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 исключен из списка возможных кандидатов еще в 1997 г.

заголовки AH и ESP

аутентифицирующий 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.

инкапсуляция зашифрованных данных 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 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 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 передается 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 трех 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.

протокол 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.

протокол 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 m1 и m2, таких, что H(m1)=H(m2), 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 ее 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, повторенный B раз;
opad = байт 0x5C, повторенный 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 IPSec

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 серьезные проблемы безопасности практически во всех главных компонентах IPsec. Эти авторы также отмечают, что набор протоколов требует серьезной доработки для того, чтобы он обеспечивал хороший уровень безопасности.

0 В этой статье предлагается обзор средств IPSEC (IP Security - система защиты на уровне IP) и соответствующих протоколов IPSec, доступных в продуктах Cisco и используемых для создания виртуальных частных сетей (VPN). В данной статье мы определим, что такое IPSEC, а также какие протоколы и алгоритмы защиты лежат в основе IPSEC.

Введение

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.

Продукты Cisco для поддержки VPN используют набор протоколов IPSec, являющийся на сегодня промышленным стандартом обеспечения широких возможностей VPN. IPSec предлагает механизм защищенной передачи данных в IP-сетях, обеспечивая конфиденци¬альность, целостность и достоверность данных, передаваемых через незащищенные сети типа Internet. IPSec обеспечивает следующие возможности VPN в сетях Cisco:

Конфиденциальность данных . Отправитель данных IPSec имеет возможность шифровать пакеты перед тем, как передавать их по сети.
Целостность данных . Получатель данных IPSec имеет возможность аутентифицировать сообщающиеся с ним стороны (устройства или программное обеспе¬чение, в которых начинаются и заканчиваются туннели IPSec) и пакеты IPSec, посылаемые этими сторонами, чтобы быть уверенным в том, что данные не были изменены в пути.
Аутентификация источника данных . Получатель данных IPSec имеет возмож¬ность аутентифицировать источник получаемых пакетов IPSec. Этот сервис за¬висит от сервиса целостности данных.
Защита от воспроизведения . Получатель данных IPSec может обнаруживать и от¬вергать воспроизведенные пакеты, не допуская их фальсификации и проведе¬ния атак внедрения посредника.

IPSec представляет собой основанный на стандартах набор протоколов и алгоритмов защиты. Технология IPSec и связанные с ней протоколы защиты соответствуют открытым стандартам, которые поддерживаются группой IETF (Internet Engineering Task Force - проблемная группа проектирования Internet) и описаны в спецификациях RFC и проектах IETF. IPSec действует на сетевом уровне, обеспечивая защиту и аутентификацию пакетов IP, пересылаемых между устройствами (сторонами) IPSec - такими как маршрутизаторы Cisco, брандмауэры PIX Firewall, клиенты и концентраторы Cisco VPN, а также многие другие продукты, поддерживающие IPSec. Средства поддержки IPSec допускают масштабирование от самых малых до очень больших сетей.

Ассоциации защиты (Security Association ,SA)

IPSec предлагает стандартный способ аутентификации и шифрования соединений между сообщающимися сторонами. Чтобы обеспечить защиту связей, средства IPSec используют стандартные алгоритмы (т.е. математические формулы) шифрования и аутентификации, называемые преобразованиями. В IPSec используются открытые стандарты согласования ключей шифрования и управления соединениями, что обеспечивает возможность взаимодействия между сторонами. Технология IPSec предлагает методы, позволяющие сторонам IPSec "договориться" о согласованном использовании сервисов. Чтобы указать согласуемые параметры, в IPSec используются ассоциации защиты.

Ассоциация защиты (Security Association - SA) представляет собой согласованную политику или способ обработки данных, обмен которыми предполагается между двумя устройствами сообщающихся сторон. Одной из составляющих такой политики может быть алгоритм, используемый для шифрования данных. Обе стороны могут ис¬пользовать один и тот же алгоритм как для шифрования, так и для дешифрования. Действующие параметры SA сохраняются в базе данных ассоциаций защиты (Security Association Database - SAD) обеих сторон.

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.

