Протокол Encapsulating Security Payload (ESP) обеспечивает конфиденциальность данных. Кроме того, он позволяет идентифицировать отправителя данных, а также обеспечить целостность данных и защиту от воспроизведения информации.

Отличие протокола ESP от протокола Authentication Header (AH) состоит в том, что ESP выполняет шифрование данных. При этом оба протокола обеспечивают идентификацию, проверку целостности и защиту от воспроизведения информации. При работе с ESP для шифрования и расшифровки данных обе конечные системы применяют общий ключ.

Если одновременно применяются средства шифрования и идентификации данных, то отвечающая система вначале идентифицирует пакет, а если идентификация выполнена успешно, то расшифровывает пакет. Такой способ обработки пакетов снижает нагрузку на систему и уменьшает риск взлома защиты с помощью атаки типа "отказ в обслуживании".

Два способа использования ESP

Протокол ESP может применяться двумя способами: в режиме открытой передачи и в режиме туннеля. В режиме открытой передачи заголовок ESP указывается после заголовка IP дейтаграммы. Если у дейтаграммы уже есть заголовок IPSec, то заголовок ESP помещается перед этим заголовком. Концевик ESP и идентификационные данные, если они есть, указываются после поля данных.

В режиме открытой передачи заголовок IP не идентифицируется и не зашифровывается. В этом случае адреса, указанные в заголовке, могут быть перехвачены во время передачи дейтаграммы по сети. Для обмена данными в режиме открытой передачи требуется меньше ресурсов, чем при работе в режиме туннеля. Однако такой режим обеспечивает более низкий уровень защиты. В большинстве случаев при работе с протоколом ESP применяется режим открытой передачи.

В режиме туннеля создается новый заголовок IP, который становится самым внешним заголовком дейтаграммы. После него помещается заголовок ESP, а затем - сама дейтаграмма (заголовок IP и данные). Концевик ESP и идентификационные данные, если они есть, добавляются в конец поля данных. Если одновременно применяются средства шифрования и идентификации, то ESP полностью защищает исходную дейтаграмму, так как эта дейтаграмма становится полем данных в новом пакете ESP. Новый заголовок IP не защищается. При установлении соединения между шлюзами следует применять ESP в режиме туннеля.

Алгоритм защиты информации, применяемый ESP

В протоколе ESP применяется симметричный ключ, с помощью которого данные зашифровываются и расшифровываются конечными системами. Перед обменом данными отправитель и получатель должны согласовать ключ, который они будут применять. Функция VPN поддерживает способы шифрования DES, тройной DES (3DES), RC5, RC4, AES или AES-CBC.

При использовании алгоритма шифрования AES можно включить Расширенный порядковый номер (ESN). ESN позволяет передавать большие объемы данных с высокой скоростью. Соединение VPN применяет 64-битовые порядковые номера вместо 32-битовых номеров над IPSec. Использование 64-битовых порядковых номеров увеличивает период времени до смены ключа, что предотвращает окончание пула порядковых номеров и снижает расход системных ресурсов.

Рабочая группа Internet (IETF) формально описывает алгоритмы в следующих документах RFC:

Эти и другие документы RFC можно найти в Internet на следующем веб-сайте: http://www.rfc-editor.org.

Протокол ESP поддерживает алгоритмы идентификации HMAC-MD5, HMAC-SHA, HMAC-SHA-256 и AES-XCBC-MAC. Оба алгоритма получают на входе данные переменной длины и личный ключ, а на их основе создают данные фиксированной длины (или значение хэш-функции или MAC). Если значения хэш-функции, вычисленные для двух сообщений, совпадают, то с высокой вероятностью эти сообщения одинаковые.

Рабочая группа Internet (IETF) формально описывает алгоритмы в следующих документах RFC:

Эти документы RFC можно просмотреть на следующем веб-сайте: http://www.rfc-editor.org.

В современном мире различные VPN-технологии используются повсеместно. Некоторые (например, PPTP) со временем признаются небезопасными и постепенно отмирают, другие (OpenVPN), наоборот, с каждым годом наращивают обороты. Но бессменным лидером и самой узнаваемой технологией для создания и поддержания защищенных частных каналов по-прежнему остается IPsec VPN. Иногда при пентесте можно обнаружить серьезно защищенную сеть с торчащим наружу лишь пятисотым UDP-портом. Все остальное может быть закрыто, пропатчено и надежно фильтроваться. В такой ситуации может возникнуть мысль, что здесь и делать-то особо нечего. Но это не всегда так. Кроме того, широко распространена мысль, что IPsec даже в дефолтных конфигурациях неприступен и обеспечивает должный уровень безопасности. Именно такую ситуацию сегодня и посмотрим на деле. Но вначале, для того чтобы максимально эффективно бороться c IPsec, нужно разобраться, что он собой представляет и как работает. Этим и займемся!

IPsec изнутри

Перед тем как переходить непосредственно к самому IPsec, неплохо бы вспомнить, какие вообще бывают типы VPN. Классификаций VPN великое множество, но мы не будем глубоко погружаться в сетевые технологии и возьмем самую простую. Поэтому будем делить VPN на два основных типа - site-to-site VPN-подключения (их еще можно назвать постоянные) и remote access VPN (RA, они же временные).
Первый тип служит для постоянной связи различных сетевых островков, например центрального офиса со множеством разбросанных филиалов. Ну а RA VPN представляет собой сценарий, когда клиент подключается на небольшой промежуток времени, получает доступ к определенным сетевым ресурсам и после завершения работы благополучно отключается.

Нас будет интересовать именно второй вариант, так как в случае успешной атаки удается сразу же получить доступ к внутренней сети предприятия, что для пентестера достаточно серьезное достижение. IPsec, в свою очередь, позволяет реализовывать как site-to-site, так и remote access VPN. Что же это за технология и из каких компонентов она состоит?

