IPSec Verschlüsselung - Prof. Dr. Norbert Pohlmann

Was ist IPSec oder IPSec Verschlüsselung?

IPSec Verschlüsselung
IPSec ist der Internet-Sicherheitsstandards der Internet Engineering Task Force (IETF) für die Cyber-Sicherheit von IP-Paketen auf der Netzwerk-Ebene. Die grundsätzliche Idee von IPSec ist, eine offene, kostengünstige und weltweit verfügbare Kommunikationsinfrastruktur, wie das Internet zu nutzen und allen Bedrohungen und Risiken möglichst sinnvoll entgegenzuwirken.

Die Cyber-Sicherheitsfunktionen von IPSec

Verschlüsselung schützt die Vertraulichkeit der übertragenen Daten (jedes Paket kann verschlüsselt werden).

HMAC-Funktion sorgt für die Authentizität, Unversehrtheit der übertragenen Daten (jedes Paket kann gegen Manipulation geschützt und auf die Echtheit überprüft werden).

Anti-Replay Mechanismus schützt vor unberechtigter Wiedereinspielung von übertragenen Daten (jedes Paket kann vor Wiedereinspielung geschützt werden).

Authentifikation gewährleistet die Eindeutigkeit und Echtheit der Kommunikationspartner (die Kommunikationspartner können authentifiziert werden).

Tunneling verschleiert den Datentransfer für definierte Aspekte (die IP-Kommunikation kann gegen einen gewissen Grad der Verkehrsflussanalyse geschützt werden).

Verschiedene Header der IPSec Verschlüsselung

IPSec realisiert die zusätzliche Cyber-Sicherheit durch das Einfügen von Erweiterungs-Header in die IP-Pakete. In den IPSec-Headern sind nur minimal notwendige Informationen untergebracht, die auf spezielle Datenbanken verweisen und mit Security Associations das Security-Management zwischen den Kommunikationsendpunkten umsetzen.

Diese zusätzlichen Header sind:

Authentication Header
(AH, RFC 2402)

Cyber-Sicherheitsdienste, die mit den Authentication Header erbracht werden, sind:

• Datenunversehrtheit
• Authentifikation
• Anti-Replay Service (optional, ist aber standardmäßig aktiv)
  

Encapsulated Security Payload
(ESP, RFC 2406)

Cyber-Sicherheitsdienste, die mit den Encapsulated Security Payload Header erbracht werden, sind:

• Datenunversehrtheit und Authentifikation (optional, ist aber standardmäßig aktiv)
• Anti-Replay Service (optional, ist aber standardmäßig aktiv)
• Verschlüsselung (optional, ist aber standardmäßig aktiv)
  

Verschiedenen Modi bei IPSec

IPSec kann im Transport- oder im Tunnelmodus betrieben werden. Im Transportmodus wird der IP-Header des ungesicherten IP-Pakets beibehalten und nur sein Datenteil wird gesichert. Bis auf das Feld „Länge des IP-Paketes“ und die „Prüfsumme“ bleibt der alte IP-Header unverändert. Im Tunnelmodus hingegen wird das gesamte IP-Paket in die Nutzdaten des IPSec-Pakets übernommen, sodass die alte IP-Adresse bei der Verschlüsselung nicht mehr sichtbar ist.

Realisierungsformen von IPSec-Systeme

IPSec kann in verschiedenen Realisierungsformen umgesetzt werden.

IPSec-Gateway

Mit einer IPSec-Sicherheitsschicht im Kommunikations-Stack eines Gateways kann aus einem unsicheren Netzdienst ein sicherer Netzdienst umgesetzt werden.
Hierzu wird in einen IPSec-Gateway eine IPSec-Sicherheitsschicht in die Kommunikationsarchitektur eingeführt, die dann transparent für die IT-Systeme die IPSec-Sicherheitsdienste umsetzt.

Vorteile einer IPSec-Gateway-Lösung

• Die IPSec-Gateway-Lösung ist unabhängig von IT-Systemen (Server, PC, Notebook, Tablets, Smartphone, Wearable, …) und deren Betriebssystemen (Android, iOS, LINUX, Windows, …).
• Die IPSec-Gateway-Lösung erlaubt die Einrichtung von Cyber-Sicherheitsfunktionen zwischen IT-Systemen, in die ansonsten keine Cyber-Sicherheitsfunktionen integriert werden könnten (zum Beispiel Terminals).
• Bei heterogenen IT-Systemen (unterschiedliche Hardware, Software, Betriebssysteme, …) kann immer das gleiche IPSec-Gateway verwendet werden, wodurch sich der notwendige Aufwand verringert.
• IPSec-Gateways sind leichter „sicher“ zu realisieren als spezielle Software-Lösungen in IT-Systemen und sie sind immer ansprechbar, und damit einfacher zu managen.
• Die IPSec-Gateways sind hinsichtlich der Sicherheitsqualität unabhängig von anderen Systemkomponenten. Die Cyber-Sicherheit ist anwendungsunabhängig.

