Технологии используемые в IPSEC. Как работает ipSec IPsec состоит из двух протоколов

IPsec (IP security) - набор протоколов для безопасной передачи трафика через IP сеть. Пожалуй, самый сложный и разветвленный стек протоколов из поддерживаемых системой VPNKI.

Включает в себя три основных протокола:

  • AH (Authentication Header) - управление целостностью передаваемых данных и аутентификацию
  • ESP (Encapsulating Security Payload) - шифрование данных
  • ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) - управление установкой соединения, взаимную аутентификации конечными узлами друг друга и обмен секретными ключами

Основные используемые порты и номера протоколов

  • Протокол UDP, port 500 (IKE, управление ключами)
  • Протокол UDP, port 4500 (IPSEC NAT-Traversal mode)
  • Протокол ESP, значение 50 (for IPSEC)
  • Протокол AH, значение 51 (for IPSEC)

Вообще, набор протоколов IPsec непрост с точки зрения возможностей его использования, которые весьма многогранны. Однако, базовой особенностью всего взаимодействия по этому протоколу является понятие SA (Security Association) - это набор параметров о том как стороны будут в дальнейшем использовать те или иные свойства протоколов из состава IPsec.

Стоит еще упомянуть про два основных режима работы IPsec - туннельный и транспортный. Грубо говоря, в транспортном режиме шифруются только полезные данные IP пакета, а в туннельном режиме шифруется все данные, включая заголовки IP.

Аутентификация

Взаимодействие двух узлов начинается с установления SA. Точнее с двух ассоциаций - для протокола AH и ESP причем в одну и в другую стороны. SA начинается с аутентификации и затем стороны согласовывают будущие параметры сессии:

  • для протокола AH - используемый алгоритм аутентификации, ключи, время жизни ключей и другие параметры,
  • для протокола ESP - алгоритмы шифрования и аутентификации, ключи, параметры инициализации, время жизни ключей и другие параметры.

Здесь же стороны договариваются о туннельном или транспортном режиме работы IPsec.

К завершению процесса у вас должны быть установлены несколько SA, но... чуть подробнее как это на самом деле.

Фаза 1 и Фаза 2

В IPsec все происходит по Фазам.

На фазе 1 происходит установление SA первой фазы. В первой фазе стороны договариваются о методе идентификации, алгоритме шифрования, алгоритме хэшировнаия и группе Diffie Hellman. Эта фаза может пройти путем обмена тремя нешифрованными пакетами (агрессивный режим) или шестью нешифрованными пакетами - стандартный режим. Если все прошло успешно, то создается SA фазы 1 под названием IKE SA и осуществляется переход ко второй фазе.

На фазе 2 стороны договариваются о политике и создаются сами ключи. Эта фаза, в отличии от первой полностью шифруется и она наступает только в случае успешного окончания первой фазы. В связи с тем, что трафик этой фазы полностью шифрован становится сложно осуществлять поиск неполадок, однако если все прошло успешно, то создается SA фазы 2 под названием IPSec SA. В этот момент можно сказать, что туннель установлен.

Компрессия данных

В составе IPsec нет собственного механизма компрессии данны, однако можно использовать механизм IPcomp который компрессирует содержимое IP пакета до его передачи в процесс IPsec. Некоторые демоны IPsec поддерживают включение этого механизма из файлов настроек ipsec.conf (например пакет Strongswan)

Автоматическая проверка работоспособности VPN соединения

Внутри IPsec нет штатного средства для проверки работоспособности соединения (типа ping), поэтому работу туннеля можно проверять внешними средствами.

Разрыв VPN соединения и смена ключей

Согласованные на двух фазах ключи должны работать оговоренное политикой время. Это означает, что сторонам возможно предстоит пережить процедуру смены ключей (rekeying), а иначе согласованные SA распадутся. Как было сказано выше, у сторон есть ключи в рамках процесса фазы 1 (IKE) и фазы 2 (IPsec). Процедуры их смены различны, как и таймеры, которые за это отвечают. Для того, чтобы не было перерыва связи в процессе смены ключей стороны сначала согласовывают параметры новой SA и лишь после этой успешной процедуры уничтожают старую SA.

В IPsec на каждой из фаз есть несколько способов смены ключей - с аутентификацией или без нее, но мы не будем сильно заострять на этом свое внимание. Просто для этой процедуры слишком существует много нюансов, которые зависят от версий ПО и соотношения таймеров - для IKE и IPsec.

В конце шестидесятых годов американское агентство перспективных исследований в обороне DARPA приняло решение о создании экспериментальной сети под названием ARPANet. В семидесятых годах ARPANet стала считаться действующей сетью США, и через эту сеть можно было получить доступ к ведущим университетским и научным центрам США. В начале восьмидесятых годов началась стандартизация языков программирования, а затем и протоколов взаимодействия сетей. Результатом этой работы стала разработка семиуровневой модели сетевого взаимодействия ISO/OSI и семейства протоколов TCP/IP, которое стало основой для построения как локальных, так и глобальных сетей.

