Qual é a função do algoritmo diffie Hellman na estrutura IPsec?

Basicamente o IPsec é uma extensão do protocolo IP usado para obter privacidade para o usuário através do tunelamento, criptografia e autenticação. Um cenário de aplicação comum são as VPNs, as quais usaremos com base do estudo. Vamos observar aqui os objetivos do IPsec e os métodos usados para implementá-los.

A confidencialidade é garantida através da criptografia ao trocar um texto explícito em uma versão cifrada que só poderá ser revertida entre os participantes.

A integridade dos dados é garatida por meio de hashing e / ou código de autenticação de mensagem com hash (HMAC) para verificar se os dados não foram manipulados durante seu trânsito pela rede.

A autenticação é garantida por meio da autenticação de pontos de VPN no início de uma sessão de VPN usando chaves pré-compartilhadas (Pre-Shared Keys – PSK) ou assinaturas digitais (aproveitando certificados digitais). A autenticação também pode ser feita continuamente através do uso de HMAC (Hashed Message Authentication Code) que inclui um segredo conhecido apenas pelas duas extremidades da VPN.

A proteção antireplay é garantida quando a VPN é estabelecida, os pares podem numerar os pacotes sequencialmente e, se houver uma tentativa de repetir um pacote (talvez por um invasor), o pacote não será aceito porque o dispositivo VPN acredita que já o processou.

Protocolo IKE (Internet Key Exchange)

O IPsec usa o protocolo IKE para negociar e estabelecer túneis de rede privada virtual (VPN) de acesso remoto ou site a site protegidos. IKE é uma estrutura fornecida pela Internet Security Association e Key Management Protocol (ISAKMP) e partes de dois outros protocolos de gerenciamento de chaves, nomeadamente Oakley e Secure key exchange Mechanism (SKEME).
Na fase 1 do IKE, os pares IPsec negociam e autenticam uns aos outros. Na fase 2, eles negociam chaves e algoritmos para a criptografia dos dados que estão sendo transferidos pelo túnel IPsec.

Existem 2 versões do protocolo IKE:

• IKEv1: Definido pela RFC 2409
• IKEv2: Definido pela RFC 4306

IKEv2 aprimora a função de realizar a troca dinâmica de chaves e autenticação de pares. Ele simplifica os fluxos de troca de chaves e apresenta medidas para corrigir vulnerabilidades presentes no IKEv1. Ambos IKEv1 e v2 operam em duas fases.

Na prática

Para entendermos vamos usar este cenário onde um funcionário remoto precisa acessar informações armazenadas no servidor da empresa. Na casa do cliente encontramos uma conexão com a Internet padrão por meio de uma conexão PPPoE com o provedor. No lado da empresa encontramos uma linha privada com o provedor e IP fixo.

Vamos assumir nesse exemplo que ambos os roteadores estão devidamente configurados para conectarem via VPN e possuem rotas padrão apontadas para a Internet. Em uma VPN site-to-site cada um dos roteadores serão chamados de Gateways VPN servindo os usuários das redes a qual participam.

Se o roteador R1 estiver configurado para proteger o tráfego originado na rede 192.168.15.0 com destino à rede 10.100.12.0 ele aguardará este tráfego aparecer. Se o cliente na rede de R1 tentar enviar um pacote para a rede de R2, este precisa ser criptografado e protegido antes do envio. Para isso R1 precisa estabelecer um túnel VPN com R2.

Etapa 1: Negociação da fase 1 com IKEv1

O que esses dois roteadores negociam primeiro é algo chamado de túnel da Fase 1 do Internet Key Exchange (IKE). Isso pode ser feito em um dos dois modos: modo principal ou modo agressivo, mas o modo principal é considerado mais seguro. A maioria das implementações VPN atuais usa o modo principal como padrão. Este primeiro túnel é usado entre os dois roteadores para se comunicarem diretamente. Este túnel não será usado para encaminhar pacotes de usuários, mas apenas para proteger o tráfego de gerenciamento relacionado à VPN entre os dois roteadores. Exemplos de pacotes usados nessa sessão são os keepalive para verificar de a VPN ainda está ativa.
Como o roteador R1 primeiro recebeu o primeiro tráfego que precisava ser criptografado e não havia túnel IKE Fase 1 estabelecido, ele se torna o iniciador das negociações. Ele enviará todos os parâmetros configurados / padrão que está disposto a usar para o túnel da fase 1 do IKE. Cinco itens básicos precisam ser envelhecidos entre os dois dispositivos VPN para que o túnel IKE Fase 1 seja bem-sucedido.

• Algoritmo de hash: pode ser o algoritmo de resumo da mensagem 5 (MD5) ou o algoritmo de hash seguro (SHA) na maioria dos dispositivos.
• Algoritmo de criptografia: pode ser Digital Encrypt Standard (DES – muito fraco), Triple DES ou Advanced Encryption Standard (AES) com vários comprimentos de chave (quanto maior, melhor para as chaves).
• Grupo Diffie-Hellman (DH) : o Grupo DH refere-se ao tamanho do módulo (comprimento da chave) a ser usado para a troca de chave DH. O grupo 1 usa 768 bits, o grupo 2 usa 1024 e o grupo 5 usa 1536. Grupos DH mais seguros fazem parte da criptografia de próxima geração.
  • Grupo 14 ou 24: 2048 bits
  • Grupo 15 e 16: 3072 bits e 4096 bits
  • Grupo 19 ou 20: Grupos ECDH de 256 bits e 384 bits, respectivamente.

O objetivo do DH é gerar a chave secreta compartilhada (chaves simétricas) que podem ser usados pelos dois lados da VPN em algoritmos simétricos, como AES. É importante notar que a troca DH em si é assimétrica e as chaves resultantes que são geradas são simétricas.

• Método de autenticação: usado para verificar a identidade do peer VPN do outro lado do túnel. As opções incluem uma chave précompartilhada (PSK) usada apenas para autenticação ou assinaturas RSA (com aproveitamento das chaves públicas contidas nos certificados digitais).
• Vida útil: em quanto tempo este túnel IKE fase 1 deve ser desativado. (O padrão é um dia, contando em segundos) Este é o único parâmetro que não precisa corresponder exatamente ao outro par para ser aceito. Se todos os outros parâmetros corresponderem e o tempo de vida não, eles concordam em usar o menor tempo de vida entre os dois pares. Quanto menos a vida útil melhor pois reduz o tempo para um invasor calcular as chaves do túnel ativo.

Etapa 2: Executar o DH Key Exchange

O DH permite que dois dispositivos que ainda não tenham uma conexão segura estabeleçam a troca de chaves compartilhadas.

Agora, tendo concordado com a política IKE da fase 1 do par, os dois dispositivos executam a troca de chaves DH. Eles usam o grupo DH com o qual concordaram durante as negociações e, no final dessa troca de chave, ambos têm material de chave simétrico (ambos têm as mesmas chaves secretas que podem usar com algoritmos simétricos).

Etapa 3: Autenticando o par

A última parte da fase 1 do IKE é validar ou autenticar o par do outro lado. Para autenticação, eles usam tudo o que concordaram inicialmente e, se eles se autenticarem com êxito, agora temos um túnel de fase 1 IKE instalado entre os dois gateways VPN. Este túnel é bidirecional, o que significa que qualquer um dos dispositivos pode enviar ou receber naquele túnel IKE Fase 1. A autenticação pode ser feita usando um PSK ou RSA, dependendo do que foi acordado na etapa 1.

E agora? O que acontece com os pacotes originais do emissor?

Como dito anteriormente, a função do túnel da fase 1 do IKE é permitir a troca de informações de controle entre os participantes. No momento em que a fase 1 é finalizada, os dispositivos iniciam a negociação de um segundo túnel para a troca de pacotes de fato. Esse segundo túnel é chamado de Fase 2 do IKE (é comumente chamado de IPsec túnel).

Imediatamente após a criação do túnel IKE fase 1 os roteadores começam a estabelecer o segundo (fase 2). Toda a negociação do segundo túnel ocorre de forma privada pois já existe um túnel para esta troca. O túnel IKE fase 2 inclui hash e algoritmos de criptografia. O nome do modo de construção do túnel IKE Fase 2 é denominado modo rápido.

Estabelecido o segundo túnel os roteadores podem encaminhar os pacotes criptografados.

Referências

CCNA Security (210-260) – Official Cert Guide (Ciscopress)

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