Источник: https://gamelton.com/2013/11/25/ipsec-vpn-basics/

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.

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

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):
   1. Согласовывается защита самого IKE (ISAKMP tunnel)
2. IKE второй фазы (IKE Phase-2):
   1. Согласовывается защита IPsec
   2. 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.

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 шифрование с открытым ключом. 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.

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.

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.

• 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.

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

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 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).

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.

Источник