1. Servicio que ofrece

IPsec es una extensión al protocolo IP que proporciona seguridad a IP y a los protocolos de capas superiores para establecimiento de comunicaciones seguras.

Fue desarrollado para el nuevo estándar IPv6 y después fue portado a IPv4. La arquitectura IPsec se describe en el RFC2401.

Los servicios que ofrece el protocolo IPSec son:

• Manejo de claves → Negociación y almacenamiento.
• Confidencialidad → Otros usuarios no ven tus archivos.
• No repudio → Un usuario no puede negar una determinada acción.
• Integridad → No alteración de datos enviados ni usuarios logueados.
• Autenticación → Con login y password en todos sus servicios.
• Autorización → Necesaria por el administrador de la red.

Proporciona el servicio al nivel de RED, lo que hace que:

• El sobreflujo de negociación de llaves disminuya.
• Las aplicaciones no requieren modificación alguna.
• Se pueden crear VPNs e Intranets.
• Como desventajas, es difícil manejar el no repudio.
• Ejemplos de protocolos a nivel de RED: IPSec (IETF), NLSP (ISO).

2. Suposiciones sobre el entorno

Para que los participantes de una comunicación puedan encapsular y desencapsular los paquetes IPsec, se necesitan mecanismos para almacenar las claves secretas, algoritmos y direcciones IP involucradas en la comunicación.

Todos estos parámetros se almacenan en asociaciones de seguridad (SA - Security Associations). Las asociaciones de seguridad, a su vez, se almacenan en bases de datos de asociaciones de seguridad (SAD - Security Asocciation Databases).

Cada asociación de seguridad define los siguientes parámetros:

• Dirección IP origen y destino de la cabecera IPsec resultante. Estas son las direcciones IP de los participantes de la comunicación IPsec que protegen los paquetes.
• Protocolo IPsec (AH o ESP). A veces, se permite compresión (IPCOMP).
• El algoritmo y clave secreta empleados por el protocolo IPsec.
• Índice de parámetro de seguridad (SPI - Security Parameter Index). Es un número de 32 bits que identifica la asociación de seguridad.

Algunas implementaciones de la base de datos de asociaciones de seguridad permiten almacenar más parámetros:

• Modo IPsec (túnel o transporte)
• Tamaño de la ventana deslizante para protegerse de ataques por repetición.
• Tiempo de vida de una asociación de seguridad.

En una asociación de seguridad se definen las direcciones IP de origen y destino de la comunicación. Por ello, mediante una única SA sólo se puede proteger un sentido del tráfico en una comunicación IPsec full duplex. Para proteger ambos sentidos de la comunicación, IPsec necesita de dos asociaciones de seguridad unidireccionales.

Las asociaciones de seguridad sólo especifican cómo se supone que IPsec protegerá el tráfico. Para definir qué tráfico proteger, y cuándo hacerlo, se necesita información adicional. Esta información se almacena en la política de seguridad (SP - Security Policy), que a su vez se almacena en la base de datos de políticas de seguridad (SPD - Security Policy Database).

Una política de seguridad suele especificar los siguientes parámetros:

• Direcciones de origen y destino de los paquetes por proteger. En modo transportes estas serán las mismas direcciones que en la SA. En modo túnel pueden ser distintas.
• Protocolos y puertos a proteger. Algunas implementaciones no permiten la definición de protocolos específicos a proteger. En este caso, se protege todo el tráfico entre las direcciones IP indicadas.
• La asociación de seguridad a emplear para proteger los paquetes.

La configuración manual de la asociación de seguridad es proclive a errores, y no es muy segura. Las claves secretas y algoritmos de cifrado deben compartirse entre todos los participantes de la VPN.

Uno de los problemas críticos a los que se enfrenta el administrador de sistemas es el intercambio de claves: ¿cómo intercambiar claves simétricas cuando aún no se ha establecido ningún tipo de cifrado?

Para resolver este problema se desarrolló el protocolo de intercambio de claves por Internet (IKE - Internet Key Exchange Protocol). Este protocolo autentica a los participantes en una primera fase. En una segunda fase se negocian las asociaciones de seguridad y se escogen las claves secretas simétricas a través de un intercambio de claves Diffie Hellmann. El protocolo IKE se ocupa incluso de renovar periódicamente las claves para asegurar su confidencialidad.