Стоит отметить, что IPsec - это не один, а целый набор различных протоколов, которые обеспечивают прозрачную и безопасную защиту данных. Специфика IPsec состоит в том, что он реализуется на сетевом уровне, дополняя его таким образом, чтобы для последующих уровней все происходило незаметно. Основная сложность состоит в том, что в процессе установления соединения двум участникам защищенного канала необходимо согласовать довольно большое количество различных параметров. А именно - они должны аутентифицировать друг друга, сгенерировать и обменяться ключами (причем через недоверенную среду), а также договориться, с помощью каких протоколов шифровать данные.

Именно по этой причине IPsec и состоит из стека протоколов, обязанность которых лежит в том, чтобы обеспечить установление защищенного соединения, его работу и управление им. Весь процесс установления соединения включает две фазы: первая фаза применяется для того, чтобы обеспечить безопасный обмен ISAKMP-сообщений уже во второй фазе. ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) - это протокол, который служит для согласования и обновления политик безопасности (SA) между участниками VPN-соединения. В этих политиках как раз и указано, с помощью какого протокола шифровать (AES или 3DES) и с помощью чего аутентифицировать (SHA или MD5).

Две основные фазы IPsec

Итак, мы выяснили, что вначале участникам нужно договориться, с помощью каких механизмов будет создано защищенное соединение, поэтому теперь в дело вступает протокол IKE. IKE (Internet Key Exchange) используется для формирования IPsec SA (Security Association, те самые политики безопасности), проще говоря - согласования работы участников защищенного соединения. Через этот протокол участники договариваются, какой алгоритм шифрования будет применен, по какому алгоритму будет производиться проверка целостности и как аутентифицировать друг друга. Нужно заметить, что на сегодняшний день существует две версии протокола: IKEv1 и IKEv2. Нас будет интересовать только IKEv1: несмотря на то что IETF (The Internet Engineering Task Force) впервые представили его в 1998 году, он по-прежнему еще очень часто используется, особенно для RA VPN (см. рис. 1).

Что касается IKEv2, первые его наброски были сделаны в 2005 году, полностью описан он был в RFC 5996 (2010 год), и лишь в конце прошлого года он был объявлен на роль стандарта Интернет (RFC 7296). Более подробно про различия между IKEv1 и IKEv2 можно прочитать во врезке. Разобравшись с IKE, возвращаемся к фазам IPsec. В процессе первой фазы участники аутентифицируют друг друга и договариваются о параметрах установки специального соединения, предназначенного только для обмена информацией о желаемых алгоритмах шифрования и прочих деталях будущего IPsec-туннеля. Параметры этого первого туннеля (который еще называется ISAKMP-туннель) определяются политикой ISAKMP. Первым делом согласуются хеши и алгоритмы шифрования, далее идет обмен ключами Диффи - Хеллмана (DH), и лишь затем происходит выяснение, кто есть кто. То есть в последнюю очередь идет процесс аутентификации, либо по PSK-, либо по RSA-ключу. И если стороны пришли к соглашению, то устанавливается ISAKMP-туннель, по которому уже проходит вторая фаза IKE.

На второй фазе уже доверяющие друг другу участники договариваются о том, как строить основной туннель для передачи непосредственно данных. Они предлагают друг другу варианты, указанные в параметре transform-set, и, если приходят к согласию, поднимают основной туннель. Важно подчеркнуть, что после его установления вспомогательный ISAKMP-туннель никуда не девается - он используется для периодического обновления SA основного туннеля. В итоге IPsec в некоем роде устанавливает не один, а целых два туннеля.

Как обрабатывать данные

Теперь пару слов про transform-set. Нужно ведь как-то шифровать данные, идущие через туннель. Поэтому в типовой конфигурации transform-set представляет собой набор параметров, в которых явно указано, как нужно обрабатывать пакет. Соответственно, существует два варианта такой обработки данных - это протоколы ESP и AH. ESP (Encapsulating Security Payload) занимается непосредственно шифрованием данных, а также может обеспечивать проверку целостности данных. AH (Authentication Header), в свою очередь, отвечает лишь за аутентификацию источника и проверку целостности данных.

Например, команда crypto ipsec transform-set SET10 esp-aes укажет роутеру, что transform-set с именем SET10 должен работать только по протоколу ESP и c шифрованием по алгоритму AES. Забегая вперед, скажу, что здесь и далее мы будем использовать в качестве цели маршрутизаторы и файрволы компании Cisco. Собственно с ESP все более-менее понятно, его дело - шифровать и этим обеспечивать конфиденциальность, но зачем тогда нужен AH? AH обеспечивает аутентификацию данных, то есть подтверждает, что эти данные пришли именно от того, с кем мы установили связь, и не были изменены по дороге. Он обеспечивает то, что еще иногда называется anti-replay защитой. В современных сетях AH практически не используется, везде можно встретить только ESP.

Параметры (они же SA), выбираемые для шифрования информации в IPsec-туннеле, имеют время жизни, по истечении которого должны быть заменены. По умолчанию параметр lifetime IPsec SA составляет 86 400 с, или 24 ч.
В итоге участники получили шифрованный туннель с параметрами, которые их всех устраивают, и направляют туда потоки данных, подлежащие шифрованию. Периодически, в соответствии с lifetime, обновляются ключи шифрования для основного туннеля: участники вновь связываются по ISAKMP-туннелю, проходят вторую фазу и заново устанавливают SA.

Режимы IKEv1

Мы рассмотрели в первом приближении основную механику работы IPsec, но необходимо заострить внимание еще на нескольких вещах. Первая фаза, помимо всего прочего, может работать в двух режимах: main mode или aggressive mode. Первый вариант мы уже рассмотрели выше, но нас интересует как раз aggressive mode. В этом режиме используется три сообщения (вместо шести в main-режиме). При этом тот, кто инициирует соединение, отдает все свои данные разом - что он хочет и что умеет, а также свою часть обмена DH. Затем ответная сторона сразу завершает свою часть генерации DH. В итоге в этом режиме, по сути, всего два этапа. То есть первые два этапа из main mode (согласование хешей и обмен DH) как бы спрессовываются в один. В результате этот режим значительно опаснее по той причине, что в ответ приходит много технической информации в plaintext’е. И самое главное - VPN-шлюз может прислать хеш пароля, который используется для аутентификации на первой фазе (этот пароль еще часто называется pre-shared key или PSK).

