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

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

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

Краткая историческая справка появления протокола

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

Архитектура IPSec

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

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

Рис. 1 – Архитектура IPSec.

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

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

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

Рис. 2 — Модель OSI/ISO.

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

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

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

Заголовок AH

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

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

Рис. 3 — Формат заголовка AH.

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

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

Заголовок ESP

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

Рис. 4 — Формат заголовка ESP.

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

Транспортный режим

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

Туннельный режим

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

Security Associations

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

Политика безопасности

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

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

ISAKMP/Oakley

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

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

IKE

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

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

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

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

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

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

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

Атаки на AH, ESP и IKE.

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

Оценка протокола

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

Заключение

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

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

Протоколы IPSec Организация защищенного канала https://www.сайт/lan/protokoly-ipsec https://www.сайт/@@site-logo/logo.png

Протоколы IPSec

Организация защищенного канала

Протоколы IPSec

Организация защищенного канала с помощью AH, ESP и IKE.

Internet Protocol Security (IPSec) называют в стандартах Internet системой. Действительно, IPSec - это согласованный набор открытых стандартов, имеющий сегодня вполне очерченное ядро, и в то же время он может быть достаточно просто дополнен новыми протоколами, алгоритмами и функциями.

Основное назначение протоколов IPSec - обеспечение безопасной передачи данных по сетям IP. Применение IPSec гарантирует:

• целостность, т. е. что данные при передаче не были искажены, потеряны или продублированы;
• аутентичность, т. е. что данные были переданы тем отправителем, который доказал, что он тот, за кого себя выдает;
• конфиденциальность, т. е. что данные передаются в форме, предотвращающей их несанкционированный просмотр.

(Заметим, что в соответствии с классическим определением понятие безопасности данных включает еще одно требование - доступность данных, что в рассмотренном контексте может быть интерпретировано как гарантия их доставки. Протоколы IPSec не решают данную задачу, оставляя ее протоколу транспортного уровня TCP.)

ЗАЩИЩЕННЫЕ КАНАЛЫ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ

IPSec - это только одна из многих, хотя и самая популярная на сегодня, технология безопасной передачи данных по общедоступной (незащищенной) сети. Для технологий такого назначения используется обобщенное название - защищенный канал (secure channel). Термин «канал» подчеркивает тот факт, что защита данных обеспечивается между двумя узлами сети (хостами или шлюзами) вдоль некоторого виртуального пути, проложенного в сети с коммутацией пакетов.

Защищенный канал можно построить с помощью системных средств, реализованных на разных уровнях модели OSI (см. Рисунок 1). Если для защиты данных используется протокол одного из верхних уровней (прикладного, презентационного или сеансового), то такой способ защиты не зависит от того, какие сети (IP или IPX, Ethernet или ATM) применяются для транспортировки данных, что можно считать несомненным достоинством. С другой стороны, приложение при этом становится зависимым от конкретного протокола защиты, т. е. для приложений такой протокол не является прозрачным.

Защищенному каналу на самом высоком, прикладном уровне свойственен еще один недостаток - ограниченная область действия. Протокол защищает только вполне определенную сетевую службу - файловую, гипертекстовую или почтовую. Например, протокол S/MIME защищает исключительно сообщения электронной почты. Поэтому для каждой службы необходимо разрабатывать соответствующую защищенную версию протокола.

Наиболее известным протоколом защищенного канала, работающим на следующем, презентационном уровне, стал протокол Secure Socket Layer (SSL) и его новая открытая реализация Transport Layer Security (TLS). Снижение уровня протокола превращает его в гораздо более универсальное средство защиты. Теперь единым протоколом защиты могут воспользоваться любые приложения и любые протоколы прикладного уровня. Однако приложения необходимо переписывать по-прежнему - в них должны быть встроены явные вызовы функций протокола защищенного канала.