Протокол IKE (Internet Key Exchange - обмен Internet-ключами) является гибридным протоколом, обеспечивающим специальный сервис для IPSec, а именно аутентификацию сторон IPSec, согласование параметров ассоциаций защиты IKE и IPSec, а также выбор ключей для алгоритмов шифрования, используемых в рамках IPSec. Протокол IKE опира¬ется на протоколы ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol - протокол управления ассоциациями и ключами защиты в сети Internet) и Oakley, которые применяются для управления процессом создания и обработки ключей шифрования, используемых в преобразованиях IPSec. Протокол IKE применяется также для формирования ассоциаций защиты между потенциальными сторонами IPSec.
Как IKE, так и IPSec используют ассоциации зашиты, чтобы указать параметры связи.
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 m1 и m2, таких, что

H(m1)=H(m2), 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))

Инфраструктура IPSec

Сети VPN на основе IPSec могут быть построены с помощью самых разных устройств Cisco - маршрутизаторов Cisco, брандмауэров CiscoSecure PIX Firewall, программного обеспечения клиента CiscoSecure VPN и концентраторов Cisco VPN серий 3000 и 5000. Маршрутизаторы Cisco имеют встроенную поддержку VPN с соответствующими богатыми возможностями программного обеспечения Cisco IOS, что уменьшает сложность сетевых решений и снижает общую стоимость VPN при возможности построения многоуровневой защиты предоставляемых сервисов. Брандмауэр PIX Firewall является высокопроизводительным сетевым устройством, которое может обслуживать конечные точки туннелей, обеспечивая им высокую пропускную способность и прекрасные функциональные возможности брандмауэра. Программное обеспечение клиента CiscoSecure VPN поддерживает самые строгие требования VPN удаленного доступа для операций электронной коммерции, а также приложений мо¬бильного доступа, предлагая законченную реализацию стандартов IPSec и обеспечивая надежное взаимодействие маршрутизаторов Cisco и брандмауэров PIX Firewall.

Как работает IPSec

IPSec опирается на ряд технологических решений и методов шифрования, но действие IPSec в общем можно представить в виде следующих главных шагов:

Шаг 1. Начало процесса IPSec. Трафик, которому требуется шифрование в соответствии с политикой защиты IPSec, согласованной сторонами IPSec, начинает IКЕ-процесс.
Шаг 2. Первая фаза IKE . IKE-процесс выполняет аутентификацию сторон IPSec и ведет переговоры о параметрах ассоциаций защиты IKE, в результате чего создается защищенный канал для ведения переговоров о параметрах ассоциаций защиты IPSec в ходе второй фазы IKE.
Шаг 3. Вторая фаза IKE . IKE-процесс ведет переговоры о параметрах ассоциации защиты IPSec и устанавливает соответствующие ассоциации защиты IPSec для устройств сообщающихся сторон.
Шаг 4. Передача данных . Происходит обмен данными между сообщающимися сторонами IPSec, который основывается на параметрах IPSec и ключах, хранимых в базе данных ассоциаций защиты.
Шаг 5. Завершение работы туннеля IPSec . Ассоциации защиты IPSec завершают свою работу либо в результате их удаления, либо по причине превышения предельного времени их существования.

В следующих разделах указанные шаги будут описаны подробнее.

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

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))

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

Посмотрело: 8033

0 Давайте рассмотрим детали технологий, составляющих суть IPSec. Стандарты, используемые в рамках IPSec, являются достаточно сложными для понимания, поэтому в этом разделе мы рассмотрим каждую из составляющих IPSec подробно. Для понимания того что такое IPSEC используйте документ "IPSEC как протокол защиты сетевого трафика", опубликованный ранее на этом сайте. Данная статья является продолжением вышеуказанного документа.

В IPSec используются следующие технологии:

протокол АН;
протокол ESP;
стандарт шифрования DES;
стандарт шифрования 3DES;
протокол IKE;
метод согласования ключей по схеме Диффи-Хеллмана;
хэшированные коды аутентичности сообщений (НМАС);
защита RSA;
центры сертификации.

Протокол АН

Данный протокол обеспечивает аутентификацию и целостность данных для пакетов IP, передаваемых между двумя системами. Протокол АН не
обеспечивает конфиденциальность (т.е. шифрование) пакетов. Аутентификация выполняется путем применения к пакету односторонней, зависящей от ключа функции хэширования, генерирующей "профиль" сообщения. Изменение любой части пакета в пути передачи будет обнаружено получателем в результате применения к полученным данным аналогичной односторонней функции хэширования и сравнения вычисленного значения профиля сообщения с тем, которое указал отправитель. Аутентичность полученной информации гарантируется тем, что для одностороннего хэширования обеими системами используется один и тот же секретный ключ. Схема работы протокола АН пока¬зана ниже. При этом выполняются следующие действия.

Выполняется хэширование IP-заголовка и полезного груза пакета.
Полученный хэш-код используется при построении нового заголовка АН, который подсоединяется к исходному пакету между заголовком и блоком полезного груза.
Новый пакет передается второй стороне IPSec.
Сторона-получатель вычисляет значение хэш-кода для заголовка IP и полезного груза, извлекает переданное значение хэш-кода из заголовка АН и сравнивает эти два значения. Соответствующие значения хэш-кода должны в точности совпадать. Если в пути изменится хотя бы один бит пакета, вычисленный получателем хэш-код пакета не будет совпадать со значением, указанным в заголовке АН.

