今回は、皆さんの学習に役立つよう、ネットワークセキュリティの重要なプロトコルの一つである「DTLS」について、分かりやすく解説していきたいと思います。
情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 秋期 午前2 問15
【出典：情報処理安全確保支援士試験 令和6年度 秋期 午前2（一部、加工あり）】
DTLSの特徴はどれか。
ア IPパケットの暗号化を可能としている。
イ PPPで接続する際のチャレンジレスポンス認証機能をイーサネット上の通信に提供している。
ウ TCPのペイロードデータの暗号強度をTLSよりも強化している。
エ UDPのペイロードデータの暗号化を可能としている。
1. DTLSとは？その定義
DTLS（Datagram Transport Layer Security）は、その名の通り「データグラム」の通信にセキュリティをもたらすプロトコルです。これは、皆さんがよくご存知のTLS（Transport Layer Security）プロトコルを基盤としており、TLSがTCP（Transmission Control Protocol）のような信頼性の高い（つまり、データの順序保証や再送制御がある）トランスポート層プロトコル上で動作するのに対し、DTLSはUDP（User Datagram Protocol）のような信頼性の低い（順序保証や再送制御がない）プロトコル上でセキュリティを確保するために開発されました。
2. なぜDTLSが必要とされたのか？その背景・経緯
インターネットの進化とともに、リアルタイム性が重視されるアプリケーションが増えてきました。音声通話（VoIP）、ビデオ会議（WebRTC）、オンラインゲーム、IoT（Internet of Things）デバイスからのデータ送信などがその代表例です。これらのアプリケーションでは、多少のパケット損失があっても通信を止めない方がユーザー体験が良い場合が多く、軽量で高速なUDPが頻繁に利用されます。
しかし、UDPはTCPと異なり、セキュリティ機能（暗号化や認証など）を標準で持ちません。このため、UDP上で機密性の高いデータを安全にやり取りするためには、別途セキュリティ対策が必要でした。そこで、広く普及し、セキュリティの実績があるTLSの仕組みをUDPに適用できるよう、DTLSが策定されました。
3. DTLSの仕組み：UDPの特性への対応
DTLSはTLSの多くの部分を再利用していますが、UDPの「非信頼性」に対応するためのいくつかの重要な拡張が加えられています。
- コネクションレス性への対応: UDPはコネクションを確立しないプロトコルです。DTLSでは、TLSのハンドシェイク（通信相手の認証や暗号鍵の交換を行うプロセス）をUDP上で行うために、メッセージの再送メカニズムや、メッセージの順序付け、重複排除の仕組みが独自に実装されています。
- フラグメンテーションと再構築: 大きなDTLSメッセージがUDPのパケットサイズを超えて分割される場合、DTLS層でその分割と再構築が行われます。
- DoS攻撃対策: TLSではコネクション確立時にクライアントからの大量接続要求によってサービスが停止するリスクがあります。DTLSでは、ハンドシェイクの初期段階でクライアントが有効なIPアドレスから接続しているかを確認する「HelloVerifyRequest」などの仕組みを導入し、サービス拒否（DoS）攻撃への耐性を高めています。
- エポックとシーケンス番号: DTLSレコード層では、暗号化されたデータの各パケットに「エポック（通信セッションの変化を示す番号）」と「シーケンス番号（パケットの順序を示す番号）」が付加されます。これにより、UDPでパケットが損失したり順序が入れ替わったりしても、受信側で正しく復号・検証することが可能になります。
4. DTLSの主な利用事例
DTLSはその特性から、以下のような幅広い分野で利用されています。
- VoIP (Voice over IP): IP電話などの音声通信のセキュリティ確保に利用されます。
- WebRTC (Web Real-Time Communication): ウェブブラウザ間でリアルタイムな音声・ビデオ通話を実現する技術で、すべての通信にDTLSによる暗号化が義務付けられています。
- VPN (Virtual Private Network): データグラムベースのVPNトンネルのセキュリティに利用されることがあります。
- オンラインゲーム: 低遅延が求められるゲーム通信の暗号化に利用されることがあります。
- IoT (Internet of Things): リソースが限られたIoTデバイス間でのセキュアな通信にもDTLSが採用されています。
5. DTLSの課題と対策
DTLSはUDPの非信頼性に対応するために独自の仕組みを導入していますが、それが新たな課題を生むこともあります。
- 複雑性: UDPの特性に対応するための再送やフラグメンテーションなどのメカニズムにより、TLSと比較してプロトコルが複雑になり、実装やデバッグが難しくなることがあります。
- オーバーヘッド: 再送制御やシーケンス番号の付与などにより、TLSよりも若干のオーバーヘッドが増加し、場合によっては遅延やリソース消費が増える可能性があります。
これらの課題に対しては、実装の最適化や、プロトコルバージョンの更新による効率化（後述のDTLS 1.3など）が進められています。
6. 今後の動向：DTLS 1.3
2022年には、TLS 1.3の進化を取り込んだDTLS 1.3 (RFC 9147) が発表されました。DTLS 1.3は、セキュリティと効率性をさらに向上させる多くの改善が盛り込まれています。
- ハンドシェイクの高速化（0-RTTデータ）: セッション再開時に最初のラウンドトリップでアプリケーションデータを送信できるようになり、レイテンシを大幅に削減できます。
- 強化されたセキュリティ: 脆弱な暗号スイートの利用を制限するなど、より強力なセキュリティが確保されます。
- 接続識別子（CID: Connection ID）: ネットワークパスが変更された場合でも、IPアドレスやポート番号の変更に依存せずに接続を継続できる機能が導入されました。これにより、モバイル環境などでの安定性が向上します。
- ヘッダーの効率化: 新しい効率的なヘッダー形式が導入され、エポックやシーケンス番号が難読化されることで、トラフィック分析がより困難になります。
DTLS 1.3の登場により、UDPを利用するアプリケーションのセキュリティとパフォーマンスはさらに向上することが期待されています。
問題解説
それでは、先ほどの問題について解説していきましょう。
DTLSの特徴はどれか。
ア IPパケットの暗号化を可能としている。 → IPパケットの暗号化は主にIPsec（Internet Protocol Security）の機能であり、DTLSの直接的な特徴ではありません。
イ PPPで接続する際のチャレンジレスポンス認証機能をイーサネット上の通信に提供している。 → DTLSはPPP（Point-to-Point Protocol）の認証とは関係ありません。
ウ TCPのペイロードデータの暗号強度をTLSよりも強化している。 → DTLSはTLSをUDP向けに拡張したものであり、TCPのペイロードデータを対象とするものではありません。また、TLSと比較して暗号強度を「強化」しているわけではありません。
エ UDPのペイロードデータの暗号化を可能としている。 → これが正解です。 DTLSは、TLSのセキュリティ機能をUDP上のデータグラム通信に提供し、ペイロードデータの暗号化、認証、データ整合性保護を可能にします。
いかがでしたでしょうか？ DTLSについて理解が深まり、問題も解けるようになったでしょうか。 情報処理安全確保支援士やネットワークスペシャリストの試験対策に、ぜひ今回の知識を活用してくださいね！
