TÌM HIỂU VỀ IPv4 AND IPv6 SECURITY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÀI ĐẶT

SA là những thông số bảo mật đã được thỏa thuận thành công, các thông số SA này sẽ được lưu trong cơ sở dữ liệu của SA Ngoài ra IKE còn dùng 2 giao thức khác để chứng thực đầu cuối vàtạo

ĐỂ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ IPv4 AND IPv6 SECURITY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÀI ĐẶT

Chương 1: Tổng quan về Internet protocol security (IPsec)

1.1 Giới thiệu IPsec

IPSec là một tập các giao thức chuẩn, cung cấp các dịch vụ bảo mật cho những gói tin IP tại lớp Network Những dịch vụ này bao gồm các điều khiển truy cập access control list, toàn vẹn dữ liệu-data integrity, xác thực-authentication, tránh trùng lặp gói tin -against replay và sự bảo mật dữ liệu -data security IPSec là sự lựa chọn hàng đầu cho việc bảo mật trong VPN

1.2 Khung giao thức IPsec

IPSec là một tập các chuẩn mở, được phát triển bởi IETF

Khung giao thức được sử dụng trong IPSec

Một số tính năng được khuyến khích sử dụng khi làm việc với IPSec

– Các giao thức bảo mật IPSec

+ AH (Authentication Header): cung cấp tính toàn vẹn phi kết nối

và chứng thực nguồn gốc dữ liệu cho các gói dữ liệu IP và bảo vệ chống lại các cuộc tấn công replay

+ ESP (Encapsulation Security Payload): cung cấp tính năng bảo mật, chứng thực nguồn gốc dữ liệu, tính toàn vẹn phi kết nối và dịch

vụ chống replay

– Các thuật toán mã hóa

+ DES (Data Encryption Standard): Được phát triển bởi IBM DES

sử dụng 1 khóa 56-bít, đảm bảo hiệu năng mã hóa cao DES là một hệ thống mã hóa khóa đối xứng

+ 3 DES (Triple DES): là một biến thể của DES 56-bít Hoạt động tương tự như DES, trong đó dữ liệu được chia thành các khối 64 bít 3DES thực thi mỗi khối ba lần, mỗi lần với một khóa 56 bít độc lập 3DES cung cấp sức mạnh khóa đáng kể so với DES

– Các chức năng toàn vẹn dữ liệu

+ HMAC (Hash – ased Message Authentication Code): là một thuật toán toàn vẹn dữ liệu đảm bảo tính toàn vẹn của bản tin Tại đầu cuối, bản tin và một khóa chia sẻ bí mật được gửi thông qua một thuật toán băm, trong đó tạo ra một giá trị băm Bản tin và giá trị băm được gửi qua mạng

+ MD5 (Message Digest 5): là một hàm băm để mã hóa với giá trị băm là 128 bít MD5 biến đổi một thông điệp có chiều dài bất kỳ thành một khối có kích thước cố định 128 bít Thông điệp đưa vào sẽ được cắt thành các khối 512 bít, thông điệp sau đó được độn sao cho chiều dài của nó chia chẵn cho 512

+ SHA-1 (Secure Hash Algorithm -1): Sử dụng một khóa 160 bít,

224 bít…

– Các phương pháp xác thực (peer Authentication)

+ Rivest, Shamir, and Adelman (RSA) Digital Signatures: là một

hệ thống mật mã khóa bất đối xứng Nó sử dụng một chiều dài khóa là

512 bít, 768 bít, 1024 bít hoặc lớn hơn IPsec không sử dụng RSA để

mã hóa dữ liệu Chỉ sử dụng RSA để mã hóa trong giai đoạn xác thực ngang hàng

+ RSA Encrypted Nonces

– Các giao thức quản lý khoá

+ ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol

1.3 Tính năng của IPsec

1.3.1 Sự bảo mật dữ liệu (Data Confidentiality):

Đảm bảo dữ liệu được bảo mật, tránh những kẻ tấn công phá hoại bằng cách thay đổi nội dung hoặc đánh cắp dữ liệu quan trọng Việc bảo

vệ dữ liệu được thực hiện bằng các thuật toán mã hóa như DES, 3DES vàAES Tuy nhiên, đây là một tính năng tùy chọn trong IPSec

