IPSec — протокол защиты сетевого трафика на IP-уровне
Введение
Необходимость защиты данных
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.
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.
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.
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.
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 — 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 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
IPsec
Материал из Xgu.ru
 |
| Данная страница находится в разработке. Эта страница ещё не закончена. Информация, представленная здесь, может оказаться неполной или неверной. |
Если вы считаете, что её стоило бы доработать как можно быстрее, пожалуйста, скажите об этом.
Содержание
[править] Введение
IPsec – это набор протоколов, использующихся для обеспечения сервисов приватности и аутентификации на сетевом уровне модели OSI. Эти протоколы можно разделить на два класса – протоколы защиты передаваемых данных (AH, ESP) и протоколы обмена ключами (IKE).
Одна из причин сложности IPsec то, что IPsec определяет не конкретные политики, а механизмы. Он определяет не конкретные алгоритмы шифрования, аутентификации, а предлагает набор алгоритмов и механизмов. Задача настройки IPsec сводится к тому, чтобы выбрать необходимые механизмы и алгоритмы и настроить соответствующим образом устройства, участвующие в создании безопасного соединения.
Для установления безопасных Интернет сессий необходимы однонаправленные Secure associations (SA) между участниками соединений. SA определяют, какие операции должны применяться к пакету. Они определяют: метод аутентификации, алгоритм шифрования, ключи шифрования и аутентификации, время жизни ключа шифрования, время жизни SA и номер последовательности (sequence number) для предотвращения повторений.
Secure associations могут быть установлены вручную или автоматически. Для автоматического установления SA используется IKE.
[править] Основные понятия
AES (Advanced Encryption Standard), также известный как Rijndael — симметричный алгоритм блочного шифрования (размер блока 128 бит, ключ 128/192/256 бит), принятый в качестве стандарта шифрования правительством США по результатам конкурса AES. По состоянию на 2009 год AES является одним из самых распространённых алгоритмов симметричного шифрования.
DES (Data Encryption Standard) — симметричный алгоритм шифрования, разработанный фирмой IBM и утвержденный правительством США в 1977 году как официальный стандарт (FIPS 46-3). DES имеет блоки по 64 бита и 16 цикловую структуру сети Фейстеля, для шифрования использует ключ с длиной 56 бит. Алгоритм использует комбинацию нелинейных (S-блоки) и линейных (перестановки E, IP, IP-1) преобразований.
3DES (Triple Data Encryption Standard) — симметричный блочный шифр, созданный Уитфилдом Диффи, Мартином Хеллманом и Уолтом Тачманном в 1978 году на основе алгоритма DES, с целью устранения главного недостатка последнего — малой длины ключа (56 бит), который может быть взломан методом полного перебора ключа. Скорость работы 3DES в 3 раза ниже, чем у DES, но криптостойкость намного выше — время, требуемое для криптоанализа 3DES, может быть в миллиард раз больше, чем время, нужное для вскрытия DES. 3DES используется чаще, чем DES, который легко ломается при помощи сегодняшних технологий (в 1998 году организация Electronic Frontier Foundation, используя специальный компьютер DES Cracker, вскрыла DES за 3 дня). 3DES является простым способом устранения недостатков DES. Алгоритм 3DES построен на основе DES, поэтому для его реализации возможно использовать программы, созданные для DES.
RSA ( Ron Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman Algorithm) — криптографический алгоритм с открытым ключом. RSA стал первым алгоритмом такого типа, пригодным и для шифрования, и для цифровой подписи. Алгоритм используется в большом числе криптографических приложений.
Certificate — цифровой или бумажный документ, подтверждающий соответствие между открытым ключом и информацией, идентифицирующей владельца ключа. Содержит информацию о владельце ключа, сведения об открытом ключе, его назначении и области применения, название центра сертификации и т. д.
Certificate Authority (англ. Certification authority, CA) — это организация или подразделение организации, которая выпускает сертификаты ключей электронной цифровой подписи, это компонент глобальной службы каталогов, отвечающий за управление криптографическими ключами пользователей. Открытые ключи и другая информация о пользователях хранится удостоверяющими центрами в виде цифровых сертификатов.
PKI (Public Key Infrastructure, Инфраструктура открытых ключей) — технология аутентификации с помощью открытых ключей. Это комплексная система, которая связывает открытые ключи с личностью пользователя посредством удостоверяющего центра (УЦ).
