実用暗号通信 PCCOM の実装と評価 増田

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実用暗号通信 PCCOM の実装と評価

増田 真也^† 渡邊 晃^†

†名城大学大学院理工学研究科

ネットワークセキュリティ技術の重要度が高まっているが，導入するシステムは既存の環境に影響を与えない ようなものであることが望まれる．我々はこれまでに，オリジナルパケットのフォーマットを変えないまま，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プロトコルPCCOM（Practical Cipher COMmunication）を提案し，検討を行ってきた．

PCCOM は既存の環境にほとんど影響を与えず，NA(P)T やファイアウォールとの共存が可能である．本稿では

PCCOMの実装を行ったので報告する．PCCOMの機能検証の結果およびスループットの測定結果を述べる．

Implementation and Evaluation of Practical Cipher Communication

Shinya MASUDA^† and Akira WATANABE^†

†Postgraduate Course in Science and Technology, Meijo University

Network security technologies have become a major concern, and it is desired that the system is compatible with the con- ventional systems. We have proposed the cipher communication protocol, called PCCOM (Practical Cipher COMmunica- tion), giving no influences to existing systems. It can authenticate both terminals, and guarantee the integrity of packets, not changing the packet format. In this paper, we describe the implementation of PCCOM. The evaluation results show that PCCOM has enough flexibility and throughput in the practical use.

1. は じ め に

ネ ッ ト ワ ー ク に お け る セ キ ュ リ テ ィ 上 の 脅 威 は 年 々 深 刻 な 問 題 と な っ て お り ， セ キ ュ リ テ ィ 技 術 の 重 要 性 が 高 ま っ て い る ． そ の 中 で も ， IP 層 で パ ケ ッ ト の 暗 号 化 な ど を 行 う こ と に よ り 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 有 効 な 手 段 と さ れ て い る ． し か し 実 際 に は ，Gateway-to-Gateway の 安 全 を 確 保 す る 手 段 は 確 立 さ れ て い る も の の ， End-to-End や Host-to-Gateway で 通 信 間 に NA(P)T や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル を 挟 む よ う な 環 境 で は 使 用 条 件 に 制 約 が あ り ， 普 及 が 進 ん で い な い の が 現 状 で あ る ． こ の こ と か ら ， 既 存 シ ス テ ム や 新 た な 技 術 の 出 現 に 柔 軟 に 対 応 で き る 技 術 が 求 め ら れ て い る ． し か し ， セ キ ュ リ テ ィ 強 度 と 柔 軟 性 ・ 利 便 性 と い っ た 実 用 度 は 相 反 す る 要 素 で あ り ， ひ と つ の 技 術 で あ ら ゆ る 要 求 に 対 応 す る の は 困 難 で あ る ． 従 っ て 今 後 の セ キ ュ リ テ ィ 技 術 は ， セ キ ュ リ テ ィ 強 度 と 実 用 度 を 想 定 す る 利 用 形 態 に 応 じ て 幾 つ か の レ ベ ル に 分 け ， そ

れ ぞ れ に 適 し た 方 式 を 検 討 す る こ と が 重 要 に な る と 考 え ら れ る ．

既 存 の ネ ッ ト ワ ー ク セ キ ュ リ テ ィ 技 術 の 代 表 と し て IPsecが 挙 げ ら れ る^1)～4)．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 の 他 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 ．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 Gateway-to-GatewayやHost-to-Gate- way の IPsec 通 信 を 適 用 す る 際 に 利 用 す る ． し か し 現 実 の 適 用 例 を 見 る と ， イ ン タ ー ネ ッ ト VPN（Virtual Private Network） の 構 築 手 段 と し てGateway-to-Gatewayで ト ン ネ ル モ ー ド を 用 い る 場 合 以 外 に は あ ま り 普 及 し て い な い の が 現 状 で あ る ． こ れ は ， パ ケ ッ ト の 暗 号 化 や 完 全 性 保 証 が も た ら す NA(P)T や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と の 相 性 の 悪 さ に 起 因 し て い る と 考 え ら れ る ． NA(P)T と の 相 性 の 悪 さ を 解 決 す る た め の 一 方 法 と し て ，UDPヘ ッ ダ で ESPを カ プ セ ル 化 す る

“UDP Encapsulation of IPsec Packets”が RFCと

し て 公 開 さ れ て お り ， 有 効 な 手 段 と し て 普 及 し つ つ あ る が ⁵⁾， カ プ セ ル 部 分 は 完 全 性 保 証 の 範 囲 に 含 ま れ て い な い ， ヘ ッ ダ な ど の 追 加 に よ っ て オ ー バ ヘ ッ ド や フ ラ グ メ ン ト が 発 生 す る ， 上 位 層 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 あ る な ど の 課 題 が 残 さ れ て い る ．

