Was ist IPsec?

IPsec (Internet Protocol Security) ist ein Architektur-Framework, das Sicherheitsdienste für IP-Netzwerke bereitstellt. Es operiert auf der Netzwerkschicht (Layer 3) des OSI-Modells und schützt damit alle darüber liegenden Protokolle transparent – ohne dass Anwendungen angepasst werden müssen.

Die Architektur ist in RFC 4301 standardisiert und definiert sowohl Implementierungs- als auch Wartungsanforderungen für konforme Systeme.

Warum IPsec? – Die vier Schutzziele

Security Association (SA)

Eine Security Association (SA) ist eine einseitige, logische Verbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern, die alle vereinbarten Sicherheitsparameter enthält.

• Inhalt einer SA: Algorithmen (Verschlüsselung, Integrität), Schlüssel, Gültigkeitsdauer, Protokoll (AH oder ESP), Modus (Tunnel/Transport)
• Einseitig: Für bidirektionale Kommunikation werden zwei SAs benötigt (je eine pro Richtung)
• SPI (Security Parameter Index): Eindeutiger Bezeichner für eine SA – steht im IPsec-Header jedes Pakets
• SAD (Security Association Database): Datenbank, in der alle aktiven SAs gespeichert sind
• SPD (Security Policy Database): Legt fest, welcher Datenverkehr wie geschützt werden soll (verschlüsseln / verwerfen / durchlassen)

Merkhilfe: Typische Prüfungsfragen zu Grundlagen

• „Auf welcher OSI-Schicht arbeitet IPsec?" → Schicht 3 (Netzwerkschicht)
• „Was versteht man unter Anti-Replay?" → Angreifer kann aufgezeichnete Pakete nicht erneut einspielen, da jedes Paket eine eindeutige Sequenznummer trägt
• „Welche Norm standardisiert IPsec?" → RFC 4301
• „Was ist eine Security Association?" → Einseitige logische Verbindung mit allen Sicherheitsparametern zwischen zwei Partnern
• „Was ist der Unterschied zwischen SAD und SPD?" → SAD enthält aktive Verbindungsparameter; SPD enthält Regeln, welcher Traffic wie behandelt wird

Die vier technischen Komponenten von IPsec

IPsec ist kein einzelnes Protokoll, sondern ein Framework aus vier zusammenwirkenden Komponenten. In der Prüfung wird oft verlangt, diese zu benennen und Algorithmen zuzuordnen.

1. Verschlüsselung (Confidentiality)

Schützt den Paketinhalt vor unbefugtem Lesen. IPsec verschlüsselt nicht nur die Daten, sondern – im Tunnel-Modus – den gesamten ursprünglichen IP-Header, also den gesamten Kanal.

Cipher-Suite-Verhandlung

Sender und Empfänger müssen vor der Kommunikation eine gemeinsame Cipher-Suite aushandeln – eine Kombination aus Verschlüsselungs-, Integritäts- und Schlüsselaustauschalgorithmus. Unterstützt ein Partner einen Algorithmus nicht, kann keine Verbindung aufgebaut werden.

2. Schlüsselaustausch (Key Exchange)

Damit Sender und Empfänger dieselben kryptografischen Schlüssel verwenden, muss ein sicherer Schlüsselaustausch stattfinden. IPsec verwendet dafür IKE (Internet Key Exchange).

3. Nachrichtenintegrität (Message Integrity)

Sichergestellt durch HMAC (Hash-based Message Authentication Code). Über jeden Paketinhalt wird ein Hashwert berechnet und mitgesendet. Der Empfänger berechnet den Hash erneut – stimmt er überein, ist das Paket unverändert.

4. Authentifizierung (Authentication)

IPsec authentifiziert sowohl die Kommunikationspartner (Gegenseitige Authentifizierung der Endpunkte) als auch jedes einzelne Datenpaket (Paket-Authentifizierung durch HMAC).

• Peer-Authentifizierung: Findet im IKE-Handshake statt. Methoden: PSK, Zertifikate, EAP.
• Paket-Authentifizierung: Jedes IP-Paket trägt einen Authentifizierungswert (ICV – Integrity Check Value), der vom Empfänger verifiziert wird.
• Nur AH oder ESP? Authentifizierung kann über das AH-Protokoll (nur Auth) oder das ESP-Protokoll (Auth + Verschlüsselung) realisiert werden.

