Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

IPsec независимым от алгоритмов, стандарт выживет даже в случае взлома одного из них. Ведь переключиться на использование другого алгоритма гораздо проще, чем целиком разрабатывать новую систему.

Разные модули нужны для того, чтобы иметь возможность защищать как одно TCP-соединение, так и весь трафик между парой хостов, а также весь трафик между парой защищенных маршрутизаторов и т.д.

Немного удивляет, что IPsec ориентирован на установление соединения, хотя расположен на уровне IP. На самом деле это не так странно, как кажется. Ведь безопасность можно обеспечить только созданием ключа и использованием его в течение какого-то времени. А это, по сути дела, разновидность соединения. К тому же все соединения нивелируют расходы на их установление за счет передачи большого количества пакетов. «Соединение» в контексте IPsec называется сопоставлением безопасности (Security Association, SA). Это симплексное соединение между двумя конечными точками, с которым связан специальный идентификатор защиты. Если требуется передача защищенных данных в обоих направлениях, нужны две SA. Идентификаторы защиты содержатся в пакетах, следующих по этим надежным соединениям, и по прибытии используются для поиска ключей и другой важной информации.

Технически IPsec состоит из двух основных частей. Первая часть описывает два новых заголовка, которые можно добавлять к пакету для передачи идентификатора защиты, данных контроля целостности и другой информации. Вторая, ISAKMP (Internet Security and Key Management Protocol — интернет-безопасность и протокол управления ключами), предназначена для создания ключей и является средой. Основным протоколом для выполнения работы является IKE (Internet Key Exchange — обмен ключами в интернете). Он прошел через множество модификаций, устранивших обнаруженные недостатки.

IPsec может работать в двух режимах. В транспортном режиме (transport mode) заголовок IPsec вставляется сразу после заголовка IP. Поле Protocol заголовка IP меняется так, чтобы было понятно, что далее следует заголовок IPsec (перед заголовком TCP). В заголовке IPsec содержится информация о безопасности, в частности идентификатор SA, новый порядковый номер и, возможно, проверка целостности пользовательских данных.

В режиме туннелирования (tunnel mode) весь IP-пакет вместе с заголовком вставляется внутрь нового IP-пакета с совершенно новым заголовком. Этот режим применяется, если туннель заканчивается не в пункте назначения. В некоторых случаях концом туннеля является шлюз безопасности, например корпоративный брандмауэр. Обычно это касается VPN. В этом режиме шлюз безопасности инкапсулирует и декапсулирует пакеты, проходящие через него. При такой организации компьютеры LAN компании не должны знать о стандарте IPsec. Об этом должен беспокоиться только шлюз безопасности.

Также режим туннелирования применяется, если несколько TCP-соединений объединяются вместе и обрабатываются в виде единого зашифрованного потока, поскольку в этом случае взломщик не может узнать, кто передает пакеты, в каком количестве и кому. А ведь иногда даже объем и назначение передаваемого трафика является ценной информацией. Например, если во время военного кризиса трафик между Пентагоном и Белым домом резко снижается, а трафик между Пентагоном и какой-нибудь военной базой в Колорадо так же резко возрастает, перехватчик может сделать из этого далеко идущие выводы. Изучение структуры потока пакетов (даже если они зашифрованы) называется анализом трафика. Режим туннелирования в некоторой степени усложняет такой анализ. Недостаток этого режима состоит в добавлении дополнительного IP-заголовка, что заметно увеличивает пакет. Транспортный режим, напротив, не так сильно влияет на размер пакетов.

Один из новых заголовков называется заголовком аутентификации (Authentication Header, AH). С его помощью проверяется целостность данных и выполняется защита от взлома путем повторной передачи. Однако он не имеет никакого отношения к секретности (то есть к шифрованию данных). Применение AH в транспортном режиме показано на илл. 8.41. В стандарте IPv4 он располагается между заголовком IP (вместе со всеми необязательными полями) и заголовком TCP. В IPv6 он рассматривается просто как еще один заголовок расширения. Формат АН действительно очень близок к формату заголовка расширения стандарта IPv6. Иногда к полю Payload (Пользовательские данные) добавляют заполнение (padding), чтобы достичь определенной длины, необходимой алгоритму аутентификации (см. илл. 8.41).

Илл. 8.41. Заголовок аутентификации IPsec в транспортном режиме для IPv4

Рассмотрим заголовок АН. В поле Next header (Следующий заголовок) хранится значение, которое раньше находилось в поле Protocol (Протокол) заголовка IP (до того, как было заменено на 51, чтобы показать, что далее следует заголовок АН). Обычно здесь встречается код для TCP (6). Поле Payload length (Длина полезной нагрузки) хранит количество 32-разрядных слов заголовка АН минус 2.

Поле Security parameters index (Указатель параметров безопасности) — это идентификатор соединения, который вставляется отправителем. Он ссылается на конкретную запись в базе данных получателя. В этой записи содержится общий ключ и другая информация о соединении. Если бы данный протокол был придуман МСЭ, а не IETF, это поле называлось бы Virtual circuit number (Номер виртуального канала).

Поле Sequence number (Порядковый номер) применяется для нумерации всех пакетов, отправляемых по SA. Все пакеты получают уникальные номера, даже если они отсылаются повторно. Другими словами, повторно передаваемый пакет имеет номер, отличный от номера оригинального пакета (даже если у них одинаковый порядковый номер TCP). Это поле служит для предотвращения взлома путем повторной передачи. Порядковые номера никогда не повторяются. Если же будут использованы все 232 номера, для продолжения коммуникации устанавливается новая SA.

Наконец, поле переменной длины Authentication data (Данные аутентификации) содержит цифровую подпись пользовательских данных. При установлении SA стороны договариваются, какой алгоритм генерации подпи­сей использовать. Обычно здесь не применяется шифрование с открытыми ключами, так как все известные алгоритмы этого типа слишком медленные, а пакеты нужно обрабатывать с очень большой скоростью. Протокол IPsec основан на шифровании с симметричными ключами, поэтому перед установлением SA отправитель и получатель должны договориться о значении общего ключа, применяемого при вычислении подписи. То есть IPsec использует код HMAC, который мало чем отличается от того кода, о котором мы говорили в разделе, посвященном аутентификации с использованием общего ключа. Вычисление этого кода выполняется гораздо быстрее, чем последовательный запуск SHA-2 и RSA.

Заголовок AH не позволяет шифровать данные, так что в основном он применяется в случаях, когда нужна проверка целостности, но не требуется секретность. Стоит отметить, что проверка целостности при помощи AH охватывает некоторые поля заголовка IP, которые не меняются при прохождении пакета между маршрутизаторами. К примеру, поле TtL (Время жизни) изменяется на каждом переходе, и проверка его не затрагивает. А вот IP-адрес источника проверяется, что делает невозможной его подмену.

Альтернативным заголовком IPsec является ESP (Encapsulating Security Payload — безопасная инкапсуляция пользовательских данных). Как показано на илл. 8.42, он может применяться как в транспортном режиме, так и в режиме туннелирования.