ESPとは何ですか？

Encapsulating Security Payload（ESP）は、IPsecプロトコル（IPプロトコル番号50）であり、トンネル化されたIPパケットの内容を暗号化および認証します。これはIPsecの中核を担うプロトコルです。IKEが鍵のネゴシエーションを行う一方で、ESPは、VersaのSD-WANオーバーレイおよびSASE クライアント接続のいずれにおいても、トンネルを通過するすべてのパケットを保護するという実際の処理を担当します。

主なポイント

• ESPは、トンネル化されたIPパケットの暗号化、認証、および完全性保護を行います。
• これはIPプロトコル番号50として動作し、AHや通常のIKEとは区別されます。
• IKEはセキュリティアソシエーションをネゴシエートし、ESPはそれをパケットごとに適用します。
• トンネルモードではパケット全体がカプセル化されますが、トランスポートモードではペイロードのみがカプセル化されます。
• Versa SD-WANオーバーレイパスおよびSASE クライアントVPNトンネルにESPを使用します。

このページの内容： その重要性 ・ 仕組み ・ 種類 ・ ESP &Versa · よくある質問

ESPはなぜ重要なのでしょうか？

ESPは、IPsecの中で実際にデータの保護を行う部分です。IKEはピア認証と鍵ネゴシエーションを担当しますが、IPsecトンネルを通過するすべてのパケットは、ESPによってカプセル化、暗号化、認証されます。ESPはアプリケーション層の下で動作するため、トンネル内のあらゆるプロトコルは変更されることなく保護されます。これが、サイト間VPN、SD-WANオーバーレイ、リモートアクセスクライアントのいずれにおいても、ESPが基盤となっている理由です。

また、ESPは、IPsecのデフォルトプロトコルとして、その姉妹プロトコルである認証ヘッダー（AH）に取って代わりました。AHは、外側のヘッダーフィールドを含めてパケットの認証を行いますが、暗号化機能は提供しません。また、これらのフィールドをカバーしているため、アドレスの書き換えが行われると、NATゲートウェイを通過することが不可能になります。 ESPはペイロードのみを認証するため、NATへの対応がはるかに優れています。ただし、それだけでは不十分です。ESPはIPプロトコル50であり、NATデバイスがマッピングできるポートを持っていないため、一般的なケースでは、トンネルはNAT-Traversal（NAT-T、RFC 3948）に依存します。NAT-Tは、IKEネゴシエーション中に経路上のNATを検出し、ESPをUDPポート4500内にカプセル化します。 AHではNATの通過が不可能であるのに対し、ESPではこれが可能であるという点が、ESPがほぼ普遍的な選択肢となった理由の一つです。

ESPとは何ですか？

構造的には、ESPは保護対象のデータをヘッダーとトレーラーで挟み込むように構成されています。ヘッダーには、使用するセキュリティアソシエーション（ひいては使用する鍵やアルゴリズム）を特定するセキュリティパラメータインデックス（SPI）と、リプレイ攻撃を防ぐためのシーケンス番号が含まれます。ペイロードはネゴシエーションによって決定された暗号方式で暗号化され、トレーラーにはパディング、ネクストプロトコルフィールド、および改ざん検出のためのオプションの整合性チェック値が追加されます。

ESPフローを管理するセキュリティアソシエーション（SA）は、事前にIKEによってネゴシエーションされます。これには、暗号方式、ハッシュまたはAEADモード、および鍵の有効期間が含まれます。ESP自体は何もネゴシエーションせず、SAで指定された内容をそのまま適用します。そのため、VersaのVOSデバイスでは、ESPを、鍵交換に使用されるIKEトランスフォームとは別の、独立した「IPsecトランスフォーム」として提供しています。

ESPの種類

ESPは2つのカプセル化モードをサポートしています。トンネルモードは、元のIPパケット全体を新しい外側のパケットで包み込み、元のアドレス情報を隠します。これは、事実上すべてのサイト間VPNおよびリモートアクセスVPNで使用されています。トランスポートモードは、ペイロードのみを暗号化し、元のヘッダーは公開されたままにします。これは主にホスト間通信の保護に使用されます。

