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.

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

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:


0 В этой статье предлагается обзор средств IPSEC (IP Security - система защиты на уровне IP) и соответствующих протоколов IPSec, доступных в продуктах Cisco и используемых для создания виртуальных частных сетей (VPN). В данной статье мы определим, что такое IPSEC, а также какие протоколы и алгоритмы защиты лежат в основе IPSEC.

Введение

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.

Продукты Cisco для поддержки VPN используют набор протоколов IPSec, являющийся на сегодня промышленным стандартом обеспечения широких возможностей VPN. IPSec предлагает механизм защищенной передачи данных в IP-сетях, обеспечивая конфиденци¬альность, целостность и достоверность данных, передаваемых через незащищенные сети типа Internet. IPSec обеспечивает следующие возможности VPN в сетях Cisco:

  • Конфиденциальность данных . Отправитель данных IPSec имеет возможность шифровать пакеты перед тем, как передавать их по сети.
  • Целостность данных . Получатель данных IPSec имеет возможность аутентифицировать сообщающиеся с ним стороны (устройства или программное обеспе¬чение, в которых начинаются и заканчиваются туннели IPSec) и пакеты IPSec, посылаемые этими сторонами, чтобы быть уверенным в том, что данные не были изменены в пути.
  • Аутентификация источника данных . Получатель данных IPSec имеет возмож¬ность аутентифицировать источник получаемых пакетов IPSec. Этот сервис за¬висит от сервиса целостности данных.
  • Защита от воспроизведения . Получатель данных IPSec может обнаруживать и от¬вергать воспроизведенные пакеты, не допуская их фальсификации и проведе¬ния атак внедрения посредника.

IPSec представляет собой основанный на стандартах набор протоколов и алгоритмов защиты. Технология IPSec и связанные с ней протоколы защиты соответствуют открытым стандартам, которые поддерживаются группой IETF (Internet Engineering Task Force - проблемная группа проектирования Internet) и описаны в спецификациях RFC и проектах IETF. IPSec действует на сетевом уровне, обеспечивая защиту и аутентификацию пакетов IP, пересылаемых между устройствами (сторонами) IPSec - такими как маршрутизаторы Cisco, брандмауэры PIX Firewall, клиенты и концентраторы Cisco VPN, а также многие другие продукты, поддерживающие IPSec. Средства поддержки IPSec допускают масштабирование от самых малых до очень больших сетей.

Ассоциации защиты (Security Association ,SA)

IPSec предлагает стандартный способ аутентификации и шифрования соединений между сообщающимися сторонами. Чтобы обеспечить защиту связей, средства IPSec используют стандартные алгоритмы (т.е. математические формулы) шифрования и аутентификации, называемые преобразованиями. В IPSec используются открытые стандарты согласования ключей шифрования и управления соединениями, что обеспечивает возможность взаимодействия между сторонами. Технология IPSec предлагает методы, позволяющие сторонам IPSec "договориться" о согласованном использовании сервисов. Чтобы указать согласуемые параметры, в IPSec используются ассоциации защиты.

Ассоциация защиты (Security Association - SA) представляет собой согласованную политику или способ обработки данных, обмен которыми предполагается между двумя устройствами сообщающихся сторон. Одной из составляющих такой политики может быть алгоритм, используемый для шифрования данных. Обе стороны могут ис¬пользовать один и тот же алгоритм как для шифрования, так и для дешифрования. Действующие параметры SA сохраняются в базе данных ассоциаций защиты (Security Association Database - SAD) обеих сторон.

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.

Протокол IKE (Internet Key Exchange - обмен Internet-ключами) является гибридным протоколом, обеспечивающим специальный сервис для IPSec, а именно аутентификацию сторон IPSec, согласование параметров ассоциаций защиты IKE и IPSec, а также выбор ключей для алгоритмов шифрования, используемых в рамках IPSec. Протокол IKE опира¬ется на протоколы ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol - протокол управления ассоциациями и ключами защиты в сети Internet) и Oakley, которые применяются для управления процессом создания и обработки ключей шифрования, используемых в преобразованиях IPSec. Протокол IKE применяется также для формирования ассоциаций защиты между потенциальными сторонами IPSec.
Как IKE, так и IPSec используют ассоциации зашиты, чтобы указать параметры связи.
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.

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

Инфраструктура IPSec

Сети VPN на основе IPSec могут быть построены с помощью самых разных устройств Cisco - маршрутизаторов Cisco, брандмауэров CiscoSecure PIX Firewall, программного обеспечения клиента CiscoSecure VPN и концентраторов Cisco VPN серий 3000 и 5000. Маршрутизаторы Cisco имеют встроенную поддержку VPN с соответствующими богатыми возможностями программного обеспечения Cisco IOS, что уменьшает сложность сетевых решений и снижает общую стоимость VPN при возможности построения многоуровневой защиты предоставляемых сервисов. Брандмауэр PIX Firewall является высокопроизводительным сетевым устройством, которое может обслуживать конечные точки туннелей, обеспечивая им высокую пропускную способность и прекрасные функциональные возможности брандмауэра. Программное обеспечение клиента CiscoSecure VPN поддерживает самые строгие требования VPN удаленного доступа для операций электронной коммерции, а также приложений мо¬бильного доступа, предлагая законченную реализацию стандартов IPSec и обеспечивая надежное взаимодействие маршрутизаторов Cisco и брандмауэров PIX Firewall.

Как работает IPSec


IPSec опирается на ряд технологических решений и методов шифрования, но действие IPSec в общем можно представить в виде следующих главных шагов:
  • Шаг 1. Начало процесса IPSec. Трафик, которому требуется шифрование в соответствии с политикой защиты IPSec, согласованной сторонами IPSec, начинает IКЕ-процесс.
  • Шаг 2. Первая фаза IKE . IKE-процесс выполняет аутентификацию сторон IPSec и ведет переговоры о параметрах ассоциаций защиты IKE, в результате чего создается защищенный канал для ведения переговоров о параметрах ассоциаций защиты IPSec в ходе второй фазы IKE.
  • Шаг 3. Вторая фаза IKE . IKE-процесс ведет переговоры о параметрах ассоциации защиты IPSec и устанавливает соответствующие ассоциации защиты IPSec для устройств сообщающихся сторон.
  • Шаг 4. Передача данных . Происходит обмен данными между сообщающимися сторонами IPSec, который основывается на параметрах IPSec и ключах, хранимых в базе данных ассоциаций защиты.
  • Шаг 5. Завершение работы туннеля IPSec . Ассоциации защиты IPSec завершают свою работу либо в результате их удаления, либо по причине превышения предельного времени их существования.
В следующих разделах указанные шаги будут описаны подробнее.

IPSec опирается на ряд технологических решений и методов шифрования, но действие IPSec в общем можно представить в виде следующих главных шагов:

    Шаг 1. Начало процесса IPSec . Трафик, которому требуется шифрование в соответствии с политикой защиты IPSec, согласованной сторонами IPSec, начинает IКЕ-процесс.

    Шаг 2. Первая фаза IKE . IKE-процесс выполняет аутентификацию сторон IPSec и ведет переговоры о параметрах ассоциаций защиты IKE, в результате чего создается защищенный канал для ведения переговоров о параметрах ассоциаций защиты IPSec в ходе второй фазы IKE.

    Шаг 3. Вторая фаза IKE . IKE-процесс ведет переговоры о параметрах ассоциации защиты IPSec и устанавливает соответствующие ассоциации защиты IPSec для устройств сообщающихся сторон.

    Шаг 4. Передача данных. Происходит обмен данными между сообщающимися сторонами IPSec, который основывается на параметрах IPSec и ключах, хранимых в базе данных ассоциаций защиты.

    Шаг 5. Завершение работы туннеля IPSec . Ассоциации защиты IPSec завершают свою работу либо в результате их удаления, либо по причине превышения предельного времени их существования.

Режимы работы ipSec

Существует два режима работы IPSec: транспортный и туннельный.

В транспортном режиме шифруется только информативная часть IP-пакета. Маршрутизация не затрагивается, так как заголовок IP-пакета не изменяется. Транспортный режим, как правило, используется для установления соединения между хостами.

В туннельном режиме IP-пакет шифруется целиком. Для того, чтобы его можно было передать по сети, он помещается в другой IP-пакет. Таким образом, получается защищенный IP-туннель. Туннельный режим может использоваться для подключения удаленных компьютеров к виртуальной частной сети или для организации безопасной передачи данных через открытые каналы связи (Internet) между шлюзами для объединения разных частей виртуальной частной сети.

Согласование преобразований IPSec

В ходе работы протокола IKE ведутся переговоры о преобразованиях IPSec (алгоритмах защиты IPSec). Преобразования IPSec и связанные с ними алгоритмы шифрования являются следующими:

    Протокол АН (Authentication Header - заголовок аутентификации). Протокол зашиты, обеспечивающий аутентификацию и (в качестве опции) сервис выявления воспроизведения. Протокол АН действует как цифровая подпись и гарантирует, что данные в пакете IP не будут несанкционированно изменены. Протокол АН не обеспечивает сервис шифрования и дешифрования данных. Данный протокол может использоваться или самостоятельно, или совместно с протоколом ESP.

    Протокол ESP (Encapsulating Security Payload -- включающий защиту полезный груз). Протокол защиты, обеспечивающий конфиденциальность и защиту данных, а также (в качестве опции) сервис аутентификации и выявления воспроизведения. Поддерживающие IPSec продукты Cisco используют ESP для шифрования полезного груза IP-пакетов. Протокол ESP может использоваться самостоятельно или совместно с АН.

    Стандарт DES (Data Encription Standard -- стандарт шифрования данных). Алгоритм шифрования и дешифрования данных пакетов. Алгоритм DES используется как в рамках IPSec, так и IKE. Для алгоритма DES используется 56-битовый ключ, что означает не только более высокое потребление вычислительных ресурсов, но и более надежное шифрование. Алгоритм DES является симметричным алгоритмом шифрования, для которого требуются идентичные секретные ключи шифрования в устройствах каждой из сообщающихся сторон IPSec. Для создания симметричных ключей применяется алгоритм Диффи-Хеллмана. IKE и IPSec используют алгоритм DES для шифрования сообщений.

    "Тройной" DES (3DES). Вариант DES, основанный на использовании трех итераций стандартного DES с тремя разными ключами, что практически утраивает стойкость DES. Алгоритм 3DES используется в рамках IPSec для шифрования и дешифрования потока данных. Данный алгоритм использует 168-битовый ключ, что гарантирует высокую надежность шифрования. IKE и IPSec используют алгоритм 3DES для шифрования сообщений.

    AES (advanced encryption standard ). Протокол AES использует алгоритм шифрования Rine Dale4, который обеспечивает существенно более надежное шифрование. Многие криптографы считают, что AES вообще невозможно взломать. Сейчас AES яв­ляется федеральным стандартом обработки информации. Он определен как алгоритм шифрования для использования правительственными организациями США для защи­ты важных, но несекретных сведений. Проблема, связанная с AES, состоит в том, что для его реализации требуется большая вычислительная мощность по сравнению с аналогичными протоколами.

При преобразовании IPSec используется также два стандартных алгоритма хэширования, обеспечивающих аутентификацию данных.

    Алгоритм MD5 (Message Digest 5). Алгоритм хэширования, применяемый для аутентификации пакетов данных. В продуктах Cisco используется вычисляемый с помощью MD5 код НМАС (Hashed Message Authentication Code -- хэшированный код аутентичности сообщения)- вариант кода аутентичности сообщения, которому обеспечивается дополнительная защита с помощью хэширования. Хэширование представляет собой процесс одностороннего (т.е. необратимого) шифрования, в результате которого для поступающего на вход сообщения произвольной длины получается вывод фиксированной длины. IKE, АН и ESP используют MD5 для аутентификации данных.

    Алгоритм SHA-1 (Secure Hash Algorithm-1 -- защищенный алгоритм хэширования 1). Алгоритм хэширования, используемый для аутентификации пакетов данных. В продуктах Cisco применяется вариант кода НМАС, вычисляемый с помощью SHA-1. IKЕ, АН и ESP используют SHA-1 для аутентификации данных.

В рамках протокола IKE симметричные ключи создаются с помощью алгоритма Диффи-Хеллмана, использующего DES, 3DES, MD5 и SHA. Протокол Диффи-Хеллмана является криптографическим протоколом, основанным на применении открытых ключей. Он позволяет двум сторонам согласовать общий секретный ключ, не имея достаточно надежного канала связи. Общие секретные ключи требуются для алгоритмов DES и НМАС. Алгоритм Диффи-Хеллмана используется в рамках IKE для создания сеансовых ключей. Группы Diffie-Hellman (DH) – определяют «силу» ключа шифрования, который используется в процедуре обмена ключами. Чем выше номер группы, тем «сильнее» и безопаснее ключ. Однако следует учитывать тот факт, что при увеличении номер группы DH увеличивается «сила» и уровень безопасности ключа, однако одновременно увеличивается нагрузка на центральный процессор, так как для генерации более «сильного» ключа необходимо больше времени и ресурсов.

Устройства WatchGuard поддерживают DH группы 1, 2 и 5:

    DH group 1: 768-bit key

    DH group 2: 1024-bit key

    DH group 5: 1536-bit key

Оба устройства, которые обмениваются данными через VPN должны использовать одну и ту же группу DH. Группа DH, которая будет использоваться устройствами, выбирается во время IPSec Phase 1 процедуры.