Was ist ESP?

Encapsulating Security Payload (ESP) ist das IPsec-Protokoll (IP-Protokollnummer 50), das den Inhalt eines getunnelten IP-Pakets verschlüsselt und authentifiziert. Es ist das Herzstück von IPsec: Während IKE die Schlüssel aushandelt, übernimmt ESP die eigentliche Aufgabe, jedes Paket zu schützen, das den Tunnel durchläuft – sowohl im SD-WAN-Overlay von Versaals auch bei den Client-Verbindungen von SASE .

Die wichtigsten Erkenntnisse

• ESP verschlüsselt, authentifiziert und schützt die Integrität von getunnelten IP-Paketen.
• Es läuft unter der IP-Protokollnummer 50 und unterscheidet sich damit von AH und einfachem IKE.
• IKE handelt die Sicherheitsverbindung aus; ESP wendet sie Paket für Paket an.
• Im Tunnelmodus wird das gesamte Paket umschlossen; im Transportmodus wird nur die Nutzlast umschlossen.
• Versa nutzt ESP für SD-WAN-Overlay-Pfade und „ SASE “-Client-VPN-Tunnel.

Auf dieser Seite: Warum das wichtig ist · So funktioniert es · Arten · ESP & Versa · Häufig gestellte Fragen

Warum ist ESP wichtig?

ESP ist der Teil von IPsec, der für den eigentlichen Datenschutz zuständig ist. IKE übernimmt die Authentifizierung der Kommunikationspartner und die Schlüsselaushandlung, doch jedes Paket, das einen IPsec-Tunnel durchläuft, wird von ESP umschlossen, verschlüsselt und authentifiziert. Da ESP unterhalb der Anwendungsschicht arbeitet, werden alle Protokolle innerhalb des Tunnels ohne Änderungen geschützt – weshalb ESP sowohl Site-to-Site-VPNs als auch SD-WAN-Overlays und Fernzugriffs-Clients zugrunde liegt.

ESP hat zudem sein Schwesterprotokoll, den Authentication Header (AH), als Standardoption für IPsec abgelöst. AH authentifiziert ein Paket einschließlich der äußeren Header-Felder, bietet jedoch keine Verschlüsselung – und da es diese Felder abdeckt, macht die Adressumschreibung den Transport über ein NAT-Gateway unmöglich. ESP authentifiziert nur die Nutzlast und kommt daher mit NAT weitaus besser zurecht – allerdings nicht ohne Unterstützung: ESP ist das IP-Protokoll 50 und verfügt über keine Ports, die ein NAT-Gerät zuordnen könnte; daher sind Tunnel im Allgemeinen auf NAT-Traversal (NAT-T, RFC 3948) angewiesen, das während der IKE-Verhandlung ein NAT auf dem Pfad erkennt und ESP in den UDP-Port 4500 einkapselt. Diese praktikable Lösung für NAT im Gegensatz zur unmöglichen bei AH ist ein Grund dafür, dass sich ESP als nahezu universelle Wahl durchgesetzt hat.

Was ist ESP?

Strukturell gesehen umschließt ESP die geschützten Daten mit einem Header und einem Trailer. Der Header enthält einen Security Parameter Index (SPI), der angibt, welche Sicherheitsassoziation – und damit welche Schlüssel und Algorithmen – verwendet werden sollen, sowie eine Sequenznummer zum Schutz vor Replay-Angriffen. Die Nutzdaten werden mit der ausgehandelten Verschlüsselungsmethode verschlüsselt, und ein Trailer fügt Auffülldaten, das Feld „Next-Protocol“ sowie einen optionalen Integritätsprüfwert zur Manipulationserkennung hinzu.

Die Sicherheitsassoziation (SA), die einen ESP-Datenstrom regelt, wird zuvor von IKE ausgehandelt: Verschlüsselungsalgorithmus, Hash- oder AEAD-Modus sowie die Gültigkeitsdauer des Schlüssels. ESP selbst handelt nichts aus – es wendet lediglich die Vorgaben der SA an. Aus diesem Grund stellen die VOS-Geräte von VersaESP als eigenständige „IPsec-Transformation“ bereit, die von der für den Schlüsselaustausch verwendeten IKE-Transformation getrennt ist.

Arten von ESP

ESP unterstützt zwei Kapselungsmodi. Im Tunnelmodus wird ein gesamtes ursprüngliches IP-Paket in ein neues Außenpaket eingekapselt, wodurch die ursprüngliche Adressierung verborgen bleibt – dieser Modus wird für praktisch alle Site-to-Site- und Fernzugriffs-VPNs verwendet. Im Transportmodus wird nur die Nutzlast verschlüsselt, während der ursprüngliche Header sichtbar bleibt; dieser Modus wird hauptsächlich für den Host-to-Host-Schutz verwendet.