我 々 は こ れ ま で に ， 必 要 最 低 限 の セ キ ュ リ テ ィ を 備 え つ つ ，NA(P)Tや フ ァ イ ア ウ ォ ー ル な ど の 既 存 シ ス テ ム に 影 響 え な い こ と ， 高 ス ル ー プ ッ ト を 実 現 で き る こ と ， な ど の 実 用 面 に 重 点 を 置 い た 暗 号 通 信 プ ロ ト コ ル PCCOM（Practical Cipher COMmunication）⁶⁾を 提 案 し ，検 討 を 行 っ て き た ．PCCOM は 主 に ， 多 様 な 利 用 形 態 へ の 対 応 が 求 め ら れ る 一 般 ユ ー ザ 端 末 で 利 用 す る こ と を 想 定 し て い る ． 本 稿 で は ，PCCOM の 実 装 に つ い て 述 べ ，PCCOM が パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 変 え ず に 処 理 す る 方 式 で あ る こ と が ， 実 装 の 容 易 さ を も た ら し ， 性 能 的 に も 有 利 で あ る こ と を 説 明 す る ． ま た ， 性 能 測 定 を 行 い ス ル ー プ ッ ト の 面 で IPsec ESP よ り も 有 利 で あ る こ と を 示 す ．

以 下 ，2 章 で PCCOM の 機 能 と 原 理 ，3 章 で PCCOMの 実 装 ，4章 で 評 価 ，5章 で ま と め と 今 後 の 課 題 に つ い て 述 べ る ．

2. PCCOM

PCCOM が 提 供 す る 機 能 は ， 暗 号 化 に よ る 機 密 性 確 保 と 本 人 性 確 認・完 全 性 保 証 で ，NA(P)T や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル な ど の 既 存 シ ス テ ム に 影 響 を 与 え な い ， パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 変 え な い た め 高 ス ル ー プ ッ ト を 実 現 で き る な ど の 特 徴 が あ る ． 本 章 で は そ の 実 現 方 式 を 記 述 す る ．

2.1. 暗 号 化 範 囲

PCCOM の パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 図 1 に 示 す ．PCCOM で は ， ユ ー ザ デ ー タ 部 分 の み を 暗 号 化 の 対 象 と す る ．NA(P)Tや フ ァ イ ア ウ ォ ー ル ，

上 位 層 プ ロ ト コ ル の 情 報 を 見 る ル ー タ な ど に 影 響 を 与 え な い よ う ，TCP/UDPヘ ッ ダ は あ え て 平 文 の ま ま と す る ． し か し ，PCCOM で は 次 節 で 述 べ る 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 の た め の 工 夫 が 施 さ れ て い る た め ， 改 竄 や 偽 造 に よ る 通 信 の 割 り 込 み や 遮 断 を 試 み る 不 正 な パ ケ ッ ト を 廃 棄 す る こ と が 可 能 で あ り ， 安 全 性 低 下 の 問 題 は 少 な い ． む し ろ ， フ ァ イ ア ウ ォ ー ル が 当 該 ヘ ッ ダ の 内 容 を 用 い た フ ィ ル タ リ ン グ を 行 う こ と が 可 能 に な り ， 実 用 面 で の メ リ ッ ト が 大 き い ． ま た ，PCCOM で は 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 採 用 す る ．よ っ て ，IPsecな ど に 見 ら れ る よ う に 暗 号 化 に よ っ て フ ラ グ メ ン ト が 発 生 す る こ と は な い ．

2.2. 本 人 性 確 認 ・ 完 全 性 保 証

PCCOM で は ， 暗 号 鍵 と パ ケ ッ ト の 内 容 か ら 生 成 し た 疑 似 デ ー タ と 呼 ぶ 値 を 用 い て ， TCP/UDP チ ェ ッ ク サ ム に 独 自 の 計 算 を 施 す こ と で ， 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 行 う ． 以 下 に そ の 原 理 を 示 す ．

暗 号 化/復 号 の 際 は ， 暗 号 鍵 と は 別 に IV

（Initialization Vector）と 呼 ば れ る 初 期 値 を 与 え る 必 要 が あ る ．IV は 暗 号 化/復 号 時 に 同 じ 値 で あ り ， か つ 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 ． 図 2 は 本 提 案 に お け る IV の 生 成 方 法 で あ る ．PCCOM で は ，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 ，ポ ー ト 番 号 ，TCP/UDP チ ェ ッ ク サ ム は 除 く ） と ， 事 前 に 秘 密 裏 に 共 有 し て い る 暗 号 鍵 を 含 め た 値 か ら ハ ッ シ ュ 値 を 求 め ， こ れ を IV と す る ．IV の 種 と し て 暗 号 鍵 を 含 め て い る た め ， 第 三 者 に IV が 知 ら れ る こ と は な い ． こ の IV は ， 以 下 の よ う に 本 人 性 確 認 と パ ケ ッ ト の 完 全 性 保 証 を 実 現 す る た め の キ ー デ ー タ と な る ．

一 般 の 通 信 で は TCP/UDP チ ェ ッ ク サ ム は ， 図2 IV (Initialization Vector) の 生 成 図 1 PCCOMの パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト

- 3 - TCP/UDP ヘ ッ ダ ，TCP/UDP 疑 似 ヘ ッ ダ ， ユ ー ザ デ ー タ か ら 計 算 さ れ る が ，PCCOMで はIVを チ ェ ッ ク サ ム の 計 算 に 含 め て 再 計 算 す る ． オ リ ジ ナ ル デ ー タ と PCCOMの ，TCP/UDPチ ェ ッ ク サ ム の 計 算 範 囲 の 違 い を 図 3に 示 す ． 図 中 の 点 線 は チ ェ ッ ク サ ム 計 算 時 に 疑 似 的 に 作 成 す る ヘ ッ ダ ， デ ー タ を 指 す ． 図 3に お い て 疑 似 デ ー タ

（Pseudo Data） と は ， 暗 号 化 デ ー タ と IV を 元 に 求 め た ハ ッ シ ュ 値 の こ と で ， こ の 値 を 含 め て TCP/UDPチ ェ ッ ク サ ム の 再 計 算 を 行 う ．

完 全 性 保 証 の 流 れ を 以 下 に 述 べ る ． 送 信 側 で は デ ー タ の 暗 号 化 後 ， 上 記 疑 似 デ ー タ を 用 い て TCP/UDP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 生 成 し た 疑 似 デ ー タ を 用 い て TCP/UDP チ ェ ッ ク サ ム を 検 証 す る ． 検 証 結 果 が 正 常 で あ れ ば ， 復 号 を 行 い オ リ ジ ナ ル パ ケ ッ ト に 対 応 す る 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 化 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 と 同 時 に ， 本 人 性 確 認 も 実 現 さ れ る ． パ ケ ッ ト の 改 竄 者 が 改 竄 を 隠 蔽 す る た め に TCP/UDP チ ェ ッ ク サ ム を 再 計 算 し よ う と し て も ， 疑 似 デ ー タ の 内 容 が 分 か ら な い の で ， 正 し い 計 算 を 行 う こ と は で き な い ．

こ の 方 式 に よ る と ， 通 信 径 路 上 に NA(P)T が 介 在 し て IPア ド レ ス ，ポ ー ト 番 号 ，チ ェ ッ ク サ ム が 書 き 換 え ら れ た と し て も ， 完 全 性 保 証 ， 本 人 性 確 認 の 考 え 方 は 維 持 さ れ る ． す な わ ち ， NA(P)Tは IPア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 の 変 換 時 に ， チ ェ ッ ク サ ム の 書 き 換 え も 行 う が ，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 で あ る た め ⁷⁾， 受 信 側 で 行 う チ ェ ッ ク サ ム の 検 証 に は 影 響 を 与 え な い ．IPア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 の 保 証 は 次 節 で 述 べ る 考 え 方 で 実 現 で き る ．

2.3. IPア ド レ ス ・ ポ ー ト 番 号 の 保 証 上 記 の よ う に ，IPア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 は IV 生 成 の 範 囲 に 含 め て い な い が ， こ れ ら の 部 分 の 完 全 性 は ， パ ケ ッ ト の 処 理 内 容 を 記 述 し た 動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル の 検 索 過 程 で 保 証 す る こ と が で き る ． テ ー ブ ル 検 索 の 処 理 を 図 4に 示 す ． 動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル に は ， 送 信 元 と 宛 先 の IP ア ド レ ス と ポ ー ト 番 号 ， お よ び プ ロ ト コ ル 番 号 の 情 報 と そ れ に 対 応 す る 暗 号 化/復 号 ，透 過 中 継 ， 廃 棄 な ど の パ ケ ッ ト の 処 理 内 容 ，暗 号 化/復 号 に 用 い る 鍵 情 報 や ア ル ゴ リ ズ ム な ど が 記 述 さ れ て い る ．一 方 ，こ の テ ー ブ ル は 受 信 パ ケ ッ ト の IP ア ド レ ス ， プ ロ ト コ ル 番 号 ， ポ ー ト 番 号 を 元 に 検 索 さ れ る ． 従 っ て テ ー ブ ル 検 索 後 ， テ ー ブ ル の 内 容 か ら IPア ド レ ス ，プ ロ ト コ ル 番 号 ，ポ ー ト 番 号 を 再 度 確 認 し ， テ ー ブ ル 内 に 該 当 パ ケ ッ ト の 情 報 が 正 し く 存 在 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 ． 但 し ， こ の 方 式 で は 事 前 に 正 し い 内 容 の テ ー ブ ル が 生 成 さ れ て い る こ と が 前 提 と な る ． こ こ で 正 し い テ ー ブ ル の 生 成 を 保 証 す る 方 式 と し て は ，IKE（Internet Key Exchange）⁴⁾やDPRP

（Dynamic Process Resolution Protocol）^8),9)な ど を 流 用 す る 方 式 が 考 え ら れ る ．

3. PCCOM の 実 装

PCCOM の 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 実 装 方 式 ， 仕 様 ・ 構 成 と 動 作 概 要 に つ い て 記 述 す る ．