1.3.2 Sự toàn vẹn dữ liệu (Data Integrity):

Đảm bảo rằng dữ liệu không bị thay đổi trong suốt quá trình trao đổi Data integrity bản thân nó không cung cấp sự bảo mật dữ liệu Nó sử dụng thuật toán băm (hash) để kiểm tra dữ liệu bên trong gói tin có bị thay đổi hay không Những gói tin nào bị phát hiện là đã bị thay đổi thì sẽ

bị loại bỏ Những thuật toán băm: MD5 hoặc SHA-1

1.3.3 Chứng thực nguồn dữ liệu (Data Origin Authentication):

Mỗi điểm cuối của VPN dùng tính năng này để xác định đầu phía bên kia có thực sự là người muốn kết nối đến mình hay không Lưu ý là tính năng này không tồn tại một mình mà phụ thuộc vào tính năng toàn vẹn dữliệu Việc chứng thực dựa vào những kĩ thuật: Pre-shared key, RSA-encryption, RSA-signature

1.4.1 Internet Key Exchange (IKE)

Là giao thức thực hiện quá trình trao đổi khóa và thỏa thuận các thông số bảo mật như: thuật toán mã hóa được áp dụng, khoảng thời gian khóa cần được thay đổi Sau khi thỏa thuận xong thì sẽ thiết lập

“hợp đồng” giữa 2 bên, khi đó IPSec SA (Security Association) được tạo ra

SA là những thông số bảo mật đã được thỏa thuận thành công, các thông số SA này sẽ được lưu trong cơ sở dữ liệu của SA

Ngoài ra IKE còn dùng 2 giao thức khác để chứng thực đầu cuối vàtạo khóa: ISAKMP (Internet Security Association and Key

Management Protocol) và Oakley

– ISAKMP: là giao thức thực hiện việc thiết lập, thỏa thuận và quản lý chính sách bảo mật SA

– Oakley: là giao thức làm nhiệm vụ chứng thực khóa, bản chất là dùng thuật toán Diffie-Hellman để trao đổi khóa bí mật thông qua môitrường chưa bảo mật.

Lưu ý: Giao thức IKE dùng UDP port 500

1.4.2 Encapsulating Security Payload (ESP):

Là giao thức cung cấp sự bảo mật, toàn vẹn, chứng thực nguồn dữ liệu và những tùy chọn khác, chẳng hạn anti-replay ESP cung cấp gần như toàn bộ tính năng của IPSec, ngoài ra nó còn cung cấp tính năng mã hóa dữ liệu Do đó, ESP được sử dụng phổ biến trong IPSec VPN ESP bao gồm những tính năng sau:

 Tính bảo mật (Data confidentiality)

 Tính toàn vẹn dữ liệu (Data integrity)

 Chứng thực nguồn dữ liệu (Data origin authentication)

 Tránh trùng lặp (Anti-replay)

Những tính năng trên cũng là những tính năng đặc trưng và chính yếu nhất của IPSec

Lưu ý: ESP sử dụng IP protocol number 50

Hoạt dộng của ESP

ESP chèn một header vào sau phần IP header và trước header của giao thức lớp trên Header này có thể là một IP header mới trong tunnel mode hoặc IP header của gói tin ban đầu trong transport mode Hình sau cho thấy vị trí của ESP header trong transport mode và tunnel mode:

IP Packet được bảo vệ bởi ESP trong Tunnel Mode

1.4.3 Authentication Header (AH)

Là giao thức cung cấp sự toàn vẹn, chứng thực nguồn dữ liệu và một số tùy chọn khác Nhưng khác với ESP, nó không cung cấp chức năng bảo mật (data confidential) AH đảm bảo dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền dẫn nhưng không mã hóa dữ liệu

Trường AH chỉ định cái sẽ theo sau AH header Trong transport mode, nó sẽ là giá trị của giao thức lớp trên đang được bảo vệ (chẳng hạn UDP hoặc TCP) Trong tunnel mode, giá trị này là 4 Vị trí của AH trong transport và tunnel mode được mô tả ở hình sau:

Trong tunnel mode, AH đóng gói gói tin IP và thêm vào một IP header trước AH header

IP Packet được bảo vệ bởi AH trong Tunnel Mode

1.5 Hoạt động của IPSec

Mục đích chính của IPSec là bảo vệ luồng dữ liệu mong muốn dựa trên các dịch vụ bảo mật có sẵn, hoạt động của IPSec có thể chia thành 5 bước chính như sau:

Hoạt động của IPSec

 A gửi các traffic cần bảo vệ tới B

 A gửi các traffic cần bảo vệ tới B

IKE SA ← IKE Phase 1 → IKE SA

 A gửi các traffic cần bảo vệ tới B

IPSec SA ← IKE Phase 2 → IPSec SA

 A gửi các traffic cần bảo vệ tới B

 A gửi các traffic cần bảo vệ tới B

Bước 1:

Traffic cần được bảo vệ khởi tạo quá trình IPSec Ở đây, các thiết đầu cuối IPSec sẽ nhận ra đâu là lưu lượng cần được bảo vệ thông qua trường địa chỉ

Bước 2:

IKE Phase 1 – IKE xác thực các bên và một tập các dịch vụ bảo mật được thoả thuận và công nhận để thiết lập IKE SA Trong phase này, sẽ thiết lập một kênh truyền thông bảo mật để tiến hành thoả thuận IPSec SA trong Phase 2

Bước 3:

IKE Phase 2 – IKE thoả thuận các tham số IPSec SA và thiết lập các IPSec SA tương đương ở hai phía Các tham số bảo mật này được sử dụng để bảo vệ dữ liệu và các gói tin trao đổi giữacác điểm đầu cuối Kết quả cuối cùng của hai bước trên sẽ tạo ra một kênh thông tin bảo mật giữa hai bên

Bước 5:

Kết thúc đường hầm IPSec – Do các IPSec SA hết hạn hoặc

bị xoá

Chương 2: Internet protocol sercurity trong IPv6 và IPv4

2.1 Internet protocol security trong IPv6

IP Security (IPSec) là tiêu chuẩn của IETF (Internet Engineering Task Force) nhằm cung cấp bảo mật cho mạng Internet IPSec đảm bảo tính toàn vẹn, xác thực và bảo mật

2.1.1 Mào đầu gói tin IPv6

IPv6 chỉ có 6 trường và 2 địa chỉ, IPv6 header có kích thước cố định Với kích thước cố định thì một router có thể xử lý gói tin một cách hiệu quả

2.1.1.1 Chiều dài phần mào đầu

Gói tin IPv6 có hai dạng mào đầu: mào đầu cơ bản và mào đầu mở rộng Phần mào đầu cơ bản có chiều dài cố định 40 byte, chứa những thông tin cơ bản trong xử lý gói tin IPv6 Những thông tin liên quan đến dịch vụ mở rộng kèm theo được chuyển hẳn tới một phân đoạn khác gọi

là mào đầu mở rộng Cấu trúc gói tin IPv6:

Cấu trúc gói tin IPv6

2.1.1.2 Định dạng các trường mào đầu

Cấu trúc mào đầu của IPv6 header gồm:

 Phiên bản (Version): Gồm 4 bít được sử dụng để xác định phiên bản của giao thức IP đang được sử dụng và nó có giá trị là 6 với IPv6

 Phân dạng lưu lượng (Traffic Class): Gồm 8 bít thực hiện chức năng tương tự trường Dạng dịch vụ (Type of Service) của IPv4 Trường này được sử dụng để biểu diễn mức độ ưu tiên của gói tin, mỗi điểm kết nối IPv6 có thể đánh dấu gói tin với từng loại dữ liệu, ví dụ gói tin nên được truyền với tốc độ nhanh hay thông thường.

 Nhãn dòng (Flow Label): Có chiều dài 20 bít, là trường mới được thiết lập trong IPv6 Trường này được sử dụng để chỉ định gói tin thuộc một dòng (Flow) nhất định giữa nguồn và đích, yêu cầu bộ định tuyến IPv6 phải có cách xử lý đặc biệt.Bằng cách sử dụng trường này, nơi gửi gói tin có thể xác định một chuỗi các gói tin, ví dụ gói tin của dịch vụ thoại VoIP thành một dòng và yêu cầu chất lượng cụ thể cho dòng

đó Khi một router xác định dòng lưu lượng lần đầu, nó sẽ nhớ dòng lưu lượng đó, cũng như các xử lý đặc biệt ứng với lưu lượng này, và khi các lưu lượng khác thuộc dòng này đến, nó sẽ xử lý nhanh hơn là xử lý từng packet

 Chiều dài tải dữ liệu (Payload Length): Gồm 16 bít, tương tựnhư trường total length của IPv4, xác định tổng kích thước của gói tin IPv6 bao gồm cả phần mào đầu mở rộng (không chứa header)

 Next header: Gồm 8 bít, thay thế trường Thủ tục (Protocol) Trường này chỉ định đến mào đầu mở rộng đầu tiên của gói tin IPv6, đặt sau mào đầu cơ bản hoặc chỉ định tới thủ tục lớp trên như TCP, UDP, ICMPv6 khi trong gói tin IPv6 không có mào đầu mở rộng

 Hop limit: Gồm 8 bít, được sử dụng để giới hạn số hop mà packet đi qua, được sử dụng để tránh cho packet được định tuyến vòng vòng trong mạng Trường này giống như trường TTL (Time-To-Live) của IPv4

 Source Address: Gồm 128 bít, xác định địa chỉ nguồn của gói tin

 Destination Address: Gồm 128 bít, xác định địa chỉ đích của gói tin

Định dạng gói tin IPv6

2.1.1.3 Các trường mào đầu mở rộng

Mào đầu mở rộng (extension header) là đặc tính mới của thế

hệ địa chỉ IPv6

Những thông tin liên quan đến dịch vụ kèm theo được chuyển hẳn tới một phân đoạn khác gọi là header mở rộng, mỗi header mở rộngđược nhận dạng bởi trường Next Header Các header mở rộng được đặt giữa IPv6 header và header của các giao thức lớp trên, được sử dụng để mang các thông tin tuỳ chọn ở lớp mạng

(Network layer) trong gói tin Một gói tin IPv6 có thể chứa một hay nhiều header mở rộng, được đặt sau mào đầu cơ bản Các mào đầu mở rộng được đặt nối tiếp nhau theo thứ tự quy định, mỗi dạng

có cấu trúc trường riêng Thông thường, các mào đầu mở rộng được xử lý tại đích Tuy nhiên cũng có dạng mào đầu mở rộng được xử lý tại mọi bộ định tuyến mà gói tin đó đi qua, đó là dạng mào đầu mở rộng Từng bước (Hop by Hop) Mỗi header mở rộng

sẽ có giá trị đại diện cho nó Ví dụ: TCP (6); UDP (7); Routing hea

der (43); Fragment header (44); ESP (50); AH (51); ICMP (58) [1]

Các giá trị của trường Next Header

Mào đầu cơ bản và mọi mào đầu mở rộng IPv6 đều có trường mào đầu tiếp theo (Next Header) chiều dài 8 bít Trong màođầu cơ bản, trường Next Header sẽ xác định gói tin có tồn tại mào đầu mở rộng hay không Nếu không có mào đầu mở rộng giá trị của trường sẽ xác định phần mào đầu của tầng cao hơn (TCP hay UDP…) phía trên của tầng IP Nếu có, giá trị trường Next Header chỉ ra loại mào đầu mở rộng đầu tiên theo sau mào đầu cơ bản Tiếp theo, trường Next Header của mào đầu mở rộng thứ nhất sẽ

trỏ tới mào đầu mở rộng thứ hai, đứng kế tiếp nó Trường Next Header của mào đầu mở rộng cuối cùng sẽ có giá trị xác định mào đầu tầng cao hơn.