Ну а все последующее шифрование происходит без изменений, как обычно. Почему же тогда этот режим по-прежнему используется? Дело в том, что он намного быстрее, примерно в два раза. Отдельный интерес для пентестера представляет тот факт, что aggressive-режим очень часто используется в RA IPsec VPN. Еще одна небольшая особенность RA IPsec VPN при использовании агрессивного режима: когда клиент обращается к серверу, он шлет ему идентификатор (имя группы). Tunnel group name (см. рис. 2) - это имя записи, которая содержит в себе набор политик для данного IPsec-подключения. Это уже одна из фич, специфичных оборудованию Cisco.

Двух фаз оказалось недостаточно

Казалось бы, что получается и так не слишком простая схема работы, но на деле все еще чуть сложнее. Со временем стало ясно, что только одного PSK недостаточно для обеспечения безопасности. Например, в случае компрометации рабочей станции сотрудника атакующий смог бы сразу получить доступ ко всей внутренней сети предприятия. Поэтому была разработана фаза 1.5 прямо между первой и второй классическими фазами. К слову, эта фаза обычно не используется в стандартном site-to-site VPN-соединении, а применяется при организации удаленных VPN-подключений (наш случай). Эта фаза содержит в себе два новых расширения - Extended Authentication (XAUTH) и Mode-Configuration (MODECFG).

XAUTH - это дополнительная аутентификация пользователей в пределах IKE-протокола. Эту аутентификацию еще иногда называют вторым фактором IPsec. Ну а MODECFG служит для передачи дополнительной информации клиенту, это может быть IP-адрес, маска, DNS-сервер и прочее. Видно, что эта фаза просто дополняет ранее рассмотренные, но полезность ее несомненна.

IKEv2 vs IKEv1

Оба протокола работают по UDP-порту с номером 500, но между собой несовместимы, не допускается ситуация, чтобы на одном конце туннеля был IKEv1, а на другом - IKEv2. Вот основные отличия второй версии от первой:

• В IKEv2 больше нет таких понятий, как aggressive- или main-режимы.
• В IKEv2 термин первая фаза заменен на IKE_SA_INIT (обмен двумя сообщениями, обеспечивающий согласование протоколов шифрования/хеширования и генерацию ключей DH), а вторая фаза - на IKE_AUTH (тоже два сообщения, реализующие собственно аутентификацию).
• Mode Config (то, что в IKEv1 называлось фаза 1.5) теперь описан прямо в спецификации протокола и является его неотъемлемой частью.
• В IKEv2 добавился дополнительный механизм защиты от DoS-атак. Суть его в том, что прежде, чем отвечать на каждый запрос в установлении защищенного соединения (IKE_SA_INIT) IKEv2, VPN-шлюз шлет источнику такого запроса некий cookie и ждет ответа. Если источник ответил - все в порядке, можно начинать с ним генерацию DH. Если же источник не отвечает (в случае с DoS-атакой так и происходит, эта техника напоминает TCP SYN flood), то VPN-шлюз просто забывает о нем. Без этого механизма при каждом запросе от кого угодно VPN-шлюз бы пытался сгенерировать DH-ключ (что достаточно ресурсоемкий процесс) и вскоре бы столкнулся с проблемами. В итоге за счет того, что все операции теперь требуют подтверждения от другой стороны соединения, на атакуемом устройстве нельзя создать большое количество полуоткрытых сессий.

Выходим на рубеж

Наконец-то разобравшись с особенностями работы IPsec и его компонентов, можно переходить к главному - к практическим атакам. Топология будет достаточно простой и в то же время приближенной к реальности (см. рис. 3).

Первым делом нужно определить наличие IPsec VPN шлюза. Сделать это можно, проведя сканирование портов, но здесь есть небольшая особенность. ISAKMP использует протокол UDP, порт 500, а между тем дефолтное сканирование с помощью Nmap затрагивает только TCP-порты. И в результате будет сообщение: All 1000 scanned ports on 37.59.0.253 are filtered .

Создается впечатление, что все порты фильтруются и как бы открытых портов нет. Но выполнив команду

Nmap -sU --top-ports=20 37.59.0.253 Starting Nmap 6.47 (http://nmap.org) at 2015-03-21 12:29 GMT Nmap scan report for 37.59.0.253 Host is up (0.066s latency). PORT STATE SERVICE 500/udp open isakmp

убеждаемся в том, что это не так и перед нами действительно VPN-устройство.

Атакуем первую фазу

Теперь нас будет интересовать первая фаза, aggressive-режим и аутентификация с использованием pre-shared key (PSK). В этом сценарии, как мы помним, VPN-устройство или отвечающая сторона отправляет хешированный PSK инициатору. Одна из самых известных утилит для тестирования протокола IKE - это ike-scan, она входит в состав дистрибутива Kali Linux. Ike-scan позволяет отправлять IKE сообщения с различными параметрами и, соответственно, декодить и парсить ответные пакеты. Пробуем прощупать целевое устройство:

Root@kali:~# ike-scan -M -A 37.59.0.253 0 returned handshake; 0 returned notify

Ключ -A указывает на то, что нужно использовать aggressive-режим, а -M говорит о том, что результаты следует выводить построчно (multiline), для более удобного чтения. Видно, что никакого результата не было получено. Причина состоит в том, что необходимо указать тот самый идентификатор, имя VPN-группы. Разумеется, утилита ike-scan позволяет задавать этот идентификатор в качестве одного из своих параметров. Но так как пока он нам неизвестен, возьмем произвольное значение, например 0000.

Root@kali:~# ike-scan -M -A --id=0000 37.59.0.253 37.59.0.253 Aggressive Mode Handshake returned

В этот раз видим, что ответ был получен (см. рис. 5) и нам было предоставлено довольно много полезной информации. Достаточно важная часть полученной информации - это transform-set. В нашем случае там указано, что «Enc=3DES Hash=SHA1 Group=2:modp1024 Auth=PSK».

Все эти параметры можно указывать и для утилиты ike-scan с помощью ключа --trans . Например --trans=5,2,1,2 будет говорить о том, что алгоритм шифрования 3DES, хеширование HMAC-SHA, метод аутентификации PSK и второй тип группы DH (1024-bit MODP). Посмотреть таблицы соответствия значений можно по этому адресу . Добавим еще один ключ (-P), для того чтобы вывести непосредственно пейлоад пакета, а точнее хеш PSK.

Root@kali:~# ike-scan -M -A --id=0000 37.59.0.253 -P

Преодолеваем первые сложности

Казалось бы, хеш получен и можно пробовать его брутить, но все не так просто. Когда-то очень давно, в 2005 году, на некоторых железках Сisco была уязвимость: эти устройства отдавали хеш, только если атакующий передавал корректное значение ID. Сейчас, естественно, встретить такое оборудование практически невозможно и хешированное значение присылается всегда, независимо от того, правильное значение ID отправил атакующий или нет. Очевидно, что брутить неправильный хеш бессмысленно. Поэтому первая задача - это определить корректное значение ID, чтобы получить правильный хеш. И в этом нам поможет недавно обнаруженная уязвимость. Дело в том, что существует небольшая разница между ответами во время начального обмена сообщениями. Если кратко, то при использовании правильного имени группы происходит четыре попытки продолжить установление VPN-соединения плюс два зашифрованных пакета второй фазы. В то время как в случае неправильного ID в ответ прилетает всего лишь два пакета. Как видим, разница достаточно существенная, поэтому компания SpiderLabs (автор не менее интересного инструмента Responder) разработала сначала PoC, а затем и утилиту IKEForce для эксплуатации этой уязвимости.

В чем сила IKE

Установить IKEForce в произвольный каталог можно, выполнив команду

Git clone https://github.com/SpiderLabs/ikeforce

Работает она в двух основных режимах - режиме вычисления -e (enumeration) и режиме брутфорса -b (bruteforce). До второго мы еще дойдем, когда будем смотреть атаки на второй фактор, а вот первым сейчас и займемся. Перед тем как начать непосредственно процесс определения ID, необходимо установить точное значение transform-set. Мы его уже определили ранее, поэтому будем указывать опцией -t 5 2 1 2 . В итоге выглядеть процесс нахождения ID будет следующим образом:

Python ikeforce.py 37.59.0.253 -e -w wordlists/group.txt -t 5 2 1 2

В результате достаточно быстро удалось получить корректное значение ID (рис. 7). Первый шаг пройден, можно двигаться дальше.

Получаем PSK

Теперь необходимо, используя правильное имя группы, сохранить PSK-хеш в файл, сделать это можно с помощью ike-scan:

Ike-scan -M -A --id=vpn 37.59.0.253 -Pkey.psk

И теперь, когда правильное значение ID было подобрано и удалось получить корректный хеш PSK, мы можем наконец-то начать офлайн-брутфорс. Вариантов такого брутфорса достаточно много - это и классическая утилита psk-crack, и John the Ripper (с jumbo-патчем), и даже oclHashcat, который, как известно, позволяет задействовать мощь GPU. Для простоты будем использовать psk-crack, который поддерживает как прямой брутфорс, так и атаку по словарю:

Psk-crack -d /usr/share/ike-scan/psk-crack-dictionary key.psk

Но даже успешно восстановить PSK (см. рис. 8) - это только половина дела. На этом этапе нужно вспомнить про то, что дальше нас ждет XAUTH и второй фактор IPsec VPN.

Расправляемся со вторым фактором IPsec

Итак, напомню, что XAUTH - это дополнительная защита, второй фактор аутентификации, и находится он на фазе 1.5. Вариантов XAUTH может быть несколько - это и проверка по протоколу RADIUS, и одноразовые пароли (OTP), и обычная локальная база пользователей. Мы остановимся на стандартной ситуации, когда для проверки второго фактора используется локальная база пользователей. До недавнего времени не существовало инструмента в публичном доступе для брутфорса XAUTH. Но с появлением IKEForce эта задача получила достойное решение. Запускается брутфорс XAUTH достаточно просто:

Python ikeforce.py 37.59.0.253 -b -i vpn -k cisco123 -u admin -w wordlists/passwd.txt -t 5 2 1 2 [+]Program started in XAUTH Brute Force Mode [+]Single user provided - brute forcing passwords for user: admin [*]XAUTH Authentication Successful! Username: admin Password: cisco

При этом указываются все найденные ранее значения: ID (ключ -i), восстановленный PSK (ключ -k) и предполагаемый логин (ключ -u). IKEForce поддерживает как грубый перебор логина, так и перебор по списку логинов, который может быть задан параметром -U . На случай возможных блокировок подбора есть опция -s , позволяющая снизить скорость брутфорса. К слову, в комплекте с утилитой идут несколько неплохих словарей, особенно полезных для установления значения параметра ID.

Входим во внутреннюю сеть

Теперь, когда у нас есть все данные, остается последний шаг - собственно проникновение в локальную сеть. Для этого нам понадобится какой-нибудь VPN-клиент, которых великое множество. Но в случае Kali можно без проблем воспользоваться уже предустановленным - VPNC. Для того чтобы он заработал, нужно подкорректировать один конфигурационный файл - /etc/vpnc/vpn.conf . Если его нет, то нужно создать и заполнить ряд очевидных параметров:

IPSec gateway 37.59.0.253 IPSec ID vpn IPSec secret cisco123 IKE Authmode psk Xauth Username admin Xauth password cisco

Здесь мы видим, что были использованы абсолютно все найденные на предыдущих шагах данные - значение ID, PSK, логин и пароль второго фактора. После чего само подключение происходит одной командой:

Root@kali:~# vpnc vpn

Отключение тоже достаточно простое:

Root@kali:~# vpnc-disconnect

Проверить работоспособность подключения можно, используя команду ifconfig tun0 .

Как построить надежную защиту

Защита от рассмотренных сегодня атак должна быть комплексной: нужно вовремя устанавливать патчи, использовать стойкие pre-shared ключи, которые по возможности вовсе должны быть заменены на цифровые сертификаты. Парольная политика и другие очевидные элементы ИБ также играют свою немаловажную роль в деле обеспечения безопасности. Нельзя не отметить и тот факт, что ситуация постепенно меняется, и со временем останется только IKEv2.

Что в итоге

Мы рассмотрели процесс аудита RA IPsec VPN во всех подробностях. Да, безусловно, задача эта далеко не тривиальна. Нужно проделать немало шагов, и на каждом из них могут поджидать трудности, но зато в случае успеха результат более чем впечатляющий. Получение доступа к внутренним ресурсам сети открывает широчайший простор для дальнейших действий. Поэтому тем, кто ответствен за защиту сетевого периметра, необходимо не рассчитывать на готовые дефолтные шаблоны, а тщательно продумывать каждый слой безопасности. Ну а для тех, кто проводит пентесты, обнаруженный пятисотый порт UDP - это повод провести глубокий анализ защищенности IPsec VPN и, возможно, получить неплохие результаты.

Сети VPN с IPsec обеспечивают гибкую и масштабируемую связь. Межфилиальные соединения могут обеспечивать безопасную, высокоскоростную и надёжную удалённую связь. При помощи VPN с IPsec информация из частной сети передаётся в защищённом режиме по публичной сети. Благодаря этому можно создать виртуальную сеть, а не использовать выделенное подключение на 2 уровне, как показано на рисунке. Для обеспечения конфиденциальности данных трафик шифруется.

IPsec - это стандарт IETF, который определяет способ настройки сети VPN в защищённом режиме с помощью протокола IP.

IPsec представляет собой структуру открытых стандартов, определяющую правила для организации защищённой связи. Протокол IPsec не связан с конкретными методами шифрования и аутентификации, алгоритмами обеспечения безопасности или технологией обмена ключами. Для обеспечения безопасной связи в протоколе IPsec используются существующие алгоритмы. IPsec позволяет создавать новые, более качественные алгоритмы, для разработки которых корректировать существующие стандарты IPsec не потребуется.

IPsec функционирует на сетевом уровне, обеспечивая защиту и аутентификацию пакетов IP между взаимодействующими устройствами IPsec, которые также называются узлами (peer). IPsec позволяет защитить путь между парой шлюзов, парой компьютеров или между шлюзом и компьютером. В результате IPsec может защищать практически любой трафик приложений, так как можно реализовать защиту на уровнях с 4-го по 7-й.

Во всех реализованных решениях протокола IPsec применяется незашифрованный заголовок 3-го уровня, поэтому никаких проблем с маршрутизацией не существует. IPsec функционирует поверх любых протоколов 2-го уровня, таких как Ethernet, ATM и Frame Relay.

Ниже указаны основные особенности протокола IPsec:

• IPsec - это структура открытых стандартов, независимая от алгоритмов.

• IPsec обеспечивает конфиденциальность и целостность данных, а также аутентификацию источника.

• IPsec действует как протокол сетевого уровня, защищая пакеты IP и проверяя их подлинность.

• Защита IP

На рисунке показано, что сервисы безопасности IPsec выполняют следующие важные функции:

• 
  
• • Конфиденциальность (шифрование) - в сети VPN частные данные передаются по публичной сети. Поэтому ключевой задачей является обеспечение конфиденциальности данных. Для этого перед передачей данных по сети выполняется шифрование данных. Шифрование - это процесс кодирования всех данных, отправляемых с одного компьютера на другой, в ту форму, которую может декодировать только принимающий компьютер. В случае перехвата сообщения злоумышленник (хакер) не сможет его прочесть. IPsec предоставляет расширенные функции безопасности (например, криптостойкие алгоритмы шифрования).
  • Целостность данных - Получатель может убедиться, что данные были нормально переданы через Интернет и никак не были изменены. Важно не только обеспечить шифрование данных в публичной сети, но и убедиться, что они не были изменены в пути. В IPsec предусмотрен механизм проверки отсутствия изменений в шифрованной части пакета, во всём заголовке или в теле данных пакета. IPsec гарантирует целостность данных с помощью контрольных сумм (применяется простая проверка с использованием избыточности). При обнаружении искажений пакет удаляется.
  • Аутентификация - позволяет проверить, кто был источником отправленных данных. Это необходимо для защиты от атак, использующих спуфинг (подмену отправителя). Аутентификация позволяет гарантировать установление подключения к нужному партнеру по связи. Получатель может проверять подлинность источника пакета, сертифицируя источник информации. В IPsec используется технология обмена ключами по Интернету (Internet Key Exchange, IKE) для проверки подлинности пользователей и устройств, которые могут устанавливать связь независимо друг от друга. В IKE применяется аутентификация различного типа (в частности, используются имя пользователя и пароль, одноразовый пароль, биометрия, предварительно распространяемый общий ключ (Pre-Shared Key, PSK) и цифровые сертификаты).
  • Защита от повторов - позволяет обнаруживать и отклонять повторные пакеты, а также предотвращать спуфинг. Благодаря защите от повторов можно убедиться, что пакет является уникальным и не дублированным. Пакеты IPsec защищаются путем сравнения порядкового номера полученных пакетов со «скользящим» окном на узле назначения или шлюзе безопасности. Пакет с порядковым номером, который следует перед скользящим окном, считается задержанным или дублированным. Задержанные и дублированные пакеты удаляются.

  Сокращение CIA во многих случаях позволяет вспомнить три эти функции: конфиденциальность(confidentiality), целостность (integrity), и проверка подлинности (authentication).

• Структура протокола IPsec

Конфиденциальность

Конфиденциальность трафика VPN поддерживается с помощью шифрования. Открытые (незашифрованные) данные, передаваемые через Интернет, могут быть перехвачены и прочитаны. Для сохранения приватности данных используется шифрование. Благодаря цифровому шифрованию данных они остаются нечитаемыми до тех пор, пока не будут расшифрованы авторизованным получателем.

Для обеспечения зашифрованного режима связи и отправитель, и получатель должны знать правила, используемые для преобразования исходного сообщения в закодированную форму. Правила основаны на алгоритмах и соответствующих ключах. В контексте шифрования алгоритм представляет собой математическую последовательность действий, в которой сообщение, текст, цифры или все они сочетаются со строкой цифр, называемой ключом. Выходные данные предстают в виде нечитаемой зашифрованной строки. Алгоритм шифрования также определяет способ расшифровки зашифрованного сообщения. Без правильного ключа дешифровать данные практически невозможно.

• 
  

На рисунке видно, что Гейл хочет выполнить электронный перевод денежных средств через Интернет к Джереми. На локальной стороне документ объединяется с ключом и подвергается процедуре шифрования. Выходные данные представляют собой шифртекст. Затем этот шифртекст посылается через Интернет. На удалённой стороне сообщение снова объединяется с ключом и пропускается через алгоритм шифрования в обратном направлении. Выходные данные представляют собой исходный финансовый документ.

Конфиденциальность достигается шифрованием трафика при передаче через VPN. Степень безопасности зависит от длины ключа в алгоритме шифрования и сложности самого алгоритма. Если хакер попытается взломать ключ посредством атаки методом последовательного перебора, то количество вариантов для перебора будет зависеть от длины ключа. Время обработки всех возможных вариантов зависит от вычислительной мощности компьютера злоумышленника. Поэтому чем короче ключ, тем проще его взломать. Например, если для взлома 64-битового ключа относительно мощному компьютеру понадобится приблизительно один год, то для взлома 128-битового ключа тому же компьютеру может понадобиться от 10 до 19 лет.

Алгоритмы шифрования IPsec

Степень безопасности зависит от длины ключа в алгоритме шифрования. По мере увеличения длины ключа вероятность взлома шифра уменьшается. Однако, чем длиннее ключ, тем больше ресурсов процессора будет требоваться при шифровании и расшифровывании данных.

Алгоритмы DES и 3DES больше не считаются надёжными, поэтому для шифрования в протоколе IPsec рекомендуется использовать AES. Наивысший уровень безопасности для шифрования сетей VPN между устройствами Cisco с помощью протокола IPsec обеспечивается 256-битовым вариантом AES. Кроме того, с учетом взлома 512- и 768-битовых ключей Ривеста-Шамира-Эдльмана (RSA) компания Cisco рекомендует использовать 2048-битовые ключи в варианте RSA (если он применяется на этапе аутентификации IKE).

Симметричное шифрование

В алгоритмах шифрования, например AES, требуется общий секретный ключ для выполнения как шифрования, так и расшифровки. Для декодирования информации ключ должны знать оба сетевых устройства. При шифровании с помощью симметричного ключа (также называемом шифрованием с помощью секретного ключа) каждое устройство шифрует данные перед их отправкой по сети на другое устройство. При шифровании с помощью симметричного ключа необходимо знать, какие устройства общаются друг с другом, чтобы на каждом устройстве было можно настроить один и тот же ключ (см. рисунок 1).

Например, отправитель создаёт кодированное сообщение, где каждая буква меняется на букву, следующую через две буквы ниже в алфавите (то есть A становится C, В становится D и т. д.). В этом случае слово SECRET превращается в UGETGV. Отправитель уже сообщил получателю, что секретный ключ - это смещение на 2. Когда получатель получает сообщение UGETGV, его компьютер раскодирует сообщение путем обратного смещения на две буквы и получает слово SECRET. Любой другой пользователь, смотрящий на это сообщение, видит его в зашифрованном виде. Чтобы такое сообщение не выглядело абракадаброй, необходимо знать секретный ключ.

Ниже указаны особенности симметричных алгоритмов:

• используется криптография на основе симметричных ключей;

• при шифровании и расшифровке используется один и тот же ключ;

• обычно используется для шифрования содержимого сообщения.

• Примеры: DES, 3DES и AES

Каким образом шифрующее и расшифровывающее устройства могут получить информацию об общем секретном ключе? Общие секретные ключи администраторам устройств конечно можно было бы отправлять по электронной почте, по обычной или курьерской почте. Но другим, более надёжным способом является асимметричное шифрование.

Асимметричное шифрование

При асимметричном шифровании для шифрования и расшифровки используются разные ключи. Знание одного из ключей не позволяет хакеру вычислить второй ключ и декодировать информацию. Один ключ служит для зашифровывания сообщения, второй для его расшифровывания (см. рисунок 2). Выполнять операцию шифрования и расшифровки с помощью одного и того же ключа нельзя.

Одним из вариантов асимметричного шифрования является шифрование открытым ключом, где применяется сочетание секретного и открытого (публичного) ключей. Получатель предоставляет открытый ключ любому отправителю, с которым данному получателю нужно общаться. Для зашифровывания сообщения отправитель использует секретный ключ, который объединяется с открытым ключом получателя. Кроме того, отправитель должен сообщить свой открытый ключ получателю. Для расшифровки сообщения получатель будет использовать открытый ключ отправителя вместе со своим собственным секретным ключом.

Ниже указаны особенности асимметричных алгоритмов:

• используется криптография с открытым ключом;

• при шифровании и расшифровке используются разные ключи;

• обычно применяется при управлении цифровыми сертификатами и ключами.

Целостность и алгоритмы хеширования

Для обеспечения целостности и проверки подлинности трафика сети VPN применяются алгоритмы хеширования. Целостность данных и проверка подлинности обеспечиваются хеш-кодами, которые гарантируют отсутствие искажений передаваемых сообщений неавторизованными лицами. Хеш-код, также называемый дайджестом сообщения, представляет собой число, который создаётся из строки текста. Хеш-код имеет меньший размер, чем сам текст. Он создаётся с помощью формулы таким образом, что получение такого же значения хеш-кода из другого текста крайне маловероятно.

Исходный отправитель создаёт хеш-код сообщения и отправляет его вместе с самим сообщением. Получатель анализирует сообщение и хеш-код, создаёт другой хеш-код на основе полученных сообщений и сравнивает оба хеш-кода. Если они совпадают, то получатель может быть с достаточным основанием уверен в целостности исходного сообщения.

На рисунке показано, что Гейл отправил Алексу электронный денежный перевод в размере 100 долл. США. Джереми перехватил и изменил данный перевод таким образом, чтобы показать, что он является получателем, а сумма перевода составляет 1000 долл. США. В этом случае, если использовался алгоритм целостности данных, то хеш-коды не совпадут друг с другом, и транзакция окажется недействительной.

Данные VPN передаются через Интернет общего доступа. Как показано на рисунке, существует вероятность перехвата и изменения этих данных. Для защиты от этой угрозы на компьютерах в сообщение могут добавляться хеш-коды. Если переданный хеш-код совпадает с полученным хеш-кодом, это означает, что обеспечена целостность сообщения. Однако если хеш-коды не совпадают, то сообщение было изменено.

Для проверки целостности и подлинности сообщения в сетях VPN используется код аутентификации без использования каких-либо дополнительных механизмов.

Код аутентификации сообщений на основе хешей (Hash-based Message Authentication Code, HMAC) - это механизм аутентификации сообщений с помощью функций хеширования. HMAC с обменом ключами представляет собой алгоритм целостности данных, гарантирующий целостность сообщения. HMAC имеет два параметра: вводимое сообщение и секретный ключ, известный только автору сообщения и предполагаемым получателям. Отправитель сообщения использует функцию HMAC для создания значения (кода аутентификации сообщения), формируемого путем переработки секретного ключа и вводимого сообщения. Код аутентификации сообщения отправляется вместе с сообщением. Получатель вычисляет код аутентификации сообщения в полученном сообщении с помощью того же ключа и функции HMAC, которые использовал отправитель. Затем получатель сравнивает вычисленный результат с полученным кодом аутентификации сообщения. Если оба значения совпадают, это означает, что получено правильное сообщение, а получатель может быть уверен в том, что отправитель является членом сообщества пользователей, применяющих данный общий ключ. Криптографическая стойкость алгоритма HMAC зависит от криптографической стойкости базовой функции хеширования, от размера и качества ключа, а также длины результата хеш-функции (в битах).

Существуют два наиболее распространённых алгоритма HMAC:

• MD5 - используется 128-битовый общий секретный ключ. Сообщение произвольной длины и 128-битовый общий секретный ключ объединяются друг с другом и обрабатываются алгоритмом хеширования HMAC-MD5. В результате создаётся 128-битовый хеш-код. Хеш-код добавляется к исходному сообщению и перенаправляется на удалённую сторону.

• SHA - в SHA-1 используется 160-битовый общий секретный ключ. Сообщение переменной длины и 160-битовый общий секретный ключ объединяются друг с другом и обрабатываются алгоритмом хеширования HMAC-SHA1. В результате создаётся 160-битовый хеш-код. Хеш-код добавляется к исходному сообщению и перенаправляется на удалённую сторону.

Примечание . В ОС Cisco IOS также поддерживаются 256-, 384- и 512-битовые варианты SHA.

Аутентификация IPsec

В сетях IPsec VPN поддерживается функция аутентификации. Если ваши партнеры по бизнесу находятся от вас на большом расстоянии, то важно знать, с кем вы говорите по телефону, кто отправляет вам электронное сообщение или факс. Это же справедливо и для сетей VPN. Как указано на рисунке, подлинность устройства на другом конце туннеля VPN должна быть проверена, прежде чем можно будет считать, что канал связи является защищённым. Существуют два метода аутентификации собеседника:

• PSK - секретный ключ, заранее известный двум пользователям, которые общаются по защищённому каналу. В методе предварительно распространённых общих ключей (PSK) используются криптографические алгоритмы с симметричным ключом. Ключ PSK вручную вводится на каждом из взаимодействующих узлов (пиров) и используется для аутентификации друг друга. На каждой стороне ключ PSK объединяется с другой информацией, что позволяет сформировать ключ аутентификации.

В алгоритме IPsec для аутентификации в контексте IKE используется алгоритм RSA (криптографическая система с открытым ключом). В RSA применяется схема цифровой подписи, благодаря которой каждое устройство прикрепляет цифровую подпись к набору данных и передаёт его другому пользователю. Для создания цифрового сертификата с уникальным идентификатором, назначаемого каждому равноправному узлу для аутентификации, в алгоритме подписывания RSA используется центр сертификации (CA). Сам цифровой сертификат идентификации похож на ключ PSK, но обеспечивает гораздо более высокий уровень безопасности. Каждые инициатор и ответчик в сеансе IKE, использующие подписи RSA, отправляют собственное значение идентификатора, свой цифровой сертификат идентификации и значение подписи RSA, состоящее из нескольких значений IKE. Для шифрования всех этих данных применяется согласованный IKE способ шифрования (например AES).

Ещё одним методом аутентификации является алгоритм цифровой подписи (Digital Signature Algorithm, DSA).

Структура протокола IPsec

Как указано выше, набор протоколов IPsec описывает способ обмена сообщениями для защиты сеансов связи, но он основан на применении существующих алгоритмов.

На рисунке 1 показаны два основных протокола IPsec:

• Аутентифицирующий заголовок (Authentication Header, AH) - AH представляет собой специальный протокол, применяемый в тех случаях, когда обеспечение конфиденциальности не требуется или запрещено. Он обеспечивает аутентификацию и целостность данных для пакетов IP, передаваемых между двумя системами. Однако AH не обеспечивает конфиденциальность (шифрования) данных в пакетах. Весь текст передаётся в открытом виде (без шифрования). Если используется только протокол AH (а другие механизмы не применяются), то он обеспечивает слабую защиту.

• Протокол шифрования полезной нагрузки (Encapsulating Security Payload, ESP) - это протокол безопасности, который обеспечивает конфиденциальность и аутентификацию путем шифрования пакета IP. В процессе шифрования пакета IP скрываются данные и идентификаторы источника и назначения. В ESP проверяется подлинность внутреннего пакета IP и заголовка ESP. Аутентификация обеспечивает проверку подлинности источника данных и целостность данных. Хотя процедуры шифрования и аутентификации не являются обязательными в ESP, необходимо выбрать как минимум одну из них.

На рис. 2 показаны компоненты настройки IPsec. Существует четыре основных компоновочных блока структуры IPsec, которые необходимо выбрать.

• Конфиденциальность (если выбран вариант использования IPsec с протоколом ESP) - выбранный алгоритм шифрования должен наилучшим образом обеспечивать требуемый уровень безопасности: DES, 3DES или AES. Настоятельно рекомендуется применять AES (наивысший уровень безопасности обеспечивает схема AES-GCM).

• Целостность - гарантирует, что содержимое не было изменено в процессе передачи. Для выполнения данной функции применяются алгоритмы хеширования. Можно выбрать MD5 и SHA.

• Аутентификация - определяет способ проверки подлинности устройств на обоих концах туннеля VPN. Доступные варианты: PSK или RSA.

• Группа алгоритмов DH - определяет способ генерации общего секретного ключа между узлами. Существует несколько вариантов, но DH24 обеспечивает наивысший уровень безопасности.

Благодаря сочетанию этих компоновочных блоков обеспечиваются конфиденциальность, целостность и аутентификация сетей VPN на IPsec.

Примечание . В этом разделе приводится общее описание протокола IPsec, которое позволяет понять, каким образом IPsec защищает туннели VPN. Процесс настройки сетей IPsec VPN в рамках этого курса не рассматривается.

(Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP)) - Управление ключами и аутентификаторами защищенных соединений.

RFC 2409 (The Internet Key Exchange (IKE)) - Обмен ключами.

RFC 2410 (The NULL Encryption Algorithm and Its Use With IPsec) - Нулевой алгоритм шифрования и его использование.

RFC 2411 (IP Security Document Roadmap) - Дальнейшее развитие стандарта.

RFC 2412 (The OAKLEY Key Determination Protocol) - Проверка соответствия ключа.

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:

Последовательный номер 32-битовое значение, которое используется для формирования поля Sequence Number в заголовках АН и ESP. Переполнение счетчика порядкового номера Флаг, который сигнализирует о переполнении счетчика последовательного номера. Окно для подавления атак воспроизведения Используется для определения повторной передачи пакетов. Если значение в поле Sequence Number не попадает в заданный диапазон, то пакет уничтожается. Информация AH используемый алгоритм аутентификации, необходимые ключи, время жизни ключей и другие параметры. Информация ESP алгоритмы шифрования и аутентификации, необходимые ключи, параметры инициализации (например, IV), время жизни ключей и другие параметры Режим работы IPsec туннельный или транспортный MTU Максимальный размер пакета, который можно передать по виртуальному каналу без фрагментации.

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

Authentication Header format

Offsets	Octet 16	0								1								2								3
Octet 16	Bit 10	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
0	0	Next Header								Payload Len								Reserved
4	32
8	64	Sequence Number
C	96	Integrity Check Value (ICV) …
…	…

Next Header (8 bits) Тип заголовка протокола, идущего после заголовка AH. По этому полю приемный IP-sec модуль узнает о защищаемом протоколе верхнего уровня. Значения этого поля для разных протоколов можно посмотреть в RFC 1700 . Payload Len (8 bits) Это поле определяет общий размер АН-заголовка в 32-битовых словах, минус 2. Несмотря на это, при использовании IPv6 длина заголовка должна быть кратна 8 байтам. Reserved (16 bits) Зарезервировано. Заполняется нулями. Security Parameters Index (32 bits) Индекс параметров безопасности. Значение этого поля вместе с IP-адресом получателя и протоколом безопасности (АН-протокол), однозначно определяет защищенное виртуальное соединение(SA) для данного пакета. Диапазон значений SPI 1...255 зарезервирован IANA. Sequence Number (32 bits) Последовательный номер. Служит для защиты от повторной передачи. Поле содержит монотонно возрастающее значение параметра. Несмотря на то, что получатель может отказаться от услуги по защите от повторной передачи пакетов, оно является обязательным и всегда присутствует в AH-заголовке. Передающий IPsec-модуль всегда использует это поле, но получатель может его и не обрабатывать. Integrity Check Value

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

Если поле может изменяться в процессе транспортировки, то его значение устанавливается в 0 перед вычислением ICV. Исключения составляют поля, которые могут изменяться, но значение которых можно предугадать при приеме. При вычислении ICV они не заполняются нулями. Примером изменяемого поля может служить поле контрольной суммы, примером изменяемого, но предопределенного может являться IP-адрес получателя. Более подробное описание того, какие поля как учитываются при вычислении ICV, можно найти в стандарте RFC 2402 .

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.

Encapsulating Security Payload format

Offsets	Octet 16	0								1								2								3
Octet 16	Bit 10	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
0	0	Security Parameters Index (SPI)
4	32	Sequence Number
8	64	Payload data
…	…
…	…
…	…									Padding (0-255 octets)
…	…																	Pad Length								Next Header
…	…	Integrity Check Value (ICV) …
…	…

Security Parameters Index (32 bits) Индекс параметров безопасности. Значение этого поля вместе с IP-адресом получателя и протоколом безопасности(АН-протокол), однозначно определяет защищенное виртуальное соединение(SA) для данного пакета. Диапазон значений SPI 1...255 зарезервирован IANA для последующего использования. Sequence Number (32 bits) Последовательный номер. Служит для защиты от повторной передачи. Поле содержит монотонно возрастающее значение параметра. Несмотря на то, что получатель может и отказаться от услуги по защите от повторной передачи пакетов, оно всегда присутствует в AH-заголовке. Отправитель(передающий IPsec-модуль) должен всегда использовать это поле, но получатель может и не нуждаться в его обработке. Payload data (variable) Это поле содержит данные в соответствии с полем "Next Header". Это поле является обязательным и состоит из целого числа байтов. Если алгоритм, который используется для шифрования этого поля, требует данных для синхронизации криптопроцессов (например, вектор инициализации - "Initialization Vector"), то это поле может содержать эти данные в явном виде. Padding (0-255 octets) Дополнение. Необходимо, например, для алгоритмов, которые требуют, чтобы открытый текст был кратен некоторому числу байтов), например, размеру блока для блочного шифра. Pad Length (8 bits) Размер дополнения(в байтах). Next Header (8 bits) Это поле определяет тип данных, содержащихся в поле "Payload data". Integrity Check Value Контрольная сумма. Должна быть кратна 8-байтам для IPv6, и 4-байтам для IPv4.

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.)

Виртуальные частные сети (VPN)
Программное обеспечение

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 (см. Рисунок 3). 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.