IPsec: protokoły IKEv2, ESP i AH

IPsec nie jest pojedynczym protokołem, lecz zestawem standardów służących do uwierzytelniania i szyfrowania ruchu IP. Główne elementy to IKE (Internet Key Exchange) do ustanawiania i zarządzania asocjacjami bezpieczeństwa, ESP (Encapsulating Security Payload) do szyfrowania i zapewniania integralności oraz AH (Authentication Header) do zapewniania integralności bez szyfrowania. IPsec działa w warstwie sieciowej, chroniąc cały ruch bez konieczności wprowadzania zmian w aplikacjach.

IKEv2 (RFC 7296) zastąpił IKEv1 prostszą i wydajniejszą konstrukcją. IKEv1 wymagał wielu trybów i wymian komunikatów, natomiast IKEv2 korzysta z jednego ujednoliconego modelu wymiany. IKEv2 zapewnia również wbudowaną obsługę przechodzenia przez NAT, obsługę EAP do uwierzytelniania użytkowników, MOBIKE do obsługi zmian mobilnych adresów IP oraz silniejsze ustawienia domyślne. Większość nowoczesnych implementacji VPN korzysta z IKEv2.

Wymiana IKE_SA_INIT ustanawia asocjację bezpieczeństwa IKE. Inicjator wysyła obsługiwane algorytmy, wartość klucza Diffiego-Hellmana oraz nonce. Odpowiadający wybiera algorytmy i wysyła własną wartość klucza DH oraz nonce. Obie strony obliczają ten sam wspólny sekret i wyprowadzają klucze dla asocjacji bezpieczeństwa IKE. Ta wymiana chroni następującą po niej fazę IKE_AUTH.

Wymiana IKE_AUTH uwierzytelnia komunikujące się strony i tworzy pierwszą podrzędną asocjację bezpieczeństwa (Child SA) na potrzeby rzeczywistego ruchu. Uwierzytelnianie może wykorzystywać certyfikaty X.509 (najbezpieczniejsza opcja), klucze współdzielone (PSK) lub metody EAP do uwierzytelniania na poziomie użytkownika. Wymiana negocjuje również parametry Child SA: selektory ruchu (zakresy adresów IP, które mają być chronione), algorytm szyfrowania oraz algorytm integralności.

ESP (Encapsulating Security Payload) jest głównym mechanizmem ochrony ruchu IPsec. W trybie tunelowym ESP umieszcza cały oryginalny pakiet IP wewnątrz nowego pakietu IP z nagłówkiem ESP, zapewniając zarówno szyfrowanie, jak i integralność. W trybie transportowym ESP chroni wyłącznie dane oryginalnego pakietu IP, zachowując jego oryginalny nagłówek IP. AES-256-GCM jest zalecanym algorytmem ESP we współczesnych wdrożeniach.

AH (Authentication Header) zapewnia integralność i uwierzytelnianie bez szyfrowania. Obejmuje oryginalny nagłówek IP (w przeciwieństwie do ESP), przez co AH jest niezgodny z NAT, który modyfikuje pola nagłówka IP. Ponieważ AH nie zapewnia poufności i uniemożliwia przechodzenie przez NAT, w praktyce jest rzadko używany. ESP z silnymi algorytmami AEAD zapewnia lepszą ochronę niż osobne użycie AH i szyfrowania.

W trybie transportowym IPsec chroni dane między dwoma punktami końcowymi, ale pozostawia nagłówki IP widoczne. Stosuje się go do komunikacji host-host, gdy nie ma potrzeby ukrywania informacji o trasowaniu. W trybie tunelowym cały oryginalny pakiet IP jest umieszczany wewnątrz nowego pakietu, co ukrywa źródło i miejsce docelowe przed obserwatorami. Bramy VPN zawsze używają trybu tunelowego do łączenia sieci lub użytkowników z sieciami.

Standardowy ESP nie może przechodzić przez NAT, ponieważ NAT modyfikuje nagłówki IP i numery portów objęte ochroną integralności ESP. IPsec rozwiązuje ten problem za pomocą NAT-T (NAT Traversal): wykrywa NAT podczas wymiany IKE i umieszcza pakiety ESP w pakietach UDP na porcie 4500. Ta obudowa UDP pozwala NAT tłumaczyć adresy bez naruszania weryfikacji integralności ESP.

IPsec utrzymuje bazę danych asocjacji bezpieczeństwa (SAD), w której przechowywane są wszystkie aktywne asocjacje wraz z ich kluczami, algorytmami i czasami życia. Baza danych zasad bezpieczeństwa (SPD) określa, który ruch należy chronić, przepuszczać bez ochrony lub odrzucać. Gdy ruch wychodzący pasuje do wpisu SPD, jądro wyszukuje w SAD odpowiednią asocjację bezpieczeństwa lub ją tworzy, a następnie stosuje określoną ochronę.

EAP (Extensible Authentication Protocol) w IKEv2 umożliwia stosowanie metod uwierzytelniania użytkowników wykraczających poza certyfikaty i PSK. EAP-TLS używa certyfikatów klienta, EAP-MSCHAPv2 używa nazwy użytkownika i hasła (co jest częste w klientach Windows), a EAP-TTLS tuneluje metody wewnętrzne w sesji TLS. Wiele firmowych sieci VPN opartych na IPsec korzysta z uwierzytelniania certyfikatem bramy oraz z EAP dla poszczególnych użytkowników.

Asocjacje bezpieczeństwa mają ograniczenia czasu życia wyrażone w bajtach i czasie. Gdy Child SA zbliża się do końca swojego czasu życia, IKEv2 automatycznie tworzy nową asocjację z nowymi kluczami w ramach wymiany CREATE_CHILD_SA. Ponowne ustanawianie kluczy zapewnia utajnienie w przód: przejęcie bieżącego klucza nie ujawnia wcześniejszego ruchu zaszyfrowanego poprzednimi kluczami. Czasy życia asocjacji bezpieczeństwa IKE są zazwyczaj dłuższe niż czasy życia Child SA.

W którym trybie IPsec cały oryginalny pakiet IP jest umieszczany wewnątrz nowego pakietu, ukrywając oryginalne adresy źródłowy i docelowy?

Podsumowanie IPsec: IKEv2 ustanawia asocjacje bezpieczeństwa za pomocą IKE_SA_INIT (wymiana kluczy DH) i IKE_AUTH (uwierzytelnianie stron), ESP zapewnia szyfrowany i uwierzytelniony ruch w trybie tunelowym, AH jest rzadko używany z powodu niezgodności z NAT, NAT-T umieszcza ESP w UDP na potrzeby przechodzenia przez NAT, a automatyczne ponowne ustanawianie kluczy zapewnia utajnienie w przód przez cały czas trwania sesji VPN.