Базовые механизмы информационного обмена в сетях TCP/IP были в целом сформированы в начале восьмидесятых годов, и были направлены прежде всего на обеспечение доставки пакетов данных между различными операционными системами с использованием разнородных каналов связи. Несмотря на то, что идея создания сети ARPANet (впоследствии превратившейся в современный Интернет) принадлежала правительственной оборонной организации, фактически сеть зародилась в исследовательском мире, и наследовала традиции открытости академического сообщества. Ещё до коммерциализации Интернета (которая произошла в середине девяностых годов) многие авторитетные исследователи отмечали проблемы, связанные с безопасностью стека протоколов TCP/IP. Основные концепции протоколов TCP/IP не полностью удовлетворяют (а в ряде случаев и противоречат) современным представлениям о компьютерной безопасности.

До недавнего времени сеть Интернет использовалась в основном для обработки информации по относительно простым протоколам: электронная почта, передача файлов, удалённый доступ. Сегодня, благодаря широкому распространению технологий WWW, всё активнее применяются средства распределённой обработки мультимедийной информации. Одновременно с этим растёт объём данных, обрабатываемых в средах клиент/сервер и предназначенных для одновременного коллективного доступа большого числа абонентов. Разработано несколько протоколов прикладного уровня, обеспечивающих информационную безопасность таких приложений, как электронная почта (PEM, PGP и т.п.), WWW (Secure HTTP, SSL и т.п.), сетевое управление (SNMPv2 и т.п.). Однако наличие средств обеспечения безопасности в базовых протоколах семейства TCP/IP позволит осуществлять информационный обмен между широким спектром различных приложений и сервисных служб.

Краткая историческая справка появления протокола

В 1994 году Совет по архитектуре Интернет (IAB) выпустил отчет "Безопасность архитектуры Интернет". В этом документе описывались основные области применения дополнительных средств безопасности в сети Интернет, а именно защита от несанкционированного мониторинга, подмены пакетов и управления потоками данных. В числе первоочередных и наиболее важных защитных мер указывалась необходимость разработки концепции и основных механизмов обеспечения целостности и конфиденциальности потоков данных. Поскольку изменение базовых протоколов семейства TCP/IP вызвало бы полную перестройку сети Интернет, была поставлена задача обеспечения безопасности информационного обмена в открытых телекоммуникационных сетях на базе существующих протоколов. Таким образом, начала создаваться спецификация Secure IP, дополнительная по отношению к протоколам IPv4 и IPv6.

Архитектура IPSec

IP Security — это комплект протоколов, касающихся вопросов шифрования, аутентификации и обеспечения защиты при транспортировке IP-пакетов; в его состав сейчас входят почти 20 предложений по стандартам и 18 RFC.

Спецификация IP Security (известная сегодня как IPsec) разрабатывается Рабочей группой IP Security Protocol IETF . Первоначально IPsec включал в себя 3 алгоритмо-независимые базовые спецификации, опубликованные в качестве RFC-документов "Архитектура безопасности IP", "Аутентифицирующий заголовок (AH)", "Инкапсуляция зашифрованных данных (ESP)" (RFC1825, 1826 и 1827). Необходимо заметить, что в ноябре 1998 года Рабочая группа IP Security Protocol предложила новые версии этих спецификаций, имеющие в настоящее время статус предварительных стандартов, это RFC2401 — RFC2412. Отметим, что RFC1825-27 на протяжении уже нескольких лет считаются устаревшими и реально не используются. Кроме этого, существуют несколько алгоритмо-зависимых спецификаций, использующих протоколы MD5, SHA, DES.

Рис. 1 – Архитектура IPSec.

Рабочая группа IP Security Protocol разрабатывает также и протоколы управления ключевой информацией. В задачу этой группы входит разработка Internet Key Management Protocol (IKMP), протокола управления ключами прикладного уровня, не зависящего от используемых протоколов обеспечения безопасности. В настоящее время рассматриваются концепции управления ключами с использованием спецификации Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) и протокола Oakley Key Determination Protocol. Спецификация ISAKMP описывает механизмы согласования атрибутов используемых протоколов, в то время как протокол Oakley позволяет устанавливать сессионные ключи на компьютеры сети Интернет. Ранее рассматривались также возможности использования механизмов управления ключами протокола SKIP, однако сейчас такие возможности реально практически нигде не используются. Создаваемые стандарты управления ключевой информацией, возможно, будут поддерживать Центры распределения ключей, аналогичные используемым в системе Kerberos . Протоколами ключевого управления для IPSec на основе Kerberos сейчас занимается относительно новая рабочая группа KINK (Kerberized Internet Negotiation of Keys).

Гарантии целостности и конфиденциальности данных в спецификации IPsec обеспечиваются за счет использования механизмов аутентификации и шифрования соответственно. Последние, в свою очередь, основаны на предварительном согласовании сторонами информационного обмена т.н. "контекста безопасности" – применяемых криптографических алгоритмов, алгоритмов управления ключевой информацией и их параметров. Спецификация IPsec предусматривает возможность поддержки сторонами информационного обмена различных протоколов и параметров аутентификации и шифрования пакетов данных, а также различных схем распределения ключей. При этом результатом согласования контекста безопасности является установление индекса параметров безопасности (SPI), представляющего собой указатель на определенный элемент внутренней структуры стороны информационного обмена, описывающей возможные наборы параметров безопасности.

