【OSI 参照モデルレイヤ５セッション層】SSL/TLS とは

本記事は、以下の書籍を元に OSI 参照モデルのレイヤ５ セッション層について説明します。

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OSI 参照モデルやその他のレイヤの解説については以下の記事をご確認ください。

セッション層とは

セッション層とは、セッション（通信の開始から終了までに行う、複数の通信を１つにまとめたもの）を管理する層です。

セッションの具体例を挙げると以下のとおりです。

例	セッション開始	セッション中	セッション終了	同一性
マイページ	ログイン	マイページの閲覧	ログアウト	同じセッション ID を持つクライアントは同じユーザーと見なす（毎回ログインしなくてよい）
暗号化通信	共通鍵交換後	暗号化通信	共通鍵の有効期限	同じ TLS セッション（同じ共通鍵を持つ）クライアントは同じユーザーと見なす（毎回共通鍵を交換しなくてよい）

セッション層と TCP/IP との対応

「OSI 参照モデルのセッション層」に対応する「TCP/IP の層」は存在しません [1]。

The application layer of the Internet suite essentially combines the functions of the top two layers -- Presentation and Application -- of the OSI reference model.
[1] https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc1122

セッション機能は、「TCP/IP のトランスポート層 or アプリケーション層のプロトコル」もしくは「アプリケーション自体の機能」で実装されています。

セッション機能を実装する TCP/IP のプロトコルの一例として、SSL/TLS プロトコルがありますが、これは以下の層にまたがっています。

モデル	SSL/TLS プロトコルの対応する層	層を跨ぐ処理
OSI 参照モデル	トランスポート層とセッション層の間 [2]	TLS コネクション TLS セッション
TCP/IP	アプリケーション層とトランスポート層の間 [3]	TLS Handshake Protocol TLS Record Protocol [3]

TLSは多くの場合、コネクション型のトランスポート層プロトコル（通常はTCP）とアプリケーション層の間で使われる。
[2] https://ja.wikipedia.org/wiki/Transport_Layer_Security

At the lowest level, layered on top of some reliable transport protocol (e.g., TCP [TCP]), is the TLS Record Protocol.
（中略）
the TLS Handshake Protocol, allows the server and client to authenticate each other and to negotiate an encryption algorithm and cryptographic keys before the application protocol transmits or receives its first byte of data.
[3] https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc5246

SSL/TLS プロトコルとは

SSL(Secure Sockets Layer)/TLS(Transport Layer Security) プロトコルとは、主にアプリケーション層のプロトコルを暗号化するために使用するプロトコルです。

なお、TLS は SSL の新しいバージョンのことです（TLS 1.0 は SSL 3.1 のことです。）

SSL/TLS とアプリケーション層のプロトコルの組み合わせ

SSLと組み合わせたプロトコル	ポート番号	元のプロトコル	ポート番号
HTTPS	443	HTTP	80
SMTPS	465	SMTP	25
LDAPS	636	LDAP	389
FTPS (data)	989	FTP (data)	20
FTPS (control)	990	FTP (control)	21
IMAPS	993	IMAP	143
POP3S	995	POP3	110

SSL/TLS ハンドシェイク

SSL/TLS ハンドシェイクは、アプリケーション層のプロトコルが暗号化通信を開始するために、SSL/TLS コネクションを確立することです。

なお、SSL/TLS ハンドシェイクは、3way ハンドシェイクの（TCP コネクションが確立した）後に実施します。

クライアント		サーバ	備考
	←	HelloRequest	ClientHello を要求
ClientHello	→		以下を送信・TLSのバージョン・乱数・セッションID ・暗号方式・ハッシュアルゴリズムのリスト(cipher_suites) ・圧縮方法
	←	ServerHello	Client Hello から利用する cipher_suites 等を選ぶ
	←	ServerCertificate	サーバーの公開鍵と証明書
	←	ServerKeyExchange	鍵交換プロトコルに依存 anonymous Diffie-Hellman であれば、g^x mod p （サーバーの秘密鍵で暗号した共通値）を送信
	←	CertificateRequest	ClientCertificate を要求
	←	ServerHelloDone	サーバ側からのメッセージ送信が終わった事を示す
ClientCertificate	→		クライアントの公開鍵と証明書
ClientKeyExchange	→		鍵交換プロトコルに依存 anonymous Diffie-Hellman であれば、g^y mod p（クライアントの秘密鍵で暗号した共通値）を送信
CertificateVerify	→		クライアントが署名能力を持っていることを証明するために、全メッセージに対し、共有されたmaster secret で署名
ChangeCipherSpec	→		暗号通信に移行
Finished	→		暗号文
	←	ChangeCipherSpec	暗号通信に移行
	←	Finished	暗号文
アプリケーション層のデータ通信	⇔	アプリケーション層のデータ通信	暗号文