IPSec-Client

Eine weitere IPSec-Realisierungsform, die IPSec-Sicherheitsfunktionen bereitzustellen, ist die Integration einer IPSec-Sicherheitsschicht in das IT-System, wie Notebook, Smartphone oder PC. In der Praxis wird eine IPSec-Sicherheitsschicht softwaremäßig als transparenter Netzwerktreiber in das IT-System installiert.

Vorteile einer IPSec-Client-Lösung
• Der IPSec-Client ist kostengünstiger als die IPSec-Gateway-Lösung.
• Der IPSec-Client bietet End-to-End-Sicherheit.
• Der IPSec-Client kann mobil und flexibel verwendet werden.
• Bei der IPSec-Client kann eine Person, ein Nutzer, authentisiert werden.

Internet-Key-Exchange-Protocol (IKE)

Das Internet-Key-Exchange-Protokoll (IKE) ist das Schlüsseltransferprotokoll für IPSec. Für IKE brauchen zum Beispiel beide Seiten eine identische Passphrase (Pre-Shared Seced). Darauf basierend wird unter dem Einsatz des Diffie-Hellman-Protokolls ausgehandelt, welche Algorithmen zur Verschlüsselung eingesetzt werden.

Übersicht und Zusammenhang zwischen dem Internet-Key-Exchange-Protocol (IKE) und IPSec:

• Main Mode/Aggressive Mode: Aufbau der ISAKMP SA sowie Policy-Absprachen und Authentifikation des Kommunikationspartners
• Quick Mode: Aufbau der IPSec SA sowie Mode/IPSec-Header (AH, ESP) Absprache und Key-Management. Der Quick Mode ist geschützt durch die vorher erstellte ISAKMP SA.
• Transfer Mode: Sicherung der IP-Pakete mit AH/ESP und Anti-Replay Service

In den IPSec-Headern sind nur minimal notwendige Informationen untergebracht, die auf Datenbanken verweisen und mit weiteren Security Associations das Security-Management umsetzen. Bei der Aushandlung der entsprechenden Policy können mit den Security Associations, für jede Kommunikationsrichtung zwischen den Kommunikationspartnern, unterschiedliche Aspekte ausgehandelt werden.

Security Policy Database (SPD)

In der Security Policy Database (SPD) ist beispielsweise hinterlegt, wie die Verbindung zwischen den Kommunikationsendpunkten, die durch ihre IP-Adressen identifiziert sind, gesichert werden soll. Als Security Protocol werden dann die IPSec-Header AH, ESP oder beide gleichzeitig eingesetzt. Zur Aushandlung der Schlüssel wird meist IKE verwendet. Die SPD ist im Vergleich zur SAD (siehe folgender Abschnitt) eher statisch, da ein Eintrag in der SPD „zustandslos“ ist.

Die Security Policy Database definiert den Sicherheitsstandard für ein bestimmtes IPSec-System einer Organisation:

• Quell- & Ziel-IP-Adressen
• Quell- & Zielportnummer
• Protokoll (UDP, TCP, …)
• eine Liste mit den zugelassenen Algorithmen für das System einer Organisation
• falls notwendig: Beschreibung des Tunnelendpunkts
• Informationen über die Nutzung der Anti-Replay Windows und der maximalen Lebensdauer der SAs
  

Security Association Database (SAD)

In der Security Association Database (SAD) werden Security Associations (SAs) zwischen den Kommunikationsendpunkten der IPSec-Verbindung verwaltet. Die Einträge in der SAD verändern sich öfter, anders als bei der SPD. Die Einträge der Security Association enthalten die Schlüssel mit der entsprechenden Lebensdauer. AH und ESP haben eigene Einträge in der Security Association der SAD. Eine Security Association wird über das IKE-Protokoll angelegt und für nur eine Kommunikationsrichtung genutzt: Sender und Empfänger haben darin die entsprechenden Schlüssel und Verfahren. Wenn AH und ESP gleichzeitig verwendet werden, sind vier Einträge in der entsprechenden Security Association vorhanden.

Der Security Parameter Index (SPI) identifiziert zusammen mit der IP-Adresse des Kommunikationsendpunkts die entsprechende Security Association. Diese Informationen stehen im IP- und IPSec-Header.

Für jede SA werden folgende Parameter festgelegt:

• Identifier:
• Ziel-IP-Adressen oder Ranges
• IPSec-Header (AH oder ESP)
• Security Parameter Index (SPI)
• Parameter:
• Algorithmen für die Authentifikation und Verschlüsselung
• Lebensdauer der Security Association (SA)
• Tunnel- oder Transport-Mode
• Anti-Replay Service
• Link mit der Policy in der SPDSA

Anwendungsformen von IPSec-Lösungen

Es gibt verschiedene Anwendungsformen von IPSec-Lösungen, von denen ein paar exemplarisch dargestellt werden.

Unternehmensweite IPSec-Lösung

Mithilfe einer unternehmensweiten IPSec-Lösung werden zwischen verschiedenen Standorten eines Unternehmens (Zentrale und Niederlassungen) Unternehmensdaten vertrauenswürdig über ein unsicheres Netz, wie das Internet, ausgetauscht. Bei dieser Anwendungsform spielt die Transparenz der Lösung eine wichtige Rolle.

Sichere Remote-Ankopplung

Heim- und/oder Mobil-Arbeitsplätze greifen über ein öffentliches Netzwerk, wie das Internet, geschützt auf die zentral gespeicherten Unternehmensdaten zu. Hier spielen die Identifikation und Authentifikation des Nutzers, der auf die Daten zugreifen möchte, eine besondere Rolle.

Der Zugang zum Unternehmensnetzwerk ist mit einem redundanten, hochverfügbaren IPSec-Gateway aufgebaut, das zum Beispiel über einen Directory-Service die Zertifikate und eine Certificate Revocation List (CRL) der einzelnen Mobil-Mitarbeiter abrufen kann. Dazu steht dann auch zentral eine PKI zur Verfügung.

Die einzelnen Mobil-Mitarbeiter haben auf ihrem IT-System (Notebook, PC, Smartphone, …) einen IPSec-Client installiert und in der Regel eine Smartcard oder einen USB-Stick als Hardware-Sicherheitsmodul für das Challenge-Response-Protokoll der Authentifikation.

IPSec zwischen verschiedenen Unternehmen

In einer definierten Gruppe von Unternehmen – beispielsweise Automobilhersteller und -zulieferern – können alle Partner miteinander mithilfe der IPSec-Technologie eine vertrauenswürdige, untereinander und nach außen geschützte Kommunikation realisieren. Hier spielt das unternehmensübergreifende Cyber-Sicherheitsmanagement wie eine gemeinsame PKI-Infrastruktur und Policy-Absprachen eine besondere Rolle.

Weitere Informationen zum Begriff “IPSec Verschlüsselung”:

„Ein Quantum Bit. Quantencomputer und ihre Auswirkungen auf die Sicherheit von morgen“

„Confidential Computing – IT-Sicherheit und Datenschutz in der Cloud“

„Von der Perimeter-Sicherheit zum Enterprise-Rights-Management“

„Kryptographie (III): Von der Geheimwissenschaft zur alltäglichen Nutzanwendung – Symmetrische Verschlüsselungsverfahren“

„Selbstverteidigung – Verschlüsselung als Mittel gegen die Überwachung“

„Wiederaufbau – Verschlüsselung als Mittel gegen die Überwachung“

„Lehrbuch Cyber-Sicherheit“

„Übungsaufgaben und Ergebnisse zum Lehrbuch Cyber-Sicherheit“

„Bücher im Bereich Cyber-Sicherheit und IT-Sicherheit zum kostenlosen Download“

„Vorlesungen zum Lehrbuch Cyber-Sicherheit“

„Sind Sie sicher? Optimierte Strategien und Lösungen!“

„CISO 2025 – Berufsbild im Wandel“

„Internet-Sicherheit – Was ist und was kommt?“

„Ohne IT-Sicherheit gelingt keine nachhaltige Digitalisierung!“

„Forschungsinstitut für Internet-Sicherheit (IT-Sicherheit, Cyber-Sicherheit)“

„Master-Studiengang Internet-Sicherheit (IT-Sicherheit, Cyber-Sicherheit)“

„Marktplatz IT-Sicherheit“

„Marktplatz IT-Sicherheit: IT-Notfall“

„Marktplatz IT-Sicherheit: IT-Sicherheitstools“

„Marktplatz IT-Sicherheit: Selbstlernangebot“

„Marktplatz IT-Sicherheit: Köpfe der IT-Sicherheit“

„Vertrauenswürdigkeits-Plattform“

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IPSec Verschlüsselung

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IPSec ist der Internet-Sicherheitsstandards (IETF) für die Cyber-Sicherheit von IP-Paketen auf der Netzwerk-Ebene. Die grundsätzliche Idee von IPSec ist, das kostengünstige, offene und weltweit verfügbare Internet zu nutzen und gleichzeitig allen Bedrohungen und Risiken wirkungsvoll entgegenzuwirken.

Author

Prof. Norbert Pohlmann

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Institut für Internet-Sicherheit – if(is)

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