Чем ниже в стеке реализованы средства защищенного канала, тем проще их сделать прозрачными для приложений и прикладных протоколов. На сетевом и канальном уровнях зависимость приложений от протоколов защиты исчезает совсем. Однако здесь мы сталкиваемся с другой проблемой - зависимостью протокола защиты от конкретной сетевой технологии. Действительно, в разных частях крупной составной сети, вообще говоря, используются разные канальные протоколы, поэтому проложить защищенный канал через эту гетерогенную среду с помощью единого протокола канального уровня невозможно.

Рассмотрим, например, протокол защищенного канала Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP), работающий на канальном уровне. Он основан на протоколе PPP, который широко используется в соединениях «точка-точка», например при работе по выделенным линиям. Протокол PPTP не только обеспечивает прозрачность средств защиты для приложений и служб прикладного уровня, но и не зависит от применяемого протокола сетевого уровня: в частности, протокол PPTP может переносить пакеты как в сетях IP, так и в сетях, работающих на основе протоколов IPX, DECnet или NetBEUI. Однако, поскольку протокол PPP используется далеко не во всех сетях (в большинстве локальных сетей на канальном уровне работает протокол Ethernet, а в глобальных - протоколы ATM, frame relay), то PPTP нельзя считать универсальным средством.

Работающий на сетевом уровне протокол IPSec является компромиссным вариантом. С одной стороны, он прозрачен для приложений, а с другой - он может работать практически во всех сетях, так как основан на широко распространенном протоколе IP: в настоящее время в мире только 1% компьютеров не поддерживает IP вообще, остальные 99% используют его либо как единственный протокол, либо в качестве одного из нескольких протоколов.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ МЕЖДУ ПРОТОКОЛАМИ IPSEC

Ядро IPSec составляют три протокола: протокол аутентификации (Authenti-cation Header, AH), протокол шифрования (Encapsulation Security Payload, ESP) и протокол обмена ключами (Internet Key Exchange, IKE). Функции по поддержанию защищенного канала распределяются между этими протоколами следующим образом:

• протокол AH гарантирует целостность и аутентичность данных;
• протокол ESP шифрует передаваемые данные, гарантируя конфиденциальность, но он может также поддерживать аутентификацию и целостность данных;
• протокол IKE решает вспомогательную задачу автоматического предоставления конечным точкам канала секретных ключей, необходимых для работы протоколов аутентификации и шифрования данных.

Как видно из краткого описания функций, возможности протоколов AH и ESP частично перекрываются. Протокол AH отвечает только за обеспечение целостности и аутентификации данных, в то время как протокол ESP более мощный, так как может шифровать данные, а кроме того, выполнять функции протокола AH (хотя, как увидим позднее, аутентификация и целостность обеспечиваются им в несколько урезанном виде). Протокол ESP может поддерживать функции шифрования и аутентификации/целостности в любых комбинациях, т. е. либо и ту и другую группу функций, либо только аутентификацию/целостность, либо только шифрование.

Для шифрования данных в IPSec может быть применен любой симметричный алгоритм шифрования, использующий секретные ключи. В основе обеспечения целостности и аутентификации данных также лежит один из приемов шифрования - шифрование с помощью односторонней функции (one-way function), называемой также хэш-функцией (hash function) или дайджест-функцией (digest function).

Эта функция, примененная к шифруемым данным, дает в результате значение-дайджест, состоящее из фиксированного небольшого числа байт. Дайджест передается в IP-пакете вместе с исходным сообщением. Получатель, зная, какая односторонняя функция шифрования была применена для составления дайджеста, заново вычисляет его, используя исходное сообщение. Если значения полученного и вычисленного дайджестов совпадают, это значит, что содержимое пакета во время передачи не было подвергнуто никаким изменениям. Знание дайджеста не дает возможности восстановить исходное сообщение и поэтому не может быть использовано для защиты, но зато оно позволяет проверить целостность данных.

Дайджест является своего рода контрольной суммой для исходного сообщения. Однако имеется и существенное отличие. Использование контрольной суммы - это средство проверки целостности передаваемых сообщений по ненадежным линиям связи, и оно не направлено на борьбу со злонамеренными действиями. В самом деле, наличие контрольной суммы в передаваемом пакете не помешает злоумышленнику подменить исходное сообщение, добавив к нему новое значение контрольной суммы. В отличие от контрольной суммы при вычислении дайджеста используется секретный ключ. Если для получения дайджеста применялась односторонняя функция с параметром (в качестве которого выступает секретный ключ), известным только отправителю и получателю, любая модификация исходного сообщения будет немедленно обнаружена.

