IPsec: protocolos IKEv2, ESP y AH

IPsec no es un único protocolo, sino un conjunto de estándares para autenticar y cifrar el tráfico IP. Sus componentes principales son IKE (Internet Key Exchange), para establecer y gestionar asociaciones de seguridad; ESP (Encapsulating Security Payload), para el cifrado y la integridad; y AH (Authentication Header), para la integridad sin cifrado. IPsec opera en la capa de red y protege todo el tráfico sin necesidad de modificar las aplicaciones.

IKEv2 (RFC 7296) sustituyó a IKEv1 con un diseño más sencillo y eficiente. IKEv1 requería varios modos e intercambios de mensajes; IKEv2 utiliza un único modelo de intercambio unificado. IKEv2 también incluye compatibilidad integrada con la traversía de NAT, compatibilidad con EAP para la autenticación de usuarios, MOBIKE para los cambios de dirección IP en dispositivos móviles y valores predeterminados de seguridad más sólidos. La mayoría de las implementaciones modernas de VPN utilizan IKEv2.

El intercambio IKE_SA_INIT establece la asociación de seguridad de IKE. El iniciador envía los algoritmos compatibles, su aportación de clave Diffie-Hellman y un nonce. El respondedor selecciona los algoritmos y envía su aportación de clave DH y su nonce. Ambas partes calculan el mismo secreto compartido y derivan las claves para la SA de IKE. Este intercambio protege la fase IKE_AUTH posterior.

El intercambio IKE_AUTH autentica a los pares y crea la primera Child SA para el tráfico real. La autenticación puede utilizar certificados X.509 (la opción más segura), claves precompartidas (PSK) o métodos EAP para la autenticación a nivel de usuario. El intercambio también negocia los parámetros de la Child SA: los selectores de tráfico (los rangos de IP que se protegerán), el algoritmo de cifrado y el algoritmo de integridad.

ESP (Encapsulating Security Payload) es el componente principal de la protección del tráfico IPsec. En modo túnel, ESP encapsula el paquete IP original completo dentro de un paquete IP nuevo con una cabecera ESP, lo que proporciona cifrado e integridad. En modo transporte, ESP protege únicamente la carga útil del paquete IP original y conserva la cabecera IP original. AES-256-GCM es el algoritmo recomendado para ESP en implementaciones modernas.

AH (Authentication Header) proporciona integridad y autenticación sin cifrado. Cubre la cabecera IP original (a diferencia de ESP), pero esto hace que AH sea incompatible con NAT, que modifica los campos de la cabecera IP. Como AH no proporciona confidencialidad e impide la traversía de NAT, rara vez se utiliza en la práctica. ESP con algoritmos AEAD sólidos ofrece una protección mejor que AH combinado con cifrado por separado.

En el modo transporte, IPsec protege la carga útil entre dos extremos, pero deja visibles las cabeceras IP. Se utiliza para la comunicación de host a host cuando no es necesario ocultar la información de enrutamiento. En el modo túnel, el paquete IP original completo se encapsula dentro de un paquete nuevo, ocultando el origen y el destino a los observadores. Las puertas de enlace VPN siempre utilizan el modo túnel para conectar redes o usuarios con redes.

ESP estándar no puede atravesar NAT porque NAT modifica las cabeceras IP y los números de puerto que cubre la integridad de ESP. IPsec resuelve este problema con NAT-T (NAT Traversal): detecta la presencia de NAT durante el intercambio IKE y encapsula los paquetes ESP dentro de UDP en el puerto 4500. Esta envoltura UDP permite que NAT traduzca las direcciones sin interrumpir la verificación de integridad de ESP.

IPsec mantiene una base de datos de asociaciones de seguridad (SAD) que almacena todas las SA activas junto con sus claves, algoritmos y tiempos de vida. La base de datos de directivas de seguridad (SPD) define qué tráfico debe protegerse, omitirse o descartarse. Cuando el tráfico saliente coincide con una entrada de la SPD, el kernel busca o crea la SA correspondiente en la SAD y aplica la protección especificada.

EAP (Extensible Authentication Protocol) en IKEv2 permite métodos de autenticación a nivel de usuario además de los certificados y las PSK. EAP-TLS utiliza certificados de cliente, EAP-MSCHAPv2 utiliza nombre de usuario y contraseña (algo habitual en los clientes de Windows) y EAP-TTLS encapsula métodos internos dentro de una sesión TLS. Muchas VPN IPsec empresariales utilizan autenticación mediante certificados para la puerta de enlace y EAP para los usuarios individuales.

Las asociaciones de seguridad tienen límites de tiempo de vida en bytes y en tiempo. Cuando una Child SA se aproxima a su tiempo de vida, IKEv2 crea automáticamente una SA nueva con claves renovadas mediante un intercambio CREATE_CHILD_SA. Esta renovación de claves proporciona secreto hacia adelante: la vulneración de la clave actual no expone el tráfico anterior cifrado con claves previas. Los tiempos de vida de las SA de IKE suelen ser más largos que los de las Child SA.

¿Qué modo de IPsec encapsula el paquete IP original completo dentro de un paquete nuevo y oculta las direcciones de origen y destino originales?

Resumen de IPsec: IKEv2 establece asociaciones de seguridad mediante IKE_SA_INIT (intercambio de claves DH) e IKE_AUTH (autenticación de pares); ESP proporciona un modo túnel cifrado y autenticado para el tráfico; AH rara vez se utiliza debido a su incompatibilidad con NAT; NAT-T encapsula ESP en UDP para atravesar NAT; y la renovación automática de claves proporciona secreto hacia adelante durante toda la vida de la sesión VPN.