По сути, IPSec, который станет составной частью IPv6, работает на третьем уровне, т. е. на сетевом уровне. В результате передаваемые IP-пакеты будут защищены прозрачным для сетевых приложений и инфраструктуры образом. В отличие от SSL (Secure Socket Layer), который работает на четвертом (т. е. транспортном) уровне и теснее связан с более высокими уровнями модели OSI, IPSec призван обеспечить низкоуровневую защиту.


Рис. 2 — Модель OSI/ISO.

К IP-данным, готовым к передаче по виртуальной частной сети, IPSec добавляет заголовок для идентификации защищенных пакетов. Перед передачей по Internet эти пакеты инкапсулируются в другие IP-пакеты. IPSec поддерживает несколько типов шифрования, в том числе Data Encryption Standard (DES) и Message Digest 5 (MD5).

Чтобы установить защищенное соединение, оба участника сеанса должны иметь возможность быстро согласовать параметры защиты, такие как алгоритмы аутентификации и ключи. IPSec поддерживает два типа схем управления ключами, с помощью которых участники могут согласовать параметры сеанса. Эта двойная поддержка в свое время вызвала определенные трения в IETF Working Group.

С текущей версией IP, IPv4, могут быть использованы или Internet Secure Association Key Management Protocol (ISAKMP), или Simple Key Management for Internet Protocol. С новой версией IP, IPv6, придется использовать ISAKMP, известный сейчас как IKE, хотя не исключается возможность использования SKIP. Однако, следует иметь в виду, что SKIP уже давно не рассматривается как кандидат управления ключами, и был исключён из списка возможных кандидатов ещё в 1997 г.

Заголовок AH

Аутентифицирующий заголовок (AH) является обычным опциональным заголовком и, как правило, располагается между основным заголовком пакета IP и полем данных. Наличие AH никак не влияет на процесс передачи информации транспортного и более высокого уровней. Основным и единственным назначением AH является обеспечение защиты от атак, связанных с несанкционированным изменением содержимого пакета, и в том числе от подмены исходного адреса сетевого уровня. Протоколы более высокого уровня должны быть модифицированы в целях осуществления проверки аутентичности полученных данных.

Формат AH достаточно прост и состоит из 96-битового заголовка и данных переменной длины, состоящих из 32-битовых слов. Названия полей достаточно ясно отражают их содержимое: Next Header указывает на следующий заголовок, Payload Len представляет длину пакета, SPI является указателем на контекст безопасности и Sequence Number Field содержит последовательный номер пакета.


Рис. 3 — Формат заголовка AH.

Последовательный номер пакета был введен в AH в 1997 году в ходе процесса пересмотра спецификации IPsec. Значение этого поля формируется отправителем и служит для защиты от атак, связанных с повторным использованием данных процесса аутентификации. Поскольку сеть Интернет не гарантирует порядок доставки пакетов, получатель должен хранить информацию о максимальном последовательном номере пакета, прошедшего успешную аутентификацию, и о получении некоторого числа пакетов, содержащих предыдущие последовательные номера (обычно это число равно 64).

В отличие от алгоритмов вычисления контрольной суммы, применяемых в протоколах передачи информации по коммутируемым линиям связи или по каналам локальных сетей и ориентированных на исправление случайных ошибок среды передачи, механизмы обеспечения целостности данных в открытых телекоммуникационных сетях должны иметь средства защиты от внесения целенаправленных изменений. Одним из таких механизмов является специальное применение алгоритма MD5: в процессе формирования AH последовательно вычисляется хэш-функция от объединения самого пакета и некоторого предварительно согласованного ключа, а затем от объединения полученного результата и преобразованного ключа. Данный механизм применяется по умолчанию в целях обеспечения всех реализаций IPv6, по крайней мере, одним общим алгоритмом, не подверженным экспортным ограничениям.

Заголовок ESP

В случае использования инкапсуляции зашифрованных данных заголовок ESP является последним в ряду опциональных заголовков, "видимых" в пакете. Поскольку основной целью ESP является обеспечение конфиденциальности данных, разные виды информации могут требовать применения существенно различных алгоритмов шифрования. Следовательно, формат ESP может претерпевать значительные изменения в зависимости от используемых криптографических алгоритмов. Тем не менее, можно выделить следующие обязательные поля: SPI, указывающее на контекст безопасности и Sequence Number Field, содержащее последовательный номер пакета. Поле "ESP Authentication Data" (контрольная сумма), не является обязательным в заголовке ESP. Получатель пакета ESP расшифровывает ESP заголовок и использует параметры и данные применяемого алгоритма шифрования для декодирования информации транспортного уровня.


Рис. 4 — Формат заголовка ESP.

Различают два режима применения ESP и AH (а также их комбинации) — транспортный и туннельный.

Транспортный режим

Транспортный режим используется для шифрования поля данных IP пакета, содержащего протоколы транспортного уровня (TCP, UDP, ICMP), которое, в свою очередь, содержит информацию прикладных служб. Примером применения транспортного режима является передача электронной почты. Все промежуточные узлы на маршруте пакета от отправителя к получателю используют только открытую информацию сетевого уровня и, возможно, некоторые опциональные заголовки пакета (в IPv6). Недостатком транспортного режима является отсутствие механизмов скрытия конкретных отправителя и получателя пакета, а также возможность проведения анализа трафика. Результатом такого анализа может стать информация об объемах и направлениях передачи информации, области интересов абонентов, расположение руководителей.