Разделение функций защиты между двумя протоколами AH и ESP вызвано применяемой во многих странах практикой на ограничение экспорта и/или импорта средств, обеспечивающих конфиденциальность данных путем шифрования. Каждый из этих двух протоколов может использоваться как самостоятельно, так и одновременно с другим, так что в тех случаях, когда шифрование из-за действующих ограничений применять нельзя, систему можно поставлять только с протоколом AH. Естественно, защита данных только с помощью протокола AH во многих случаях будет недостаточной, так как принимающая сторона в этом случае будет уверена только в том, что данные были отправлены именно тем узлом, от которого они ожидаются, и дошли в том виде, в котором были отправлены. От несанкционированного просмотра по пути следования данных протокол AH защитить не может, так как не шифрует их. Для шифрования данных необходимо применять протокол ESP, который может также проверить их целостность и аутентичность.

БЕЗОПАСНАЯ АССОЦИАЦИЯ

Для того чтобы протоколы AH и ESP могли выполнять свою работу по защите передаваемых данных, протокол IKE устанавливает между двумя конечными точками логическое соединение, которое в стандартах IPSec носит название «безопасная ассоциация» (Security Association, SA). Установление SA начинается со взаимной аутентификации сторон, потому что все меры безопасности теряют смысл, если данные передаются или принимаются не тем или не от того лица. Выбираемые далее параметры SA определяют, какой из двух протоколов, AH или ESP, применяется для защиты данных, какие функции выполняет протокол защиты: например, только аутентификацию и проверку целостности или, кроме того, еще и защиту от ложного воспроизведения. Очень важным параметром безопасной ассоциации является так называемый криптографический материал, т. е. секретные ключи, используемые в работе протоколов AH и ESP.

Система IPSec разрешает применять и ручной способ установления безопасной ассоциации, при котором администратор конфигурирует каждый конечный узел таким образом, чтобы они поддерживали согласованные параметры ассоциации, включая и секретные ключи.

Протокол AH или ESP функционирует уже в рамках установленного логического соединения SA, с его помощью и осуществляется требуемая защита передаваемых данных с использованием выбранных параметров.

Параметры безопасной ассоциации должны устраивать обе конечные точки защищенного канала. Поэтому при использовании автоматической процедуры установления SA протоколы IKE, работающие по разные стороны канала, выбирают параметры в ходе переговорного процесса, подобно тому, как два модема определяют максимально приемлемую для обеих сторон скорость обмена. Для каждой задачи, решаемой протоколами AH и ESP, предлагается несколько схем аутентификации и шифрования - это делает IPSec очень гибким средством. (Заметим, что выбор функции получения дайджеста для решения задачи аутентификации никак не влияет на выбор алгоритма для шифрования данных.)

Для обеспечения совместимости в стандартной версии IPsec определен некоторый обязательный «инструментальный» набор: в частности, для аутентификации данных всегда может быть использована одна из функций односторонней шифрации MD5 либо SHA-1, а в число алгоритмов шифрования непременно входит DES. При этом производители продуктов, включающих IPSec, вольны расширять протокол за счет других алгоритмов аутентификации и шифрования, что они с успехом и делают. Например, многие реализации IPSec поддерживают популярный алгоритм шифрования Triple DES, а также сравнительно новые алгоритмы - Blowfish, Cast, CDMF, Idea, RC5.

Стандарты IPSec позволяют шлюзам использовать как одну ассоциацию SA для передачи трафика всех взаимодействующих через Internet хостов, так и создавать для этой цели произвольное число ассоциаций SA, например по одной на каждое соединение TCP. Безопасная ассоциация SA представляет собой в IPSec однонаправленное (симплексное) логическое соединение, поэтому при двустороннем обмене данными необходимо установить две ассоциации SA.

