IPsec: โพรโทคอล IKEv2, ESP และ AH

IPsec ไม่ใช่โพรโทคอลเดียว แต่เป็นชุดมาตรฐานสำหรับการยืนยันตัวตนและการเข้ารหัสข้อมูล IP องค์ประกอบหลัก ได้แก่ IKE (การแลกเปลี่ยนคีย์อินเทอร์เน็ต) สำหรับสร้างและจัดการความสัมพันธ์ด้านความปลอดภัย ESP (ส่วนข้อมูลความปลอดภัยแบบห่อหุ้ม) สำหรับการเข้ารหัสและความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูล และ AH (ส่วนหัวการยืนยันตัวตน) สำหรับความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูลโดยไม่เข้ารหัส IPsec ทำงานที่ชั้นเครือข่าย จึงปกป้องข้อมูลทั้งหมดโดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงแอปพลิเคชัน

IKEv2 (RFC 7296) เข้ามาแทนที่ IKEv1 ด้วยการออกแบบที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพมากกว่า IKEv1 ต้องใช้หลายโหมดและการแลกเปลี่ยนข้อความหลายครั้ง ส่วน IKEv2 ใช้รูปแบบการแลกเปลี่ยนแบบรวมเป็นหนึ่งเดียว IKEv2 ยังมีความสามารถในตัวสำหรับการข้ามผ่าน NAT รองรับ EAP สำหรับการยืนยันตัวตนผู้ใช้ รองรับ MOBIKE สำหรับการเปลี่ยนที่อยู่ IP ขณะเคลื่อนที่ และมีค่าเริ่มต้นด้านความปลอดภัยที่แข็งแกร่งกว่า การใช้งาน VPN สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ IKEv2

การแลกเปลี่ยน IKE_SA_INIT จะสร้างความสัมพันธ์ด้านความปลอดภัยของ IKE ผู้เริ่มต้นจะส่งอัลกอริทึมที่รองรับ ส่วนแบ่งคีย์ Diffie-Hellman และค่าที่ใช้ครั้งเดียว ผู้ตอบจะเลือกอัลกอริทึม และส่งส่วนแบ่งคีย์ DH กับค่าที่ใช้ครั้งเดียวของตน ทั้งสองฝ่ายจะคำนวณความลับร่วมกันเดียวกันและสร้างคีย์สำหรับความสัมพันธ์ด้านความปลอดภัยของ IKE การแลกเปลี่ยนนี้จะปกป้องขั้นตอน IKE_AUTH ที่ตามมา

การแลกเปลี่ยน IKE_AUTH จะยืนยันตัวตนของคู่สื่อสารและสร้าง SA ย่อยรายการแรกสำหรับการรับส่งข้อมูลจริง การยืนยันตัวตนสามารถใช้ใบรับรอง X.509 (มีความปลอดภัยสูงสุด) คีย์ที่ตกลงร่วมกันล่วงหน้า (PSK) หรือวิธีการ EAP สำหรับการยืนยันตัวตนระดับผู้ใช้ การแลกเปลี่ยนนี้ยังเจรจาพารามิเตอร์ของ SA ย่อย ได้แก่ ตัวเลือกการรับส่งข้อมูล (ช่วง IP ที่ต้องการปกป้อง) อัลกอริทึมการเข้ารหัส และอัลกอริทึมตรวจสอบความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูล

ESP (ส่วนข้อมูลความปลอดภัยแบบห่อหุ้ม) เป็นกลไกหลักในการปกป้องข้อมูลที่รับส่งผ่าน IPsec ในโหมดอุโมงค์ ESP จะห่อหุ้มแพ็กเก็ต IP เดิมทั้งหมดไว้ภายในแพ็กเก็ต IP ใหม่ที่มีส่วนหัว ESP จึงให้ทั้งการเข้ารหัสและความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูล ในโหมดส่งข้อมูล ESP จะปกป้องเฉพาะส่วนข้อมูลของแพ็กเก็ต IP เดิม โดยคงส่วนหัว IP เดิมไว้ AES-256-GCM เป็นอัลกอริทึมที่แนะนำสำหรับ ESP ในการใช้งานสมัยใหม่

AH (ส่วนหัวการยืนยันตัวตน) ให้ความถูกต้องครบถ้วนของข้อมูลและการยืนยันตัวตนโดยไม่เข้ารหัส โดยครอบคลุมส่วนหัว IP เดิม (ต่างจาก ESP) แต่ทำให้ AH ไม่เข้ากันได้กับ NAT ซึ่งแก้ไขฟิลด์ในส่วนหัว IP เนื่องจาก AH ไม่ให้การรักษาความลับและทำให้การข้ามผ่าน NAT ใช้งานไม่ได้ จึงไม่ค่อยมีการใช้งานจริง ESP ที่ใช้อัลกอริทึม AEAD ที่แข็งแกร่งให้การปกป้องที่ดีกว่าการใช้ AH ร่วมกับการเข้ารหัสแยกกัน

ในโหมดส่งข้อมูล IPsec จะปกป้องส่วนข้อมูลระหว่างจุดปลายทางสองจุด แต่ยังคงเปิดเผยส่วนหัว IP ไว้ วิธีนี้ใช้สำหรับการสื่อสารจากเครื่องหนึ่งถึงอีกเครื่องหนึ่งซึ่งไม่จำเป็นต้องซ่อนข้อมูลการกำหนดเส้นทาง ในโหมดอุโมงค์ แพ็กเก็ต IP เดิมทั้งหมดจะถูกห่อหุ้มไว้ภายในแพ็กเก็ตใหม่ ทำให้ผู้สังเกตการณ์มองไม่เห็นต้นทางและปลายทาง อุปกรณ์เกตเวย์ VPN จะใช้โหมดอุโมงค์เสมอเมื่อต้องเชื่อมต่อเครือข่ายหรือผู้ใช้เข้ากับเครือข่าย

ESP มาตรฐานไม่สามารถผ่าน NAT ได้ เนื่องจาก NAT แก้ไขส่วนหัว IP และหมายเลขพอร์ตที่อยู่ในขอบเขตการตรวจสอบความถูกต้องครบถ้วนของ ESP IPsec แก้ปัญหานี้ด้วย NAT-T (การข้ามผ่าน NAT) โดยตรวจจับ NAT ระหว่างการแลกเปลี่ยน IKE และห่อหุ้มแพ็กเก็ต ESP ไว้ภายใน UDP พอร์ต 4500 ชั้นห่อหุ้ม UDP นี้ทำให้ NAT แปลที่อยู่ได้โดยไม่ทำให้การตรวจสอบความถูกต้องครบถ้วนของ ESP ล้มเหลว

IPsec จะดูแลฐานข้อมูลความสัมพันธ์ด้านความปลอดภัย (SAD) ซึ่งจัดเก็บ SA ที่ใช้งานอยู่ทั้งหมดพร้อมคีย์ อัลกอริทึม และอายุการใช้งาน ฐานข้อมูลนโยบายความปลอดภัย (SPD) จะกำหนดว่าควรปกป้อง ข้ามผ่าน หรือทิ้งข้อมูลใด เมื่อข้อมูลขาออกตรงกับรายการใน SPD เคอร์เนลจะค้นหาหรือสร้าง SA ที่เหมาะสมใน SAD แล้วใช้การปกป้องตามที่ระบุ

EAP (โพรโทคอลการยืนยันตัวตนแบบขยายได้) ใน IKEv2 ช่วยให้ใช้วิธีการยืนยันตัวตนระดับผู้ใช้นอกเหนือจากใบรับรองและ PSK ได้ EAP-TLS ใช้ใบรับรองไคลเอนต์ EAP-MSCHAPv2 ใช้ชื่อผู้ใช้และรหัสผ่าน (พบได้ทั่วไปในไคลเอนต์ Windows) และ EAP-TTLS จะสร้างอุโมงค์ให้วิธีการภายในทำงานอยู่ภายในเซสชัน TLS VPN IPsec ระดับองค์กรจำนวนมากใช้การยืนยันตัวตนด้วยใบรับรองสำหรับเกตเวย์ และใช้ EAP สำหรับผู้ใช้แต่ละราย

SA มีขีดจำกัดอายุการใช้งานทั้งในรูปจำนวนไบต์และระยะเวลา เมื่อ SA ย่อยเข้าใกล้ขีดจำกัดอายุการใช้งาน IKEv2 จะสร้าง SA ใหม่โดยอัตโนมัติพร้อมคีย์ใหม่ผ่านการแลกเปลี่ยน CREATE_CHILD_SA การเปลี่ยนคีย์นี้ให้การรักษาความลับล่วงหน้า กล่าวคือ หากคีย์ปัจจุบันถูกเจาะ ก็จะไม่ทำให้ข้อมูลที่ผ่านมา ซึ่งเข้ารหัสด้วยคีย์ก่อนหน้า ถูกเปิดเผย อายุการใช้งานของ IKE SA โดยทั่วไปจะยาวนานกว่าอายุการใช้งานของ SA ย่อย

โหมดใดของ IPsec ที่ห่อหุ้มแพ็กเก็ต IP เดิมทั้งหมดไว้ในแพ็กเก็ตใหม่ และซ่อนที่อยู่ต้นทางกับปลายทางเดิม

สรุป IPsec: IKEv2 สร้างความสัมพันธ์ด้านความปลอดภัยผ่าน IKE_SA_INIT (การแลกเปลี่ยนคีย์ DH) และ IKE_AUTH (การยืนยันตัวตนของคู่สื่อสาร) ESP ให้โหมดอุโมงค์ที่เข้ารหัสและยืนยันตัวตนสำหรับข้อมูลที่รับส่ง AH ไม่ค่อยมีการใช้งานเนื่องจากไม่เข้ากันได้กับ NAT NAT-T ห่อ ESP ไว้ใน UDP เพื่อการข้ามผ่าน NAT และการเปลี่ยนคีย์โดยอัตโนมัติจะให้การรักษาความลับล่วงหน้าตลอดอายุการใช้งานของการเชื่อมต่อ VPN