AH vs. ESP – die zwei Sicherheitsprotokolle

IPsec definiert zwei Protokolle, die unterschiedliche Sicherheitsdienste anbieten. Beide können einzeln oder kombiniert eingesetzt werden. In der Prüfung wird häufig gefragt, welches Protokoll welche Schutzziele erfüllt, wann welches einzusetzen ist – und warum sie sich in der Praxis ergänzen.

Vergleich AH vs. ESP

AH + ESP kombiniert – warum und wann?

AH und ESP sind so konzipiert, dass sie sich gegenseitig ergänzen können. Der entscheidende Unterschied liegt im Schutzumfang der Authentifizierung:

Laut RFC 2401 gibt es zwei offizielle Kombinationsformen:

Warum wird AH+ESP heute kaum noch eingesetzt?

Obwohl die Kombination theoretisch den stärksten Schutz bietet, sprechen drei praktische Gründe dagegen:

NAT-Traversal (NAT-T)

AH schützt den kompletten IP-Header inklusive IP-Adressen. NAT verändert genau diese Adressen – die Integritätsprüfung schlägt fehl, das Paket wird verworfen. AH ist designbedingt NAT-inkompatibel.

ESP löst dieses Problem durch NAT-Traversal (NAT-T): Der gesamte IPsec-ESP-Verkehr wird in normale UDP-Pakete (Port 4500) eingebettet. Das NAT-Gerät sieht nur UDP und kann die Adressen übersetzen, ohne die ESP-Integrität zu berühren.

Merkhilfe: Typische Prüfungsfragen

• „Was ist der Unterschied zwischen AH und ESP?" → AH nur Auth/Integrität (inkl. IP-Header), keine Verschlüsselung; ESP alles inkl. Verschlüsselung, aber nur Payload-Auth
• „Warum ergänzen sich AH und ESP?" → ESP verschlüsselt, schützt aber den IP-Header nicht. AH schließt diese Lücke durch vollständige Paket-Authentifizierung
• „Warum ist AH+ESP heute selten?" → NAT-Inkompatibilität von AH; modernes ESP+Auth macht AH weitgehend überflüssig
• „Wie viele SAs werden bei AH+ESP pro Host benötigt?" → 4 SAs (je eine AH- und ESP-SA pro Richtung)
• „Warum ist AH mit NAT nicht kompatibel?" → NAT ändert den IP-Header; AH erkennt das als Manipulation und verwirft das Paket
• „Was ist Transport Adjacency?" → AH und ESP auf dasselbe Paket anwenden ohne Tunneling – ESP verschlüsselt, AH authentifiziert das gesamte Ergebnis

Transport-Modus vs. Tunnel-Modus

IPsec kann in zwei Modi betrieben werden, die sich darin unterscheiden, welcher Teil des IP-Pakets geschützt wird. In der Prüfung: Modus für ein Szenario auswählen und begründen.

Paketstruktur: Transport- vs. Tunnel-Modus

IKE – Internet Key Exchange

IKE ist das Protokoll, das den automatischen Aufbau und die Verwaltung von Security Associations übernimmt. Es handelt Cipher-Suites aus, authentifiziert die Partner und erzeugt Sitzungsschlüssel. Läuft über UDP Port 500.

Vollständiges Praxisbeispiel: Site-to-Site-VPN

Typische Konfiguration für eine sichere Standortvernetzung – prüfungsrelevantes Format:

Merkhilfe: Typische Prüfungsfragen

• „Welcher Modus wird für Site-to-Site-VPN verwendet?" → Tunnel-Modus
• „Was ist der Unterschied zwischen AH und ESP?" → AH nur Auth/Integrität, kein Encrypt; ESP alles inkl. Verschlüsselung
• „Warum ist AH mit NAT nicht kompatibel?" → NAT verändert den IP-Header, was die AH-Integritätsprüfung bricht
• „Welche zwei Phasen hat IKE?" → Phase 1: Management-SA (authentifizierter Kanal); Phase 2: IPsec-SAs für Nutzdaten
• „Was ist eine Cipher-Suite?" → Kombination aus Verschlüsselungs-, Integritäts- und Schlüsselaustauschalgorithmus – beide Seiten müssen dieselbe unterstützen
• „Warum ist DES nicht mehr sicher?" → Nur 56 Bit Schlüssellänge, in kurzer Zeit brute-force-angreifbar