3.1. 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

図4 テ ー ブ ル 検 索 処 理 図3 チ ェ ッ ク サ ム の 計 算 範 囲

ー ネ ル 内 に 実 装 し た ． 試 作 シ ス テ ム の 実 装 方 式 を 図 5に 示 す ．IP層 で 行 わ れ る 既 存 の 処 理 に 一 切 の 変 更 を 加 え ず ， カ ー ネ ル 空 間 の 関 数 で あ る ip_input()，ip_output()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 ．PCCOM は パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 変 え ず に 処 理 す る 方 式 で あ る た め ， こ の 様 な 方 式 を 容 易 に 実 現 で き る ．IPsecな ど で は ヘ ッ ダ の 追 加 な ど パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト に 変 更 が あ る た め ，IP層 全 体 に 渡 っ て 処 理 の 変 更 が 必 要 と な る ．こ の た め ，PCCOM は 高 ス ル ー プ ッ ト の 暗 号 通 信 を 実 現 で き る と い う 利 点 が あ る ．

3.2. 試 作 シ ス テ ム の 概 要

試 作 シ ス テ ム の 仕 様 を 表 1に 示 す ． 動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル は ハ ッ シ ュ テ ー ブ ル と し て 実 装 す る ．暗 号 ア ル ゴ リ ズ ム は AES（ 鍵 長 は 128ビ ッ ト ）を 採 用 し ，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 ，出 力 値 が128 ビ ッ ト と な る MD5 を 用 い た ． 尚 ， 暗 号 ラ イ ブ ラ リ と し て OpenSSL（openssl-0.9.7d）を 採 用 し た ．

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 ， PCCOMの サ ブ モ 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 ． メ イ ン モ ジ ュ ー ル に 渡 さ れ た パ ケ ッ ト は ，RIP やDHCP の よ う な ル ー テ ィ ン グ・IPア ド レ ス 設 定 に 関 わ る パ ケ ッ ト で な い こ と を 判 別 後 ， 予 め 用 意 し た 動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル に 基 づ き 処 理 を 実 行 す る ．動 作 処 理 情 報 テ ー ブ ル に は IPア ド レ ス ， プ ロ ト コ ル 番 号 ， ポ ー ト 番 号 と ， そ れ に 対 応 す る 暗 号 化/復 号 ，透 過 中 継 ，廃 棄 な ど の 動 作 内 容 が 記 さ れ て い る ． テ ー ブ ル 検 索 キ ー で あ る IPア ド レ ス ，プ ロ ト コ ル 番 号 ，ポ ー ト 番 号 か ら 算 出 し た ハ ッ シ ュ 値 で レ コ ー ド を 検 索 し ， レ コ ー ド に 記 さ れ た 動 作 内 容 に 応 じ て 対 応 す る 処 理 を 行 う ．

試 作 シ ス テ ム を 用 い て ， パ ケ ッ ト フ ィ ル タ リ ン グ タ イ プ の フ ァ イ ア ウ ォ ー ル お よ び NA(P)T を 中 継 し て 通 信 で き る こ と を 確 認 し ， フ ィ ー ル ド の 内 容 を 書 き 換 え た 場 合 ， 不 正 パ ケ ッ ト と し て 検 出 で き る こ と を 確 認 し た ．

4. 評 価

4.1. IPsec ESPと の す み わ け

IPsec ESPとPCCOMを ６ 項 目 に お い て 定 性 的 に 比 較 し た 結 果 を 表 2に 示 す ．

IPsec ESPは ，高 い 機 密 性 と 強 力 な 認 証 機 能 を 提 供 し て い る が ，TCP/UDPヘ ッ ダ の 暗 号 化 や 完 全 性 保 証 が 原 因 で NA(P)T や フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と 相 性 が 悪 い ．“UDP Encapsulation of IPsec Packets ”に よ っ てNA(P)Tを 通 過 さ せ る 手 法 が あ る が ， カ プ セ ル 部 分 は 完 全 性 保 証 の 範 囲 に 含 ま れ ず ， オ ー バ ヘ ッ ド が 増 し て し ま う ． 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 ， ユ ー ザ デ ー タ 部 分 の み を 暗 号 化 の 対 象 と し ， 本 人 性 確 認 ・ 完 全 性 保 証 の 実 現 に よ り TCP/UDP ヘ ッ ダ が 平 文 で あ る こ と に よ る 安 全 性 低 下 を 防 止 し て お り ， む し ろ フ ァ イ ア ウ ォ ー ル の パ ケ ッ ト フ ィ ル タ リ ン グ に よ っ て ， 管 理 者 が 許 可 し た 用 途 の パ ケ ッ ト の み を 通 過 さ せ る こ と が で き る と い う 利 点 が あ る ． ま た ，

