IPsec: بروتوكولا IKEv2 وESP وAH

IPsec ليس بروتوكولًا واحدًا، بل حزمة من المعايير لمصادقة حركة مرور IP وتشفيرها. وتتمثل مكوناته الرئيسية في IKE (تبادل مفاتيح الإنترنت) لإنشاء الارتباطات الأمنية وإدارتها، وESP (حمولة الأمان المغلفة) للتشفير وسلامة البيانات، وAH (رأس المصادقة) لتوفير سلامة البيانات من دون تشفير. ويعمل IPsec في طبقة الشبكة، فيحمي حركة المرور بأكملها من دون إجراء تغييرات على التطبيقات.

حلّ IKEv2 (RFC 7296) محل IKEv1 بفضل تصميم أبسط وأكثر كفاءة. فقد تطلب IKEv1 أوضاعًا وتبادلات متعددة للرسائل، بينما يستخدم IKEv2 نموذج تبادل موحدًا واحدًا. ويتضمن IKEv2 أيضًا اجتياز NAT مدمجًا، ودعم EAP لمصادقة المستخدم، وMOBIKE للتعامل مع تغيّر عناوين IP أثناء التنقل، وإعدادات افتراضية أمنية أقوى. وتستخدم معظم تطبيقات VPN الحديثة IKEv2.

ينشئ تبادل IKE_SA_INIT الارتباط الأمني لـ IKE. ويرسل الطرف البادئ الخوارزميات المدعومة ومشاركة مفتاح Diffie-Hellman وقيمة nonce. ويختار الطرف المستجيب الخوارزميات، ثم يرسل مشاركة مفتاح DH الخاصة به وقيمة nonce. ويحسب الطرفان السر المشترك نفسه ويشتقان المفاتيح الخاصة بـ IKE SA. ويحمي هذا التبادل مرحلة IKE_AUTH اللاحقة.

يصادق تبادل IKE_AUTH على الطرفين وينشئ أول Child SA لحركة المرور الفعلية. ويمكن أن تستخدم المصادقة شهادات X.509 (وهي الأكثر أمانًا)، أو مفاتيح مشتركة مسبقًا (PSK)، أو أساليب EAP لمصادقة المستخدمين. كما يتفاوض التبادل على معلمات Child SA، وهي محددات حركة المرور (نطاقات IP المراد حمايتها)، وخوارزمية التشفير، وخوارزمية سلامة البيانات.

يُعد ESP (حمولة الأمان المغلفة) المكوّن الأساسي لحماية حركة مرور IPsec. ففي نمط النفق، يغلّف ESP حزمة IP الأصلية بأكملها داخل حزمة IP جديدة تحتوي على رأس ESP، موفرًا التشفير وسلامة البيانات معًا. أما في نمط النقل، فيحمي ESP حمولة حزمة IP الأصلية فقط، مع الإبقاء على رأس IP الأصلي. ويُعد AES-256-GCM الخوارزمية الموصى بها لـ ESP في عمليات النشر الحديثة.

يوفر AH (رأس المصادقة) سلامة البيانات والمصادقة من دون تشفير. وهو يغطي رأس IP الأصلي (بخلاف ESP)، لكن ذلك يجعله غير متوافق مع NAT، الذي يعدّل حقول رأس IP. ونظرًا إلى أن AH لا يوفر السرية ويعيق اجتياز NAT، فإنه نادر الاستخدام عمليًا. ويوفر ESP مع خوارزميات AEAD قوية حماية أفضل من استخدام AH مع التشفير بشكل منفصل.

في نمط النقل، يحمي IPsec الحمولة بين طرفين مع إبقاء رؤوس IP ظاهرة. ويُستخدم ذلك للاتصال بين مضيفين عندما لا يلزم إخفاء معلومات التوجيه. أما في نمط النفق، فتُغلّف حزمة IP الأصلية بأكملها داخل حزمة جديدة، ما يخفي المصدر والوجهة الأصليين عن المراقبين. وتستخدم بوابات VPN دائمًا نمط النفق لربط الشبكات أو ربط المستخدمين بالشبكات.

لا يستطيع ESP القياسي عبور NAT، لأن NAT يعدّل رؤوس IP وأرقام المنافذ التي تغطيها سلامة ESP. ويحل IPsec هذه المشكلة باستخدام NAT-T (اجتياز NAT): إذ يكتشف وجود NAT أثناء تبادل IKE، ثم يغلّف حزم ESP داخل UDP على المنفذ 4500. ويتيح غلاف UDP هذا لـ NAT ترجمة العناوين من دون إفساد عملية التحقق من سلامة ESP.

يحتفظ IPsec بقاعدة بيانات الارتباطات الأمنية (SAD)، التي تخزّن جميع الارتباطات الأمنية النشطة مع مفاتيحها وخوارزمياتها ومدد حياتها. وتحدد قاعدة بيانات سياسات الأمان (SPD) حركة المرور التي ينبغي حمايتها أو تجاوزها أو إسقاطها. وعندما تطابق حركة المرور الصادرة إدخالًا في SPD، تبحث النواة عن SA المناسبة في SAD أو تنشئها، ثم تطبق الحماية المحددة.

يتيح EAP (بروتوكول المصادقة القابل للتوسعة) في IKEv2 أساليب لمصادقة المستخدم تتجاوز الشهادات وPSK. ويستخدم EAP-TLS شهادات العميل، بينما يستخدم EAP-MSCHAPv2 اسم المستخدم وكلمة المرور (وهو شائع في عملاء Windows)، ويغلّف EAP-TTLS الأساليب الداخلية داخل جلسة TLS. وتستخدم كثير من شبكات VPN المؤسسية المعتمدة على IPsec مصادقة الشهادة للبوابة وEAP للمستخدمين الأفراد.

تملك الارتباطات الأمنية حدودًا لعمرها تُقاس بالبايتات والوقت. وعندما يقترب Child SA من بلوغ مدة حياته، ينشئ IKEv2 تلقائيًا SA جديدة بمفاتيح حديثة من خلال تبادل CREATE_CHILD_SA. وتوفر إعادة إنشاء المفاتيح هذه السرية الأمامية: فاختراق المفتاح الحالي لا يكشف حركة المرور السابقة المشفرة باستخدام المفاتيح السابقة. وتكون مدة حياة IKE SA عادة أطول من مدة حياة Child SA.

أي نمط من IPsec يغلّف حزمة IP الأصلية بأكملها داخل حزمة جديدة، فيخفي عناوين المصدر والوجهة الأصلية؟

مراجعة IPsec: ينشئ IKEv2 الارتباطات الأمنية من خلال IKE_SA_INIT (تبادل مفاتيح DH) وIKE_AUTH (مصادقة الطرفين)، ويوفر ESP نمط نفق مشفرًا وموثّقًا لحركة المرور، بينما نادرًا ما يُستخدم AH بسبب عدم توافقه مع NAT، ويغلّف NAT-T بروتوكول ESP داخل UDP لاجتياز NAT، وتوفر إعادة إنشاء المفاتيح تلقائيًا السرية الأمامية طوال مدة جلسة VPN.