CRL (Certificate Revocation list) — Список отозванных сертификатов
[править] Протоколы IPsec
[править] Internet Key Exchange (IKE)
Internet Key Exchange (IKE) – протокол использующийся для автоматического создания, установления, изменения и удаления Security Associations (SA) между двумя хостами в сети. SA содержат информацию для установления безопасного соединения между участниками предопределенным способом. IKE основан на протоколах ISAKMP, Oakley и SKEME.
[править] ISAKMP
ISAKMP – определяет концепцию управления и обмена ключами, управления и установления SA. IKE – это реализация концепции ISAKMP для использования с IPsec.
ISAKMP определяет процедуры аутентификации участников, создания и управления SA, определяет техники генерации ключей и обеспечения защиты от угроз.
Работа ISAKMP разбивается на две отдельные фазы. Во время первой фазы для защиты дальнейших коммуникаций между участниками устанавливаются ISAKMP SA. Во время второй фазы устанавливаются SA для IPsec.
Одно ISAKMP SA может использоваться для нескольких security associations других протоколов.
[править] Oakley
Протокол Oakley описывает серии обмена ключами, называемые режимами (modes), и детализирует сервисы предоставляемые каждым режимом (такие как perfect forward secrecy для ключей, защита подлинности, аутентификации). В основе работы протокола лежит алгоритм обмена ключами Diffie-Hellman.
Diffie-Hellman— это метод установки разделяемого ключа в небезопасной среде.
Режим IKE New Group используется для установки новых групп.
IKE не реализует протокол Oakley. IKE использует только подмножество функций необходимых для достижения своих целей, но не является полным соответствием спецификации Oakley. У IKE нет никакой зависимости от Oakley.
[править] SKEME
SKEME определяет обмен ключами, который обеспечивает анонимность и быстрое обновление ключей.
IKE не реализует весь протокол SKEME. IKE использует только криптографическую систему с открытым ключом и концепцию SKEME быстрой замены ключа с использованием обмена nonces. У IKE нет никакой зависимости от SKEME.
[править] Фазы IKE
Фазы в IKE такие же как фазы в ISAKMP. Во время первой фазы создаются IKE SA для защиты второй фазы, а во время второй фазы создаются SA для IPsec.
Фаза Xauth (опциональная)
Участники могут меняться ролями между фазами. Инициатор первой фазы может быть ответчиком во время второй фазы.
[править] Режимы IKE
Для установления IKE SA на первой фазе существует два режима: Основной режим (Main Mode) и Агрессивный режим (Aggressive Mode). Агрессивный режим немного быстрее, но он не обеспечивает защиту подлинности. Основной режим основан на identity protection exchange ISAKMP и обеспечивает защиту подлинности.
На второй фазе для установки SA используется Быстрый режим (Quick Mode).
Кроме того, существует Режим новой группы (New Group Mode), который не является режимом первой или второй фазы. Он используется для установки новой Oakley Group для обмена ключами Diffie-Hellman.
[править] Основной режим
(Main mode) реализует стандартный механизм установления «канала» ISAKMP SA. Он включает в себя три процедуры двунаправленного обмена. Сначала стороны договариваются о базовых алгоритмах и используемых методах хеширования. Затем осуществляется обмен открытыми ключами в рамках алгоритма Диффи — Хеллмана и случайными числами (nonce), которые подписываются принимающими сторонами и отправляются обратно для идентификации. Наконец, в ходе третьего обмена по пришедшим обратно подписанным значениям nonce проверяется подлинность сторон.
[править] Агрессивный режим
[править] Быстрый режим
[править] New Group Mode
[править] Perfect Forward Secrecy
[править] Методы аутентификации IKE
[править] Authentication Header
AH используется для аутентификации отправителя информации, для обеспечения целостности данных и опционально может использоваться для защиты от повторной передачи данных.
Аутентификация осуществляется за счет вычисления хэш-функции IP пакета (поля, которые могут меняться в процессе передачи пакета (например, TTL) исключаются). Вычисленная хэш-функция добавляется к заголовку пакета AH и отправляется получателю пакета.
Заголовок AH содержит поле Integrity Check Value, которое вычисляется по алгоритмам MD5 или SHA-1. На практике чаще используется HMAC (Hash Message Authentication Code), так он при вычислении хэш-функции использует заранее известный участникам секретный ключ. В свою очередь HMAC использует для вычисления хэш-функции алгоритмы MD5 или SHA-1. В зависимости от используемого алгоритма HMAC будет называться соответственно HMAC-MD5 или HMAC-SHA-1.
[править] Encapsulating Security Payload
[править] Режимы работы протоколов AH ESP
Существует два режима работы IPsec: транспортный режим и туннельный режим.
