 本研究は柏森財団の助成を受けて実施したものである
補足資料 INDEX
• GSCIP
• IV 詳細
• IV 条件
• 疑似データ
• CFB
• DPRP NA(P)T
• 他の技術との組み合わせ
• IPsec NA(P)T ・ FW
• IPsec モード フォーマット
• IPsec モード NA(P)T ・ FW
• IPsec フラグメント
• TCP/UDP ヘッダ平文
• チェックサム 16 ビット
• UDP フラグメント
• リプレイ
GSCIPとは
• GSCIP （ Grouped Secure Communication for Internet Protocol ；ジースキップ）
– FPN （ Flexible Private Network ）を実現するためのネットワークセキュリ ティアーキテクチャ
– FPN
• セキュリティと管理負荷軽減の両立が可能なシステム
• 閉域通信グループの構築
• DPRPによるアクセス許可と自動設定
• ユーザの物理的位置透過性の保証
FPN
GSCIP
DPRP PCCOM
Mobile P2P NATF SKDP
DPRP ： Dynamic Process Resolution Protocol
PCCOM ： Practical Cipher COMmunication protocol SKDP ： Secure Key Distribution Protocol
SPAC ： Secure Protocol for Authentication with IC Card
Mobile P2P
NATF ： NAT Free protocol
IHD ： ”Island Hop” Detection system
SPAC
IHD
IV（Initialization Vector）の詳細
• IV とは
– ブロック暗号の CFB モードなどで必要
– 暗号化、復号の際に、暗号鍵とは別に必要となる初期値
• 暗号化 / 復号で同じ値
• パケットごとに異なる値 （セキュリティ上の問題）
• 第三者に知られない値 （必須ではないが推奨）
– ブロックサイズと同じ大きさ
平文ブロック 平文ブロック 平文ブロック
暗号ブロック 暗号ブロック 暗号ブロック
暗号化 暗号化 暗号化
．．．
．．．
暗号化 復号
平文 暗号文 平文
IVの3つの条件を満たす理由
IV の条件
• 暗号化 / 復号で同じ値
→ 同じメッセージから IV を生成しているため
転送中に変化しないフィールド、暗号鍵
• パケットごとに異なる値 （セキュリティ上の問題）
→ IP ヘッダの ID フィールドなどを含むため
フラグメントの復元に用いる識別子 通常は 1 ずつ加算
• 第三者に知られない値 （必須ではないが推奨）
→ 互いに共有している鍵情報を含めているため
→ 全ての条件を満たせる
疑似データを含めたチェックサムの再計算/検証の詳細
→ 暗号部分と IV 生成に用いたフィールドの完全性を保証
• 暗号部分
暗号部分は疑似データ生成の範囲
→ 改ざんされると、受信側で生成する疑似データは異な る値となり、チェックサムで改ざんが検出される
• IV 生成に用いたフィールド IV は疑似データ生成の範囲
→ 改ざんされると、 IV は異なる値となるので疑似データも 異なる値となり、チェックサムで改ざんが検出される
鍵情報を含む
暗号データとIVのハッシュ値
CFBモードを採用した理由
• CFB モード
– 任意長のデータを暗号化できるモードで、ストリーム暗号と しての役割を果たす
• ストリーム暗号には RC4 などが挙げられるが、 CFB モードを採用した理由は？
– パケットの完全性保証に IV を用いる
• IV はブロック暗号の CFB モードなどで必要となる初期値
– 実装上ブロック暗号の方が普及しており利用しやすい
– 類似モードに OFB モードがあるが、セキュリティの面で CFB
の方が強力と言われている
DPRPとNA(P)T
• 現在の DPRP は NA(P)T を通過できない
– 解決策 ： NATF （ NAT Free protocol ）の適用
• NATF ・・・アドレス空間の違いを意識しないで通信可能
• 本提案は、他の技術との組み合わせによる IP アドレス とポート番号の完全性保証
– 従来の完全性保証
• 認証値の計算に、 IP アドレス・ポート番号を含める
→ NA(P)T を通過できない
– 提案方式
• 他の技術、例えば DPRP と組み合わせることで完全性を保証
他の技術との組み合わせによる保証
• 他の技術との組み合わせ
– 例えば DPRP
• 他には？
– IKE （ Internet Key Exchange ）
• SA の自動生成
• セキュリティポリシの設定（手動）で、 IP アドレス・ポート番号を指定
• セレクタで、 IP アドレス・ポート番号・プロトコル番号を選択基準に入
れる
IPsec NA(P)T・FWの対策
• NA(P)T
– “ UDP Encapsulation of IPsec Packets ”
• 相互で対応していることが前提
• UDP ポートは 500 番の場合が多く、 FW でポート番号を制限している 環境では利用が困難
• カプセル部分は完全性保証の範囲ではない
• ヘッダの追加によるオーバヘッドやフラグメントの発生
• FW
– FW を経由する IPsec 通信を避ける
• End-to-End の IPsec 通信ではない （主に SGW 間の VPN に使われる）
– SGW （ IPsec ゲートウェイ）と並列に設置する
• 用途に応じた経路設定が必要
• 一般的のこの方法が多い
• End-to-EndのIPsec通信ではない
IPsec トランスポートモードとトンネルモード
• ＩＰ sec ESP トランスポートモード
– 主に End-to-End の通信で利用
• ＩＰ sec ESP トンネルモード
– 主に SGW 間の通信で利用
IPsec トランスポートモードとトンネルモード
P２Pネットワーク ・・・ 個人間の通信が主体
IPsec を適用する場合、 End-to-End であるトランスポートの利用が望ましい
→ NA(P)T 、 FW の経由は十分にあり得る
イントラネットでIPsecを適用 ・・・ トンネルモードとの併用が考えられる 企業ネットワーク： 部門間にＦＷを設置することが多い
→ FW の通過は必須
WWWを代表とするクライアント/サーバシステム
IPsec を適用する場合、サーバ側には IPsec ゲートウェイを設置
→ トンネルモードを使用
プライベートアドレスのクライアントが外部サーバにアクセス
→ NA(P)T、FWの通過は必須
サーバ