3. Vocabulario

• IPSec: Internet Protocol Security. Protocolo que da seguridad capa de red, provee seguridad para IP y protocolos de capas superiores. Provee: autenticación, integridad, control de acceso y confidencialidad. Su diseño contempla IPv4 e IPv6.
• AH: Authentication Header - Cabecera de autenticación. El protocolo AH protege la integridad del datagrama IP.
• ESP Encapsulated Security Payload - Carga de seguridad encapsulada. puede asegurar la integridad del paquete empleando una HMAC y la confidencialidad empleando cifrado
• SPI: Especifica la asociación de seguridad a emplear para el desencapsulado del paquete.
• HMAC: Protege la integridad de los paquetes ya que sólo los miembros de la comunicación que conozcan la clave secreta pueden crear y comprobar HMACs.
• NAT: Network address translation - Traducción de direcciones de red, también conocido como Enmascaramiento de direcciones, reemplaza una dirección IP de la cabecera IP (normalmente la IP de origen) por una dirección IP diferente.
• IKE: Protocolo que resuelve el problema más importante del establecimiento de comunicaciones seguras: la autenticación de los participantes y el intercambio de claves simétricas.
• Virtual Private Networks: Una VPN es una tecnología punto a punto en la que se establecen canales seguros de comunicación. Es virtual porque no es físicamente un red distinta, es privada porque la información que transita por los túneles es encriptada para brindar confidencialidad, y es una red porque consiste de computadoras y enlaces de comunicación, pudiendo incluir enrutadores, switches y gateways de seguridad.

4. Codificación y formato de los mensajes

ESP en IPv.4

ESP en IPv.6

AH en IPv.4

AH en IPv.6

ESP en IPv.4 y en IPv.6

AH en IPv.4 y en IPv.6

El protocolo AH protege la integridad del datagrama IP. Para conseguirlo, el protocolo AH calcula una HMAC basada en la clave secreta, el contenido del paquete y las partes inmutables de la cabecera IP (como son las direcciones IP). Tras esto, añade la cabecera AH al paquete:

La cabecera AH protege la integridad del paquete

La cabecera AH mide 24 bytes. El primer byte es el campo Siguiente cabecera. Este campo especifica el protocolo de la siguiente cabecera.

En modo túnel se encapsula un datagrama IP completo, por lo que el valor de este campo es 4. Al encapsular un datagrama TCP en modo transporte, el valor correspondiente es 6.

El siguiente byte especifica la longitud del contenido del paquete. Este campo está seguido de dos bytes reservados. Los siguientes 4 bytes especifican en Índice de Parámetro de Seguridad(SPI). El SPI especifica la asociación de seguridad (SA) a emplear para el desencapsulado del paquete.

El Número de Secuenciade 32 bit protege frente a ataques por repeticón. Finalmente, los últimos 96 bit almacenan el código de resumen para la autenticación de mensaje(HMAC). Este HMAC protege la integridad de los paquetes ya que sólo los miembros de la comunicación que conozcan la clave secreta pueden crear y comprobar HMACs.

Como el protocolo AH protege la cabecera IP incluyendo las partes inmutables de la cabecera IP como las direcciones IP, el protocolo AH no permite NAT. NAT reemplaza una dirección IP de la cabecera IP (normalmente la IP de origen) por una dirección IP diferente. Tras el intercambio, la HMAC ya no es válida. La extensión a IPsec NAT-transversal implementa métodos que evitan esta restricción.

El protocolo ESP puede asegurar la integridad del paquete empleando una HMAC y la confidencialidad empleando cifrado. La cabecera ESP se genera y añade al paquete tras cifrarlo y calcular su HMAC. La cabecera ESP consta de dos partes y se muestra a continuación:

La cabecera ESP

Los primeros 32 bits de la cabecera ESP especifican el Índice de Parámetros de Seguridad(SPI). Este SPI especifica qué SA emplear para desencapsular el paquete ESP. Los siguientes 32 bits almacenan el Número de Secuencia. Este número de secuencia se emplea para protegerse de ataques por repetición de mensajes.

Los siguientes 32 bits especifican el Vector de Inicialización(IV - Initialization Vector) que se emplea para el proceso de cifrado. Los algoritmos de cifrado simétrico pueden ser vulnerables a ataques por análisis de frecuencias si no se emplean IVs. El IV asegura que dos cargas idénticas generan dos cargas cifradas diferentes.

El uso de NAT, por lo tanto, no rompe el protocolo ESP. Sin embargo, en la mayoría de los casos, NAT aún no es compatible en combinación con IPsec. NAT-Transversal ofrece una solución para este problema encapsulando los paquetes ESP dentro de paquetes UDP.

¿AH o ESP?

ESP provee todo lo que ofrece AH más

confidencialidad de datos. La principal diferencia entre la autenticación provista entre ESP y AH tiene que ver con la cobertura, ESP no protege los campos del encabezado IP, a menos que sean encapsulados por ESP (modo túnel).

El protocolo IKE resuelve el problema más importante del establecimiento de comunicaciones seguras: la autenticación de los participantes y el intercambio de claves simétricas. Tras ello, crea las asociaciones de seguridad y rellena la SAD. El protocolo IKE suele implementarse a través de servidores de espacio de usuario, y no suele implementarse en el sistema operativo. El protocolo IKE emplea el puerto 500 UDP para su comunicación.

• El protocolo IKE funciona en dos fases. La primera fase establece un ISAKMP SA (Internet Security Association Key Management Security Association - Asociación de seguridad del protocolo de gestión de claves de asociaciones de seguridad en Internet). En la segunda fase, el ISAKMP SA se emplea para negociar y establecer las SAs de IPsec.
• La autenticación de los participantes en la primera fase suele basarse en claves compartidas con anterioridad (PSK - Pre-shared keys), claves RSA y certificados X.509 (racoon puede realizar esta autenticación incluso mediante Kerberos).
• La primera fase suele soportar dos modos distintos: modo principal y modo agresivo. Ambos modos autentican al participante en la comunicación y establecen un ISAKMP SA, pero el modo agresivo sólo usa la mitad de mensajes para alcanzar su objetivo. Esto, sin embargo, tiene sus desventajas, ya que el modo agresivo no soporta la protección de identidades y, por lo tanto, es susceptible a un ataque man-in-the-middle (por escucha y repetición de mensajes en un nodo intermedio) si se emplea junto a claves compartidas con anterioridad (PSK). Pero sin embargo este es el único objetivo del modo agresivo, ya que los mecanismos internos del modo principal no permiten el uso de distintas claves compartidas con anterioridad con participantes desconocidos. El modo agresivo no permite la protección de identidades y transmite la identidad del cliente en claro. Por lo tanto, los participantes de la comunicación se conocen antes de que la autenticación se lleve a cabo, y se pueden emplear distintas claves pre-compartidas con distintos comunicantes.

• En la segunda fase, el protocolo IKE intercambia propuestas de asociaciones de seguridad y negocia asociaciones de seguridad basándose en la ISAKMP SA. La ISAKMP SA proporciona autenticación para protegerse de ataques man-in-the-middle. Esta segunda fase emplea el modo rápido.

• Normalmente, dos participantes de la comunicación sólo negocian una ISAKMP SA, que se emplea para negociar varias (al menos dos) IPsec SAs unidireccionales.

IPsec emplea cifradores de bloque para el proceso de cifrado. Por ello, puede ser necesario rellenar la carga del paquete si la longitud de la carga no es un múltiplo de la longitud del paquete. En ese caso se añade la longitud del relleno (pad length).

Tras la longitud del relleno se coloca el campo de 2 bytes Siguiente cabeceraque especifica la siguiente cabecera. Por último, se añaden los 96 bit de HMAC para asegurar la integridad del paquete. Esta HMAC sólo tiene en cuenta la carga del paquete: la cabecera IP no se incluye dentro de su proceso de cálculo.

IPsec emplea dos protocolos diferentes - AH y ESP - para asegurarla autenticación, integridad y confidencialidad de la comunicación. Puede proteger el datagrama IP completo o sólo los protocolos de capas superiores. Estos modos se denominan, respectivamente, módo túnel y modo transporte.

En modo túnel el datagrama IP se encapsula completamente dentro de un nuevo datagrama IP que emplea el protocolo IPsec. En modo transporte IPsec sólo maneja la carga del datagrama IP, insertándose la cabecera IPsec entre la cabecera IP y la cabecera del protocolo de capas superiores.

Implementación de una red IPSec

Configuraciones de IPSec:

1. Redes extremo a extremo

2. VPN

3. Road Warrior

4. Túneles anidados