ТРАНСПОРТНЫЙ И ТУННЕЛЬНЫЙ РЕЖИМЫ

Протоколы AH и ESP могут защищать данные в двух режимах: транспортном и туннельном. В транспортном режиме передача IP-пакета через сеть выполняется с помощью оригинального заголовка этого пакета, а в туннельном режиме исходный пакет помещается в новый IP-пакет и передача данных по сети выполняется на основании заголовка нового IP-пакета. Применение того или иного режима зависит от требований, предъявляемых к защите данных, а также от роли, которую играет в сети узел, завершающий защищенный канал. Так, узел может быть хостом (конечным узлом) или шлюзом (промежуточным узлом). Соответственно, имеются три схемы применения IPSec: «хост-хост», «шлюз-шлюз» и «хост-шлюз».

В первой схеме защищенный канал, или, что в данном контексте одно и то же, безопасная ассоциация, устанавливается между двумя конечными узлами сети (см. Рисунок 2). Протокол IPSec в этом случае работает на конечном узле и защищает данные, поступающие на него. Для схемы «хост-хост» чаще всего используется транспортный режим защиты, хотя разрешается и туннельный.

В соответствии со второй схемой, защищенный канал устанавливается между двумя промежуточными узлами, так называемыми шлюзами безопасности (Security Gateway, SG), на каждом из которых работает протокол IPSec. Защищенный обмен данными может происходить между любыми двумя конечными узлами, подключенными к сетям, которые расположены позади шлюзов безопасности. От конечных узлов поддержка протокола IPSec не требуется, они передают свой трафик в незащищенном виде через заслуживающих доверие сети Intranet предприятий. Трафик, направляемый в общедоступную сеть, проходит через шлюз безопасности, который и обеспечивает его защиту с помощью IPSec, действуя от своего имени. Шлюзы могут использовать только туннельный режим работы.

Схема «хост-шлюз» часто применяется при удаленном доступе. Здесь защищенный канал организуется между удаленным хостом, на котором работает IPSec, и шлюзом, защищающим трафик для всех хостов, входящих в сеть Intranet предприятия. Удаленный хост может использовать при отправке пакетов шлюзу как транспортный, так и туннельный режим, шлюз же отправляет пакет хосту только в туннельном режиме. Эту схему можно усложнить, создав параллельно еще один защищенный канал - между удаленным хостом и каким-либо хостом, принадлежащим внутренней сети, защищаемой шлюзом. Такое комбинированное использование двух SA позволяет надежно защитить трафик и во внутренней сети.

Наталья Олифер

Операции с документом

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.

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

1. Выполняется хэширование IP-заголовка и полезного груза пакета.
2. Полученный хэш-код используется при построении нового заголовка АН, который подсоединяется к исходному пакету между заголовком и блоком полезного груза.
3. Новый пакет передается второй стороне IPSec.
4. 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 ESP

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.

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.

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.

(The Internet Key Exchange (IKE)) - Обмен ключами.

Архитектура IPsec

Протоколы IPsec, в отличие от других хорошо известных протоколов SSL и TLS , работают на сетевом уровне (уровень 3 модели OSI). Это делает IPsec более гибким, так что он может использоваться для защиты любых протоколов, базирующихся на TCP и UDP . IPsec может использоваться для обеспечения безопасности между двумя IP-узлами , между двумя шлюзами безопасности или между IP-узлом и шлюзом безопасности. Протокол является "надстройкой" над IP-протоколом, и обрабатывает сформированные IP-пакеты описанным ниже способом. IPsec может обеспечивать целостность и/или конфиденциальность данных передаваемых по сети.

IPsec использует следующие протоколы для выполнения различных функций:

• Authentication Header (АН) обеспечивает целостность виртуального соединения (передаваемых данных), аутентификацию источника информации и дополнительную функцию по предотвращению повторной передачи пакетов
• Encapsulating Security Payload (ESP) может обеспечить конфиденциальность (шифрование) передаваемой информации, ограничение потока конфиденциального трафика. Кроме этого, он может обеспечить целостность виртуального соединения (передаваемых данных), аутентификацию источника информации и дополнительную функцию по предотвращению повторной передачи пакетов (Всякий раз, когда применяется ESP, в обязательном порядке должен использоваться тот или иной набор данных услуг по обеспечению безопасности)
• Security Association (SA) обеспечивают связку алгоритмов и данных, которые предоставляют параметры, необходимые для работы AH и/или ESP. Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) обеспечивает основу для аутентификации и обмена ключами, проверки подлинности ключей.

Security Association

Концепция "Защищенного виртуального соединения" (SA, "Security Association") является фундаментальной в архитектуре IPsec. SA представляет собой симплексное соединение , которое формируется для транспортирования по нему соответствующего трафика. При реализации услуг безопасности формируется SA на основе использования протоколов AH или ESP (либо обоих одновременно). SA определен в соответствии с концепцией межтерминального соединения (point-to-point) и может функционировать в двух режимах: транспортный режим (РТР) и режим тунелирования (РТУ). Транспортный режим реализуется при SA между двумя IP-узлами. В режиме туннелирования SA формирует IP-туннель .

Все SA хранятся в базе данных SADB (Security Associations Database) IPsec-модуля. Каждое SA имеет уникальный маркер, состоящий из трех элементов:

• индекса параметра безопасности (SPI)
• IP-адреса назначения
• идентификатора протокола безопасности (ESP или AH)

IPsec-модуль, имея эти три параметра, может отыскать в SADB запись о конкретном SA. В список компонентов SA входят:

Так как защищенные виртуальные соединения(SA) являются симплексными , то для организации дуплексного канала, как минимум, нужны два SA. Помимо этого, каждый протокол (ESP/AH) должен иметь свою собственную SA для каждого направления, то есть, связка AH+ESP требует наличия четырех SA. Все эти данные располагаются в SADB.

• AH: алгоритм аутентификации.
• AH: секретный ключ для аутентификации
• ESP: алгоритм шифрования.
• ESP: секретный ключ шифрования.
• ESP: использование аутентификации (да/нет).
• Параметры для обмена ключами
• Ограничения маршрутизации
• IP политика фильтрации

Помимо базы данных SADB, реализации IPsec поддерживают базу данных SPD (Security Policy Database- База данных политик безопасности). Запись в SPD состоит из набора значений полей IP-заголовка и полей заголовка протокола верхнего уровня. Эти поля называются селекторами. Селекторы используются для фильтрации исходящих пакетов, с целью поставить каждый пакет в соответствие с определенным SA. Когда формируется пакет, сравниваются значения соответствующих полей в пакете (селекторные поля) с теми, которые содержатся SPD. Находятся соответствующие SA. Затем определяется SA (в случае, если оно имеется) для пакета и сопряженный с ней индекс параметров безопасности(SPI). После чего выполняются операции IPsec(операции протокола AH или ESP).

Примеры селекторов, которые содержатся в SPD:

• IP-адрес места назначения
• IP-адрес отправителя
• Протокол IPsec (AH, ESP или AH+ESP)
• Порты отправителя и получателя

Authentication Header

Протокол AH используется для аутентификации, то есть для подтверждения того, что мы связываемся именно с тем, с кем предполагаем, и что данные, которые мы получаем, не искажены при передаче.

Обработка выходных IP-пакетов

Если передающий IPsec-модуль определяет, что пакет связан с SA, которое предполагает AH-обработку, то он начинает обработку. В зависимости от режима (транспортный или режим туннелирования) он по-разному вставляет AH-заголовок в IP-пакет. В транспортном режиме AH-заголовок располагается после заголовка протокола IP и перед заголовками протоколов верхнего уровня (Обычно, TCP или UDP). В режиме туннелирования весь исходный IP-пакет обрамляется сначала заголовком AH, затем заголовком IP-протокола. Такой заголовок называется внешним, а заголовок исходного IP-пакета- внутренним. После этого передающий IPsec-модуль должен сгенерировать последовательный номер и записать его в поле Sequence Number . При установлении SA последовательный номер устанавливается в 0, и перед отправкой каждого IPsec-пакета увеличивается на единицу. Кроме того, происходит проверка- не зациклился ли счетчик. Если он достиг своего максимального значения, то он снова устанавливается в 0. Если используется услуга по предотвращению повторной передачи, то при достижении счетчика своего максимального значения, передающий IPsec-модуль переустанавливает SA. Таким образом обеспечивается защита от повторной посылки пакета - приемный IPsec-модуль будет проверять поле Sequence Number , и игнорировать повторно приходящие пакеты. Далее происходит вычисление контрольной суммы ICV. Надо заметить, что здесь контрольная сумма вычисляется с применением секретного ключа, без которого злоумышленник сможет заново вычислить хэш, но не зная ключа, не сможет сформировать правильную контрольную сумму. Конкретные алгоритмы, использующиеся для вычисления ICV, можно узнать из RFC 4305 . В настоящее время могут применяться, например, алгоритмы HMAC-SHA1-96 или AES-XCBC-MAC-96. Протокол АН вычисляет контрольную сумму(ICV) по следующим полям IPsec-пакета:

• поля IP-заголовка, которые не были подвержены изменениям в процессе транслирования, или определены как наиболее важные
• АН-заголовок (Поля: "Next Header", "Payload Len, "Reserved", "SPI", "Sequence Number", "Integrity Check Value". Поле "Integrity Check Value" устанавливается в 0 при вычислении ICV
• данные протокола верхнего уровня

Обработка входных IP-пакетов

После получения пакета, содержащего сообщение АН-протокола, приемный IPsec-модуль ищет соответствующее защищенное виртуальное соединение(SA) SADB (Security Associations Database), используя IP-адрес получателя, протокол безопасности (АН) и индекс SPI. Если соответствующее SA не найдено, пакет уничтожается. Найденное защищенное виртуальное соединение(SA) указывает на то, используется ли услуга по предотвращению повторной передачи пакетов, т.е. на необходимость проверки поля Sequence Number . Если услуга используется, то поле проверяется. Для этого используется метод скользящего окна. Приемный IPsec-модуль формирует окно с шириной W. Левый край окна соответствует минимальному последовательному номеру(Sequence Number ) N правильно принятого пакета. Пакет с полем Sequence Number , в котором содержится значение, начиная от N+1 и заканчивая N+W, принимается корректно. Если полученный пакет оказывается по левую границу окна- он уничтожается. Затем приемный IPsec-модуль вычисляет ICV по соответствующим полям принятого пакета, используя алгоритм аутентификации, который он узнает из записи об SA, и сравнивает полученный результат со значением ICV, расположенным в поле "Integrity Check Value". Если вычисленное значение ICV совпало с принятым, то пришедший пакет считается действительным и принимается для дальнейшей IP-обработки. Если проверка дала отрицательный результат, то приемный пакет уничтожается.

Обработка выходных IPsec-пакетов

Если передающий IPsec-модуль определяет, что пакет связан с SA, которое предполагает ESP-обработку, то он начинает обработку. В зависимости от режима(транспортный или режим туннелирования) исходный IP-пакет обрабатывается по-разному. В транспортном режиме передающий IPsec-модуль осуществляет процедуру обрамления(инкапсуляции) протокола верхнего уровня(например, TCP или UDP), используя для этого ESP-заголовок и ESP-концевик, не затрагивая при этом заголовок исходного IP-пакета. В режиме туннелирования IP-пакет обрамляется ESP-заголовком и ESP-концевиком, после чего обрамляется внешним IP-заголовком. Далее производится шифрование- в транспортном режиме шифруется только сообщение протокола выше лежащего уровня (т.е. все, что находилось после IP-заголовка в исходном пакете), в режиме туннелирования- весь исходный IP-пакет. Передающий IPsec-модуль из записи о SA определяет алгоритм шифрования и секретный ключ. Стандарты IPsec разрешают использование алгоритмов шифрования triple-DES, AES и Blowfish. Так как размер открытого текста должен быть кратен определенному числу байт, например, размеру блока для блочных алгоритмов, перед шифрованием производится еще и необходимое дополнение шифруемого сообщения. Защифрованное сообщение помещается в поле Payload Data . В поле Pad Length помещается длина дополнения. Затем, как и в AH, вычисляется Sequence Number . После чего считается контрольная сумма(ICV). Контрольная сумма, в отличие от протокола AH, где при ее вычислении учитываются также и некоторые поля IP-заголовка, в ESP вычисляется только по полям ESP-пакета за вычетом поля ICV. Перед вычислением контрольной суммы оно заполняется нулями. Алгоритм вычисления ICV, как и в протоколе AH, передающий IPsec-модуль узнает из записи об SA, с которым связан обрабатываемый пакет.

Обработка входных IPsec-пакетов

После получения пакета, содержащего сообщение ESP-протокола, приемный IPsec-модуль ищет соответствующее защищенное виртуальное соединение(SA) в SADB (Security Associations Database), используя IP-адрес получателя, протокол безопасности (ESP) и индекс SPI. Если соответствующее SA не найдено, пакет уничтожается. Найденное защищенное виртуальное соединение(SA) указывает на то, используется ли услуга по предотвращению повторной передачи пакетов, т.е. на необходимость проверки поля Sequence Number. Если услуга используется, то поле проверяется. Для этого, так же как и в AH, используется метод скользящего окна. Приемный IPsec-модуль формирует окно с шириной W. Левый край окна соответствует минимальному последовательному номеру(Sequence Number) N правильно принятого пакета. Пакет с полем Sequence Number, в котором содержится значение, начиная от N+1 и заканчивая N+W, принимается корректно. Если полученный пакет оказывается по левую границу окна- он уничтожается. Затем, если используется услуга аутентификации, приемный IPsec-модуль вычисляет ICV по соответствующим полям принятого пакета, используя алгоритм аутентификации, который он узнает из записи об SA, и сравнивает полученный результат со значением ICV, расположенным в поле "Integrity Check Value". Если вычисленное значение ICV совпало с принятым, то пришедший пакет считается действительным. Если проверка дала отрицательный результат, то приемный пакет уничтожается. Далее производится расшифрование пакета. Приемный IPsec-модуль узнает из записи об SA, какой алгоритм шифрования используется и секретный ключ. Надо заметить, что проверка контрольной суммы и процедура расшифрования могут проводиться не только последовательно, но и параллельно. В последнем случае процедура проверки контрольной суммы должна закончиться раньше процедуры расшифрования, и если проверка ICV провалилась, процедура расшифрования также должна прекратиться. Это позволяет быстрее выявлять испорченные пакеты, что, в свою очередь, повышает уровень защиты от атак типа "отказ в обслуживании"(DOS-атаки). Далее расшифрованное сообщение в соответствии с полем Next Header передается для дальнейшей обработки.

Использование

Протокол IPsec используется, в основном, для организации VPN-туннелей . В этом случае протоколы ESP и AH работают в режиме туннелирования. Кроме того, настраивая политики безопасности определенным образом, протокол можно использовать для создания межсетевого экрана. Смысл межсетевого экрана заключается в том, что он контролирует и фильтрует проходящие через него пакеты в соответствии с заданными правилами. Устанавливается набор правил, и экран просматривает все проходящие через него пакеты. Если передаваемые пакеты попадают под действие этих правил, межсетевой экран обрабатывает их соответствующим образом. Например, он может отклонять определенные пакеты, тем самым прекращая небезопасные соединения. Настроив политику безопасности соответствующим образом, можно, например, запретить интернет-трафик. Для этого достаточно запретить отсылку пакетов, в которые вкладываются сообщения протоколов HTTP и HTTPS . IPsec можно применять и для защиты серверов - для этого отбрасываются все пакеты, кроме пакетов, необходимых для корректного выполнения функций сервера. Например, для Web-сервера можно блокировать весь трафик, за исключением соединений через 80-й порт протокола TCP, или через порт TCP 443 в случаях, когда применяется HTTPS .

См. также

Ссылки

• Описание конфигурирования IPSec (cisco.com) (англ.)