表2 IPsec ESPと の 比 較. 機 密 性 本 人 性

確 認

完 全 性

保 証 NA(P)T FW Frag ment

IPsec ESP ◎ ◎ ◎ △ △ ×

PCCOM ○ ○ ○ ○ ○ ○

表1 試 作 シ ス テ ム の 仕 様 項 目 内 容 テーブル検 索 方 式 ハ ッ シ ュ 法

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

図5 試 作 シ ス テ ム の 実 装 方 式

- 5 - NA(P)Tの 通 過 が 可 能 で あ り ，PCCOMの 処 理 に よ る フ ラ グ メ ン ト は 発 生 し な い ．

IPsecを 導 入 す る 場 合 は ，強 靭 な セ キ ュ リ テ ィ を 必 要 と す る 部 門 が 適 し て お り ，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 課 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 ， 最 低 限 の セ キ ュ リ テ ィ 機 能 を 備

え て い る ， 高 ス ル ー プ ッ ト を 実 現 で き る な ど の 点 で ， 実 用 性 が 高 く 企 業 ネ ッ ト ワ ー ク な ど に 比 較 的 容 易 に 導 入 で き る と 考 え ら れ る ．

4.2. 試 作 シ ス テ ム の 性 能 評 価

試 作 シ ス テ ム とIPsec（KAME） を 実 装 し た 2 台 の 端 末 間 の 通 信 性 能 を 測 定 し た ． ま た ， PCCOM 内 部 の 処 理 時 間 を モ ジ ュ ー ル 別 に 測 定 し ， 処 理 の ネ ッ ク と な っ て い る 部 分 を 明 ら か に し た ． 実 験 に 用 い た 端 末 の 仕 様 を 表 3に 示 す ． IPsecの 設 定 は ，試 作 シ ス テ ム の 仕 様 と 条 件 が 同 じ に な る よ う に ，ESPト ラ ン ス ポ ー ト モ ー ド で ， 暗 号 ア ル ゴ リ ズ ム はAES（ 鍵 長 は128ビ ッ ト ），

認 証 ア ル ゴ リ ズ ム は HMAC-MD5 と し ， リ プ レ イ 防 御 機 能 は OFFと し た ．

4.2.1. 通 信 性 能 の 測 定

図6(a),(b),(c)は メ ッ セ ー ジ サ イ ズ （IPデ ー タ グ ラ ム 長 ） と ス ル ー プ ッ ト の 関 係 を ，10BASE，

100BASE，1000BASE の 通 信 環 境 ご と に ， 暗 号 化 を し な い 場 合（ 以 下 ，Normal），PCCOMお よ び IPsec ESP に お い て 比 較 し た も の で あ る ． ス ル ー プ ッ ト の 測 定 に は ネ ッ ト ワ ー ク ベ ン チ マ ー ク ソ フ ト Netperf¹⁰⁾を 用 い た ． 測 定 結 果 は 10 回 試 行 の 平 均 値 で あ る ．

10BASE の 環 境 で は ，ESP に お い て は 若 干 の 性 能 低 下 が 見 ら れ た も の の ， 処 理 す べ き パ ケ ッ ト 数 が 少 な い た め ，PCCOM，ESPの 処 理 オ ー バ ヘ ッ ド は ネ ッ ク と な っ て い な い ．100BASEの 環 境 で は ，NormalとPCCOMはNICの 上 限 性 能 を 発 揮 し て お り PCCOMに 性 能 低 下 は 見 ら れ な か っ た ．そ れ に 対 し ESPは 長 パ ケ ッ ト で は Normal か ら 約 9.7%性 能 が 低 下 し て お り ，短 パ ケ ッ ト で は 約 28.5%低 下 し て い る ． ま た 1000BASE の 環 境 で は ， 長 パ ケ ッ ト の 場 合 PCCOM は Normal か ら 約 17.6%性 能 が 低 下 し て お り ，ESP で は 約 61.5%低 下 し て い る ．短 パ ケ ッ ト の 場 合PCCOM は Normal か ら 約 58.8%性 能 が 低 下 し て お り ， ESPで は 約 83.4%低 下 し て い る ．

短 パ ケ ッ ト に な る ほ ど ス ル ー プ ッ ト が 落 ち 込 む の は ， 相 対 的 に 処 理 す べ き パ ケ ッ ト 数 が 多 く な る の で ， ソ フ ト ウ ェ ア に よ る オ ー バ ヘ ッ ド の 占 め る 割 合 が 大 き く な る た め と 考 え ら れ る ． と り わ け ESPの 短 パ ケ ッ ト で は ，ヘ ッ ダ の 追 加 な ど 暗 号 化 以 外 の 処 理 ネ ッ ク が 顕 著 に 現 れ て い る と い え る ．

次 に ，1000BASE の 環 境 に お い て ，FTP で 500MBの フ ァ イ ル を ダ ウ ン ロ ー ド す る の に 要 図6 ス ル ー プ ッ ト 測 定 結 果

(c) 1000BASE environment

275.64 189.40

538.09 589.60 570.25

156.10

234.97 210.81

189.20 214.69

72.50 82.72 89.76 92.60 94.87

0 100 200 300 400 500 600 700

64 128 256 512 1024

Message size (bytes)