暗号方式の選択は、世代を経て進化してきました。初期の導入事例では、3DES や AES-CBC と、別の MD5 や SHA ハッシュを組み合わせて使用していました。現代の導入事例では、AES-GCM などの複合（AEAD）モードが好まれており、ハードウェアアクセラレーションによる単一の処理パスで暗号化と認証を同時に行います。 また、暗号化を行わず認証のみを行う「NULL暗号化」オプションも存在します。Versa社のVOSデバイスは、CBC、GCM、CTRモードの3DESおよびAESに、MD5、SHA-1、SHA-2、またはXCBCハッシュを組み合わせたもの、さらにNULLを含む、これらすべての機能を網羅しています。

ESP &Versa

Versa ESPは2か所で使用されます。SD-WANオーバーレイでは、ESPはコントローラーノードとCPEデバイス間のIPsecパス上を流れる制御プレーンおよびデータプレーンのトラフィックを暗号化します。すべてのオーバーレイパスは、その基盤においてESPで保護されたトンネルとなっています。Versa のSecure Access Serviceでは、ESPがSASE クライアントとそのゲートウェイ間のトンネルを保護します。管理者は別々のタブでIKEおよびIPsecのフィールドを設定し、鍵交換用のIKEトランスフォームと、それとは別のIPsecトランスフォーム（暗号化方式とハッシュ方式）に加え、PFSグループおよびSAの有効期間（デフォルトは28,800秒）を選択します。

SASE クライアントは、DTLS、IPsec、TLSの順でトンネル接続を試行できるため、ESPベースのIPsecは3つのトランスポートオプションの1つであり、 Secure SD-WANおよびNGFWの展開において、設定は同一です。トンネル認証には、CA証明書または事前共有鍵が使用されます。

よくある質問

ESPとAHの違いは何ですか？

AHは、外側のヘッダーフィールドを含むパケットの認証を行うが、暗号化は行わない。一方、ESPはペイロードを暗号化し、保護対象の部分のみを認証する。ESPは外側のヘッダーをカバーしないため、NATデバイスを経由することができる（ただし、ポートレスなIPプロトコルであるため、通常はNATトラバーサル（UDP 4500カプセル化）が必要となる）。一方、AHはNATを経由することがまったくできない。 そのため、現代のIPsec導入のほぼすべてでESPが使用されており、AHが導入されることはほとんどありません。

ESPヘッダーは何でできているのですか？

ESPヘッダーには、セキュリティアソシエーションを識別するセキュリティパラメータインデックスと、リプレイ攻撃を防ぐためのシーケンス番号が含まれます。このヘッダーは暗号化されたペイロードの前に配置され、その後にパディング、ネクストヘッダーフィールド、および認証用のオプションの整合性チェック値を含むトレーラーが続きます。

ESPは常にトラフィックを暗号化するのでしょうか？

必ずしもそうとは限りません。ESPには、パケットを暗号化せずに認証を行う「NULL暗号化」オプションが用意されており、トラブルシューティングや、機密性が別の場所で確保されている場合に役立ちます。本番環境（Versa の展開を含む）では、ESPはほぼ常にAES-GCMやAES-CBCなどの実際の暗号方式で設定されます。

ESPのトンネルモードとトランスポートモードの違いは何ですか？

トンネルモードでは、元のIPパケット全体を新しい暗号化されたパケット内にカプセル化し、内部のアドレス情報を隠蔽します。これは、サイト間VPNおよびリモートアクセスVPNのデフォルト設定です。トランスポートモードでは、ペイロードのみを暗号化し、元のヘッダーは公開されたままにします。これは主に、ホスト間での直接的な通信保護に使用されます。

ESPが使用するキーは、どのような仕組みで決定されるのでしょうか？

IKE（インターネット・キー・エクスチェンジ）は、ESPが依存するセキュリティアソシエーションのネゴシエーションを行い、ピアの認証や、暗号方式、ハッシュ関数、鍵の有効期間について合意を形成します。ESP自体はネゴシエーションを行わず、アクティブなセキュリティアソシエーションで指定された設定を、保護対象となるすべてのパケットに適用します。

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