IPsec: Protocolos IKEv2, ESP e AH

IPsec não é um único protocolo, mas uma suíte de padrões para autenticar e criptografar o tráfego IP. Os principais componentes são IKE (Internet Key Exchange) para estabelecer e gerenciar associações de segurança, ESP (Encapsulating Security Payload) para criptografia e integridade e AH (Authentication Header) para integridade sem criptografia. O IPsec opera na camada de rede, protegendo todo o tráfego sem exigir alterações nas aplicações.

O IKEv2 (RFC 7296) substituiu o IKEv1 com um design mais simples e eficiente. O IKEv1 exigia vários modos e trocas de mensagens; o IKEv2 usa um único modelo unificado de troca. O IKEv2 também inclui passagem por NAT integrada, suporte a EAP para autenticação de usuários, MOBIKE para alterações de endereços IP móveis e padrões de segurança mais fortes. A maioria das implementações modernas de VPN usa IKEv2.

A troca IKE_SA_INIT estabelece a associação de segurança IKE. O iniciador envia os algoritmos compatíveis, o compartilhamento de chave Diffie-Hellman e um nonce. O respondente seleciona os algoritmos e envia seu compartilhamento de chave DH e seu nonce. As duas partes calculam o mesmo segredo compartilhado e derivam as chaves para a SA IKE. Essa troca protege a fase IKE_AUTH subsequente.

A troca IKE_AUTH autentica os pares e cria a primeira Child SA para o tráfego real. A autenticação pode usar certificados X.509 (a opção mais segura), chaves pré-compartilhadas (PSK) ou métodos EAP para autenticação no nível do usuário. A troca também negocia os parâmetros da Child SA: os seletores de tráfego (quais intervalos de IP devem ser protegidos), o algoritmo de criptografia e o algoritmo de integridade.

ESP (Encapsulating Security Payload) é o principal mecanismo de proteção do tráfego IPsec. No modo túnel, o ESP encapsula o pacote IP original inteiro dentro de um novo pacote IP com um cabeçalho ESP, fornecendo criptografia e integridade. No modo transporte, o ESP protege apenas a carga útil do pacote IP original, preservando o cabeçalho IP original. AES-256-GCM é o algoritmo recomendado para ESP em implementações modernas.

AH (Authentication Header) fornece integridade e autenticação sem criptografia. Ele abrange o cabeçalho IP original (ao contrário do ESP), mas isso torna o AH incompatível com NAT, que modifica campos do cabeçalho IP. Como o AH não oferece confidencialidade e impede a passagem por NAT, raramente é usado na prática. O ESP com algoritmos AEAD fortes oferece proteção melhor do que usar AH e criptografia separadamente.

No modo transporte, o IPsec protege a carga útil entre dois pontos de extremidade, mas deixa os cabeçalhos IP visíveis. Esse modo é usado na comunicação entre computadores quando as informações de roteamento não precisam ser ocultadas. No modo túnel, o pacote IP original inteiro é encapsulado dentro de um novo pacote, ocultando a origem e o destino dos observadores. Os gateways de VPN sempre usam o modo túnel para conectar redes ou usuários a redes.

O ESP padrão não consegue atravessar o NAT porque o NAT modifica cabeçalhos IP e números de porta abrangidos pela integridade do ESP. O IPsec resolve isso com NAT-T (NAT Traversal): ele detecta o NAT durante a troca IKE e encapsula os pacotes ESP dentro da porta UDP 4500. Esse encapsulamento UDP permite que o NAT traduza os endereços sem invalidar a verificação de integridade do ESP.

O IPsec mantém um Banco de Dados de Associações de Segurança (SAD) que armazena todas as SA ativas com suas chaves, algoritmos e tempos de vida. O Banco de Dados de Políticas de Segurança (SPD) define qual tráfego deve ser protegido, ignorado ou descartado. Quando o tráfego de saída corresponde a uma entrada do SPD, o núcleo consulta ou cria a SA apropriada no SAD e aplica a proteção especificada.

O EAP (Extensible Authentication Protocol) no IKEv2 permite métodos de autenticação no nível do usuário além de certificados e PSK. O EAP-TLS usa certificados de cliente, o EAP-MSCHAPv2 usa nome de usuário e senha (uma opção comum em clientes Windows) e o EAP-TTLS encapsula métodos internos em uma sessão TLS. Muitas VPNs IPsec corporativas usam autenticação por certificado para o dispositivo VPN e EAP para cada usuário.

As associações de segurança têm limites de tempo de vida em bytes e em duração. Quando uma Child SA se aproxima do fim de seu tempo de vida, o IKEv2 cria automaticamente uma nova SA com chaves novas por meio de uma troca CREATE_CHILD_SA. Essa renovação de chaves fornece sigilo de encaminhamento: o comprometimento da chave atual não expõe o tráfego passado criptografado com chaves anteriores. Os tempos de vida das SA IKE normalmente são maiores que os das Child SA.

Qual modo do IPsec encapsula o pacote IP original inteiro dentro de um novo pacote, ocultando os endereços originais de origem e destino?

Recapitulação do IPsec: o IKEv2 estabelece associações de segurança por meio de IKE_SA_INIT (troca de chaves DH) e IKE_AUTH (autenticação dos pares), o ESP fornece um modo túnel criptografado e autenticado para o tráfego, o AH raramente é usado devido à incompatibilidade com NAT, o NAT-T encapsula o ESP em UDP para permitir a passagem por NAT e a renovação automática de chaves fornece sigilo de encaminhamento durante todo o tempo de vida da sessão VPN.