Ошибки iTunes 

Ipsec какой алгоритм шифрования выбрать. Протокол ESP. Шифрование esp с применением нмас

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

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

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


Рис. 5.9.

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

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

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

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

Два протокола, входящие в состав IPSec это:

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

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

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

Протокол AH

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


Рис. 5.10.

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

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


Рис. 5.12.


Рис. 5.13.

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

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

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

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

IPSec и NAT

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

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

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

Рисунок 1 - Пример работы IPsec

Краткая историческая справка появления протокола

Первоначально сеть Интернет была создана как безопасная среда передачи данных между военными. Так как с ней работал только определённый круг лиц, людей образованных и имеющих представления о политике безопасности, то явной нужды построения защищённых протоколов не было. Безопасность организовывалась на уровне физической изоляции объектов от посторонних лиц, и это было оправдано, когда к сети имело доступ ограниченное число машин. Однако, когда Интернет стал публичным и начал активно развиваться и разрастаться, такая потребность появилась.

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 . В 1995 году рабочая группа опубликовала RFC-1825 - RFC-1827 с первым рабочим внедрением протокола.

Особенности

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).

Основные понятия

AES (Advanced Encryption Standard) , также известный как Rijndael - симметричный алгоритм блочного шифрования (размер блока 128 бит, ключ 128/192/256 бит), принятый в качестве стандарта шифрования правительством США по результатам конкурса AES. По состоянию на 2009 год AES является одним из самых распространённых алгоритмов симметричного шифрования.

DES (Data Encryption Standard) - симметричный алгоритм шифрования, разработанный фирмой IBM и утвержденный правительством США в 1977 году как официальный стандарт (FIPS 46-3). DES имеет блоки по 64 бита и 16 цикловую структуру сети Фейстеля, для шифрования использует ключ с длиной 56 бит. Алгоритм использует комбинацию нелинейных (S-блоки) и линейных (перестановки E, IP, IP-1) преобразований.

3DES (Triple Data Encryption Standard) - симметричный блочный шифр, созданный Уитфилдом Диффи, Мартином Хеллманом и Уолтом Тачманном в 1978 году на основе алгоритма DES, с целью устранения главного недостатка последнего - малой длины ключа (56 бит), который может быть взломан методом полного перебора ключа. Скорость работы 3DES в 3 раза ниже, чем у DES, но криптостойкость намного выше - время, требуемое для криптоанализа 3DES, может быть в миллиард раз больше, чем время, нужное для вскрытия DES. 3DES используется чаще, чем DES, который легко ломается при помощи сегодняшних технологий (в 1998 году организация Electronic Frontier Foundation, используя специальный компьютер DES Cracker, вскрыла DES за 3 дня). 3DES является простым способом устранения недостатков DES. Алгоритм 3DES построен на основе DES, поэтому для его реализации возможно использовать программы, созданные для DES.

RSA (Ron Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman Algorithm) - криптографический алгоритм с открытым ключом. RSA стал первым алгоритмом такого типа, пригодным и для шифрования, и для цифровой подписи. Алгоритм используется в большом числе криптографических приложений.

Certificate - цифровой или бумажный документ, подтверждающий соответствие между открытым ключом и информацией, идентифицирующей владельца ключа. Содержит информацию о владельце ключа, сведения об открытом ключе, его назначении и области применения, название центра сертификации и т. д.

PKI (Public Key Infrastructure, Инфраструктура открытых ключей) - технология аутентификации с помощью открытых ключей. Это комплексная система, которая связывает открытые ключи с личностью пользователя посредством удостоверяющего центра (УЦ).

CRL (Certificate Revocation list) - список отозванных сертификатов.

Стандарты

Архитектура IPSec

Построение защищённого канала связи может быть реализовано на разных уровнях модели OSI. Так, например, популярный SSL-протокол работает на уровне представления, а PPTP - на сеансовом. IP Security - это комплект протоколов, касающихся вопросов шифрования, аутентификации и обеспечения защиты при транспортировке IP-пакетов; в его состав сейчас входят почти 20 предложений по стандартам и 18 RFC.

Спецификация IP Security (известная сегодня как IPsec) разрабатывается Рабочей группой IP Security Protocol IETF. Первоначально IPsec включал в себя 3 алгоритмо-независимые базовые спецификации, опубликованные в качестве RFC -документов "Архитектура безопасности IP", "Аутентифицирующий заголовок (AH)", "Инкапсуляция зашифрованных данных (ESP)" (RFC1825, 1826 и 1827). Необходимо заметить, что в ноябре 1998 года Рабочая группа IP Security Protocol предложила новые версии этих спецификаций, имеющие в настоящее время статус предварительных стандартов, это RFC2401 - RFC2412. Отметим, что RFC1825-27 на протяжении уже нескольких лет считаются устаревшими и реально не используются. Кроме этого, существуют несколько алгоритмо-зависимых спецификаций, использующих протоколы MD5 , SHA, DES . Рабочая группа IP Security Protocol разрабатывает также и протоколы управления ключевой информацией. В задачу этой группы входит разработка Internet Key Management Protocol (IKMP), протокола управления ключами прикладного уровня, не зависящего от используемых протоколов обеспечения безопасности. В настоящее время рассматриваются концепции управления ключами с использованием спецификации Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) и протокола Oakley Key Determination Protocol. Спецификация ISAKMP описывает механизмы согласования атрибутов используемых протоколов, в то время как протокол Oakley позволяет устанавливать сессионные ключи на компьютеры сети Интернет. Ранее рассматривались также возможности использования механизмов управления ключами протокола SKIP, однако сейчас такие возможности реально практически нигде не используются. Создаваемые стандарты управления ключевой информацией, возможно, будут поддерживать Центры распределения ключей, аналогичные используемым в системе Kerberos. Протоколами ключевого управления для IPSec на основе Kerberos сейчас занимается относительно новая рабочая группа KINK (Kerberized Internet Negotiation of Keys). Гарантии целостности и конфиденциальности данных в спецификации IPsec обеспечиваются за счет использования механизмов аутентификации и шифрования соответственно. Последние, в свою очередь, основаны на предварительном согласовании сторонами информационного обмена т.н. "контекста безопасности" – применяемых криптографических алгоритмов, алгоритмов управления ключевой информацией и их параметров. Спецификация IPsec предусматривает возможность поддержки сторонами информационного обмена различных протоколов и параметров аутентификации и шифрования пакетов данных, а также различных схем распределения ключей. При этом результатом согласования контекста безопасности является установление индекса параметров безопасности (SPI), представляющего собой указатель на определенный элемент внутренней структуры стороны информационного обмена, описывающей возможные наборы параметров безопасности. По сути, IPSec, который станет составной частью IPv6 , работает на третьем уровне, т. е. на сетевом уровне. В результате передаваемые IP-пакеты будут защищены прозрачным для сетевых приложений и инфраструктуры образом. В отличие от SSL (Secure Socket Layer), который работает на четвертом (т. е. транспортном) уровне и теснее связан с более высокими уровнями модели OSI, IPSec призван обеспечить низкоуровневую защиту. К IP-данным, готовым к передаче по виртуальной частной сети, IPSec добавляет заголовок для идентификации защищенных пакетов. Перед передачей по Internet эти пакеты инкапсулируются в другие IP-пакеты. IPSec поддерживает несколько типов шифрования, в том числе Data Encryption Standard и Message Digest 5. 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. IPsec является набором стандартов Интернет и своего рода «надстройкой» над IP-протоколом. Его ядро составляют три протокола:

  • Authentication Header (АН) обеспечивает целостность передаваемых данных, аутентификацию источника информации и функцию по предотвращению повторной передачи пакетов
  • Encapsulating Security Payload (ESP) обеспечивает конфиденциальность (шифрование) передаваемой информации, ограничение потока конфиденциального трафика. Кроме этого, он может исполнять функции AH: обеспечить целостность передаваемых данных, аутентификацию источника информации и функцию по предотвращению повторной передачи пакетов. При применении ESP в обязательном порядке должен указываться набор услуг по обеспечению безопасности: каждая из его функций может включаться опционально.
  • Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) - протокол, используемый для первичной настройки соединения, взаимной аутентификации конечными узлами друг друга и обмена секретными ключами. Протокол предусматривает использование различных механизмов обмена ключами, включая задание фиксированных ключей, использование таких протоколов, как Internet Key Exchange, Kerberized Internet Negotiation of Keys (RFC 4430) или записей DNS типа IPSECKEY (RFC 4025).

Также одним из ключевых понятий является Security Association (SA). По сути, SA является набором параметров, характеризующим соединение. Например, используемые алгоритм шифрования и хэш-функция, секретные ключи, номер пакета и др.

Заголовок AH

Аутентифицирующий заголовок (AH) является обычным опциональным заголовком и, как правило, располагается между основным заголовком пакета IP и полем данных. Наличие AH никак не влияет на процесс передачи информации транспортного и более высокого уровней. Основным и единственным назначением AH является обеспечение защиты от атак, связанных с несанкционированным изменением содержимого пакета, и в том числе от подмены исходного адреса сетевого уровня. Протоколы более высокого уровня должны быть модифицированы в целях осуществления проверки аутентичности полученных данных. Формат AH достаточно прост и состоит из 96-битового заголовка и данных переменной длины, состоящих из 32-битовых слов. Названия полей достаточно ясно отражают их содержимое: Next Header указывает на следующий заголовок, Payload Len представляет длину пакета, SPI является указателем на контекст безопасности и Sequence Number Field содержит последовательный номер пакета. Последовательный номер пакета был введен в AH в 1997 году в ходе процесса пересмотра спецификации IPsec. Значение этого поля формируется отправителем и служит для защиты от атак, связанных с повторным использованием данных процесса аутентификации. Поскольку сеть Интернет не гарантирует порядок доставки пакетов, получатель должен хранить информацию о максимальном последовательном номере пакета, прошедшего успешную аутентификацию, и о получении некоторого числа пакетов, содержащих предыдущие последовательные номера (обычно это число равно 64). В отличие от алгоритмов вычисления контрольной суммы, применяемых в протоколах передачи информации по коммутируемым линиям связи или по каналам локальных сетей и ориентированных на исправление случайных ошибок среды передачи, механизмы обеспечения целостности данных в открытых телекоммуникационных сетях должны иметь средства защиты от внесения целенаправленных изменений. Одним из таких механизмов является специальное применение алгоритма MD5: в процессе формирования AH последовательно вычисляется хэш-функция от объединения самого пакета и некоторого предварительно согласованного ключа, а затем от объединения полученного результата и преобразованного ключа. Данный механизм применяется по умолчанию в целях обеспечения всех реализаций IPv6, по крайней мере, одним общим алгоритмом, не подверженным экспортным ограничениям.

Заголовок ESP

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

AH и ESP

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. Для начала обмена данными между двумя сторонами необходимо установить соединение, которое носит название SA (Security Association). Концепция SA фундаментальна для IPsec, собственно, является его сутью. Она описывает, как стороны будут использовать сервисы для обеспечения защищённого общения. Соединение SA является симплексным (однонаправленным), поэтому для взаимодействия сторон необходимо установить два соединения. Стоит также отметить, что стандарты IPsec позволяют конечным точкам защищённого канала использовать как одно SA для передачи трафика всех взаимодействующих через этот канал хостов, так и создавать для этой цели произвольное число безопасных ассоциаций, например, по одной на каждое TCP-соединение. Это дает возможность выбирать нужную степень детализации защиты. Установка соединения начинается со взаимной аутентификации сторон. Далее происходит выбор параметров (будет ли осуществляться аутентификация, шифрование, проверка целостности данных) и необходимого протокола (AH или ESP) передачи данных. После этого выбирается конкретные алгоритмы (например, шифрования, хэш-функция) из нескольких возможных схем, некоторые из которых определены стандартом (для шифрования - DES , для хэш-функций - MD5 либо SHA-1), другие добавляются производителями продуктов, использующих IPsec (например Triple DES , Blowfish, CAST).

Security Associations Database

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

  • индекса параметров безопасности (Security Parameters Index, SPI)
  • IP-адреса назначения
  • идентификатора протокола безопасности (ESP или AH)

IPsec-модуль, имея эти три параметра, может отыскать в SAD 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

Время жизни SA

Задано в секундах или байтах информации, проходящих через туннель. Определяет длительность существования SA, при достижении этого значения текущее SA должно завершиться, при необходимости продолжить соединение, устанавливается новое SA.

Authentication Header

AH используется для аутентификации отправителя информации, для обеспечения целостности данных и опционально может использоваться для защиты от повторной передачи данных. Аутентификация осуществляется за счет вычисления хэш-функции IP пакета (поля, которые могут меняться в процессе передачи пакета (например, TTL) исключаются). Вычисленная хэш-функция добавляется к заголовку пакета AH и отправляется получателю пакета. Заголовок AH содержит поле Integrity Check Value, которое вычисляется по алгоритмам MD5 или SHA-1. На практике чаще используется HMAC (Hash Message Authentication Code), так он при вычислении хэш-функции использует заранее известный участникам секретный ключ. В свою очередь HMAC использует для вычисления хэш-функции алгоритмы MD5 или SHA-1. В зависимости от используемого алгоритма HMAC будет называться соответственно HMAC-MD5 или HMAC-SHA-1.