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME) 86.47 94.14 94.14

94.14

94.14 94.14

74.57 66.83

81.33 84.95

0 20 40 60 80 100

64 128 256 512 1024

Message Size (bytes)

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME)

(b) 100BASE environment (a) 10BASE environment

7.90 7.90

7.83 7.90 7.92 7.85 7.86 7.90 7.92 7.83 7.53 7.58

7.54 7.62 7.56

0 2 4 6 8 10

64 128 256 512 1024

Message Size (bytes)

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME)

表3 実 験 端 末 の 仕 様

Items Contents

CPU Pentium4 2.4GHz

Memory 256MB

NIC 100BASE-TX, 1000BASE-TX OS FreeBSD (5.1 Release)

し た 時 間 を 図 7に 示 す ．測 定 結 果 は 10回 試 行 の 平 均 値 で あ る ．PCCOM は Normal の 約 145.1%

の 時 間 で あ る の に 対 し ，ESPは 約311.6%の 時 間 を 要 し て い る ．

4.2.2. PCCOM 内 部 の 処 理 コ ス ト

PCCOM に お け る 処 理 過 程 で の 処 理 コ ス ト を 調 べ る た め に PCCOMの 内 部 処 理 時 間 を モ ジ ュ ー ル 別 に 測 定 し た ． 内 部 処 理 時 間 は ，RDTSC

（ReaD Time Stamp Counter） を 用 い て 処 理 前 後 のCPUク ロ ッ ク カ ウ ン タ 値 を 求 め ，両 者 の 差 か ら 算 出 し た ．

各 モ ジ ュ ー ル の 処 理 時 間 と そ の 比 率 を 表4に 示 す ． 測 定 結 果 は FTP の 通 信 中 に 流 れ た 1500 バ イ ト の IPパ ケ ッ ト 10個 の 結 果 の 平 均 値 で あ る ． 表 4 よ り ， 送 信 側 ， 受 信 側 と も に 暗 号 化/

復 号 が 処 理 の 大 部 分 を 占 め て い る こ と が 分 か る ． パ ケ ッ ト フ ォ ー マ ッ ト を 変 え な い た め ， そ れ 以 外 の 処 理 の オ ー バ ヘ ッ ド は 小 さ い ． 試 作 シ ス テ ム で は 暗 号 化/復 号 の 処 理 を ソ フ ト ウ ェ ア で 処 理 し て い る が ， 専 用 の ハ ー ド ウ ェ ア 暗 号 エ ン ジ ン を 用 い る な ど で ， 処 理 時 間 の 大 幅 な 短 縮 が 期 待 で き る ．ESPで は ， ヘ ッ ダ オ ー バ ヘ ッ ド な ど の 暗 号 化/復 号 以 外 の 処 理 の 割 合 が 大 き い た め ， ハ ー ド ウ ェ ア 暗 号 エ ン ジ ン を 用 い た PCCOM 程 の 効 果 は 得 ら れ な い と 考 え ら れ る ．

5. ま と め

実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 プ ロ ト コ ル PCCOMの 実 装 に つ い て 述 べ ， 評 価 を 行 っ た ．

評 価 の 結 果 ，PCCOMはNA(P)Tや フ ァ イ ア ウ ォ ー ル と の 相 性 と い っ た 柔 軟 性 や ， ス ル ー プ ッ ト の 面 で 有 効 で あ る こ と を 確 認 し た ． ま た ， PCCOM 内 部 の 処 理 時 間 を モ ジ ュ ー ル 別 に 測 定 し ，処 理 の 大 部 分 が 暗 号 化/復 号 で あ る こ と を 示 し た ．

今 後 は ， リ プ レ イ 攻 撃 へ の 対 策 に つ い て 検 討 す る ．PCCOMはIPv4とIPv6で 原 理 的 な 相 違 は な い が ，IPv6の 場 合 に つ い て も 検 討 し て い く 予 定 で あ る ．

謝 辞

本 研 究 は （ 財 ） 栢 森 情 報 科 学 振 興 財 団 の 助 成 を 受 け て 実 施 し た も の で あ る ．

参 考 文 献

1) S. Kent and R. Atkinson “Security Architec- ture for the Internet Protocol”, RFC2401, Aug.

1998.

2) R. Atkinson, “IP Authentication Header”

RFC2402, Dec. 1998.

3) R. Atkinson, “IP Encapsulation Security Pay- load (ESP)”, RFC2406, Dec. 1998.

4) D. Harkins and D. Carrel, “The internet key exchange (IKE)”, RFC2409, Dec. 1998.

5) A. Huttunen, B. Swander, V. Volpe, L.

Diburro, and M. Stenberg, “UDP Encapsula- tion of IPsec Packets”, RFC3948, Jan. 2005.

6) 増 田 真 也 ， 渡 邊 晃 ，“ 実 用 性 を 重 視 し た 暗 号 通 信 方 式 の 提 案 ”， 情 処 研 法 ， 2004-CSEC-26, pp.267-274, Jul. 2004.

7) K. Egevang and P. Francis, “The IP Network Address Translator (NAT)”, RFC1631 May.

1994”.

8) 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.

9) 鈴 木 秀 和 ， 渡 邊 晃 ，“ フ レ キ シ ブ ル プ ラ イ ベ ー ト ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 動 的 処 理 解 決 プ ロ ト コ ルDPRP の 仕 組 み ”，情 処 研 法 ， 2004-CSEC-26, pp.259-266, Jul. 2004.

10) Netperf, http://www.netperf.org/

表 4 各 モ ジ ュ ー ル の 処 理 時 間 と そ の 比 率

モジュール 処 理 時 間

（μs）

比 率

（%）

IV生 成 0.868 3

暗 号 化 26.043 90

疑 似 データ生 成 1.704 6

送 信 側

チェックサム再 計 算 （独 自 ） 0.294 1

IV生 成 0.890 3

疑 似 データ生 成 2.863 9

チェックサム検 証 （独 自 ） 0.281 1

復 号 25.547 83

受 信 側

チェックサム再 計 算(通 常) 1.286 4 図7 500MBフ ァ イ ル のFTPダ ウ ン ロ ー ド 時 間

13.94 20.22

43.43

0 10 20 30 40 50

Download time (sec)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME)

実用暗号通信 PCCOM の実装と評価

名城大学大学院理工学研究科

増田 真也 渡邊 晃

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

Personal Firewall

，

Firewall

，

Internet

セキュリティ技術の分類

SSL/TSL

，

，

GW

3

盗聴 改ざん

なりすまし

主な対策

はじめに

• 通信間を保護する技術

– SSL/TSL

，

（レイヤ４以上）

– IPsec etc.

（レイヤ３）

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

アプリケーションに依存することなく安全を確保

はじめに

• 一方，セキュリティ上の脅威は …

–

内部犯罪が被害の半数近くを占めている

インターネットと企業ネットワークの総合対策

GW

に

，

が存在

レベルのセキュリティ 技術と相性が悪い

既存システムや新たな技術に対応したセキュリティ技術が求められる

セキュリティ強度 実用度（柔軟性・利便性）

9 企業間を結ぶ通信 9 重要サーバとの通信

9 一般端末との通信 etc.

利用形態に適した方式を

検討することが重要

5

IPsec ESP

（トランスポートモード）

オリジナル

→ 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

IPアドレス・ポート番号を変換

IPsec ESP

• 既存のネットワークセキュリティ技術

– IPsec

・・・ 強力なセキュリティ． 企業間通信などで利用．

• IPsec ESP（Encapsulation Security Payload）・・・暗号通信方式について規定

既存技術

ポート番号

Firewall

？

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

ヘッダの付加による

暗号部分で、書き換えられない

改ざんと見なされる

PCCOM

• PCCOM （ Practical Cipher COMmunication ）

–

必要最低限のセキュリティ

–

既存システムにほとんど影響を与えない

高スループットを実現できる

提案方式

適用対象

GW

多様な利用形態への対応が求められる一般端末

P2P

通信 企業ネットワーク

本発表 本発表 PCCOM PCCOM の実装と評価について報告 の実装と評価について報告

（NAPT）

7

PCCOM の原理 ^{−特 徴−}

–

パケットフォーマットを変えない

–

敢えてユーザデータのみを暗号化し、パケット全体の完全性を保証

• Firewall の通過，従来通りパケットフィルタリングを行える

• 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 IPヘッダ，TCP/UDPヘッダは平文

• 完全性保証・本人性確認により，不正パケットを廃棄

–

完全性保証・本人性確認 特 徴

IPヘッダ TCPヘッダ データ

完全性保証（転送中に変化しないフィールド^※）

暗号部分

IV

情報を含めた疑似データと呼ぶ値を用いて実現

PCCOM の原理 −完全性保証・本人性確認−

– IV とは・・・ 暗号化/復号の際に、暗号鍵とは別に必要な初期値

9 暗号化/復号で同じ値

9 パケットごとに異なる値 （セキュリティ上の問題）

9 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

IV

の条件

完全性保証と本人性確認の役割も果たす

IP

アドレス，ポート番号，

TCP/UDP

チェックサムは除く

（

）の生成

9

PCCOM の原理 −完全性保証・本人性確認−

– TCP/UDP

チェックサムフィールドに着目 完全性保証・本人性確認

–

疑似データは正当な（鍵を共有している）相手しか作れない 暗号化データ，

生成に用いたフィールド の完全性を保証

–

送信側

受信側のチェックサムの計算範囲を，独自（右側）の方式にする チェックサム計算

範囲の違い

本人性確認の実現

PCCOM の原理 −完全性保証・本人性確認−

– NA(P)T

を経由する場合

→

アドレス，ポート番号が変換される

→ 同時に，チェックサムの書き換えも行われる 完全性保証・本人性確認

再計算ではない

→ PCCOM PCCOM のチェックサム検証には影響を与えない のチェックサム検証には影響を与えない

変換部分（

アドレス，ポート番号）の差分計算

におけるチェックサムの書き換え

11

PCCOM の原理 ⁻

アドレス，ポート番号の保証−

– PCCOM

：

アドレス，ポート番号を完全性保証の範囲に含めていない

→ 動作処理情報テーブルの検索過程で保証

アドレス，ポート番号の保証

–

正しいテーブルの生成を保証する方式 ：

テーブル検索で正しい情報が存在

→ IPアドレスとポート番は改ざんされていなかった

実 装

– FreeBSD

（

）のカーネルにモジュールを組み込む

層で行われる既存の処理に一切変更を加えない

–

カーネル空間の関数

，

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

実装方式

13

実 装

試作システムの概要

MD5 ^※

ハッシュ関数

128

ビット 鍵長

AES

（

モード）

暗号アルゴリズム

ハッシュ法 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

性能評価

実験内容

–

試作システムと

（

スタック）を実装した

台の端末間の通信 性能を測定し、定量評価を行う （①，②）

– PCCOM

内部の処理時間をモジュール別に測定し，処理ネックの部分を 明らかにする （③）

– 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

15

性能評価 ①

–

１０

，１００

，

の環境ごとに，以下の性能を測定

暗号化しない場合（以降，

）

9 PCCOM 9 IPsec ESP

–

ネットワークベンチマークソフト

を使用

測定結果は

回試行の平均値

スループットの測定

性能評価 ①

– ESP

においては若干の性能低下が見られたものの，処理すべきパケッ ト数が少ないため，

，

の処理オーバヘッドはネックとなって いない

スループットの測定

7.90 7.90

7.83 7.90 7.92 7.85 7.86 7.90 7.92 7.83

7.53 7.58

7.54 7.62 7.56

0 2 4 6 8 10

64 128 256 512 1024

Message Size (bytes)

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME)

10BASE

17

性能評価 ①

– Normal

と

は

の上限性能を発揮しており，性能低下は見ら れない

– ESP

は，長パケットでは

から約

低下 短パケットでは約

低下

スループットの測定

86.47

94.14 94.14

94.14

94.14 94.14

74.57 66.83

81.33 84.95

0 20 40 60 80 100

64 128 256 512 1024

Mes s age Size (bytes )

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial s ys tem) IPs ec ESP (KA ME)

性能評価 ①

–

長パケット

PCCOM

は

から約

，

は約

低下

短パケット

PCCOM

は

から約

，

は約

低下 スループットの測定

275.64 189.40

538.09 589.60 570.25

156.10

234.97 210.81

189.20 214.69

72.50 82.72 89.76 92.60 94.87

0 100 200 300 400 500 600 700

64 128 256 512 1024

M es s age s ize (bytes )

Throughput (Mbps)

Normal PCCOM (Trial s ys tem) IPs ec ESP (KA ME)

19

性能評価 ②

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

通信環境：

–

測定結果は

回試行の平均値

– PCCOM

：

の約

倍の時間

：

の約

倍の時間

13.94

20.22

43.43

0 10 20 30 40 50

Download time (sec)

Normal PCCOM (Trial system) IPsec ESP (KAME)

性能評価 ③

PCCOM

内部の処理コスト

– PCCOM

の内部処理時間をモジュール別に測定

（

）を利用

– FTP

の通信中に流れた

バイトの

パケット

個の結果の平均値

4 1.286

チェックサム再計算（通常）

83 25.547

復号

1 0.281

チェックサム検証（独自）

9 2.863

疑似データ生成

3 0.890

IV生成

受信 側

1 0.294

チェックサム再計算（独自）

6 1.704

疑似データ生成

90 26.043

暗号化

3 0.868

IV生成

送信 側

比率（

） 処理時間（μ

）

モジュール

21

IPsec ESP との比較

○

○

○

○

○ PCCOM ○

×

△

△

◎

◎

◎ IPsec ESP

ﾌﾗｸﾞﾒﾝﾄ Firewall

NA(P)T 本人性確認

完全性保証 機密性

• IPsec ESP

– 高い機密性と強力な認証機能 – NA(P)T や Firewall と相性が悪い

– 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

– ユーザデータ部分のみを暗号化

• パケット全体の完全性保証により、必要最低限のセキュリティを維持

• トラフィック解析の恐れ

– NA(P)T，Firewall の通過

– 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

– PCCOM の実装と評価

• NA(P)T

や

との相性といった柔軟性や，スループットの 面で有効であることを確認

• PCCOM

内部の処理時間をモジュール別に測定

→

処理の大部分は暗号化

復号

• 今後

– リプレイ攻撃への対策

– IPv6 の場合についても検討

企業間通信などの強力なセキュリティを要する場合に適している

，

との相性などに注意

実用性が高く，企業ネットワークなどに比較的容易に導入できる

PCCOM

ご清聴ありがとうございました

※ 本研究は（財）栢森情報科学振興財団の助成を受けて実施したものである