Die Wahl der Verschlüsselungsalgorithmen hat sich im Laufe der Generationen weiterentwickelt. In frühen Implementierungen wurden 3DES oder AES-CBC mit einem separaten MD5- oder SHA-Hash kombiniert. Moderne Implementierungen bevorzugen kombinierte (AEAD-)Modi wie AES-GCM, bei denen Verschlüsselung und Authentifizierung in einem einzigen, hardwarebeschleunigten Durchlauf erfolgen. Es gibt auch eine NULL-Verschlüsselungsoption – nur Authentifizierung, keine Verschlüsselung. Die VOS-Geräte von Versabieten diese gesamte Bandbreite: 3DES und AES in den Modi CBC, GCM und CTR, kombiniert mit MD5-, SHA-1-, SHA-2- oder XCBC-Hash-Verfahren sowie NULL.

ESP & Versa

Versa nutzt ESP an zwei Stellen. Im SD-WAN-Overlay verschlüsselt ESP den Daten- und Steuerungsverkehr, der über IPsec-Pfade zwischen Controller-Knoten und CPE-Geräten fließt – jeder Overlay-Pfad ist im Grunde ein durch ESP geschützter Tunnel. Im „Versa “ Secure Access Service schützt ESP den Tunnel zwischen einem „ SASE “-Client und dessen Gateway: Administratoren legen die IKE- und IPsec-Felder auf separaten Registerkarten fest und wählen dabei eine IKE-Transformation für den Schlüsselaustausch sowie eine separate IPsec-Transformation – Verschlüsselung und Hash-Verfahren – aus, ergänzt durch eine PFS-Gruppe und eine SA-Lebensdauer (standardmäßig 28.800 Sekunden).

Der „ SASE “-Client kann die Tunnelreihenfolge DTLS, IPsec oder TLS ausprobieren, sodass ESP-basiertes IPsec eine von drei Transportoptionen ist, die für Secure SD-WAN und NGFW -Bereitstellungen identisch konfiguriert. Die Tunnelauthentifizierung erfolgt über ein CA-Zertifikat oder einen vorab geteilten Schlüssel.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen ESP und AH?

AH authentifiziert ein Paket einschließlich der Felder des äußeren Headers, bietet jedoch keine Verschlüsselung; ESP verschlüsselt die Nutzlast und authentifiziert nur das, was es schützt. Da ESP den äußeren Header nicht abdeckt, kann es ein NAT-Gerät durchqueren – allerdings benötigt es als portloses IP-Protokoll dafür in der Regel NAT-Traversal (UDP-4500-Kapselung) –, während AH überhaupt nicht über NAT geleitet werden kann. Aus diesem Grund wird in fast allen modernen IPsec-Implementierungen ESP verwendet, während AH nur selten zum Einsatz kommt.

Woraus besteht der ESP-Kopf?

Ein ESP-Header enthält einen Sicherheitsparameterindex, der die Sicherheitsassoziation identifiziert, sowie eine Sequenznummer, die eine Wiederholung verhindert. Er steht vor der verschlüsselten Nutzlast; darauf folgt ein Trailer mit Auffülldaten, einem Feld für den nächsten Header und einem optionalen Integritätsprüfwert zur Authentifizierung.

Verschlüsselt ESP den Datenverkehr immer?

Nicht unbedingt – ESP unterstützt eine NULL-Verschlüsselungsoption, bei der ein Paket authentifiziert wird, ohne es zu verschlüsseln. Dies ist nützlich für die Fehlerbehebung oder in Fällen, in denen die Vertraulichkeit anderweitig gewährleistet wird. Im Produktivbetrieb, einschließlich „ Versa “-Bereitstellungen, wird ESP fast immer mit einer echten Verschlüsselungsmethode wie AES-GCM oder AES-CBC konfiguriert.

Was ist der Unterschied zwischen dem ESP-Tunnelmodus und dem Transportmodus?

Im Tunnelmodus wird ein gesamtes ursprüngliches IP-Paket in ein neues, verschlüsseltes Paket eingekapselt, wodurch die interne Adressierung verborgen bleibt – dies ist die Standardeinstellung für Site-to-Site- und Fernzugriffs-VPNs. Im Transportmodus wird nur die Nutzlast verschlüsselt, während der ursprüngliche Header sichtbar bleibt; dieser Modus wird hauptsächlich für den direkten Host-zu-Host-Schutz verwendet.

Was dient zur Aushandlung der Schlüssel, die ESP verwendet?

IKE (Internet Key Exchange) handelt die Sicherheitsverbindung aus, auf die sich ESP stützt – dabei werden die Kommunikationspartner authentifiziert und Verschlüsselungsalgorithmen, Hash-Funktionen sowie die Gültigkeitsdauer der Schlüssel vereinbart. ESP selbst führt keine Aushandlung durch; es wendet auf jedes von ihm geschützte Paket die Vorgaben der aktiven Sicherheitsverbindung an.

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