Туннельный режим

Туннельный режим предполагает шифрование всего пакета, включая заголовок сетевого уровня. Туннельный режим применяется в случае необходимости скрытия информационного обмена организации с внешним миром. При этом, адресные поля заголовка сетевого уровня пакета, использующего туннельный режим, заполняются межсетевым экраном организации и не содержат информации о конкретном отправителе пакета. При передаче информации из внешнего мира в локальную сеть организации в качестве адреса назначения используется сетевой адрес межсетевого экрана. После расшифровки межсетевым экраном начального заголовка сетевого уровня пакет направляется получателю.

Security Associations

Security Association (SA) — это соединение, которое предоставляет службы обеспечения безопасности трафика, который передаётся через него. Два компьютера на каждой стороне SA хранят режим, протокол, алгоритмы и ключи, используемые в SA. Каждый SA используется только в одном направлении. Для двунаправленной связи требуется два SA. Каждый SA реализует один режим и протокол; таким образом, если для одного пакета необходимо использовать два протокола (как например AH и ESP), то требуется два SA.

Политика безопасности

Политика безопасности хранится в SPD (База данных политики безопасности). SPD может указать для пакета данных одно из трёх действий: отбросить пакет, не обрабатывать пакет с помощью IPSec, обработать пакет с помощью IPSec. В последнем случае SPD также указывает, какой SA необходимо использовать (если, конечно, подходящий SA уже был создан) или указывает, с какими параметрами должен быть создан новый SA.

SPD является очень гибким механизмом управления, который допускает очень хорошее управление обработкой каждого пакета. Пакеты классифицируются по большому числу полей, и SPD может проверять некоторые или все поля для того, чтобы определить соответствующее действие. Это может привести к тому, что весь трафик между двумя машинами будет передаваться при помощи одного SA, либо отдельные SA будут использоваться для каждого приложения, или даже для каждого TCP соединения.

ISAKMP/Oakley

Протокол ISAKMP определяет общую структуру протоколов, которые используются для установления SA и для выполнения других функций управления ключами. ISAKMP поддерживает несколько Областей Интерпретации (DOI), одной из которых является IPSec-DOI. ISAKMP не определяет законченный протокол, а предоставляет "строительные блоки" для различных DOI и протоколов обмена ключами.

Протокол Oakley — это протокол определения ключа, использующий алгоритм замены ключа Диффи-Хеллмана. Протокол Oakley поддерживает идеальную прямую безопасность (Perfect Forward Secrecy — PFS). Наличие PFS означает невозможность расшифровки всего траффика при компрометации любого ключа в системе.

IKE

IKE — протокол обмена ключами по умолчанию для ISAKMP, на данный момент являющийся единственным. IKE находится на вершине ISAKMP и выполняет, собственно, установление как ISAKMP SA, так и IPSec SA. IKE поддерживает набор различных примитивных функций для использования в протоколах. Среди них можно выделить хэш-функцию и псевдослучайную функцию (PRF).

Хэш-функция — это функция, устойчивая к коллизиям. Под устойчивостью к коллизиям понимается тот факт, что невозможно найти два разных сообщения m 1 и m 2 , таких, что H(m 1) =H(m 2) , где H — хэш функция.

Что касается псеводслучайных функций, то в настоящее время вместо специальных PRF используется хэш функция в конструкции HMAC (HMAC — механизм аутентификации сообщений с использованием хэш функций). Для определения HMAC нам понадобится криптографическая хэш функция (обозначим её как H) и секретный ключ K. Мы предполагаем, что H является хэш функцией, где данные хэшируются с помощью процедуры сжатия, последовательно применяемой к последовательности блоков данных. Мы обозначим за B длину таких блоков в байтах, а длину блоков, полученных в результате хэширования — как L (L

Ipad = байт 0x36, повторённый B раз;
opad = байт 0x5C, повторённый B раз.

Для вычисления HMAC от данных "text" необходимо выполнить следующую операцию:

H(K XOR opad, H(K XOR ipad, text))

Из описания следует, что IKE использует для аутентификации сторон HASH величины. Отметим, что под HASH в данном случае подразумевается исключительно название Payload в ISAKMP, и это название не имеет ничего общего со своим содержимым.

Атаки на AH, ESP и IKE.

