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

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

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

Краткая историческая справка появления протокола

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

Архитектура IPSec

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

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

Рис. 1 – Архитектура IPSec.

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

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

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

Рис. 2 — Модель OSI/ISO.

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

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

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

Заголовок AH

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

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

Рис. 3 — Формат заголовка AH.

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

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

Заголовок ESP

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

Рис. 4 — Формат заголовка ESP.

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

Транспортный режим

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

Туннельный режим

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

Security Associations

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

Политика безопасности

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

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

ISAKMP/Oakley

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

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

IKE

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

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

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

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

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

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

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

Атаки на AH, ESP и IKE.

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

Оценка протокола

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

Заключение

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

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

Ссылки

• www.ietf.org/html.charters/ipsec-charter.html — Домашняя страничка рабочей группы IETF. Там же находятся ссылки на RFC и предложения по стандартам.
• www.microsoft.com/rus/windows2000/library/security/w2k_IPSecurity.asp – Информация о реализации протокола IPSec в Windows2000 Server.

Благодарности

Одноклассники

pre-shared key : Два даемона racoon подключаются друг к другу, подтверждают, что они именно те, за кого себя выдают (используя секретный ключ, заданный вами, по умолчанию в файле /etc/racoon/psk.txt). Затем даемоны генерируют новый секретный ключ и используют его для шифрования трафика через VPN. Они периодически изменяют этот ключ, так что даже если атакующий сломает один из ключей (что теоретически почти невозможно) это не даст ему слишком много – он сломал ключ, который два даемона уже сменили на другой. Предварительный ключ(pre-shared key) не используется для шифрования трафика через VPN соединение это просто маркер, позволяющий управляющим ключами даемонам доверять друг другу. Права на файл psk.txt должны быть 0600 (т.е. запись и чтение только для root).

IPsec состоит из двух протоколов:

Encapsulated Security Payload (ESP), защищающей данные IP пакета от вмешательства третьей стороны путем шифрования содержимого с помощью симметричных криптографических алгоритмов (таких как Blowfish,3DES, AES).

Authentication Header (AH), защищающий заголовок IP пакета от вмешательства третьей стороны и подделки путем вычисления криптографической контрольной суммы и хеширования полей заголовка IP пакета защищенной функцией хеширования. К пакету добавляется дополнительный заголовок с хэшем, позволяющий аутентификацию информации пакета.

ESP и AH могут быть использованы вместе или по отдельности, в зависимости от обстоятельств.

esp и ah - пакеты ipsec, формируются ядром после того как хосты, при помощи racoon, договорятся о ключе по протоколу isakmp (500/udp).

Режимы работы IPsec(транспортный, туннельный)

Существует два режима работы IPsec: транспортный режим и туннельный режим(когда в транспортном режиме работают только маршрутизаторы).

IPsec может быть использован или для непосредственного шифрования трафика между двумя хостами (транспортный режим); или для построения "виртуальных туннелей" между двумя подсетями, которые могут быть использованы для защиты соединений между двумя корпоративными сетями (туннельный режим). Туннельный режим обычно называют виртуальной частной сетью (Virtual Private Network, Что это такое VPN).

В транспортном режиме шифруется (или подписывается) только информативная часть IP-пакета. Маршрутизация не затрагивается, так как заголовок IP пакета не изменяется (не шифруется). Транспортный режим как правило используется для установления соединения между хостами. Он может также использоваться между шлюзами, для защиты туннелей, организованных каким-нибудь другим способом (IP tunnel, GRE туннели и др.).

В туннельном режиме IP-пакет шифруется целиком. Для того, чтобы его можно было передать по сети, он помещается в другой IP-пакет. По существу, это защищённый IP-туннель. Туннельный режим может использоваться для подключения удалённых компьютеров к виртуальной частной сети или для организации безопасной передачи данных через открытые каналы связи (например, Интернет) между шлюзами для объединения разных частей виртуальной частной сети. В туннельном режиме инкапсулируется весь исходный IP пакет, и добавляется новый IP заголовок.

Если используется IPsec совместно с GRE туннели , который инкапсулирует исходный пакет и добавляет новый IP заголовок, логично использовать транспортный режим.

Режимы IPsec не являются взаимоисключающими. На одном и том же узле некоторые SA могут использовать транспортный режим, а другие - туннельный.

Security Associations (SA) . Для возможности проводить инкапсуляцию/декапсуляцию стороны участвующие в процессе обмена должны иметь возможность хранить секретные ключи, алгоритмы и IP адреса. Вся эта информация хранится в Ассоциациях Безопасности (SA), SA в свою очередь хранятся в Базе данных Ассоциаций Безопасности (SAD). Конфигурирование Security Association , позволяет задать например mode transport | tunnel | ro | in_trigger | beet - режим безопасной ассоциации. Соответственно, может принимать одно из значений, означающих транспортный, тоннельный, beet (Bound End-to-End Tunnel), оптимизации маршрута (route optimization) или in_trigger режимы. (последние два используются в контексте mobile ipv6).

Security Policy (SP) - политика безопасности, хранится в SPD (База данных политик безопасности). SA специфицирует, как IPsec предполагает защищать трафик, SPD в свою очередь хранит дополнительную информацию, необходимую для определения какой именно трафик защищать и когда. 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.

IPSec (сеть-сеть) между серверами FreeBSD

Шаг 1 : Создание и тестирование "виртуального" сетевого подключения.

• Настройте оба ядра с device gif . В версии FreeBSD поддержка gif включена в ядро.

  Отредактируйте /etc/rc.conf на маршрутизаторах и добавьте следующие строки (подставляя IP адреса где необходимо). A.B.C.D - реальный IP первого маршрутизатора, W.X.Y.Z - реальный IP второго маршрутизатора. # IPsec №1 gateway > ee /etc/rc.conf ... # IPsec to S through ISP_V gif_interfaces="gif0" # gifconfig_gif0="local-ip(A.B.C.D) remote-ip (W.X.Y.Z)" gifconfig_gif0="194.x.x.x 91.x.x.x" ifconfig_gif0="inet 10.26.95.254 192.168.1.254 netmask 255.255.255.255" static_routes="vpn vpn1" route_vpn="-net 192.168.1.0/24 192.168.1.254" route_vpn1="-net 192.168.35.0/24 192.168.1.254" # IPsec №2 gateway > ee /etc/rc.conf ... # IPsec na G through ISPGate gif_interfaces="gif0" # gifconfig_gif0="W.X.Y.Z A.B.C.D" gifconfig_gif0="91.x.x.x 194.x.x.x" ifconfig_gif0="inet 192.168.1.254 10.26.95.254 netmask 255.255.255.255" static_routes="vpn" route_vpn="-net 10.26.95.0/24 10.26.95.254"

  Отредактируйте скрипт брандмауэра на обеих маршрутизаторах и добавьте # IPFW ipfw add 1 allow ip from any to any via gif0 # PF set skip on gif0

Теперь ping должны ходить между сетями.

Защита соединения с помощью IPsec

Шаг 2 : Защита соединения с помощью IPsec

• Настройте оба ядра: > sysctl -a | grep ipsec

  если команда ничего не вывела, значит нужно пересобрать ядра на обоих маршрутизаторах с параметрами

  # IPSEC for FreeBSD 7.0 and above options IPSEC options IPSEC_FILTERTUNNEL device crypto # IPSEC for FreeBSD 6.3 options IPSEC # IP security options IPSEC_ESP # IP security (crypto; define w/ IPSEC) options IPSEC_DEBUG # Необязательно. debug for IP security

  Устанавливаем порт ipsec-tools. > cd /usr/ports/security/ipsec-tools > make config > make install clean > ee /etc/rc.conf racoon_enable="YES" ipsec_enable="YES" > mkdir -p /usr/local/etc/racoon/cert > cp /usr/local/share/examples/ipsec-tools/racoon.conf /usr/local/etc/racoon/racoon.conf > cd /usr/local/etc/racoon/cert/

  Создаем SSL сертификаты на каждом хосте. Копируем с одной на другую файлики *.public. В принципе, имена ключей неважны, можно называть и по IP, с соответствующими расширениями.

  > openssl req -new -nodes -newkey rsa:1024 -sha1 -keyform PEM -keyout your.key1.private -outform PEM -out your.key1.pem > openssl x509 -req -in your.key1.pem -signkey your.key.private -out your.key1.public

Создаем файл ipsec.conf. Настройка на шлюзе #1 (где есть публичный IP адрес A.B.C.D) для включения шифрования всего предназначенного W.X.Y.Z трафика. A.B.C.D/32 и W.X.Y.Z/32 это IP адреса и сетевые маски, определяющие сети или хосты, к которым будет применяться данная политика. В данном случае мы хотим применить их к трафику между этими двумя хостами. Параметр ipencap сообщает ядру, что эта политика должна применяться только к пакетам, инкапсулирующим другие пакеты. Параметр -P out сообщает, что эта политика применяется к исходящим пакетам, и ipsec – то, что пакеты будут зашифрованы.

Оставшаяся часть строки определяет, как эти пакеты будут зашифрованы. Будет использоваться протокол esp, а параметр tunnel показывает, что пакет в дальнейшем будет инкапсулирован в IPsec пакет. Повторное использование A.B.C.D и W.X.Y.Z предназначено для выбора используемых параметров безопасности, и наконец параметр require разрешает шифрование пакетов, попадающих под это правило.

Это правило соответствует только исходящим пакетам. Вам потребуется похожее правило, соответствующее входящим пакетам.

> ee /etc/ipsec.conf spdadd A.B.C.D/32 W.X.Y.Z/32 ipencap -P out ipsec esp/tunnel/A.B.C.D-W.X.Y.Z/require; spdadd W.X.Y.Z/32 A.B.C.D/32 ipencap -P in ipsec esp/tunnel/W.X.Y.Z-A.B.C.D/require;

Настройка на шлюзе #2 аналогична только меняются IP местами.

Настройка утилиты racoon

> ee /usr/local/etc/racoon/racoon.conf path include "/usr/local/etc/racoon"; path certificate "/usr/local/etc/racoon/cert/"; # following line activates logging & should deactivated later log debug; # если директива listen не задана, racoon слушает все доступные # адреса интерфейсов. listen { #isakmp::1 ; isakmp 202.249.11.124 ; #admin ; # administrative port for racoonctl. #strict_address; # requires that all addresses must be bound. } # описываем удалённый хост (на второй машине - идентично, # тока другой IP и ключи) remote 217.15.62.200 { exchange_mode aggressive,main; my_identifier asn1dn; peers_identifier asn1dn; # сертификаты этой машины certificate_type x509 "via.epia.public" "via.epia.private"; # сертификат удлённой машины peers_certfile x509 "test.su.public"; proposal { encryption_algorithm 3des; hash_algorithm sha1; authentication_method rsasig; dh_group 2 ; } } sainfo anonymous { pfs_group 2; encryption_algorithm 3des; authentication_algorithm hmac_sha1; compression_algorithm deflate; }

Настройка пакетного фильтра PF, где esp_peers шлюз с которым создается шифрованный туннель. Разрешаем прохождение пакетов ESP и IPENCAP в обе стороны.

#pass IPSec pass in on $ext_if_a inet proto udp from { $esp_peers } to ($ext_if_a) port isakmp pass in on $ext_if_a inet proto esp from { $esp_peers } to ($ext_if_a) # pass out on $ext_if_a inet proto udp from { $esp_peers } to ($ext_if_a) port isakmp pass out on $ext_if_a inet proto esp from { $esp_peers } to ($ext_if_a)

Cмотрим логи /var/log/security и /var/log/messages.

Как только параметры безопасности установлены, вы можете просмотреть их используя setkey(8). Запустите

> /etc/rc.d/ipsec start > /usr/local/etc/rc.d/racoon start > setkey -D # список созданных защищенных каналов > setkey -DP # покажет список политик безопасности

на любом из хостов для просмотра информации о параметрах безопасности.

Проверка работоспособности:

ping между сетями должен работать

Запускаем для прослушки физического интерфейса на котором построен туннель (а не виртуального gif0). В другом окне например ping -ем удаленную серую сеть (например, ping 192.168.1.11) tcpdump -i em0 -n host 91 .x.x.81 ... 16 :15 :54.419117 IP x.x.x.x >

tcpdump Linux примеры использования должен показывать ESP пакеты.

IPSec (сеть-сеть) между серверами Linux

# aptitude install ipsec-tools racoon

Алгоритм настройки IPsec

Настройка пакета racoon

Создание политики безопасности

Виртуальные интерфейсы. Они нужны для маршрутизации сетей находящихся в локальных сетях. Два соединенных сервера будут видеть себя без интерфейсов(иногда без них не заводится и между серверами, странно вообще-то).

Ниже приведены конфиги для случая с предопределёнными ключами.

> nano /etc/racoon/racoon.conf path include "/etc/racoon"; path pre_shared_key "/etc/racoon/psk.txt"; #path certificate "/etc/racoon/certs"; remote 10.5.21.23 { exchange_mode aggressive,main; doi ipsec_doi; situation identity_only; my_identifier address; #Определяет метод идентификации, который будет использоваться при проверке подлинности узлов. lifetime time 2 min; initial_contact on; proposal { encryption_algorithm 3des; hash_algorithm sha1; authentication_method pre_shared_key; # Определяет метод проверки подлинности, используемый при согласовании узлов. dh_group 2; } proposal_check strict; } sainfo anonymous # Отмечает, что SA может автоматически инициализировать соединение с любым партнёром при совпадении учётных сведений IPsec. { pfs_group 2; lifetime time 2 min ; encryption_algorithm 3des, blowfish 448, des, rijndael ; authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5 ; compression_algorithm deflate ; }

Создадим политику безопасности

> nano pol.cfg #!/sbin/setkey -f flush; spdflush; spdadd 10.5.21.24 10.5.21.23 any -P out ipsec esp/transport//require; spdadd 10.5.21.23 10.5.21.24 any -P in ipsec esp/transport//require; > chmod +x pol.cfg > ./pol.cfg

Создадим выполняемый файл для создания интерфейсов и запустим его.

>nano tun.sh #!/bin/sh ip tunnel del tun0 ip tunnel add tun0 mode ipip remote 10.5.21.23 local 10.5.21.24 dev eth0 # создаем интерфейс tun0 и устанавливаем туннель # между хостами (здесь нужно использовать реальные IP адреса сетевых интерфейсов). ifconfig tun0 10.0.9.1 pointopoint 10.0.9.2 # назначаем интерфейсу IP адреса, для текущего хоста и для другого конца # туннеля (не обязательно). ifconfig tun0 mtu 1472 ifconfig tun0 up # ниже можно прописать нужные нам маршруты, например так route add -net ... netmask 255.255.255.0 gw ... route add -net ... netmask 255.255.255.0 gw ... > ./tun.sh

Для автоматической загрузки правил файл tun.sh правильно поместить для Debian в директорию /etc/network/if-up.d

Все IPSec тунель между сетями настроен.

iptables IPSec

$IPT -A INPUT -p udp -m udp -s xxx.xxx.xxx.xxx -d xxx.xxx.xxx.xx --dport 500 -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p esp -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p ah -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p ipencap -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p udp -m udp -s xxx.xxx.xxx.xxx -d xxx.xxx.xxx.xx --dport 4500 -j ACCEPT

IPsec «узел-узел» без виртуальных интерфесов

Задача . При помощи IPSec (pre_shared_key) соединить два сервера (Debian 5 и Debian 7). У обоих реальные IP. Никаких сетей пробрасывать не надо. Должен шифроваться трафик между этими IP. То есть строим транспортный режим (между двумя хостами).

Настройка сводится к двум пунктам

Настройка пакета racoon

Создание политики безопасности: нужно указать режим transport и any spdadd x.x.x.x/32 y.y.y.y/32 any -P out ipsec esp/transport//require; spdadd y.y.y.y/32 x.x.x.x/32 any -P in ipsec esp/transport//require;

IPSec (GRE) (узел-сеть) между Debian и Cisco

Задача: построить IPsec в туннельном режиме. Описание RFC протокола SIP сигнализация между поставщиком (Cisco) и клиентом (Debian 5) шифруется IPsec, а RTP минуя туннель идет кратчайшим маршрутом через обычный Интернет.

Клиент tunnel-endpoint is: 193.xxx.xxx.xxx

Сервер tunnel-endpoint is: 62.xxx.xxx.xxx

Клиент Sip Server is: 193.xxx.xxx.xxx

Сервер SIP Servers are: 62.xxx.237.xxx/26 and 62.xxx.246.xxx/26

да и перед настрокой туннеля (перед auto tun0) прописать pre-up modprobe ip_gre

# modprobe ip_gre

Скрипт для создания GRE туннели туннеля в Debian:

#!/bin/sh -e modprobe ip_gre #ip tunnel del tun0 ip tunnel add tun0 mode gre remote 62.xxx.xxx.xxx local 193.xxx.xxx.xxx dev eth0 ifconfig tun0 mtu 1472 ifconfig tun0 up route add -net 62.xxx.237.xxx netmask 255.255.255.192 dev tun0 route add -net 62.xxx.246.xxx netmask 255.255.255.192 dev tun0

Утилиты

Для управления можно использовать утилиту racoonctl racoonctl show-sa esp

Cписок созданных защищенных каналов > setkey -D

список политик безопасности > setkey -DP

Мониторинг IPsec

Мониторинг IPsec в Debian 5.0 2.6.26-2-686-bigmem i686. В уровень детализации логов log notify или log debug устанавливается в файле racoon.conf.

# tail -F /var/log/syslog | grep racoon

IPSec Openswan

OpenSWAN начал разрабатываться как форк прекратившего в настоящее своё существование проекта FreeS/WAN (Free Secure Wide-Area Networking), релизы продолжают выпускаться под свободной GNU General Public License. В отличие от проекта FreeS/WAN, OpenSWAN разрабатывается не только специально под операционную систему GNU/Linux. OpenSWAN обеспечивает стек протоколов IpSec: AH и ESP для ядра Linux,а также инструментарий для управления ими.

OpenSWAN для ветки ядра 2.6 предоставляет встроенную, NETKEY реализацию IpSec, так и собственную KLIPS.

CentOS 6.6 поддерживает только Openswan в основных пакетах.

Задача . Создать шифрованный туннель между CentOS 6.6 и Debian 7.8 Wheezy. GRE туннели + Openswan (type=transport)

Openswan будет шифровать наш трафик в транспортном режиме(host-to-host), не вмешиваясь в маршрутизацию. Установим пакеты на обоих серверах yum install openswan aptitude install openswan

На обоих концах туннеля настраиваем Правила iptables . Открыть 500 порт, по которому идет обмен сертификатам и ключами. iptables -A INPUT -p udp --dport 500 -j ACCEPT iptables -A INPUT -p tcp --dport 4500 -j ACCEPT iptables -A INPUT -p udp --dport 4500 -j ACCEPT # Более строго выпишем правила для IPSec IPT ="/sbin/iptables" $IPT -A INPUT -p udp -s x.x.x.x -d x.x.x.x --dport 500 -m comment --comment "IpSec" -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p tcp -s x.x.x.x -d x.x.x.x --dport 4500 -m comment --comment "IpSec" -j ACCEPT $IPT -A INPUT -p udp -s x.x.x.x -d x.x.x.x --dport 4500 -m comment --comment "IpSec" -j ACCEPT

Подготовка конфигурационных файлов. Используемые файлы и директории / etc/ ipsec.d/ / etc/ ipsec.conf

Проверка системы на правильность окружения для IPsec ipsec verify

Добавить в конец файла sysctl.conf

# IPSec Verify Compliant # Разрешить пересылку пакетов между интерфейсами для IPv4 net.ipv4.ip_forward = 1 # отключаем icmp redirect net.ipv4.conf.all.send_redirects = 0 net.ipv4.conf.all.accept_redirects = 0 net.ipv4.conf.default.send_redirects = 0 net.ipv4.conf.default.accept_redirects = 0

Применим параметры ядра без перезагрузки

Первым конфигурационным файлом является /etc/ipsec.conf. Задаем явно в разделе config setup config setup protostack =netkey plutoopts ="--perpeerlog" dumpdir =/ var/ run/ pluto/ nat_traversal =yes virtual_private =% v4:10.0.0.0/ 8 ,% v4:192.168.0.0/ 16 , % v4:172.16.0.0/ 12 ,% v4:25.0.0.0/ 8 ,% v6:fd00::/ 8 ,% v6:fe80::/ 10 oe =off #plutostderrlog=/dev/null

В первую очередь вам необходимо сформировать ключи, используемые шлюзами для аутентификации. В Debian это ключ можно создать при инсталляции. Запускаем на обеих системах ipsec newhostkey, генерируя нужные нам ключи. ipsec newhostkey --output / etc/ ipsec.secrets ipsec showhostkey --left ipsec showhostkey --right

Независимо от того, как вы сконфигурируете сервер, всегда рассматривайте вашу подсеть как расположенную «слева» (left), а подсеть, к которой доступ осуществляется дистанционно, сайт, как расположенный «справа» (right). Следующая конфигурация выполняется на сервере VPN на стороне Left. На другом сервере должен быть точно такие настройки для этого соединения. conn gagahost-to-miraxhost auto =start left =188 .x.x.x leftrsasigkey =0sN4vI6ooUyMyL ... right =91 .x.x.x rightrsasigkey =0sfAhuo4SQ0Qt ... type =transport scp / etc/ ipsec.conf admin@ 192.168.35.254:/ home/ admin/

Диагностика IPSec Openswan

Запуск сервиса и поиск возникающих проблем.

Openwan logs (pluto) : /var/log/auth.log /var/log/syslog /var/log/pluto/peer/a/b/c/d/a.b.c.d.log

Если на обоих серверах нет ошибок, то туннель должен сейчас подняться. Вы можете проверить туннель с помощью команды ping с следующим образом. Если туннель не поднят, то частная подсеть на стороне B не должна быть доступна со стороны А, т. е. команда ping не должна работать. После того, как туннель будет поднят, попробуйте команду ping для доступа к частной подсети на стороне B со стороны A. Это должно работать.

Кроме того, в таблице маршрутизации сервера должны появиться маршруты к частной подсети.

# ip route via dev eth0 src default via dev eth0

Команды проверки состояний соединений: ipsec verify service ipsec status ip xfrm state list - управления SAD, возможности шире, чем у setkey ipsec addconn --checkconfig - проверка конфигурации ipsec auto --status - подробное состояние ip xfrm monitor

Политики ipsec, согласно которым принимается решение какой трафик направлять в туннель ip xfrm pol show

tcpdump Linux примеры использования запускаем для прослушки физического интерфейса на котором построен туннель (а не виртуального GRE). В другом окне например ping -ем удаленную серую сеть (например, ping 192.168.1.11). tcpdump должен показывать ESP пакеты. tcpdump -i em0 -n host 91 .x.x.81 ... 16 :15 :54.419117 IP x.x.x.x > 91 .x.x.81: ESP(spi =0x01540fdd,seq =0xa20) , length 92 ...

Ссылки

IPsec (IP security) - набор протоколов для безопасной передачи трафика через IP сеть. Пожалуй, самый сложный и разветвленный стек протоколов из поддерживаемых системой VPNKI.

Включает в себя три основных протокола:

• AH (Authentication Header) - управление целостностью передаваемых данных и аутентификацию

• ESP (Encapsulating Security Payload) - шифрование данных

• ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) - управление установкой соединения, взаимную аутентификации конечными узлами друг друга и обмен секретными ключами

Основные используемые порты и номера протоколов

• Протокол UDP, port 500 (IKE, управление ключами)
• Протокол UDP, port 4500 (IPSEC NAT-Traversal mode)
• Протокол ESP, значение 50 (for IPSEC)
• Протокол AH, значение 51 (for IPSEC)

Вообще, набор протоколов IPsec непрост с точки зрения возможностей его использования, которые весьма многогранны. Однако, базовой особенностью всего взаимодействия по этому протоколу является понятие SA (Security Association) - это набор параметров о том как стороны будут в дальнейшем использовать те или иные свойства протоколов из состава IPsec.

Стоит еще упомянуть про два основных режима работы IPsec - туннельный и транспортный. Грубо говоря, в транспортном режиме шифруются только полезные данные IP пакета, а в туннельном режиме шифруется все данные, включая заголовки IP.

Аутентификация

Взаимодействие двух узлов начинается с установления SA. Точнее с двух ассоциаций - для протокола AH и ESP причем в одну и в другую стороны. SA начинается с аутентификации и затем стороны согласовывают будущие параметры сессии:

• для протокола AH - используемый алгоритм аутентификации, ключи, время жизни ключей и другие параметры,
• для протокола ESP - алгоритмы шифрования и аутентификации, ключи, параметры инициализации, время жизни ключей и другие параметры.

Здесь же стороны договариваются о туннельном или транспортном режиме работы IPsec.

К завершению процесса у вас должны быть установлены несколько SA, но... чуть подробнее как это на самом деле.

Фаза 1 и Фаза 2

В IPsec все происходит по Фазам.

На фазе 1 происходит установление SA первой фазы. В первой фазе стороны договариваются о методе идентификации, алгоритме шифрования, алгоритме хэшировнаия и группе Diffie Hellman. Эта фаза может пройти путем обмена тремя нешифрованными пакетами (агрессивный режим) или шестью нешифрованными пакетами - стандартный режим. Если все прошло успешно, то создается SA фазы 1 под названием IKE SA и осуществляется переход ко второй фазе.

На фазе 2 стороны договариваются о политике и создаются сами ключи. Эта фаза, в отличии от первой полностью шифруется и она наступает только в случае успешного окончания первой фазы. В связи с тем, что трафик этой фазы полностью шифрован становится сложно осуществлять поиск неполадок, однако если все прошло успешно, то создается SA фазы 2 под названием IPSec SA. В этот момент можно сказать, что туннель установлен.

Компрессия данных

В составе IPsec нет собственного механизма компрессии данны, однако можно использовать механизм IPcomp который компрессирует содержимое IP пакета до его передачи в процесс IPsec. Некоторые демоны IPsec поддерживают включение этого механизма из файлов настроек ipsec.conf (например пакет Strongswan)

Автоматическая проверка работоспособности VPN соединения

Внутри IPsec нет штатного средства для проверки работоспособности соединения (типа ping), поэтому работу туннеля можно проверять внешними средствами.

Разрыв VPN соединения и смена ключей

Согласованные на двух фазах ключи должны работать оговоренное политикой время. Это означает, что сторонам возможно предстоит пережить процедуру смены ключей (rekeying), а иначе согласованные SA распадутся. Как было сказано выше, у сторон есть ключи в рамках процесса фазы 1 (IKE) и фазы 2 (IPsec). Процедуры их смены различны, как и таймеры, которые за это отвечают. Для того, чтобы не было перерыва связи в процессе смены ключей стороны сначала согласовывают параметры новой SA и лишь после этой успешной процедуры уничтожают старую SA.

В IPsec на каждой из фаз есть несколько способов смены ключей - с аутентификацией или без нее, но мы не будем сильно заострять на этом свое внимание. Просто для этой процедуры слишком существует много нюансов, которые зависят от версий ПО и соотношения таймеров - для IKE и IPsec.

Мы уже обсуждали понятие IPSec, в этом материале мы рассмотрим IPSec подробнее.

Итак, название IPSec происходит от IP Security.
IPSec - это совокупность протоколов и адлгоритмов, которые используются для защиты IP пакетов на уровне Layer3.

IPSec позволяет гарантировать:
- Confidentiality - с помощью шифрования
- Data integrity - через Hashing и HMAC\
- Authentication - через использование Digital Signatures или Pre-shared key (PSK).

Перечислим основные протоколы IPsec:
■ ESP and AH : Два основных протокола, используемых в IPsec.
Encapsulating Security Payload (ESP) , может делать всё что требуется для IPsec, а
Authentication Header (AH) , может делать всё, кроме шифрования, encryption of the data, - поэтому чаще всего используют ESP.
■ Encryption algorithms for confidentiality : DES, 3DES, AES.
■ Hashing algorithms for integrity: MD5, SHA.
■ Authentication algorithms : Pre-shared keys (PSK), RSA digital signatures.
■ Key management : An example would be Diffie-Hellman (DH), which can be used to
dynamically generate symmetrical keys to be used by symmetrical algorithms; PKI,
which supports the function of digital certificates issued by trusted CAs; and Internet
Key Exchange (IKE), which does a lot of the negotiating and management for us for
IPsec to operate.

Зачем нужен IPSec

Рассмотрим следующую простую топологию соединения двух офисов.

Нам необходимо обеспечить соединение двух офисов и выполнить следующие цели:

• Confidentiality - обеспечивается через шифрование данных.
• Data integrity - обеспечивается через hashing, либо через Hashed Message Authentication Code (HMAC) , - методы позволяющие гарантировать, что данные не были изменены.
• Authentication - обеспечивается с использованием pre-shared keys (PSK) , либо digital signatures . А при использовании HMAC аутентификация происходит постоянно.
• Antireplay protection - все пакеты VPN нумеруются, что является защитой от их повторения.

Протоколы и порты IPSec

IKEv1 Phase 1	UDP port 500	IKEv1 Phase 1 uses UDP:500 for its negotiation.
NAT-T (NAT Traversal)	UDP port 4500	NAT Traversal используется устройствами для преодоления NAT. Если оба устройства подключаются друг ко другу через NAT: they want to put a fake UDP port 4500 header on each IPsec packet (before the ESP header) to survive a NAT device that otherwise may have a problem tracking an ESP session (Layer 4 protocol 50)
ESP	Layer 4 Protocol 50	Все пакеты IPSec представляют из себя Layer 4 protocol of ESP (IP Protocol #50), в него инкапсулируются все данные. Обычно используется именно ESP (а не AH). В случае использования NAT-T, ESP header закрывается вторым UDP header.
AH	Layer 4 protocol 51	AH packets представляют собой Layer 4 protocol of AH (IP Protocol #51). AH не поддерживает шифрования полезных данных и поэтому он используется редко.

Работа IPSec

Для поднятия безопасного соединения VPN, IPSec использует протокол Internet Key Exchange (IKE) .
IKE - это framework, обеспечиваемая Internet Security Association , а также Key Management Protocol (ISAKMP)

Итак у нашей конфигурации оба роутера будут выступать в качестве VPN gateway или IPsec peers .

Предположим юзер в сети 10.0.0.0 отправляет пакет в сеть 172.16.0.0.
Поскольку туннель ещё не создан R1 начнёт initiate negotiations со вторым роутером R2.

Step 1: Negotiate the IKEv1 Phase 1 Tunnel

Первым шагом между роутерами поднимается Internet Key Exchange (IKE) Phase 1 tunnel .
Такой туннель не предназначен для передачи пользовательских данных, но используется в служебных целях, для защиты management traffic.

Поднятие IKE Phase 1 tunnel может быть выполнено в двух режимах:
- main mode
- aggressive mode
Main mode требует обмена большим количеством пакетов но и считается более безопасным.

Для поднятия IKE Phase 1 tunnel должны быть негоциированы следующие элементы:

• Hash algorithm : Это может быть message digest 5 algorithm (MD5) или Secure Hash
  Algorithm (SHA) .
• Encryption algorithm : Digital Encryption Standard (DES) (слабый, не рекомендуется), Triple DES (3DES) (чуть лучше) or Advanced Encryption Standard (AES) (рекомендуется) AES может использовать ключи разной длины: чем длиннее тем безопаснее.
• Diffie-Hellman (DH) group to use : The DH “group” refers to the modulus size (length of
  the key) to use for the DH key exchange. Group 1 uses 768 bits, group 2 uses 1024, and
  group 5 uses 1536. More secure DH groups are part of the next-generation encryption
  (NGE):
  - Group 14 or 24: Provides 2048-bit DH
  - Groups 15 and 16: Support 3072-bit and 4096-bit DH
  - Group 19 or 20: Supports the 256-bit and 384-bit ECDH groups, respectively

  Задача DH - сгенерировать keying material (symmetric keys). Эти ключи будут использоваться для передачи данных.
  Сам DH является asymmetrical , но ключи он генерирует symmetrical.

• Authentication method : может быть в виде pre-shared key (PSK) или RSA signatures
• Lifetime : врем жизни IKE Phase 1 tunnel. Единственный параметр, который может не совпадать. Чем короче Lifetime, тем чаще будут менять ключи, и тем это безопаснее.

Step 2: Run the DH Key Exchange

После того, как роутеры договрились об IKE Phase 1 policy, они могут начать процесс DH key exchange. DH позволяет двум устройствам, между которыми пока нет secure connection, безопасно обменяться симметричными ключами, которые будут использоваться симметричными алгоритмами, например AES.

Step 3: Authenticate the Peer

Последнее что будет сделано в IKE Phase 1 - это взаимная аутентификация хостов, которая может быть произведена двумя методами (PSK или RSA digital signatures)
Если аутентификация прошла удачно, IKE Phase 1 tunnel считается поднятым. Туннель является двунаправленным.

Step 4: IKE Phase 2

После того, как поднялся IKE Phase 1 tunnel, роутеры начинают поднимать IKE Phase 1 tunnel.
Как уже упоминалось, IKE Phase 1 tunnel является чисто служебным, management tunnel и через него проходит весь трафик negotiation для поднятия туннеля IKE Phase 2.
IKE Phase 2 tunnel также использует алгоритмы hashing и encryption.
Поднятие IKE Phase 2 tunnel может быть выполнено в одном режимы:
- quick mode

IKE Phase 2 tunnel на самом деле состоит из двух однонаправленных туннелей, т.е. можно сказать что создаются:
Один туннель IKE Phase 1 tunnel, который является bidirectional, используемый для служебных функций.
И два туннеля IKE Phase 2, которые являются unidirectional, и которые используются для шифрования полезного трафика.
Все эти туннели также называются как security agreements between the two VPN peers или security associations (SA) .
Каждый SA имеет свой уникальный номер.

Теперь, после того как был поднят IKE Phase 2 tunnel, все пакеты выходящие из наружных интерфейсов будут зашифрованы.

Пример настройки

Рассмотрим пример настройки IPsec на примере данной схемы.

1. Configure Interesting Traffic
   Для начала мы должны определить трафик, который мы будем шифровать.
   Router R1

   ip access-list extended VPN-ACL permit ip 192.168.1.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255

   Router R2

   ip access-list extended VPN-ACL permit ip 192.168.2.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255

2. Configure Phase 1 (ISAKMP)
   Phase 1 поднимает туннель, используемый для служебных целей: обмен shared secret keys, authenticate, negotiate IKE security policies и т.д.
   Может быть создано несколько isakmp policies с разными приоритетами.

   Router R1

   crypto isakmp key secretkey address 200.200.200.1

   Router R2

   crypto isakmp policy 1 encryption 3des hash md5 authentication pre-share group 2

   crypto isakmp key secretkey address 100.100.100.1

   Здесь key есть PSK(Preshared Key) используемый роутерами для аутентификации IKE Phase 1.

3. Configure Phase 2 (IPSEc)
   Цель IKE Phase 2 Tunnel - передача полезного трафика между хостами двух офисов.
   Параметры туннеля Phase 2 Tunnel группируются в sets, называемые transform sets.
   Router R1

   crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac ! crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp set peer 200.200.200.1 set transform-set TRSET match address VPN-ACL ! interface FastEthernet0/0 crypto map VPNMAP

   Router R2

   crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac ! crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp set peer 100.100.100.1 set transform-set TRSET match address VPN-ACL ! interface FastEthernet0/0 crypto map VPNMAP

   На обоих хостах использовалась crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac.
   Это означает, что 3des будет использовано для шифрования, а md5-hmac для аутентификации.

   crypto map эплаится на интерфейс. Криптокарта отслеживает трафик, отвечающим заданным условиям. Наша криптокарта будет работать с роутером с адресом 100.100.100.1, заданным ACL внутренним трафиком и будет применять на этот трафик transform-set TRSET.

Проверка IPSec

В целом список полезных команд следующий:
show crypto isakmp policy
show crypto map
show crypto isakmp sa detail
show crypto ipsec sa
show crypto engine connections active

На практике наиболее полезно следующее:

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.