Протокол АН обеспечивает аутентификацию для максимально возможного числа полей заголовка IP, как и для полей данных протоколов высших уровней. Однако некоторые поля заголовка IP могут изменяться в пути. Значения изменяемых полей (например, поля TTL, указывающего время существования пакета) изменяются промежуточными сетевыми устройствами, через которые проходит пакет, и такие изменения отправитель прогнозировать не может. Значения изменяемых полей не должны защищаться протоколом АН. Таким образом, защита, которая обеспечивается заголовку IP протоколом АН, оказывается несколько ограниченной. Протокол АН может также дополнительно обеспечить защиту от воспроизведения пакетов, для чего в заголовке IP указывается порядковый номер пакета. Полное описание протокола АН со¬держится в документе RFC 2402.

Протокол ESP

ESP является протоколом защиты, обеспечивающим конфиденциальность (т.е. шифрование), аутентификацию источника и целостность данных, а также (в качестве опции) сервис защиты от воспроизведения и ограниченную конфиденциальность трафика путем противодействия попыткам анализа потока данных.

Протокол ESP обеспечивает конфиденциальность с помощью шифрования на уровне пакетов IP. При этом поддерживается множество алгоритмов симметричной схемы шифрования. Алгоритмом по умолчанию для IPSec является DES с 56-битовым ключом. Этот шифр должен присутствовать для гарантии совместимости между всеми поддерживающими IPSec продуктами. Продукты Cisco поддерживают также алгоритм 3DES, обеспечивающий более стойкое шифрование. Конфиденциальность может быть выбрана независимо от других сервисов.

Аутентификация источника данных и поддержка целостности без установления соединений используются совместно и являются опциями (т.е. необязательны). Эти возможности можно также объединить с сервисом конфиденциальности.
Сервис защиты от воспроизведения можно выбрать только в том случае, если выбрана аутентификация источника данных, и выбор этого сервиса является исключительной прерогативой получателя. Хотя по умолчанию от отправителя и требуется ав¬томатически увеличивать порядковый номер, используемый для защиты от воспроизведения, этот сервис оказывается эффективным только в том случае, если получатель проверяет этот порядковый номер. Конфиденциальность трафика требует выбора тун¬нельного режима. Наиболее эффективным это оказывается в шлюзе защиты, где маскировка источника-адресата может быть выполнена сразу для всего трафика. Здесь следует отметить, что хотя и конфиденциальность, и аутентификация являются опциями, должен быть выбран по крайней мере один из этих сервисов.
Набор сервисов, обеспечиваемых протоколом ESP, зависит от параметров, которые указываются в конфигурации IPSec и выбираются при создании ассоциации защиты IPSec. Однако выбор конфиденциальности без целостности/аутентификации (или в рамках ESP, или отдельно с помощью АН) оставляет противнику возможность для проведения атак определенного вида, что может ограничить пользу применяемого та¬ким образом сервиса конфиденциальности.
Заголовок ESP вставляется в пакет после заголовка IP перед заголовком протокола высшего уровня (в транспортном режиме) или перед инкапсулированным заголовком IP (в туннельном режиме). Полное описание протокола ESP содержится в документе RFC 2406.

Шифрование ESP с применением НМАС

В рамках протокола ESP может также обеспечиваться аутентификация пакетов с помощью необязательного поля аутентификации. В программном обеспечении Cisco IOS и в брандмауэрах PIX Firewall этот сервис называется ESP НМАС. Значения аутентификации вычисляются после того, как выполнено шифрование. Используемый сегодня стандарт IPSec описывает алгоритмы SHA1 и MD5 как обязательные для НМАС.
Главное различие между аутентификацией ESP и аутентификацией АН заключается в области их охвата. ESP не защищает никаких полей заголовка IP, если только не предполагается инкапсуляция ESP (туннельный режим). На рис указано, какие поля защищаются при использовании ESP НМАС.

Обратите внимание на то, что шифрование охватывает только данные полезного груза, a ESP с хэшированием ESP НМАС - заголовок ESP и данные полезного груза. Заголовок IP не защищается. Сервис ESP НМАС не может использоваться самостоя¬тельно, а должен быть объединен с протоколом шифрования ESP.