Все виды атак на компоненты IPSec можно разделить на следующие группы: атаки, эксплуатирующие конечность ресурсов системы (типичный пример — атака "Отказ в обслуживании", Denial-of-service или DOS-атака), атаки, использующие особенности и ошибки конкретной реализации IPSec и, наконец, атаки, основанные на слабостях самих протоколов. AH и ESP. Чисто криптографические атаки можно не рассматривать — оба протокола определяют понятие "трансформ", куда скрывают всю криптографию. Если используемый криптоалгоритм стоек, а определенный с ним трансформ не вносит дополнительных слабостей (это не всегда так, поэтому правильнее рассматривать стойкость всей системы — Протокол-Трансформ-Алгоритм), то с этой стороны все нормально. Что остается? Replay Attack — нивелируется за счет использования Sequence Number (в одном единственном случае это не работает — при использовании ESP без аутентификации и без AH). Далее, порядок выполнения действий (сначала шифрация, потом аутентификация) гарантирует быструю отбраковку "плохих" пакетов (более того, согласно последним исследованиям в мире криптографии, именно такой порядок действий наиболее безопасен, обратный порядок в некоторых, правда очень частных случаях, может привести к потенциальным дырам в безопасности; к счастью, ни SSL, ни IKE, ни другие распространенные протоколы с порядком действий "сначала аутентифицировать, потом зашифровать", к этим частным случаям не относятся, и, стало быть, этих дыр не имеют). Остается Denial-Of-Service атака. Как известно, это атака, от которой не существует полной защиты. Тем не менее, быстрая отбраковка плохих пакетов и отсутствие какой-либо внешней реакции на них (согласно RFC) позволяют более-менее хорошо справляться с этой атакой. В принципе, большинству (если не всем) известным сетевым атакам (sniffing, spoofing, hijacking и т.п.) AH и ESP при правильном их применении успешно противостоят. С IKE несколько сложнее. Протокол очень сложный, тяжел для анализа. Кроме того, в силу опечаток (в формуле вычисления HASH_R) при его написании и не совсем удачных решений (тот же HASH_R и HASH_I) он содержит несколько потенциальных "дыр" (в частности, в первой фазе не все Payload в сообщении аутентифицируются), впрочем, они не очень серьезные и ведут, максимум, к отказу в установлении соединения.От атак типа replay, spoofing, sniffing, hijacking IKE более-менее успешно защищается. С криптографией несколько сложнее, — она не вынесена, как в AH и ESP, отдельно, а реализована в самом протоколе. Тем не менее, при использовании стойких алгоритмов и примитивов (PRF), проблем быть не должно. В какой-то степени можно рассматривать как слабость IPsec то, что в качестве единственного обязательного к реализации криптоалгоритма в нынешних спецификациях указывается DES (это справедливо и для ESP, и для IKE), 56 бит ключа которого уже не считаются достаточными. Тем не менее, это чисто формальная слабость — сами спецификации являются алгоритмо-независимыми, и практически все известные вендоры давно реализовали 3DES (а некоторые уже и AES).Таким образом, при правильной реализации, наиболее "опасной" атакой остается Denial-Of-Service.

Оценка протокола

Протокол IPSec получил неоднозначную оценку со стороны специалистов. С одной стороны, отмечается, что протокол IPSec является лучшим среди всех других протоколов защиты передаваемых по сети данных, разработанных ранее (включая разработанный Microsoft PPTP). По мнению другой стороны, присутствует чрезмерная сложность и избыточность протокола. Так, Niels Ferguson и Bruce Schneier в своей работе "A Cryptographic Evaluation of IPsec" отмечают, что они обнаружили серьёзные проблемы безопасности практически во всех главных компонентах IPsec. Эти авторы также отмечают, что набор протоколов требует серьёзной доработки для того, чтобы он обеспечивал хороший уровень безопасности. В работе приведено описание ряда атак, использующих как слабости общей схемы обработки данных, так и слабости криптографических алгоритмов.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели некоторые основные моменты, касающиеся протокола сетевой безопасности IPsec. Не лишним будет отметить, что протокол IPsec доминирует в большинстве реализаций виртуальных частных сетей. В настоящее время на рынке представлены как программные реализации (например, протокол реализован в операционной системе Windows2000 компании Microsoft), так и программно-аппаратные реализации IPsec — это решения Cisco , Nokia . Несмотря на большое число различных решений, все они довольно хорошо совместимы друг с другом. В заключение статьи приводится таблица, в которой производится сравнение IPSec и широко распространённого сейчас SSL.

Особенности IPSec SSL
Аппаратная независимость Да Да
Код Не требуется изменений для приложений. Может потребовать доступ к исходному коду стека TCP/IP. Требуются изменения в приложениях. Могут потребоваться новые DLL или доступ к исходному коду приложений.
Защита IP пакет целиком. Включает защиту для протоколов высших уровней. Только уровень приложений.
Фильтрация пакетов Основана на аутентифицированных заголовках, адресах отправителя и получателя, и т.п. Простая и дешёвая. Подходит для роутеров. Основана на содержимом и семантике высокого уровня. Более интеллектуальная и более сложная.
Производительность Меньшее число переключений контекста и перемещения данных. Большее число переключений контекста и перемещения данных. Большие блоки данных могут ускорить криптографические операции и обеспечить лучшее сжатие.
Платформы Любые системы, включая роутеры В основном, конечные системы (клиенты/серверы), также firewalls.
Firewall/VPN Весь трафик защищён. Защищён только трафик уровня приложений. ICMP, RSVP, QoS и т.п. могут быть незащищены.
Прозрачность Для пользователей и приложений. Только для пользователей.
Текущий статус Появляющийся стандарт. Широко используется WWW браузерами, также используется некоторыми другими продуктами.

Ссылки

  • www.ietf.org/html.charters/ipsec-charter.html — Домашняя страничка рабочей группы IETF. Там же находятся ссылки на RFC и предложения по стандартам.
  • www.microsoft.com/rus/windows2000/library/security/w2k_IPSecurity.asp – Информация о реализации протокола IPSec в Windows2000 Server.

Благодарности

Вконтакте

Одноклассники

сеть , безопасного туннеля ( рис. 5.9), по которому передаются конфиденциальные или чувствительные к несанкционированному изменению данные. Подобный туннель создается с использованием криптографических методов защиты информации.