"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 Security Parameters Index (SPI)
8 64 Sequence Number
C 96 Integrity Check Value (ICV)
... ...

Тип следующего заголовка (8 bits)

Тип заголовка протокола, идущего после заголовка AH. По этому полю приёмный IP-sec модуль узнает о защищаемом протоколе верхнего уровня. Значения этого поля для разных протоколов можно посмотреть в RFC 1700 .

Длина содержимого (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.

Зарезервировано (16 bits)

Зарезервировано. Заполняется нулями.

Индекс параметров системы безопасности (32 bits)

Индекс параметров безопасности. Значение этого поля вместе с IP-адресом получателя и протоколом безопасности (АН-протокол), однозначно определяет защищённое виртуальное соединение (SA) для данного пакета. Диапазон значений SPI 1…255 зарезервирован IANA.

Порядковый номер (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.

Данные аутентификации

Цифровая подпись. Служит для аутентификации и проверки целостности пакета. Должна быть дополнена до размера, кратного 8-байтам для IPv6, и 4-байтам для IPv4. 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- приёмный 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 приёме. 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, приёмный IPsec-модуль ищет соответствующее защищённое виртуальное соединение (SA) SAD (Security Associations Database), используя IP-адрес получателя, протокол безопасности (АН) и индекс SPI. Если соответствующее SA не найдено, пакет уничтожается. Найденное защищённое виртуальное соединение (SA) указывает на то, используется ли услуга по предотвращению повторной передачи пакетов, то есть на необходимость проверки поля Sequence Number. Если услуга используется, то поле проверяется. При этом используется метод скользящего окна для ограничения буферной памяти, требуемый для работы протоколу. Приёмный IPsec-модуль формирует окно с шириной W (обычно W выбирается равным 32 или 64 пакетам). 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 приёмный 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 принятый пакет уничтожается.

Encapsulating Security Payload

ESP - протокол безопасности, который обеспечивает конфиденциальность и защиту данных. Возможно использование аутентификации (AH) и обнаружение повторных пересылок. ESP полностью инкапсулирует пакеты. ESP может применяться сам по себе, либо с использованием AH.

MTU

Максимальный размер пакета, который можно передать по виртуальному каналу без фрагментации. Каждый протокол (ESP/AH) должен иметь свой собственный SA для каждого направления, таким образом, связка AH+ESP требует для дуплексного канала наличия четырёх SA. Все эти данные располагаются в SAD.

Помимо базы данных SAD, реализации IPsec поддерживают базу данных SPD (Security Policy Database - база данных политики безопасности). SPD служит для соотнесения приходящих IP-пакетов с правилами обработки для них. Записи в SPD состоят из двух полей. В первом хранятся характерные признаки пакетов, по которым можно выделить тот или иной поток информации. Эти поля называются селекторами. Примеры селекторов, которые содержатся в SPD:

  • IP-адрес места назначения
  • IP-адрес отправителя
  • Имя пользователя в формате DNS или X.500
  • Порты отправителя и получателя

Второе поле в SPD содержит политику защиты, соответствующую данному потоку пакетов. Селекторы используются для фильтрации исходящих пакетов с целью поставить каждый пакет в соответствие с определенным SA. Когда поступает пакет, сравниваются значения соответствующих полей в пакете (селекторные поля) с теми, которые содержатся в SPD. При нахождении совпадения в поле политики защиты содержится информация о том, как поступать с данным пакетом: передать без изменений, отбросить или обработать. В случае обработки, в этом же поле содержится ссылка на соответствующую запись в SAD. Затем определяется SA для пакета и сопряжённый с ней индекс параметров безопасности (SPI), после чего выполняются операции IPsec (операции протокола AH или ESP). Если пакет входящий, то в нём сразу содержится SPI - проводится соответствующая обработка.

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. Системы, реализующие IPSec, должны поддерживать две базы данных:

  • базу данных политики безопасности (Security Policy Database, SPD);
  • базу данных протокольных контекстов безопасности (Security Association Database, SAD);

Все IP-пакеты (входящие и исходящие) сопоставляются с упорядоченным набором правил политики безопасности. При сопоставлении используется фигурирующий в каждом правиле селектор - совокупность анализируемых полей сетевого уровня и более высоких протокольных уровней. Первое подходящее правило определяет дальнейшую судьбу пакета:

  • пакет может быть ликвидирован;
  • пакет может быть обработан без участия средств IPSec;
  • пакет должен быть обработан средствами IPSec с учетом набора протокольных контекстов, ассоциированных с правилом;

Таким образом, системы, реализующие IPSec, функционируют как межсетевые экраны, фильтруя и преобразуя потоки данных на основе предварительно заданной политики безопасности.

Протокольный контекст безопасности в IPSec - это однонаправленное "соединение" (от источника к получателю), предоставляющее обслуживаемым потокам данных набор защитных сервисов в рамках какого-то одного протокола (AH или ESP). В случае симметричного взаимодействия партнерам придется организовать два контекста (по одному в каждом направлении). Если используются и AH, и ESP, потребуется четыре контекста.

Элементы базы данных протокольных контекстов содержат следующие поля (в каждом конкретном случае некоторые значения полей будут пустыми):

  • используемый в протоколе AH алгоритм аутентификации, его ключи и т.п.;
  • используемый в протоколе ESP алгоритм шифрования, его ключи, начальный вектор и т.п.;
  • используемый в протоколе ESP алгоритм аутентификации, его ключи и т.п.;
  • время жизни контекста;
  • режим работы IPSec: транспортный или туннельный;
  • максимальный размер пакетов;
  • группа полей (счетчик, окно, флаги) для защиты от воспроизведения пакетов;

Пользователями протокольных контекстов, как правило, являются прикладные процессы. Вообще говоря, между двумя узлами сети может существовать произвольное число протокольных контекстов, так как число приложений в узлах произвольно. В качестве пользователей управляющих контекстов обычно выступают узлы сети (поскольку в этих контекстах желательно сосредоточить общую функциональность, необходимую сервисам безопасности всех протокольных уровней эталонной модели для управления криптографическими ключами).

Управляющие контексты - двусторонние, т. е. любой из партнеров может инициировать новый ключевой обмен. Пара узлов может одновременно поддерживать несколько активных управляющих контекстов, если имеются приложения с существенно разными криптографическими требованиями. Например, допустима выработка части ключей на основе предварительно распределенного материала, в то время как другая часть порождается по алгоритму Диффи-Хелмана.

Протокольный контекст для IPSec идентифицируется целевым IP-адресом, протоколом (AH или ESP), а также дополнительной величиной - индексом параметров безопасности (Security Parameter Index, SPI). Последняя величина необходима, поскольку могут существовать несколько контекстов с одинаковыми IP-адресами и протоколами. Далее показано, как используются индексы SPI при обработке входящих пакетов.

IPSec обязывает поддерживать ручное и автоматическое управление контекстами безопасности и криптографическими ключами. В первом случае все системы заранее снабжаются ключевым материалом и иными данными, необходимыми для защищенного взаимодействия с другими системами. Во втором - материал и данные вырабатываются динамически, на основе определенного протокола - IKE, поддержка которого обязательна.

Протокольный контекст создается на базе управляющего с использованием ключевого материала и средств аутентификации и шифрования последнего. В простейшем случае, когда протокольные ключи генерируются на основе существующих. Когда вырабатывался управляющий контекст, для него было создано три вида ключей:

  • SKEYID_d - ключевой материал, используемый для генерации протокольных ключей;
  • SKEYID_a - ключевой материал для аутентификации;
  • SKEYID_e - ключевой материал для шифрования;

Все перечисленные виды ключей задействованы в обмене. Ключом SKEYID_e шифруются сообщения. Ключ SKEYID_a служит аргументом хэш-функций и тем самым аутентифицирует сообщения. Наконец, протокольные ключи - результат применения псевдослучайной (хэш) функции к SKEYID_d с дополнительными параметрами, в число которых входят одноразовые номера инициатора и партнера. В результате создание протокольного контекста оказывается аутентифицированным, защищенным от несанкционированного ознакомления, от воспроизведения сообщений и от перехвата соединения.

Сообщения (1) и (2) могут нести дополнительную нагрузку, например, данные для выработки "совсем новых" секретных ключей или идентификаторы клиентов, от имени которых ISAKMP-серверы формируют протокольный контекст. В соответствии с протоколом IKE, за один обмен (состоящий из трех показанных сообщений) формируется два однонаправленных контекста - по одному в каждом направлении. Получатель контекста задает для него индекс параметров безопасности (SPI), помогающий находить контекст для обработки принимаемых пакетов IPSec.

Протокольные контексты играют вспомогательную роль, будучи лишь средством проведения в жизнь политики безопасности; она должна быть задана для каждого сетевого интерфейса с задействованными средствами IPSec и для каждого направления потоков данных (входящие/исходящие). Согласно спецификациям IPSec, политика рассчитывается на бесконтекстную (независимую) обработку IP-пакетов, в духе современных фильтрующих маршрутизаторов. Разумеется, должны существовать средства администрирования базы данных SPD, так же, как и средства администрирования базы правил межсетевого экрана, однако этот аспект не входит в число стандартизуемых.

С внешней точки зрения, база данных политики безопасности (SPD) представляет собой упорядоченный набор правил. Каждое правило задается как пара:

  • совокупность селекторов;
  • совокупность протокольных контекстов безопасности;

Селекторы служат для отбора пакетов, контексты задают требуемую обработку. Если правило ссылается на несуществующий контекст, оно должно содержать достаточную информацию для его (контекста) динамического создания. В этом случае требуется поддержка автоматического управления контекстами и ключами. В принципе, функционирование системы может начинаться с задания базы SPD при пустой базе контекстов (SAD); последняя будет наполняться по мере необходимости.

Дифференцированность политики безопасности определяется селекторами, употребленными в правилах. Например, пара взаимодействующих хостов может использовать единственный набор контекстов, если в селекторах фигурируют только IP-адреса; с другой стороны, набор может быть своим для каждого приложения, если анализируются номера TCP- и UDP-портов. Аналогично, два защитных шлюза способны организовать единый туннель для всех обслуживаемых хостов или же расщепить его (путем организации разных контекстов) по парам хостов или даже приложений.

Все реализации IPSec должны поддерживать селекцию следующих элементов:

  • исходный и целевой IP-адреса (адреса могут быть индивидуальными и групповыми, в правилах допускаются диапазоны адресов и метасимволы "любой";
  • имя пользователя или узла в формате DNS или X.500;
  • транспортный протокол;
  • номера исходного и целевого портов (здесь также могут использоваться диапазоны и метасимволы);

Обработка исходящего и входящего трафика, не является симметричной. Для исходящих пакетов просматривается база SPD, находится подходящее правило, извлекаются ассоциированные с ним протокольные контексты и применяются соответствующие механизмы безопасности. Во входящих пакетах для каждого защитного протокола уже проставлено значение SPI, однозначно определяющее контекст. Просмотр базы SPD в таком случае не требуется; можно считать, что политика безопасности учитывалась при формировании соответствующего контекста. (Практически это означает, что ISAKMP-пакеты нуждаются в особой трактовке, а правила с соответствующими селекторами должны быть включены в SPD.)

Отмеченная асимметрия отражает определенную незавершенность архитектуры IPSec. В более раннем документе RFC 1825 понятия базы данных политики безопасности и селекторов отсутствовали. В новой редакции сделано полшага вперед - специфицирован просмотр базы SPD как обязательный для каждого исходящего пакета, но не изменена обработка входящих пакетов. Извлечение контекста по индексу SPI эффективнее, чем просмотр набора правил, но при таком подходе, затрудняется оперативное изменение политики безопасности. Что касается эффективности просмотра правил, то ее можно повысить методами кэширования, широко используемыми при реализации IP.

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

Поскольку обе стороны диалога должны знать секретные значения, используемые в процессе хэширования или шифрования, возникает вопрос о том, как происходит обмен этими данными. Собственные ключи требуют ручного ввода секретных значений на обоих концах, предположительно, переданных с помощью какого-либо внешнего механизма, а IKE (Internet Key Exchange) представляет собой сложный механизм для проведения этого онлайн.

IKE - протокол обмена ключами по умолчанию для ISAKMP, на данный момент являющийся единственным. IKE находится на вершине ISAKMP и выполняет, собственно, установление как ISAKMP SA, так и IPSec SA. IKE поддерживает набор различных примитивных функций для использования в протоколах. Среди них можно выделить хэш-функцию и псевдослучайную функцию (PRF). "Хэш-функция" - это функция, устойчивая к коллизиям. Под устойчивостью к коллизиям понимается тот факт, что невозможно найти два разных сообщения m1 и m2, таких, что H(m1)=H(m2), где H - хэш функция. Что касается псеводслучайных функций, то в настоящее время вместо специальных PRF используется хэш функция в конструкции HMAC (HMAC - механизм аутентификации сообщений с использованием хэш функций). Для определения HMAC нам понадобится криптографическая хэш функция (обозначим её как H) и секретный ключ K. Мы предполагаем, что H является хэш функцией, где данные хэшируются с помощью процедуры сжатия, последовательно применяемой к последовательности блоков данных. Мы обозначим за B длину таких блоков в байтах, а длину блоков, полученных в результате хэширования - как L (L

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

IKE совмещает в себе три основных направления (отдельных протокола):

  • ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) - протокол ассоциаций безопасности и управления ключами в интернете; это общее описание (framework) для обеспечения аутентификации и обмена ключей без указания конкретных прикладных алгоритмов;
  • Oakley (Oakley key determination protocol) - протокол определения ключей Окли; он описывает последовательности обмена ключами - моды (mode) и описывает предоставляемые ими функции;
  • SKEMI (Secure Key Exchange Mechanism for Internet) - механизм безопасного обмена ключами в Интернете; он описывает многофункциональные технологии, предоставляющие анонимность, неотрекаемость (аппелируемость) и быстрое обновление ключей;

IKE содержит две фазы согласования ключей. В первой фазе происходит создание защищенного канала, во второй - согласование и обмен ключами, установление SA. Первая фаза использует один из двух режимов: основной (англ. Main Mode) или агрессивный (англ. Aggressive Mode). Различие между ними в уровне защищенности и скорости работы. Основной режим, более медленный, защищает всю информацию, передаваемую между узлами. Агрессивный режим для ускорения работы оставляет ряд параметров открытыми и уязвимыми для прослушивания, его рекомендуется использовать только в случае, когда критическим вопросом является скорость работы. Во второй фазе используется быстрый режим (англ. Quick Mode), названный так потому, что не производит аутентификации узлов, считая, что это было сделано в первой фазе. Эта фаза обеспечивает обмен ключами, с помощью которых происходит шифрование данных.
IKE (произносится айк, аббр. от Internet Key Exchange) - протокол, связывающий все компоненты IPsec в работающее целое. В частности, IKE обеспечивает первоначальную аутентификацию сторон, а также их обмен общими секретными ключами.

Существует возможность вручную установить ключ для сессии (не путать с pre-shared key для аутентификации). В этом случае IKE не используется. Однако этот вариант не рекомендуется и используется редко. Традиционно, IKE работает через порт 500 UDP.

Существует IKE и более новая версия протокола: IKEv2. В спецификациях и функционировании этих протоколов есть некоторые различия. IKEv2 устанавливает параметры соединения за одну фазу, состоящую из нескольких шагов. Процесс работы IKE можно разбить на две фазы.

Первая фаза

IKE создает безопасный канал между двумя узлами, называемый IKE security association (IKE SA). Также, в этой фазе два узла согласуют сессионный ключ по алгоритму Диффи-Хеллмана. Первая фаза IKE может проходить в одном из двух режимов:

Основной режим

Состоит из трёх двусторонних обменов между отправителем и получателем: Во время первого обмена согласуются алгоритмы и хэш-функции, которые будут использоваться для защиты IKE соединения, посредством сопоставления IKE SA каждого узла. Используя алгоритм Диффи-Хеллмана, стороны обмениваются общим секретным ключом. Также узлы проверяют идентификацию друг друга путём передачи и подтверждения последовательности псевдослучайных чисел. По зашифрованному IP-адресу проверяется идентичность противоположной стороны. В результате выполнения основного режима создается безопасный канал для последующего ISAKMP - обмена (этот протокол определяет порядок действий для аутентификации соединения узлов, создания и управления SA, генерации ключей, а также уменьшения угроз, таких как DoS-атака или атака повторного воспроизведения).

Агрессивный режим

Этот режим обходится меньшим числом обменов и, соответственно, числом пакетов. В первом сообщении помещается практически вся нужная для установления IKE SA информация: открытый ключ Диффи-Хеллмана, для синхронизации пакетов, подтверждаемое другим участником, идентификатор пакета. Получатель посылает в ответ все, что надо для завершения обмена. Первому узлу требуется только подтвердить соединение. С точки зрения безопасности агрессивный режим слабее, так как участники начинают обмениваться информацией до установления безопасного канала, поэтому возможен несанкционированный перехват данных. Однако, этот режим быстрее, чем основной. По стандарту IKE любая реализация обязана поддерживать основной режим, а агрессивный режим поддерживать крайне желательно.

Вторая фаза

В фазе два IKE существует только один, быстрый, режим. Быстрый режим выполняется только после создания безопасного канала в ходе первой фазы. Он согласует общую политику IPsec, получает общие секретные ключи для алгоритмов протоколов IPsec (AH или ESP), устанавливает IPsec SA. Использование последовательных номеров обеспечивает защиту от атак повторной передачи. Также быстрый режим используется для пересмотра текущей IPsec SA и выбора новой, когда время жизни SA истекает. Стандартно быстрый режим проводит обновление общих секретных ключей, используя алгоритм Диффи-Хеллмана из первой фазы.

Дополнительно

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. 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:

MD5, SHA-1 и др.

Настройка соединения IPsec включает в себя все виды криптографических решений, но это существенно упрощается тем, что любое данное соединение может использовать не более двух или (редко) трех одновременно.

Аутентификация вычисляет Integrity Check Value (ICV) содержимого пакета, и, как правило, используется криптографический хэш-алгоритм , такой как MD5 или SHA-1. Он включает в себя секретный ключ, известный обоим сторонам, что позволяет получателю вычислить ICV таким же образом. Если получатель получает такое же значение, то это значит, что отправитель успешно аутентифицировался (опираясь на предположение, что криптографические хэши практически невозможно обратить). AH всегда обеспечивает аутентификацию, а для ESP это необязательно. Шифрование использует секретный ключ для шифрования данных перед передачей, что защищает реальное содержимое пакета от прослушки. Существует довольно много вариантов для алгоритмов, распространенными являются DES , 3DES, Blowfish и AES . Возможны и другие.

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.

Как работает IPsec

В работе протоколов IPsec можно выделить пять этапов:

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 веб-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 . С помощью IPsec здесь обеспечивается безопасный доступ пользователей к серверу. При использовании протокола ESP, все обращения к серверу и его ответы шифруются. Однако за VPN шлюзом (в домене шифрования) передаются открытые сообщения. Другие примеры использования IPsec:

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.

Преимущества и недостатки

IPsec имеет следующие преимущества:

  • Открытый промышленный стандарт. IPSec предоставляет открытый промышленный стандарт как альтернативу проприетарным технологиям безопасности на основе IP. Это позволяет сетевым администраторам извлечь выгоду из полученной оперативной совместимости.
  • Прозрачность. IPSec существует ниже транспортного уровня, что делает его прозрачным для пользователей и приложений, что означает, что нет необходимости изменять сетевые приложения на рабочем столе пользователя, если IPSec реализован в брандмауэре или маршрутизатор.
  • Аутентификация. Стойкие службы аутентификации предотвращают принятие данных за счет использования ложно заявленных идентичностей.
  • Конфиденциальность. Службы конфидениальности предотвращают доступ к важным данным во время их передачи между сторонами.
  • Проверка подлинности происхождения и целостности данных. Проверка подлинности источника данных и целостность обеспечивается значением хэш-кода аутентификации сообщения (HMAC), который входит в каждый пакет.
  • Динамическое перекодирование. Динамическое перекодирование в ходе текущих соединений исключает ручную переконфигурацию секретных ключей и помогает защититься от определения секретного ключа.
  • Безопасные ссылки из конца в конец. IPSec для Windows 2000 предоставляет защищенные ссылки из конца в конец для пользователей частных сетей в пределах одного домена или через какой-либо доверенный домен на предприятии.
  • Централизованное управление. Сетевые администраторы используют политики IPSec для обеспечения надлежащего уровня безопасности в зависимости от пользователя, рабочей группы или по другим критериям. Централизованное управление снижает административные расходы.
  • Гибкость. Гибкость IPSec для Windows 2000 позволяет применять политики в масштабах всего предприятия или к одной рабочей станции.

Хотя IPSec наиболее популярное и, пожалуй, наилучшее решение для создания виртуальных частных сетей, имеются и некоторые ограничения. В случае его применения в транспортном режиме не исключается возможность атак со стороны, что вызвано некоторыми ограничениями протокола ISAKMP. Взлом сессии IPSec вполне вероятен, если не используется заголовок аутентификации AH. При таком типе атаки данные злоумышленника могут быть вставлены в полезную передающуюся информацию, например, в случае Unix-систем достаточно вставить в поток команду rm -R, чтобы получатель в итоге недосчитался многих, а то и всех файлов на жестком диске. Поскольку трафик IPSec маршрутизируем, различные практические реализации IPSec могут подвергнуться более "изящной" атаке - подмене изначального маршрута. Оговоримся, что данный вид атаки возможен лишь при использовании IPSec в транспортном режиме, если же он применяется для построения туннеля, вся роутинговая информация в этом случае шифруется и подобный вид атаки успеха иметь не будет.

Специалисты компании AT&T Research отмечают, что многие потенциально слабые места IPSec являются следствием определенных недостатков алгоритмов шифрования, использованных в конкретной реализации IPSec. Следовательно, с увеличением надежности этих алгоритмов IPSec может стать намного более защищенным.

В настоящее время IPSec - это часть IPv6, но не IPv4. Хотя, конечно же, имеются и реализации IPSec для протокола IP четвертой версии. В реализации для IPv6 некоторые слабые места IPSec, которые все же присутствуют в версии для IPv4, устранены. Так, например, поля фрагментации в заголовке пакета IPv4 потенциально могут быть изменены, поэтому при функционировании IPSec в транспортном режиме злоумышленник может перехватить пакет и изменить поле фрагментации, а затем вставить необходимые данные в передаваемый поток. В IPv6 же промежуточные маршрутизаторы не допускают изменения полей фрагментации.

Конкуренты

Многие продукты, которые могут использовать IPSec, взаимодействуют с альтернативной технологией шифрования, именуемой "Уровень защищенных сокетов" (Secure Sockets Layer, SSL). Основное различие между IPSec и SSL в том, что IPSec работает на уровне сети, обеспечивая защиту сетевого соединения от начала и до конца. SSL же действует на уровне приложений, обеспечивая защиту лишь выбранному приложению, например веб-браузеру или программе для работы с электронной почтой. Хотя как IPSec, так и SSL призваны обеспечить конфиденциальность обмена информацией, что достигается совершенно различными способами. SSL был разработан компанией Netscape для защиты трафика HTTP, проходящего через программу-браузер. SSL - протокол уровня отдельной сессии, и в этом отношении он, несомненно, проигрывает IPSec, который позволяет построить постоянный туннель, не зависящий от проходящего сквозь него сетевого трафика. Протокол SSL основан на клиент-серверной модели и обычно используется для защиты на отрезке "хост-хост". В связи с тем, что IPSec взаимодействует на сетевом уровне, возможны такие варианты, как "подсеть-подсеть", "сеть-сеть" или "сеть-хост". Это наводит на мысль, что IPSec допускает маршрутизацию, а SSL - нет.

Хотя многие пользователи считают SSL и IPSec конкурирующими разработками, данное утверждение не совсем точно, поскольку IPSec и SSL призваны решать различные проблемы. Если для развертывания IPSec требуется предварительное планирование инфраструктуры, то с SSL все намного проще. Как правило, если и клиент, и сервер изначально способны работать с SSL, то процедура настройки защищенной сессии сводится к крайне тривиальному набору действий, доступному даже начинающему пользователю.

Сравнение IPSec и SSL

Ниже приведена таблица сравнения IPSec и SSL.

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

Источники

Ссылки

  • Unixwiz.net [Электронный ресурс]: An Illustrated Guide to IPsec / Дата обращения: 19.12.2017. Режим доступа:

IPsec представляет из себя не один протокол, а систему протоколов предназначенную для защиты данных на сетевом уровне IP-сетей. В данной статье будет описан теория применения IPsec для создания VPN туннеля.

Введение

VPN основанный на технологии IPsec можно разделить на две части:

  • Протокол Internet Key Exchange (IKE)
  • Протоколы IPsec (AH/ESP/both)

Первая часть (IKE) является фазой согласования, во время которой две VPN-точки выбирают какие методы будут использоваться для защиты IP трафика посылаемого между ними. Помимо этого IKE также используется для управления соединениями, для этого вводится понятие Security Associations (SA) для каждого соединения. SA направлены только в одну сторону, поэтому типичное IPsec соединение использует два SA.

Вторая часть – это те IP данные, которые необходимо зашифровать и аутентифицировать перед передачей методами, согласованными в первой части (IKE). Существуют разные протоколы IPsec, которые могут быть использованы: AH, ESP или оба.

Последовательность установления VPN через IPsec можно кратко описать как:

  • IKE согласовывает защиту уровня IKE
  • IKE согласовывает защиту уровня IPsec
  • защищаемые данные передаются через VPN IPsec

IKE, Internet Key Exchange

Для шифрования и аутентификации данных требуется выбрать способ шифрования/аутентификации (алгоритм) и ключи используемые в них. Задача Internet Key Exchange protocol, IKE, в этом случае сводится к распространению данных “ключей сессии” и согласованию алгоритмов, которыми будут защищаться данные между VPN-точками.

Основные задачи IKE:

  • Аутентификация VPN-точек друг друга
  • Организация новых IPsec соединений (через создание SA пар)
  • Управление текущими соединениями

IKE ведет учет соединений путем назначения каждому из них некого Security Associations, SA. SA описывает параметры конкретного соединения, включая IPsec протокол (AH/ESP или оба), ключи сессии, используемые для шифрования/дешифрования и/или аутентификации данных. SA является однонаправленной, поэтому используется несколько SA на одно соединение. В большинстве случаев, когда используется только ESP или AH, создаются только две SA для каждого из подключений, одна для входящего трафика, а вторая для исходящего. Когда ESP и AH используются вместе, SA требуется четыре.

Процесс согласования IKE проходит через несколько этапов (фаз). Данные фазы включают:

  1. IKE первой фазы (IKE Phase-1):
    — Согласовывается защита самого IKE (ISAKMP tunnel)
  2. IKE второй фазы (IKE Phase-2):
    — Согласовывается защита IPsec
    — Получение данных из первой фазы для формирования ключей сессии

Соединения IKE и IPsec ограничены по продолжительности (в секундах) и по кол-ву переданных данных (в килобайтах). Это сделано для повышения защищенности.
Продолжительность IPsec подключения, как правило, короче IKE. Поэтому, когда заканчивается срок IPsec соединения, новое IPsec соединение пересоздается через вторую фазу согласования. Первая фаза согласования используется только при пересоздании IKE подключения.

Для согласования IKE вводится понятие IKE предложение (IKE Proposal) – это предложение того, как защитить данные. VPN-точка инициализирующая IPsec подключение отправляет список (предложение) в котором указаны разные методы защиты подключения.
Переговоры могут вестись как об установлении нового IPsec соединения, так и об установлении нового IKE соединения. В случае IPsec защищаемыми данными является тот трафик, что отправлен чрез VPN-туннель, а в случае IKE защищаемые данные – данные самих согласований IKE.
VPN-точка получившая список (предложение), выбирает из него наиболее подходящее и указывает его в ответе. Если ни одно из предложений не может быть выбрано, VPN шлюз отвечает отказом.
Предложение содержит всю необходимую информацию для выбора алгоритма шифрования и аутентификации и пр.

IKE первой фазы – согласование защиты IKE (ISAKMP Tunnel)
На первой фазе согласования VPN-точки аутентифицируют друг друга на основе общего ключа (Pre-Shared Key). Для аутентификации используются хэш алгоритм: MD5, SHA-1, SHA-2.
Однако перед тем как аутентифицировать друг друга, чтобы не передавать информацию открытым текстом, VPN-точки выполняют обмен списками предложений (Proposals), описанный ранее. Только после того как устраивающее обеих VPN-точек предложение выбрано, происходит аутентификация VPN-точка друг друга.
Аутентификацию можно осуществлять разными способами: через общие ключи (Pre-Shared Keys), сертификаты или . Общие ключи являются наиболее распространенным способом аутентификации.
Согласование IKE первой фазы может происходить в одном из двух режимов: main (основной) и aggressive (агресивный). Основной режим более длительный, но зато и более защищенный. В его процесее происходит обмен шестью сообщениями. Агресивный режим происходит быстрее, ограничиваясь тремя сообщениями.
Основная работа первой фазы IKE лежит в обмене ключами Диффи-Хеллмана. Он основан на шифровании с открытым ключем, каждая из сторон шифрует аутентификационный параметр (Pre-Shared Key) открытым ключем соседа, который получив данное сообщение расшифровывает его своим закрытым ключем. Другой способо аутентификации сторон друг друга — использование сертификатов.

IKE второй фазы – согласование защиты IPsec
Во второй фазе осуществляется выбор способа защиты IPsec подключения.
Для работы второй фазы используется материал (keying material) извлеченный из обмена ключами Диффи-Хеллмана (Diffie-Hellman key exchange), произошедшего на первой фазе. На основе этого материала создаются ключи сессии (session keys), использующиеся для защиты данных в VPN-туннеле.

Если используется механизм Perfect Forwarding Secrecy (PFS) , то для каждого согласования второй фазы будет использоваться новый обмен ключами Диффи-Хеллмана. Несколько снижая скорость работы, данная процедура гарантирует, что ключи сессии не зависимы друг от друга, что повышает защиту, поскольку даже если произойдет компромат одного из ключей, он не сможет быть использован для подбора остальных.

Режим работы второй фазы согласования IKE только один, он называется quick mode — быстрый режим. В процессе согласования второй фазы происходит обмен тремя сообщениями.

По окончании второй фазы, устанавливается VPN-подключение.

Параметры IKE.
Во время установления соединения используются несколько параметров, без согласования которых невозможно установить VPN-подключение.

  • Идентификация конечных узлов
    Каким образом узлы аутентифицируют друг друга. Наиболее часто используется общий ключ. Аутентификация основанная на общем ключе использует алгоритм Диффи-Хеллмана.
  • Локальная и удаленная сеть/хост
    Определяет трафик, который будет пускаться через VPN-туннель.
  • Режим туннеля или транспорта.
    IPsec может работать в двух режимах: туннельном и транспортном. Выбор режима зависит от защищаемых объектов.
    Туннельный режим применяется для защиты между удаленными объектами, т.е. IP-пакет полностью инкапсулируется в новый и для наблюдателя со стороны будет видно только соединение между двумя VPN-точками. Реальные IP-адреса источника и получателя будут видны только после декапсуляции пакета при приеме его на VPN-точке получения. Таким образом туннельный режим чаще всего используется для VPN-подключений.
    Транспортный режим защищает данные IP-пакета (TCP, UDP и протоколы верхних уровней), а сам заголовок оригинального IP-пакета будет сохранен. Таким образом для наблюдателя будет виден оригинальный источник и назначение, но не передаваемые данные. Данный режим наиболее часто используется при защите соединение в локальной сети между хостами.
  • Удаленный шлюз
    VPN-точка получатель защищенного соединения, которая будет расшифровывать/аутентифицировать данные с другой стороны и отправлять их к окончательному месту назначения.
  • Режим работы IKE
    IKE согласование может работать в двух режимах: основной и агрессивном .
    Разница между ними заключается в том, что в агрессивном режиме используется меньшее кол-во пакетом, что позволяет достичь более быстрого установления соединения. С другой стороны агрессивный режим не передает некоторые параметры согласования, такие как Диффи-Хеллман группы и PFS, что требует предварительной идентичной настройки их на точках участницах подключения.
  • IPsec протоколы
    Существует два протокола IPsec: Authentication Header (AH) и Encapsulating Security Payload (ESP), которые выполняют функции шифрования и аутентификации.
    ESP позволяет шифровать, аутентифицировать по отдельности или одновременно.
    AH позволяет только аутентифицировать. Разница с ESP аутентификацией в том, что AH аутентифицирует также и внешний IP заголовок, позволяя подтвердить, что пакет прибыл действительно от источника указанного в нем.
  • IKE шифрование
    Указывает используемый алгоритм шифрования IKE и его ключи. Поддерживаются разные симметричные алгоритмы шифрования, например: DES, 3DES, AES.
  • IKE аутентификация
    Алгоритм аутентификации используемый в IKE согласовании. Могут быть: SHA, MD5.
  • IKE Диффи-Хеллмана (DH) группы
    Используемая DF группа для обмена ключами в IKE. Чем больше группа тем больше размер ключей обмена.
  • Продолжительность жизни IKE подключения
    Указывается как по времени (секундах), так и по размеру переданных данных (килобайтах). Как только один из счетчиков достигнет порогового значения запускается новая первая фаза. Если с момента создания IKE соединения не было передано никаких данных, никаких новых подключений не будет создано до тех пор, пока одна из сторон не захочет создать VPN соединение.
  • PFS
    При отключенном PFS материал для создания ключей будет извлечен в первой фазе согласования IKE в момент обмена ключей. Во второй фазе согласования IKE ключи сессии будут созданы основываясь на полученном материале. При включенном PFS при создании новых ключей сессии материал для них будет использоваться каждый раз новый. Таким образом при компромате ключа, на основе него не возможно создать новые ключи.
    PFS может быть использован в двух режимах: первый PFS на ключах (PFS on keys), будет запускать новый обмен ключами в первой фазе IKE каждый раз, когда запускается согласование
    второй фазы. Второй режим PFS на идентификаторах (PFS on identities), будет удалять SA первой фазы каждый раз, после прохождения согласования второй фазы, гарантируя тем самым, что ни одно согласование второй фазы не будет зашифровано идентичным предыдущему ключом.
  • IPsec DH группы
    Данные DF группы аналогичны использующимся в IKE, только используются для PFS.
  • IPsec шифрование
    Алгоритм использующийся для шифрования данных. Используется в случае использования ESP в режиме шифрования. Пример алгоритмов: DES, 3DES, AES.
  • IPsec аутентификация
    Алгоритм используемый для аутентификации передаваемых данных. Используется в случае AH или ESP в режиме аутентификации. Пример алгоритмов: SHA, MD5.
  • Время жизни IPsec
    Время жизни VPN соединения указывается как по времени (секундах) так и по размеру переданных данных (килобайты). Счетчик первым достигнувший лимита запустит пересоздание ключей сессии. Если с момента создания IKE соединения не было передано никаких данных, никаких новых подключений не будет создано до тех пор, пока одна из сторон не захочет создать VPN соединение.

Методы аутентификации IKE

  • Ручной режим
    Самый простой из методов, при котором IKE не используется, а ключи аутентификации и шифрования, а также некоторые другие параметры задаются в ручную на обоих точках VPN подключения.
  • Через общие ключи (Pre-Shared Keys, PSK)
    Заранее введенный общий ключ на обоих точках VPN соединения. Отличие от предыдущего метода в том, что используется IKE, что позволяет аутентифицировать конечные точки и использовать меняющиеся ключи сессии, вместо фиксированных ключей шифрования.
  • Сертификаты
    Каждая точка VPN использует: свой приватный ключ, свой открытый ключ, свой сертификат включающий свой открытый ключ и подписанный доверенным центром сертификации. В отличие от предыдущего метода позволяет избежать ввода одного общего ключа на всех точках VPN соединения, заменяя его личными сертификатами, подписанными доверенным центром.

Протоколы IPsec

IPsec протоколы используются для защиты передаваемых данных. Выбор протокола и его ключей происходит при согласовании IKE.

AH (Authentication Header)

AH предоставляет возможно аутентифицировать передаваемые данные. Для этого используется криптографическая хэш-функция по отношению к данным содержащимся в IP-пакете. Вывод данной функции (хэш) передается вместе с пакетом и позволяет удаленной VPN точке подтвердить целостность оригинального IP-пакета, подтверждая, что он не был изменен по пути. Помимо данных IP-пакета, AH также аутентифицирует часть его заголовка.

В режиме транспорта, AH встраивает свой заголовок после оригинального IP пакета.
В режиме туннеля AH встраивает свой заголовок после внешнего (нового) IP-заголовка и перед внутренним (оригинальным) IP заголовком.

ESP (Encapsulating Security Payload)

ESP протокол используется для шифрования, для аутентификации или и того, и другого по отношению к IP пакету.

В режиме транспорта ESP протокол вставляет свой заголовок после оригинально IP заголовка.
В режиме туннеля ESP заголовок находится после внешнего (нового) IP заголовка и перед внутренним (оригинальным).

Два основных различия между ESP и AH:

  • ESP помимо аутентификации предоставляет еще возможность шифрования (AH этого не предоставляет)
  • ESP в режиме туннеля аутентифицирует только оригинальный IP заголовок (AH аутентифицирует также внешний).

Работа за NAT (NAT Traversal)
Для поддержки работы за NAT была реализована отдельная спецификация. Если VPN-точка поддерживает данную спецификацию, IPsec поддерживает работу за NAT, однако существуют определённые требования.
Поддержка NAT состоит из двух частей:

  • На уровне IKE конечные устройства обмениваются друг с другом информацией о поддержке, NAT Traversal и версией поддерживаемой спецификации
  • На уровне ESP сформированный пакет инкапсулируется в UDP.

NAT Traversal используется только в том случае, если обе точки поддерживают его.
Определение NAT : обе VPN-точки посылают хеши своих IP адресов вместе с UDP портом источника IKE согласования. Данная информация используется получателем, для того чтобы определить был ли изменен IP адрес и/или порт источника. Если данные параметры не были изменены, то трафик не проходит через NAT и механизм NAT Traversal не нужен. Если адрес или порт были изменены, значит между устройствами находится NAT.

Как только конечные точки определят, что необходим NAT Traversal, согласование IKE перемещаются с порта UDP 500 на порт 4500. Делается это потому, что некоторые устройства некорректно обрабатывают IKE сессию на 500 порту при использовании NAT.
Другая проблема возникает из-за того, что ESP протокол – протокол транспортного уровня и располагается непосредственно поверх IP. Из-за этого к нему не применимы понятия TCP/UDP порта, что делает невозможным подключение через NAT более одного клиента к одному шлюзу. Для решения данной проблемы ESP запаковывается в UDP дейтаграмму и посылается на порт 4500, тот же самый, который использует IKE при включенном NAT Traversal.
NAT Traversal встроен в работу протоколов, его поддерживающих и работает без предварительной настройки.

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.

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).


Рис. 1. Cisco ASDM VPN Wizard

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.


Рис. 2. Tunnel group name

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).


Рис. 3. Общая схема сети

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

Рис. 4. Ike-scan aggressive mode

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


Рис. 5. Ike-scan ID

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


Рис. 6. Ike-scan payload

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


Рис. 7. IKEForce enumeration

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

Рис. 8. Psk-crack

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


Рис. 9. IKEForce XAUTH

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`.


Рис. 10. VPNC

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.

Подпишись на «Хакер»



Есть вопросы?

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить