IPsec : protocoles IKEv2, ESP et AH

IPsec n’est pas un protocole unique, mais une suite de normes destinées à authentifier et à chiffrer le trafic IP. Ses principaux composants sont IKE (échange de clés Internet), qui établit et gère les associations de sécurité, ESP (charge utile de sécurité encapsulée), qui assure le chiffrement et l’intégrité, et AH (en-tête d’authentification), qui assure l’intégrité sans chiffrement. IPsec fonctionne au niveau réseau et protège l’ensemble du trafic sans modifier les applications.

IKEv2 (RFC 7296) a remplacé IKEv1 avec une conception plus simple et plus efficace. IKEv1 nécessitait plusieurs modes et échanges de messages ; IKEv2 utilise un modèle d’échange unifié unique. IKEv2 intègre également la traversée de NAT, la prise en charge d’EAP pour l’authentification des utilisateurs, MOBIKE pour les changements d’adresse IP en mobilité et des paramètres de sécurité par défaut plus robustes. La plupart des implémentations VPN modernes utilisent IKEv2.

L’échange IKE_SA_INIT établit l’association de sécurité IKE. L’initiateur envoie les algorithmes pris en charge, une part de clé Diffie-Hellman et un nonce. Le répondant sélectionne les algorithmes, puis envoie sa part de clé DH et son nonce. Les deux parties calculent le même secret partagé et en dérivent les clés de l’association de sécurité IKE. Cet échange protège la phase IKE_AUTH suivante.

L’échange IKE_AUTH authentifie les pairs et crée la première SA enfant destinée au trafic réel. L’authentification peut utiliser des certificats X.509 (la méthode la plus sûre), des clés prépartagées (PSK) ou des méthodes EAP pour l’authentification au niveau utilisateur. L’échange négocie également les paramètres de la SA enfant : les sélecteurs de trafic (les plages d’adresses IP à protéger), l’algorithme de chiffrement et l’algorithme d’intégrité.

ESP (charge utile de sécurité encapsulée) est le principal mécanisme de protection du trafic IPsec. En mode tunnel, ESP encapsule l’intégralité du paquet IP d’origine dans un nouveau paquet IP muni d’un en-tête ESP, assurant ainsi le chiffrement et l’intégrité. En mode transport, ESP protège uniquement la charge utile du paquet IP d’origine et conserve son en-tête IP. AES-256-GCM est l’algorithme recommandé pour ESP dans les déploiements modernes.

AH (en-tête d’authentification) assure l’intégrité et l’authentification sans chiffrement. Il couvre l’en-tête IP d’origine, contrairement à ESP, mais cela rend AH incompatible avec NAT, qui modifie les champs de l’en-tête IP. Comme AH n’assure pas la confidentialité et empêche la traversée de NAT, il est rarement utilisé en pratique. ESP associé à de robustes algorithmes AEAD offre une meilleure protection que l’utilisation séparée de AH et du chiffrement.

En mode transport, IPsec protège la charge utile entre deux points d’extrémité, mais laisse les en-têtes IP visibles. Ce mode est utilisé pour les communications d’hôte à hôte lorsque les informations de routage n’ont pas besoin d’être masquées. En mode tunnel, l’intégralité du paquet IP d’origine est encapsulée dans un nouveau paquet, ce qui masque la source et la destination d’origine aux observateurs. Les passerelles VPN utilisent toujours le mode tunnel pour connecter des réseaux ou des utilisateurs à des réseaux.

ESP standard ne peut pas traverser NAT, car NAT modifie les en-têtes IP et les numéros de port couverts par l’intégrité d’ESP. IPsec résout ce problème avec NAT-T (traversée de NAT) : il détecte la présence de NAT pendant l’échange IKE et encapsule les paquets ESP dans des paquets UDP sur le port 4500. Cette enveloppe UDP permet à NAT de traduire les adresses sans compromettre la vérification d’intégrité d’ESP.

IPsec gère une base de données des associations de sécurité (SAD) qui stocke toutes les SA actives avec leurs clés, leurs algorithmes et leurs durées de vie. La base de données des politiques de sécurité (SPD) définit le trafic à protéger, à laisser passer ou à supprimer. Lorsqu’un trafic sortant correspond à une entrée de la SPD, le noyau recherche ou crée la SA appropriée dans la SAD et applique la protection indiquée.

EAP (protocole d’authentification extensible) dans IKEv2 permet d’utiliser, pour l’authentification au niveau utilisateur, des méthodes autres que les certificats et les PSK. EAP-TLS utilise des certificats client, EAP-MSCHAPv2 utilise un nom d’utilisateur et un mot de passe (méthode courante avec les clients Windows), et EAP-TTLS encapsule des méthodes internes dans une session TLS. De nombreux VPN IPsec d’entreprise utilisent l’authentification par certificat pour la passerelle et EAP pour les utilisateurs individuels.

Les associations de sécurité ont des limites de durée exprimées en octets et en temps. Lorsqu’une SA enfant approche de sa limite, IKEv2 crée automatiquement une nouvelle SA avec de nouvelles clés au moyen d’un échange CREATE_CHILD_SA. Ce renouvellement des clés assure la confidentialité persistante : la compromission de la clé actuelle ne permet pas d’exposer le trafic passé, chiffré avec des clés antérieures. Les durées de vie des associations de sécurité IKE sont généralement plus longues que celles des SA enfants.

Quel mode IPsec encapsule l’intégralité du paquet IP d’origine dans un nouveau paquet, en masquant les adresses source et destination d’origine ?

Récapitulatif d’IPsec : IKEv2 établit les associations de sécurité au moyen de IKE_SA_INIT (échange de clés DH) et d’IKE_AUTH (authentification des pairs), ESP fournit un mode tunnel chiffré et authentifié pour le trafic, AH est rarement utilisé en raison de son incompatibilité avec NAT, NAT-T encapsule ESP dans UDP pour traverser NAT, et le renouvellement automatique des clés assure la confidentialité persistante pendant toute la durée de vie de la session VPN.