Туннельный и транспортный режимы IPSec

IPSec действует или в туннельном, или в транспортном режиме. На рис показана схема реализации туннельного режима. В этом режиме вся исходная дейтаграмма IP шифруется и становится полезным грузом в новом пакете IP с новым заголовком IP и дополнительным заголовком IPSec (на рис. заголовок обозначен аббревиатурой HDR). Туннельный режим позволяет сетевому устройству (например, брандмауэру PIX Firewall) выступать в роли шлюза IPSec или прокси-сервера, выполняющего шифрование для хостов, размещенных за брандмауэром. Маршрутизатор источника шифрует пакет и передает его по туннелю IPSec. Брандмауэр PIX Firewall адресата дешифрует полученный пакет IPSec, извлекает исходную дейтаграмму IP и передает ее системе адресата. Главное преимущество туннельного режима заключается в том, что не требуется модифицировать конечные системы, чтобы обеспечить им возможность использования IPSec. Туннельный режим также не позволяет противнику анализировать поток данных. При обмене в туннельном режиме противник имеет возможность определить только конечные точки туннеля, но не истинных источника и адресата проходящих через туннель пакетов, даже если конечные точки туннеля находятся как раз в системах источника и адресата.

Схема на рис ниже иллюстрирует транспортный режим. Здесь шифруется только полезный груз IP, а исходный заголовок IP остается нетронутым.
Добавляется заголовок IPSec. Преимуществом этого режима является добавление только нескольких байтов к каждому пакету. Кроме того, устройства открытой сети могут видеть истинные адреса отправителя и получателя пакета.

Это позволяет использовать специальные возможности промежуточных сетей (например, гарантированное качество сервиса), основанные на информации в заголовке IP. Однако заголовок уровня 4 шифруется, что ограничивает возможности анализа пакета. К сожалению, передача заголовка IP в открытом виде в транспортном режиме позволяет нарушителю в определенной мере выполнить анализ потока данных. Например, нарушитель может выяснить, сколько пакетов было передано сторонами IPSec, действующими в транспортном режиме. Но нарушитель может узнать только о том, что пакеты IP пересылались. Он не сможет определить, были ли они сообщением электронной почты или каким-то другим приложением, если использовался протокол ESP.

Использование туннельного и транспортного режимов

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих правила выбора туннельного или транспортного режима. На рис ниже показаны ситуации, в которых используется туннельный режим. Этот режим чаще всего используется для шифрования потока данных между шлюзами защиты IPSec - например, между маршрутизатором Cisco и брандмау эром PIX Firewall. Шлюзы IPSec выполняют функции IPSec для устройств, находящихся за такими шлюзами (на указанном рисунке это персональный компьютер Алисы и серверы HR). В этом примере Алиса получает защищенный доступ к серверам HR через туннель IPSec, установленный между шлюзами.

Туннельный режим используется и для связи конечных станций, в которых выполняется программное обеспечение IPSec, например для связи клиента CiscoSecure VPN и шлюза IPSec.
В данном примере туннельный режим применяется для создания туннеля IPSec между маршрутизатором Cisco и сервером, на котором выполняется программное обеспечение IPSec. Обратите внимание на то, что в программном обеспечении Cisco IOS и брандмауэра PIX Firewall туннельный режим для связей IPSec является режимом, устанавливаемым по умолчанию.
Транспортный режим используется между конечными станциями, поддерживающими IPSec, или между конечной станцией и шлюзом, если шлюз интерпретируется как хост. На рис. ниже показан пример Г, иллюстрирующий применение транспортного режима для создания шифрованного туннеля IPSec от компьютера Алисы, на котором выполняется программное обеспечение клиента Microsoft Windows 2000, к концентратору Cisco VPN 3000, что позволяет Алисе использовать L2ТР-туннель над IPSec.

Использование АН и ESP

В определенных ситуациях проблема выбора между АН и ESP может показаться сложной для решения, но ее можно упростить, если следовать нескольким правилам. Если вам необходимо знать, что данные из идентифицированного источника передают¬ся без нарушения целостности, а их конфиденциальность обеспечивать не требуется, используйте протокол АН, который защищает протоколы высших уровней и поля заголовка IP, не изменяемые в пути. Защита означает, что соответствующие значения нельзя изменить, потому что это будет обнаружено второй стороной IPSec и любая модифицированная дейтаграмма IP будет отвергнута. Протокол АН не обеспечивает защиту от прослушивания канала и просмотра нарушителем заголовка и данных. Но поскольку заголовок и данные незаметно изменить нельзя, измененные пакеты отвергаются.

Если необходимо сохранить данные в тайне (обеспечить конфиденциальность), используйте ESP. Данный протокол предполагает шифрование протоколов высших уровней в транспортном режиме и всей исходной дейтаграммы IP в туннельном режиме, так что извлечь информацию о пакетах путем прослушивания канала передачи невозможно. Протокол ESP может также обеспечить для пакетов сервис аутентификации. Однако при использовании ESP в транспортном режиме внешний оригинальный заголовок IP не защищается, а в туннельном режиме не защищается новый заголовок IP. При использовании IPSec пользователи скорее применят туннельный режим, чем транспортный.

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.

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
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.
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: