IPSec (IP Security Protocol)

Regido pela RFC 6071 (em seu modo de operação mais comum) o IPSec é um conjunto de protocolos desenvolvido para oferecer segurança para um pacote em nível de camada de rede, que ajuda a criar pacotes confidenciais e autenticados para a camada IP, sendo amplamente utilizado no estabelecimento de VPNs. Entre os principais serviços oferecidos pelo IPSec encontram-se o mecanismo de troca de chaves Diffie-Hellman, criptografia de chave pública e algoritmos para cálculo de hash com utilização de chaves.

Leia mais sobre criptografia Diffie-Hellman aqui, e confira sua RFC.
Leia mais sobre algoritmos para cálculo de hash aqui.

Protocolos de Segurança

O IPSec define dois protocolos, o Authentication Header (AH) e o Encapsulating Security Payload (ESP), para oferecer autenticação e/ou criptografia para pacotes no nível IP.

Authentication Header (AH)

Provê integridade de dados e fornece autenticação de fonte, mas não oferece privacidade.
Foi desenvolvido para autenticar o host de origem e para garantir a integridade do payload transportado no pacote IP. O protocolo usa uma função hash e uma chave simétrica para criar um resumo de mensagem; o resumo é inserido no cabeçalho de autenticação. O AH é então colocado na posição apropriada com base no modo (transporte ou túnel, explicados a seguir).

Estrutura do pacote AH:

Imagem - Estrutura do Authentication Header

Estrutura:
- Próximo Cabeçalho: O campo de 8 bits define o tipo de payload transportado pelo datagrama IP;
- Tamanho do Dado: Comprimento do cabeçalho de autenticação em múltiplos de 4 bytes;
- Índice do Parâmetro de Segurança: Desempenha o papel de identificador de circuitos virtuais e é o mesmo para todos os pacotes da mesma SA;
- Número de Sequência: Informações de ordenação para uma sequência de datagramas;
- Dados de autenticação: O campo de autenticação de dados é o resultado da aplicação de uma função hash a todo o datagrama IP, exceto para os campos que são modificados em trânsito.

Saiba mais sobre o procoloco e sua estrutura aqui, e confira sua RFC.

Encapsulating Security Payload (ESP)

Considerado uma evolução em relação ao protocolo AH, o ESP oferece autenticação de fontes, integridade de dados e privacidade, sendo que seu predecessor oferecia apenas os dois primeiros serviços.
Estrutura do protocolo ESP:

Imagem - Estrutura do Encapsulating Security Payload

Estrutura:
- Security Parameters Index (SPI): O campo de Índice de parâmetros de segurança de 32 bits é similar àquele definido para o protocolo AH (Índice do Parâmetro de Segurança);
- Sequence Number: Similar ao do protocolo AH;
- Padding: Preenchimento;
- Pad Length: Define o número de bytes de preenchimento;
- Next Header: Similar ao do protocolo AH;
- Authentication data: Resultado da aplicação de um esquema de autenticação a partes do datagrama.

Saiba mais sobre o procoloco aqui, e confira sua RFC.

Security Association (SA)

Além destes dois cabeçalhos, o IPSec define também o conceito de associação de segurança (security associations) – conjunto de diretivas que permite negociar algoritmos de criptografia a utilizar. Uma associação de segurança representa uma relação entre duas ou mais entidades que comunicam e descrevem quais os mecanismos de segurança a utilizar para estabelecer uma comunicação segura. A associação de segurança permite negociar protocolos, algoritmos de criptografia e chaves a usar e contém informação sobre:

Algoritmo e modo de autenticação a aplicar ao cabeçalho de autenticação;
Chaves usadas no algoritmo de autenticação;
Algoritmo e modo de criptografia utilizados no cabeçalho de encapsulamento de dados de segurança;
Chaves usadas no algoritmo de criptografia do cabeçalho de encapsulamento de dados;
Tempo de vida da chave;
Tempo de vida da associação de segurança;
Endereço(s) fonte da associação de segurança;
Nível de sensibilidade dos dados protegidos.

Saiba mais sobre o protocolo aqui, e confira sua RFC

Modos de Operação

Transporte

O modo transporte protege o payload da camada de rede, a ser encapsulado na camada de rede, logo, ele não protege o cabeçalho IP, protege apenas as informações provenientes da camada de transporte.
Normalmente, o modo de transporte é usado quando precisamos de proteção de dados fim a fim (host a host). O host emissor usa o IPSec para autenticar e/ou criptografar o payload entregue pela camada de transporte. O host receptor usa o IPSec para verificar a autenticação e/ou decriptografar o pacote IP e entregá-lo à camada de transporte. A figura a seguir ilustra esse conceito.

Imagem - Esquemático do IPSec em modo transporte

Túnel

No modo túnel, o IPSec protege o pacote IP por inteiro. Basicamente, ele pega todo o pacote IP original, aplica os métodos de segurança IPSec a todo o pacote (criptografa) e, em seguida, acrescenta um novo cabeçalho IP, com informações distintas do cabeçalho IP original.