Протокол работает на сетевом уровне модели OSI и, соответственно, он "прозрачен" для приложений. Иными словами, на работу приложений (таких как web- сервер , браузер , СУБД и т.д.) не влияет, используется ли защита передаваемых данных с помощью IPSec или нет.

Операционные системы семейства Windows 2000 и выше имеют встроенную поддержку протокола IPSec. С точки зрения многоуровневой модели защиты, этот протокол является средством защиты уровня сети.


Рис. 5.9.

Архитектура IPSec является открытой, что, в частности, позволяет использовать для защиты передаваемых данных новые криптографические алгоритмы и протоколы, например соответствующие национальным стандартам. Для этого необходимо, чтобы взаимодействующие стороны поддерживали эти алгоритмы, и они были бы стандартным образом зарегистрированы в описании параметров соединения.

Процесс защищенной передачи данных регулируется правилами безопасности, принятыми в системе. Параметры создаваемого туннеля описывает информационная структура, называемая контекст защиты или ассоциация безопасности (от англ. Security Association , сокр. SA ). Как уже отмечалось выше, IPSec является набором протоколов, и состав SA может различаться, в зависимости от конкретного протокола. SA включает в себя:

  • IP-адрес получателя;
  • указание на протоколы безопасности, используемые при передаче данных;
  • ключи, необходимые для шифрования и формирования имитовставки (если это требуется);
  • указание на метод форматирования, определяющий, каким образом создаются заголовки;
  • индекс параметров защиты (от англ. Security Parameter Index, сокр. SPI ) - идентификатор, позволяющий найти нужный SA.

Обычно, контекст защиты является однонаправленным, а для передачи данных по туннелю в обе стороны задействуются два SA . Каждый хост имеет свою базу SA , из которой выбирается нужный элемент либо на основании SPI , либо по IP -адресу получателя.

Два протокола, входящие в состав IPSec это:

  1. протокол аутентифицирующего заголовка - AH (от англ. Authentication Header), обеспечивающий проверку целостности и аутентификацию передаваемых данных; последняя версия протокола описана в RFC 4302 (предыдущие - RFC 1826, 2402);
  2. протокол инкапсулирующей защиты данных - ESP (от англ. Encapsulating Security Payload ) - обеспечивает конфиденциальность и, дополнительно, может обеспечивать проверку целостности и аутентификацию, описан в RFC 4303 (предыдущие - RFC 1827, 2406).

Оба эти протокола имеют два режима работы - транспортный и туннельный, последний определен в качестве основного. Туннельный режим используется, если хотя бы один из соединяющихся узлов является шлюзом безопасности. В этом случае создается новый IP -заголовок, а исходный IP -пакет полностью инкапсулируется в новый.

Транспортный режим ориентирован на соединение хост - хост . При использовании ESP в транспортном режиме защищаются только данные IP -пакета, заголовок не затрагивается. При использовании AH защита распространяется на данные и часть полей заголовка. Более подробно режимы работы описаны ниже.

Протокол AH

В IP ver .4 аутентифицирующий заголовок располагается после IP-заголовка. Представим исходный IP-пакет как совокупность IP-заголовка, заголовка протокола следующего уровня (как правило, это TCP или UDP, на рис. 5.10 он обозначен как ULP - от англ. Upper-Level Protocol) и данных.


Рис. 5.10.

Рассмотрим формат заголовка ESP ( рис. 5.13). Он начинается с двух 32-разрядных значений - SPI и SN . Роль их такая же, как в протоколе AH - SPI идентифицирует SA, использующийся для создания данного туннеля; SN - позволяет защититься от повторов пакетов. SN и SPI не шифруются.

Следующим идет поле, содержащее зашифрованные данные. После них - поле заполнителя, который нужен для того, чтобы выровнять длину шифруемых полей до значения кратного размеру блока алгоритма шифрования.


Рис. 5.12.


Рис. 5.13.

После заполнителя идут поля, содержащие значение длины заполнителя и указание на протокол более высокого уровня. Четыре перечисленных поля (данные, заполнитель, длина, следующий протокол) защищаются шифрованием.

Если ESP используется и для аутентификации данных, то завершает пакет поле переменной длины, содержащее ICV. В отличие от AH, в ESP при расчете значения имитовставки , поля IP-заголовка (нового - для туннельного режима, модифицированного старого - для транспортного) не учитываются.

При совместном использовании протоколов AH и ESP , после IP заголовка идет AH, после него - ESP . В этом случае, ESP решает задачи обеспечения конфиденциальности, AH - обеспечения целостности и аутентификации источника соединения.

Рассмотрим ряд дополнительных вопросов, связанных с использованием IPSec. Начнем с того, откуда берется информация о параметрах соединения - SA. Создание базы SA может производиться различными путями. В частности, она может создаваться администратором безопасности вручную, или формироваться с использованием специальных протоколов - SKIP , ISAKMP ( Internet Security Association and Key Management Protocol) и IKE (Internet Key Exchange).

IPSec и NAT

При подключении сетей организаций к Интернет, часто используется механизм трансляции сетевых адресов - NAT ( Network Address Translation ). Это позволяет уменьшить число зарегистрированных IP-адресов, используемых в данной сети. Внутри сети используются незарегистрированные адреса (как правило, из диапазонов, специально выделенных для этой цели, например, адреса вида 192.168.x.x для сетей класса C). Если пакет из такой сети передается в Интернет, то маршрутизатор, внешнему интерфейсу которого назначен по крайней мере один зарегистрированный ip-адрес, модифицирует ip-заголовки сетевых пакетов, подставляя вместо частных адресов зарегистрированный адрес. То, как производится подстановка, фиксируется в специальной таблице. При получении ответа, в соответствии с таблицей делается обратная замена и пакет переправляется во внутреннюю сеть.

Рассмотрим пример использования NAT рис. 5.14 . В данном случае, во внутренней сети используются частные адреса 192.168.0.x. С компьютера, с адресом 192.168.0.2 обращаются во внешнюю сеть к компьютеру с адресом 195.242.2.2. Пусть это будет подключение к web-серверу (протокол HTTP, который использует TCP порт 80).

При прохождении пакета через маршрутизатор, выполняющий трансляцию адресов, ip-адрес отправителя (192.168.0.2) будет заменен на адрес внешнего интерфейса маршрутизатора (195.201.82.146), а в таблицу трансляции адресов будет добавлена запись, аналогичная приведенной в

Мы уже обсуждали понятие IPSec, в этом материале мы рассмотрим IPSec подробнее.

Итак, название IPSec происходит от IP Security.
IPSec - это совокупность протоколов и адлгоритмов, которые используются для защиты IP пакетов на уровне Layer3.

IPSec позволяет гарантировать:
- Confidentiality - с помощью шифрования
- Data integrity - через Hashing и HMAC\
- Authentication - через использование Digital Signatures или Pre-shared key (PSK).

Перечислим основные протоколы IPsec:
■ ESP and AH : Два основных протокола, используемых в IPsec.
Encapsulating Security Payload (ESP) , может делать всё что требуется для IPsec, а
Authentication Header (AH) , может делать всё, кроме шифрования, encryption of the data, - поэтому чаще всего используют ESP.
■ Encryption algorithms for confidentiality : DES, 3DES, AES.
■ Hashing algorithms for integrity: MD5, SHA.
■ Authentication algorithms : Pre-shared keys (PSK), RSA digital signatures.
■ Key management : An example would be Diffie-Hellman (DH), which can be used to
dynamically generate symmetrical keys to be used by symmetrical algorithms; PKI,
which supports the function of digital certificates issued by trusted CAs; and Internet
Key Exchange (IKE), which does a lot of the negotiating and management for us for
IPsec to operate.

Зачем нужен IPSec

Рассмотрим следующую простую топологию соединения двух офисов.

Нам необходимо обеспечить соединение двух офисов и выполнить следующие цели:

  • Confidentiality - обеспечивается через шифрование данных.
  • Data integrity - обеспечивается через hashing, либо через Hashed Message Authentication Code (HMAC) , - методы позволяющие гарантировать, что данные не были изменены.
  • Authentication - обеспечивается с использованием pre-shared keys (PSK) , либо digital signatures . А при использовании HMAC аутентификация происходит постоянно.
  • Antireplay protection - все пакеты VPN нумеруются, что является защитой от их повторения.

Протоколы и порты IPSec

IKEv1 Phase 1 UDP port 500 IKEv1 Phase 1 uses UDP:500 for its negotiation.
NAT-T (NAT
Traversal) 		UDP port 4500 NAT Traversal используется устройствами для преодоления NAT. Если оба устройства подключаются друг ко другу через NAT: they want to put a fake UDP port 4500
header on each IPsec packet (before the ESP header) to
survive a NAT device that otherwise may have a problem
tracking an ESP session (Layer 4 protocol 50)
ESP Layer 4 Protocol
50 		Все пакеты IPSec представляют из себя Layer 4 protocol of ESP (IP Protocol #50), в него инкапсулируются все данные. Обычно используется именно ESP (а не AH). В случае использования NAT-T, ESP header закрывается вторым UDP header.
AH Layer 4 protocol
51 		AH packets представляют собой Layer 4 protocol of AH (IP Protocol #51). AH не поддерживает шифрования полезных данных и поэтому он используется редко.

Работа IPSec

Для поднятия безопасного соединения VPN, IPSec использует протокол Internet Key Exchange (IKE) .
IKE - это framework, обеспечиваемая Internet Security Association , а также Key Management Protocol (ISAKMP)

Итак у нашей конфигурации оба роутера будут выступать в качестве VPN gateway или IPsec peers .

Предположим юзер в сети 10.0.0.0 отправляет пакет в сеть 172.16.0.0.
Поскольку туннель ещё не создан R1 начнёт initiate negotiations со вторым роутером R2.

Step 1: Negotiate the IKEv1 Phase 1 Tunnel

Первым шагом между роутерами поднимается Internet Key Exchange (IKE) Phase 1 tunnel .
Такой туннель не предназначен для передачи пользовательских данных, но используется в служебных целях, для защиты management traffic.

Поднятие IKE Phase 1 tunnel может быть выполнено в двух режимах:
- main mode
- aggressive mode
Main mode требует обмена большим количеством пакетов но и считается более безопасным.

