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単方向ネットワーク （単方向ゲートウェイまたはデータダイオードとも呼ばれる）は、データが一方向にのみ伝送されるネットワーク機器またはデバイスです。データダイオードは、セキュリティ分類の異なる 2 つ以上のネットワーク間の接続として機能する防衛などの高度なセキュリティ環境で最も一般的に見られます。産業用IoTとデジタル化の台頭に伴い、この技術は現在、原子力発電所、発電、鉄道網などの安全性が重要なシステムなどの施設の産業制御レベルで見られます。[ 1 ]
長年の開発を経て、データダイオードは、生データを一方向にのみ伝送できるネットワーク機器またはデバイスとして、情報セキュリティの保証や、産業制御システムなどの重要なデジタルシステムを侵入するサイバー攻撃から保護するために使用されるものから、送信元および宛先ネットワークのプロキシコンピュータで実行されるハードウェアとソフトウェアの組み合わせへと進化しました。 [ 2 ] [ 3 ]ハードウェアは物理的な一方向性を強制し、ソフトウェアはデータベースを複製し、プロトコルサーバをエミュレートして双方向通信を処理します。データダイオードは現在、複数のプロトコルとデータタイプを同時に転送できます。セキュアブート、証明書管理、データ整合性、前方誤り訂正(FEC)、TLSによるセキュア通信など、より幅広いサイバーセキュリティ機能を備えています。独自の特性は、データがデータダイオードを介して転送されるようにするプロトコルの「ブレーク」によって、データが決定論的に (事前に決定された場所に) 転送されることです。
データダイオードは、高度なセキュリティが求められる軍事および政府環境で一般的に使用されており、現在では石油・ガス、水/廃水、航空機（飛行制御ユニットと機内エンターテイメントシステムの間）、製造、産業用IoT向けのクラウド接続などの分野で広く普及しつつあります。[ 4 ]新しい規制[ 5 ]により需要が増加し、容量が増加するにつれて、主要なテクノロジーベンダーはコアテクノロジーのコストを下げています。
最初のデータダイオードは、1980年代から1990年代にかけて政府機関によって開発されました。これらの機関は機密情報を扱うため、ネットワークのセキュリティ確保は最優先事項でした。当時、これらの機関が採用していた主な対策はエアギャップでした。しかし、転送可能なデータ量が増加し、継続的かつリアルタイムなデータストリームの重要性が高まるにつれ、これらの機関は自動化されたソリューションを模索する必要に迫られました。
標準化の推進に伴い、多くの組織が自社の業務により適したソリューションを模索し始めた。安定した組織が開発した商用ソリューションは、その高いセキュリティレベルと長期的なサポート体制により、成功を収めた。
米国では、電力会社や石油・ガス会社が数年前からデータダイオードを使用しており、規制当局は安全計装システム（SIS）内の機器やプロセスを保護するためにその使用を奨励している。原子力規制委員会（NRC）は現在、データダイオードの使用を義務付けており、電気や原子力以外にも多くの分野でデータダイオードが効果的に使用されている。[ 1 ]
ヨーロッパでは、複数の安全上重要なシステムの規制当局と運用者が、一方向ゲートウェイの使用に関する規制を推奨および実施し始めた。[ 6 ]
2013年にフランスネットワーク情報セキュリティ庁（ANSSI ）が主導した作業文書「産業制御システムサイバーセキュリティ」では、鉄道のスイッチングシステムなどのクラス3ネットワークを下位クラスネットワークや企業ネットワークに接続するためにファイアウォールを使用することは禁止されており、一方向の技術のみが許可されていると述べられています。[ 5 ]
単方向ネットワークデバイスは、通常、情報セキュリティの確保や、産業制御システムなどの重要なデジタルシステムをサイバー攻撃から保護するために使用されます。これらのデバイスは、セキュリティ分類の異なる2つ以上のネットワーク間の接続として機能する防衛などの高度なセキュリティ環境で一般的に使用されていますが、重要なデジタルシステムからインターネットに接続された信頼できないネットワークへの一方通行の通信を強制するためにも使用されています。
単方向ネットワークの物理的な性質により、データはネットワーク接続の一方の側から他方の側にのみ渡ることができ、逆方向には渡ることができません。これは、「低側」または信頼できないネットワークから「高側」または信頼できるネットワークへ、またはその逆の方向になります。最初のケースでは、高側ネットワークのデータは機密に保たれ、ユーザーは低側からのデータへのアクセスを維持します。[ 12 ]このような機能は、機密データがインターネットとの接続を必要とするネットワークに保存されている場合に魅力的です。高側は低側からインターネットデータを受信できますが、高側のデータはインターネットベースの侵入に対してアクセスできません。2番目のケースでは、安全性が重要な物理システムをオンライン監視にアクセスできる状態にしながら、物理的な損傷を引き起こす可能性のあるすべてのインターネットベースの攻撃から隔離することができます。どちらの場合も、セキュリティ保証は物理的な性質のものであるため、低側ネットワークと高側ネットワークの両方が侵害された場合でも、接続は単方向のままです。
単方向ネットワーク接続を使用するための一般的なモデルは2つあります。従来のモデルでは、データダイオードの目的は、機密データが安全なマシンからエクスポートされるのを防ぎつつ、安全でないマシンからのデータインポートを許可することです。代替モデルでは、ダイオードは、保護されたマシンからのデータエクスポートを許可しつつ、そのマシンへの攻撃を防ぐために使用されます。これらについては、以下でさらに詳しく説明します。
これは、公共ネットワークに情報を公開しながら、公共ネットワークからのリモート/外部攻撃から保護されなければならないシステムに関わるものです。たとえば、電子投票で使用される選挙管理システムは、選挙結果を一般に公開すると同時に、攻撃に対して耐性を持たなければなりません。[ 13 ]
このモデルは、ネットワーク内のデータ保護よりも、ネットワークの信頼性の高い制御と適切な運用が重視される、さまざまな重要インフラ保護問題に適用可能です。例えば、ダムの下流に住む住民は放水量に関する最新情報を必要としており、同じ情報は水門の制御システムにとって重要な入力情報となります。このような状況では、情報の流れは安全な制御システムから住民へ流れることが不可欠であり、その逆であってはなりません。
このカテゴリーにおける単方向ネットワークアプリケーションの大部分は、防衛分野および防衛関連企業で使用されています。これらの組織は従来、機密データをインターネット接続から物理的に分離するためにエアギャップを適用してきました。こうした環境の一部で単方向ネットワークが導入されたことで、機密データを含むネットワークとインターネット接続を持つネットワークの間で、ある程度の接続性を安全に維持することが可能になりました。
ベル・ラパデュラのセキュリティモデルでは、コンピュータシステムのユーザーは、自身のセキュリティレベル以上のデータしか作成できません。これは、情報分類の階層構造が存在する状況に適用されます。各セキュリティレベルのユーザーがそのレベル専用のマシンを共有し、マシンがデータダイオードで接続されている場合、ベル・ラパデュラの制約を厳密に適用できます。[ 14 ]
従来、IT ネットワークが認証済みユーザーにDMZサーバーへのアクセスを提供する場合、データは IT ネットワークからの侵入に対して脆弱になります。しかし、機密データを含む重要な側またはOT ネットワークと、ビジネスおよびインターネット接続を備えたオープン側 (通常は IT ネットワーク) を分離する単方向ゲートウェイを使用することで、組織は必要な接続性を実現し、セキュリティを確保することで、両方の利点を享受できます。これは、トラフィック フロー制御が物理的であるため、IT ネットワークが侵害された場合でも当てはまります。[ 15 ]
単方向ネットワークの最もシンプルな形態は、光ファイバーネットワークリンクを改造したもので、送受信トランシーバーが片方向分だけ取り外されているか、または接続が切断されており、リンク障害保護機構もすべて無効になっている。一部の市販製品はこの基本設計に基づいているが、アプリケーションがリンクを介してデータを転送するのに役立つインターフェースを提供するソフトウェア機能を追加している。
全光データダイオードは非常に高いチャネル容量をサポートでき、最もシンプルな構造の一つです。2019年、Controlled Interfaces社は、Aristaネットワークスイッチプラットフォーム2台に市販の100Gトランシーバーを搭載し、特許取得済みの片方向光ファイバーリンクを実証しました。専用のドライバソフトウェアは不要です。
より高度な商用製品の中には、通常双方向リンクを必要とする複数のプロトコルの同時一方向データ転送を可能にするものもある。ドイツのINFODAS社とGENUA社は、マイクロカーネルオペレーティングシステムを使用して一方向データ転送を保証するソフトウェアベースの（「論理」）データダイオードを開発した。ソフトウェアアーキテクチャを採用しているため、これらのソリューションは従来のハードウェアベースのデータダイオードよりも高速である。
ST Engineering は、複数のデータダイオードとその他のソフトウェアコンポーネントで構成される独自のセキュア e-Application Gateway を開発し、インターネット上でリアルタイムの双方向 HTTP(S) Web サービス トランザクションを可能にすると同時に、セキュアなネットワークを悪意のあるインジェクションとデータ漏洩の両方から保護しています。[ 16 ]
2018年、シーメンスモビリティは、データダイオードであるデータキャプチャユニットが電磁誘導と新しいチップ設計を使用してEBA安全評価を達成し、安全度水準（SIL）4 [ 17 ]までの新規および既存の安全上重要なシステムの安全な接続を保証し、安全なIoTを実現し、データ分析やその他のクラウドホスト型デジタルサービスを提供する産業グレードの単方向ゲートウェイソリューションを発表しました。[ 18 ]
2022年、Fend Incorporatedは、完全な光絶縁を備えたModbusゲートウェイとして機能するデータダイオードを発売しました。このダイオードは、産業市場や重要インフラ向けに開発され、旧式の技術と最新のITシステムとの橋渡し役を担います。また、Modbusコンバータとしても機能し、片側でシリアルRTUシステム、もう片側でイーサネットTCPシステムに接続できます。
米国海軍研究所（NRL）は、ネットワークポンプと呼ばれる独自の単方向ネットワークを開発しました。[ 19 ]これは、確認応答の送信のためにハイサイドからローサイドへの限定的なバックチャネルを許可する点を除けば、DSTOの取り組みと多くの点で似ています。この技術により、ネットワーク上でより多くのプロトコルを使用できるようになりますが、確認応答のタイミングを人為的に遅延させることでハイサイドとローサイドの両方が侵害された場合、潜在的な隠蔽チャネルが導入される可能性があります。 [ 20 ]
実装によって、第三者認証や認定のレベルも異なります。軍事用途向けのクロスドメインガードは、広範な第三者認証や認定を取得している、または取得する必要がある場合があります。[ 21 ]一方、産業用途向けのデータダイオードは、用途によっては、第三者認証や認定を全く取得していない、または取得する必要がない場合があります。[ 22 ]
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