Информационная безопасность. Лекция 16: Протоколы безопасности
IPSec
Безопасный протокол IP (IPSec) представляет собой набор стандартов, используемых для защиты данных и для аутентификации на уровне IP. Текущие стандарты IPSec включают независимые от алгоритмов базовые спецификации, которые являются стандартными RFC.
IPsec предназначен для безопасного взаимодействия на основе криптографии для IPv4 и IPv6. Набор сервисов безопасности включает управление доступом, целостность соединения, аутентификацию исходных данных, защиту от replay-атак (целостность последовательности), конфиденциальность (шифрование) и конфиденциальный поток трафика. Эти сервисы предоставляются на уровне IP, обеспечивая защиту для IP и/или протоколов более высокого уровня.
IPsec поддерживает две формы целостности: целостность соединения и частичную целостность последовательности. Целостность соединения является сервисом безопасности, который определяет модификацию конкретной IP датаграммы, безотносительно последовательности датаграмм в потоке трафика. Частичная целостность последовательности является anti-reply сервисом, с помощью которого определяется получение дубликатов IP датаграм.
IPsec обеспечивает сервисы безопасности на IP-уровне, выбирая нужные протоколы безопасности, определяя алгоритмы, используемые сервисами, и предоставляя все криптографические ключи требуемым сервисам. IPsec может использоваться для защиты одного или нескольких «путей» между парой хостов, между парой шлюзов безопасности или между шлюзом безопасности и хостом.
Как работает IPsec
IPsec использует два протокола для обеспечения безопасности трафика — Authentication Header (AH) и Encapsulating Security Payload (ESP).
- Authentication Header (AH) обеспечивает целостность соединения, аутентификацию исходных данных и дополнительно может обеспечивать anti-replay сервис.
- Encapsulating Security Payload (ESP) протокол может обеспечивать конфиденциальность (шифрование) трафика. ESP также может обеспечивать целостность соединения, аутентификацию исходных данных и дополнительно anti-replay сервис. Целостность обеспечивается только для протоколов более высокого уровня. Хотя бы один из этих сервисов должен быть задействован при использовании ESP.
Эти протоколы могут применяться как по отдельности так и в комбинации друг с другом для обеспечения необходимого набора сервисов безопасности в IPv4 и IPv6. Каждый протокол поддерживает два режима использования: режим транспорта и режим туннелирования.
IPsec позволяет системному администратору управлять детализацией, с которой предоставляется сервис безопасности. Например, можно создать единственный зашифрованный туннель между двумя безопасными шлюзами, или для каждого ТСР соединения может быть создан зашифрованный туннель между парой хостов. IPsec позволяет указывать следующие параметры:
- Какие сервисы используются и в какой комбинации.
- Необходимый уровень детализации применяемой защиты.
- Алгоритмы, используемые для обеспечения безопасности на основе криптографии.
Протокол IPSec включает криптографические методы, удовлетворяющие потребности управления ключами на сетевом уровне безопасности. Протокол управления ключами Ассоциации безопасности Интернет (Internet Security Association Key Management Protocol — ISAKMP) создает рамочную структуру для управления ключами в сети Интернет и предоставляет конкретную протокольную поддержку для согласования атрибутов безопасности. Само по себе это не создает ключей сессии, однако эта процедура может использоваться с разными протоколами, создающими такие ключи.
Протокол определения ключей Oakley Key Determination Protocol пользуется гибридным методом Диффи-Хеллмана, чтобы создать ключи сессии Интернет для центральных компьютеров и маршрутизаторов. Протокол Oakley решает важную задачу обеспечения полной безопасности эстафетной передачи данных. Он основан на криптографических методах. Полная защита эстафетной передачи означает, что если хотя бы один ключ раскрыт, раскрыты будут только те данные, которые зашифрованы этим ключом. Что же касается данных, зашифрованных последующими ключами, они останутся в полной безопасности.
Протоколы ISAKMP и Oakley были совмещены в рамках гибридного протокола IKE — Internet Key Exchange. Протокол IKE, включающий ISAKMP и Oakley, использует рамочную структуру ISAKMP для поддержки подмножества режимов обмена ключами Oakley. Новый протокол обмена ключами обеспечивает (в виде опции) полную защиту эстафетной передачи данных, полную защиту ассоциаций, согласования атрибутов, а также поддерживает методы аутентификации, допускающие отказ от авторства и не допускающие такого отказа. Этот протокол может, к примеру, использоваться для создания виртуальных частных сетей (VPN) и для того, чтобы предоставить пользователям, находящимся в удаленных точках (и пользующимся динамически распределяемыми адресами IP), доступ к защищенной сети.
Стандарт IPSec позволит поддержать на уровне IP потоки безопасных и аутентичных данных между взаимодействующими устройствами, включая центральные компьютеры, межсетевые экраны (сетевые фильтры) различных типов и маршрутизаторы. Прежде, чем пройти межсетевой экран предприятия, весь трафик, идущий от удаленного маршрутизатора, должен быть аутентифицирован. Маршрутизатор и межсетевой экран должны согласовать «ассоциацию безопасности» (SA), то есть прийти к согласию относительно политики в области безопасности. Понятие «Безопасные Ассоциации» (Security Association — SA) является фундаментальным в IPsec. SA включает:
• алгоритм шифрования;
• алгоритм аутентификации;
• общий ключ сессии;
• срок действия ключа.
SA есть совокупность параметров соединения, которые дают возможность сервисам обеспечивать безопасный трафик. SA определяет использование AH или ESP. Если к потоку трафика применяются оба протокола, AH и ESP, то создаются две SA. При двунаправленном соединении между двумя хостами или между двумя шлюзами безопасности требуется два SA (по одному на каждое направление).
SA однозначно определяется тройкой, состоящей из Security Parameter Index (SPI), IP Destination Address (адресом назначения) и идентификатора протокола безопасности (AH или ESP). В принципе адрес назначения может быть единственным адресом, широковещательным (broadcast) адресом или групповым (multicast) адресом. Однако механизм управления SA в настоящее время определяется только для единственной SA. Следовательно, SA будут описаны в контексте point-to-point соединения, даже если концепция также применяется в случае point-to-multipoint.
Определены два режима SA: режим транспорта и режим туннелирования. Транспортный режим SA обеспечивает безопасную связь между двумя хостами. В IPv4 заголовок протокола безопасности транспортного режима появляется сразу после IP заголовка и всех опций и перед любыми протоколами более высокого уровня (ТСР или UDP). В случае ESP транспортный режим SA обеспечивает сервисы безопасности только для протоколов более высокого уровня, но не для IP-заголовка. В случае AH защита также распространяется на отдельные части IP-заголовка.
Другим режимом SA является режим туннелирования. Если хотя бы одним из концов соединения является шлюз безопасности, то SA обязательно должна выполняться в туннелирующем режиме. SA между двумя шлюзами безопасности всегда находится в туннелирующем режиме, так же, как и SA между хостом и шлюзом безопасности. Заметим, что когда трафик предназначен для шлюза безопасности, например, в случае SNMP-команд, шлюз безопасности рассматривается как хост, и допустим транспортный режим. Два хоста могут при желании так же устанавливать туннелирующий режим.
B туннелирующем режиме SA существует «внешний» IP заголовок, который определяет пункт назначения IPsec, и «внутренний» IP заголовок, который определяет конечный пункт назначения для пакета. Заголовок протокола безопасности расположен после внешнего IP заголовка и перед внутренним IP заголовком. Если AH используется в туннелирующем режиме, части внешнего IP заголовка являются защищенными, как и весь туннелируемый IP пакет, т.е. все внутренние заголовки защищены, как и все протоколы более высокого уровня. Если применяется ESP, зашита обеспечивается только для туннелируемого пакета, а не для внешнего IP-заголовка.
Итак:
- Хост может поддерживать оба режима, как транспортный, так и туннелирующий.
- Шлюз безопасности может использовать только туннелирующий режим. Если он поддерживает транспортный режим, то этот режим должен использоваться только тогда, когда безопасный шлюз является хостом, например, для управления сетью.
Существуют две БД: БД Политики Безопасности (SPD) и БД Безопасной Ассоциации (SAD). Первая описывает политики, которые определяют характер обработки всего IP трафика. Вторая БД содержит параметры, которые связаны с каждой активной безопасной ассоциацией. Каждый сетевой интерфейс, для которого необходима обработка IPsec, требует определения баз данных для входящего и исходящего трафика.