Для поднятия IKE Phase 1 tunnel должны быть негоциированы следующие элементы:

  • Hash algorithm : Это может быть message digest 5 algorithm (MD5) или Secure Hash
    Algorithm (SHA)     .
  • Encryption algorithm : Digital Encryption Standard (DES) (слабый, не рекомендуется), Triple DES (3DES) (чуть лучше) or Advanced Encryption Standard (AES) (рекомендуется) AES может использовать ключи разной длины: чем длиннее тем безопаснее.
  • Diffie-Hellman (DH) group to use : The DH “group” refers to the modulus size (length of
    the key) to use for the DH key exchange. Group 1 uses 768 bits, group 2 uses 1024, and
    group 5 uses 1536. More secure DH groups are part of the next-generation encryption
    (NGE):
    - Group 14 or 24: Provides 2048-bit DH
    - Groups 15 and 16: Support 3072-bit and 4096-bit DH
    - Group 19 or 20: Supports the 256-bit and 384-bit ECDH groups, respectively

    Задача DH - сгенерировать keying material (symmetric keys). Эти ключи будут использоваться для передачи данных.
    Сам DH является asymmetrical , но ключи он генерирует symmetrical.

  • Authentication method : может быть в виде pre-shared key (PSK) или RSA signatures
  • Lifetime : врем жизни IKE Phase 1 tunnel. Единственный параметр, который может не совпадать. Чем короче Lifetime, тем чаще будут менять ключи, и тем это безопаснее.

Step 2: Run the DH Key Exchange

После того, как роутеры договрились об IKE Phase 1 policy, они могут начать процесс DH key exchange. DH позволяет двум устройствам, между которыми пока нет secure connection, безопасно обменяться симметричными ключами, которые будут использоваться симметричными алгоритмами, например AES.

Step 3: Authenticate the Peer

Последнее что будет сделано в IKE Phase 1 - это взаимная аутентификация хостов, которая может быть произведена двумя методами (PSK или RSA digital signatures)
Если аутентификация прошла удачно, IKE Phase 1 tunnel считается поднятым. Туннель является двунаправленным.

Step 4: IKE Phase 2

После того, как поднялся IKE Phase 1 tunnel, роутеры начинают поднимать IKE Phase 1 tunnel.
Как уже упоминалось, IKE Phase 1 tunnel является чисто служебным, management tunnel и через него проходит весь трафик negotiation для поднятия туннеля IKE Phase 2.
IKE Phase 2 tunnel также использует алгоритмы hashing и encryption.
Поднятие IKE Phase 2 tunnel может быть выполнено в одном режимы:
- quick mode

IKE Phase 2 tunnel на самом деле состоит из двух однонаправленных туннелей, т.е. можно сказать что создаются:
Один туннель IKE Phase 1 tunnel, который является bidirectional, используемый для служебных функций.
И два туннеля IKE Phase 2, которые являются unidirectional, и которые используются для шифрования полезного трафика.
Все эти туннели также называются как security agreements between the two VPN peers или security associations (SA) .
Каждый SA имеет свой уникальный номер.

Теперь, после того как был поднят IKE Phase 2 tunnel, все пакеты выходящие из наружных интерфейсов будут зашифрованы.

Пример настройки


Рассмотрим пример настройки IPsec на примере данной схемы.

  1. Configure Interesting Traffic
    Для начала мы должны определить трафик, который мы будем шифровать.
    Router R1
    ip access-list extended VPN-ACL permit ip 192.168.1.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255

    Router R2

    ip access-list extended VPN-ACL permit ip 192.168.2.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255
  2. Configure Phase 1 (ISAKMP)
    Phase 1 поднимает туннель, используемый для служебных целей: обмен shared secret keys, authenticate, negotiate IKE security policies и т.д.
    Может быть создано несколько isakmp policies с разными приоритетами.

    Router R1

    crypto isakmp key secretkey address 200.200.200.1

    Router R2

    crypto isakmp policy 1 encryption 3des hash md5 authentication pre-share group 2
    crypto isakmp key secretkey address 100.100.100.1

    Здесь key есть PSK(Preshared Key) используемый роутерами для аутентификации IKE Phase 1.

  3. Configure Phase 2 (IPSEc)
    Цель IKE Phase 2 Tunnel - передача полезного трафика между хостами двух офисов.
    Параметры туннеля Phase 2 Tunnel группируются в sets, называемые transform sets.
    Router R1
    crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac ! crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp set peer 200.200.200.1 set transform-set TRSET match address VPN-ACL ! interface FastEthernet0/0 crypto map VPNMAP

    Router R2

    crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac ! crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp set peer 100.100.100.1 set transform-set TRSET match address VPN-ACL ! interface FastEthernet0/0 crypto map VPNMAP

    На обоих хостах использовалась crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac.
    Это означает, что 3des будет использовано для шифрования, а md5-hmac для аутентификации.

    crypto map эплаится на интерфейс. Криптокарта отслеживает трафик, отвечающим заданным условиям. Наша криптокарта будет работать с роутером с адресом 100.100.100.1, заданным ACL внутренним трафиком и будет применять на этот трафик transform-set TRSET.

Проверка IPSec

В целом список полезных команд следующий:
show crypto isakmp policy
show crypto map
show crypto isakmp sa detail
show crypto ipsec sa
show crypto engine connections active

На практике наиболее полезно следующее: