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.

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:


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

IPsec изнутри

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

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

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

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

Две основные фазы IPsec

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

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

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

Как обрабатывать данные

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

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

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

Режимы IKEv1

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

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


Двух фаз оказалось недостаточно

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

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

IKEv2 vs IKEv1

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

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

Выходим на рубеж

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


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

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

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

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

Атакуем первую фазу

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

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

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

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

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

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

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

Преодолеваем первые сложности

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

В чем сила IKE

Установить IKEForce в произвольный каталог можно, выполнив команду

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

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

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

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

Получаем PSK

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

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

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

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

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

Расправляемся со вторым фактором IPsec

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

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

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

Входим во внутреннюю сеть

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

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

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

Root@kali:~# vpnc vpn

Отключение тоже достаточно простое:

Root@kali:~# vpnc-disconnect

Проверить работоспособность подключения можно, используя команду ifconfig tun0 .

Как построить надежную защиту

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

Что в итоге

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

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.

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 исключен из списка возможных кандидатов еще в 1997 г.

заголовки AH и ESP

аутентифицирующий 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.

инкапсуляция зашифрованных данных 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 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 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 передается 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 трех 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.

протокол 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.

протокол 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 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 ее 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, повторенный B раз;
opad = байт 0x5C, повторенный 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 IPSec

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 серьезные проблемы безопасности практически во всех главных компонентах IPsec. Эти авторы также отмечают, что набор протоколов требует серьезной доработки для того, чтобы он обеспечивал хороший уровень безопасности.