ディスク暗号化

ディスク暗号化は、情報を権限のない人やプロセスによって簡単に解読できないコードに変換することで情報を保護する技術です。ディスク暗号化では、ディスク暗号化ソフトウェアまたはハードウェアを使用して、ディスクまたはディスクボリュームに保存されるすべてのデータを暗号化します。これは、データストレージへの不正アクセスを防ぐために使用されます。^[1]

フル ディスク暗号化 (FDE) (またはディスク全体の暗号化) という表現は、ディスク上のすべてが暗号化されているが、オペレーティング システムの読み込みシーケンスを開始するコードを含む、ブート可能なディスクのマスター ブート レコード(MBR) または同様の領域は暗号化されていないことを意味します。一部のハードウェア ベースのフル ディスク暗号化システムは、MBR を含む ブート ディスク全体を実際に暗号化できます。

透過的暗号化は、リアルタイム暗号化やオンザフライ暗号化( OTFE )とも呼ばれ、一部のディスク暗号化ソフトウェアで使用される方法です。「透過的」とは、データが読み込まれたり保存されたりするときに自動的に暗号化または復号化されることを意味します。

透過的な暗号化では、キーが提供されるとすぐにファイルにアクセスでき、ボリューム全体が物理ドライブのようにマウントされるため、ファイルは暗号化されていないファイルと同じようにアクセス可能になります。暗号化されたボリュームに保存されているデータは、正しいパスワード/キーファイルまたは正しい暗号化キーを使用しない限り、読み取る（復号化する）ことはできません。ボリューム内のファイルシステム全体が暗号化されます（ファイル名、フォルダ名、ファイルの内容、その他のメタデータを含む）。^[2]

エンドユーザーに対して透過的であるためには、透過的暗号化では通常、暗号化プロセスを有効にするためにデバイスドライバーを使用する必要があります。通常、このようなドライバーをインストールするには管理者のアクセス権が必要ですが、暗号化されたボリュームは通常、これらの権限を持たない一般ユーザーでも使用できます。^[3]

一般的に、ユーザーやアプリケーション ソフトウェアがプロセスを意識することなく、書き込み時にデータがシームレスに暗号化され、読み取り時に復号化されるすべての方法は、透過的な暗号化と呼ぶことができます。

ディスク暗号化は、あらゆる状況でファイル暗号化に代わるものではありません。ディスク暗号化は、より安全な実装を提供するために、ファイルシステム レベルの暗号化と組み合わせて使用​​されることがあります。ディスク暗号化では通常、ドライブ全体の暗号化に同じキーが使用されるため、システムの実行時にすべてのデータを復号化できます。ただし、一部のディスク暗号化ソリューションでは、異なるボリュームを暗号化するために複数のキーが使用されます。攻撃者が実行時にコンピューターにアクセスした場合、攻撃者はすべてのファイルにアクセスできるようになります。従来のファイルおよびフォルダーの暗号化では、ディスクの異なる部分に異なるキーを使用できます。そのため、攻撃者は暗号化されたままのファイルやフォルダーから情報を抽出できません。

ディスク暗号化とは異なり、ファイルシステム レベルの暗号化では通常、ディレクトリ構造、ファイル名、変更タイムスタンプ、サイズなどのファイルシステムのメタデータは暗号化されません。

トラステッドプラットフォームモジュール（TPM）は、マザーボードに組み込まれた安全な暗号プロセッサで、ハードウェアデバイスの認証に使用できます。各TPMチップは特定のデバイスに固有のものであるため、プラットフォーム認証を実行できます。アクセスを求めているシステムが期待どおりのシステムであることを確認するために使用できます。^[4]

限られた数のディスク暗号化ソリューションが TPM をサポートしています。これらの実装では、TPM を使用して復号化キーをラップし、ハードディスク ドライブ(HDD) を特定のデバイスに結び付けることができます。HDD をその特定のデバイスから取り外して別のデバイスに配置すると、復号化プロセスは失敗します。復号化パスワードまたはトークンを使用すると回復が可能です。TPM は単位時間あたりの復号化試行に制限を課すことができるため、ブルート フォース攻撃が困難になります。TPM 自体は複製が不可能になるように設計されているため、ブルート フォース攻撃の制限は簡単に回避されません。^[5]

これには、ディスクをデバイスから取り外すことができないという利点がありますが、暗号化に単一障害点が生じる可能性があります。たとえば、TPM またはマザーボードに何か問題が発生した場合、ユーザーが別の回復キーを持っていない限り、ハード ドライブを別のコンピューターに接続してもデータにアクセスできなくなります。

ディスク暗号化を可能にするツールは市場に数多く存在しますが、機能やセキュリティは大きく異なります。これらは、ソフトウェアベース、ストレージデバイス内のハードウェアベース、その他の場所 ( CPUやホストバスアダプタなど) の 3 つの主なカテゴリに分けられます。 ストレージデバイス内のハードウェアベースのフルディスク暗号化は自己暗号化ドライブと呼ばれ、パフォーマンスにはまったく影響しません。さらに、メディア暗号化キーはデバイス自体から外に出ることはないため、オペレーティングシステム内のマルウェアに利用されることはありません。

Trusted Computing Group Opal ストレージ仕様は、業界で認められた自己暗号化ドライブの標準化を提供します。外付けハードウェアはソフトウェアベースのソリューションよりもかなり高速ですが、CPU バージョンによってパフォーマンスに影響が出る可能性があり^{[説明が必要]}、メディア暗号化キーは十分に保護されていません。

TCG/OPALベースのドライブの既知の脆弱性を持たない他の（TCGA/OPALベースではない）自己暗号化ドライブ（SED）があります（以下のセクションを参照）。^[6]これらはホスト/OSおよびBIOSに依存せず、TPMモジュールやマザーボードBIOSに依存せず、暗号化キーがドライブの暗号境界を離れることはありません。

ブート ドライブのすべてのソリューションには、多数のベンダーのあらゆる種類のソリューションで利用できるブート前認証コンポーネントが必要です。対称暗号化は通常強力であるため、認証資格情報は通常、大きな潜在的な弱点となることがすべてのケースで重要です。^{[説明が必要]}

企業内でディスク暗号化ソリューションを大規模に導入するには、安全で確実な回復メカニズムが不可欠です。ソリューションでは、ユーザーが予告なく退職したり、パスワードを忘れたりした場合に、パスワード (最も重要なデータ) を簡単かつ安全に回復できる方法を提供する必要があります。

チャレンジ レスポンスパスワード回復メカニズムを使用すると、パスワードを安全に回復できます。これは、限られた数のディスク暗号化ソリューションで提供されています。

チャレンジレスポンス パスワード回復の利点:

1. ユーザーはリカバリ暗号化キーが入ったディスクを持ち歩く必要はありません。
2. 回復プロセス中に秘密データは交換されません。
3. 情報を盗聴することはできません。
4. ネットワーク接続を必要としないため、遠隔地にいるユーザーでも使用できます。

緊急復旧情報 (ERI) ファイルは、中小企業のヘルプデスク担当者のコストや実装上の課題によりチャレンジ レスポンス メカニズムが実行できない場合に、復旧の代替手段を提供します。

ERI ファイルの回復の利点:

1. 中小企業でも導入に苦労することなくご利用いただけます。
2. 回復プロセス中に秘密データは交換されません。
3. 情報を盗聴することはできません。
4. ネットワーク接続を必要としないため、遠隔地にいるユーザーでも使用できます。

ほとんどのフルディスク暗号化方式はコールドブート攻撃に対して脆弱であり、この攻撃では、すでにオペレーティングシステムを実行しているマシンをコールドブートし、データが消える前にメモリの内容をダンプすることで、暗号化キーを盗むことができます。この攻撃は、コンピュータメモリのデータ残留特性に依存しており、電源を切ってもデータビットの劣化には数分かかることがあります。 ^[7]オペレーティングシステムはディスクにアクセスするためにメモリに復号化キーを保持する必要があるため、トラステッドプラットフォームモジュール（TPM）でさえこの攻撃に対しては効果がありません。^[7]

フルディスク暗号化は、コンピュータがサスペンド状態のときに盗まれた場合にも脆弱です。ウェイクアップにはBIOSブート シーケンスが含まれないため、通常は FDE パスワードは要求されません。一方、ハイバネーションは BIOS ブート シーケンスを経由するため安全です。

すべてのソフトウェアベースの暗号化システムは、音響暗号解読やハードウェア キーロガーなどのさまざまなサイド チャネル攻撃に対して脆弱です。対照的に、自己暗号化ドライブは、ハードウェア暗号化キーがディスク コントローラから外に出ることがないため、これらの攻撃に対して脆弱ではありません。

また、ほとんどのフルディスク暗号化方式は、データの改ざん（またはサイレントデータ破損、つまりビットロット）から保護しません。^[8]つまり、プライバシーは提供されますが、整合性は提供されません。フルディスク暗号化に使用されるブロック暗号ベースの暗号化モードは、認証タグに必要なストレージオーバーヘッドの懸念から、認証暗号化ではありません。したがって、ディスク上のデータが改ざんされた場合、データは読み取り時に文字化けしたランダムデータに復号化され、どのデータが改ざんされたかに応じてエラーが表示される可能性があります（OSメタデータの場合はファイルシステムによって、ファイルデータの場合はファイルを処理する対応するプログラムによって）。これらの懸念を軽減する方法の1つは、フルディスク暗号化に加えて、チェックサムによる完全なデータ整合性チェックを備えたファイルシステム（BtrfsやZFSなど）を使用することです。ただし、cryptsetupは認証暗号化を実験的にサポートし始めました^[9]

フルディスク暗号化には、通常のファイルやフォルダの暗号化、または暗号化されたボールトに比べていくつかの利点があります。ディスク暗号化の利点は次のとおりです。

1. スワップ領域や一時ファイルなど、ほぼすべてが暗号化されています。これらのファイルは重要な機密データを明らかにする可能性があるため、暗号化は重要です。ただし、ソフトウェア実装では、ブートストラップコードを暗号化することはできません。たとえば、BitLocker ドライブ暗号化では、ブート用のボリュームは暗号化されませんが、オペレーティング システムを含むボリュームは完全に暗号化されます。
2. フルディスク暗号化では、どのファイルを個別に暗号化するかの決定はユーザーの裁量に委ねられません。これは、ユーザーが機密ファイルを暗号化したくない、または暗号化を忘れてしまう可能性がある状況で重要です。
3. 暗号キーを単純に破壊する (暗号シュレッディング)などの即時データ破壊では、格納されているデータは使用できなくなります。ただし、将来の攻撃に対するセキュリティが懸念される場合は、消去または物理的破壊をお勧めします。

フルディスク暗号化で対処すべき問題の 1 つは、OS が起動する前に、オペレーティング システムが格納されているブロックを復号化する必要があることです。つまり、パスワードを要求するユーザー インターフェイスが表示される前に、キーが使用可能になっている必要があります。ほとんどのフルディスク暗号化ソリューションは、厳密にロックダウンされ、システム変数に対してハッシュ化された、小さくて非常に安全なオペレーティング システムをロードして、プリブート認証を利用してプリブート カーネルの整合性をチェックします。BitLocker ドライブ暗号化などの一部の実装では、トラステッドプラットフォームモジュールなどのハードウェアを使用してブート環境の整合性を確保し、ブート ローダーを変更バージョンに置き換えることで、ブート ローダーをターゲットとする攻撃を阻止できます。これにより、ブートキットを使用してプリブート復号化を妨害することなく、制御された環境で認証を行うことができます。

ブート前認証環境では、データの暗号化に使用されるキーは、外部キーがシステムに入力されるまで復号化されません。

外部キーを保存するためのソリューションには次のものがあります。

• ユーザー名 / パスワード
• PINと組み合わせてスマートカードを使用する
• 指紋などの生体認証方法を使用する
• ドングルを使用してキーを保存する（ユーザーがドングルをラップトップと一緒に盗まれないようにするか、ドングルも暗号化されていることを前提とする）
• ユーザーにパスワードを要求するブート時ドライバを使用する
• ネットワークインターチェンジを使用してキーを回復する（ PXEブートなど）
• TPMを使用して復号鍵を保存し、復号鍵への不正アクセスやブートローダーの破壊を防ぐ
• 上記を組み合わせて使用​​する

これらすべての可能性にはさまざまなレベルのセキュリティがありますが、ほとんどは暗号化されていないディスクよりも優れています。

• ディスク暗号化ソフトウェアの比較
• デジタルフォレンジック
• ディスク暗号化ハードウェア
• ディスク暗号化ソフトウェア
• ディスク暗号化理論
• 暗号化
• ファイルシステムレベルの暗号化
• ハードウェアベースのフルディスク暗号化
• ブーシェ事件
• シングルサインオン

• Casey, Eoghan; Stellatos, Gerasimos J. ( 2008) .「フルディスク暗号化のデジタルフォレンジックへの影響」。オペレーティングシステムレビュー。42 (3): 93–98。doi : 10.1145 /1368506.1368519。S2CID  5793873。

• 米国政府機関のラップトップでのデータ暗号化を義務付ける大統領命令
• オンザフライ暗号化: 比較 - ディスク暗号化システムのさまざまな機能のレビューとリスト (2013 年 1 月のアーカイブ バージョン)
• 「ブロック層暗号化」。2015年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。– Linux での dm-crypt/LUKS の使用について、理論から始まり、その使用方法に関する多くの実用的な例で終わります。
• フルディスク暗号化の購入者ガイド – フルディスク暗号化の概要、その仕組み、ファイルレベルの暗号化との違い、および主要なフルディスク暗号化ソフトウェアの概要。