Mào đầu mở rộng của địa chỉ IPv6

Khi gói đi từ nguồn đến đích, các trạm trung gian không được phép

xử lý các Extension Header đến khi đến trạm đích Và việc xử lý các Header này cũng phải diễn ra theo đúng tuần tự mà các Header sắp xếp trong gói tin IPv6 Không bao giờ được phép xảy ra trường hợp trạm đíchquét qua toàn bộ gói tin và chọn ra một Header nào đó để xử lý trước Trường hợp ngoại lệ là trường hợp Hop-by-hop Extension Header, sự hiện diện của Hop-by-hop Extension Header buộc gói tin phải bị kiểm trabởi tất cả các trạm trung gian trên đường từ nguồn đến đích, bao gồm cả trạm nguồn và đích Vì vậy, Hop-by-hop Extension Header luôn phải đứng sau IPv6 Header Sự hiện diện của Extension Header này được chỉ thị bởi giá trị 0 trong Next-Header của IPv6 Header Kích thước của các Extension Header có thể tùy ý, nhưng luôn là bội số của 8 octet Nếu trong gói tin có chứa nhiều Extension Header, chúng được sắp xếp theo thứ tự sau:

 IPv6 Header

 Hop-by-Hop Options Header

 Destination Options Header: Được xử lý bởi trạm đích đầu tiên trong IPv6 Header và những trạm còn lại được chỉ ra trong Routing Header

 Routing Header

Định dạng của Extension Header

2.1.2 Tích hợp bảo mật IPsec trong địa chỉ IPv6

Cấu trúc địa chỉ IPv6 sử dụng IPSec để đảm bảo tính toàn vẹn, bảo mật và xác thực nguồn gốc dữ liệu sử dụng hai mào đầu mở rộng tùy chọn: mào đầu Xác thực- (AH -Authentication Header) và mào đầu Mã hóa (ESP - Encrypted Security Payload) Hai Header này có thể được sử dụng chung hay riêng để hỗ trợ nhiều chức năng bảo mật

Các chế độ làm việc chính của giao thức IPSec, bao gồm:

 Transport mode:

Chế độ hoạt động này bảo vệ giao thức tầng trên và các ứng dụng Trong đó, phần IPSec header được chèn vào giữa phần IP header

và phần header của giao thức tầng trên.Vì vậy, chỉ có tải (IP

payload) là được mã hóa và IP header ban đầu là được giữ nguyên vẹn Transport mode có thể được dùng khi cả hai host hỗ trợ IPSec.Hoạt động của ESP trong chế độ này được sử dụng để bảo vệ thôngtin giữa hai host cố định và bảo vệ các giao thức lớp trên của IP datagram Trong Transport Mode, AH header được chèn vào trong

IP datagram sau IP header và các tuỳ chọn Ở trong chế độ này,

AH được xem như phần tải đầu cuối tới đầu cuối (end-to-end payload), nên sẽ xuất hiện sau các phần header mở rộng hop-to-hop, routing, và fragmentation Còn phần mào đầu đích

(Destination Options Header) có thể được đặt trước hoặc sau AH

IPSec trong chế độ Transport

 Tunnel mode:

Chế độ này bảo vệ toàn bộ gói dữ liệu Toàn bộ gói dữ liệu IP được đóng gói trong một gói dữ liệu IP khác Và một IPSec header được chèn vào giữa phần đầu nguyên bản (Original Header) và phần đầu mới của IP Trong chế độ Tunnel IP header ở đầu vào mang địa chỉ nguồn và địa chỉ đích cuối cùng, còn IP header ở đầu

ra mang địa chỉ để định tuyến qua Internet Trong chế độ này, AH bảo vệ toàn bộ gói tin IP bên trong, bao gồm cả IP header đầu vào

IPSec trong chế độ Tunnel

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của các giao thức bảo mật trong địa chỉ IPv6

2.1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của AH

AH được mô tả trong RFC 4302, là một IPSec header cung cấp xácthực gói tin và kiểm tra tính toàn vẹn AH cho phép xác thực và kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu của các gói tin IP truyền giữa 2 hệ thống Nó là phương tiện để kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi trong khi truyền hay không Tuy nhiên các dữ liệu đều truyền dưới dạng bản Plaintext vì AH không cung cấp khả năng mã hóa dữ liệu

Định dạng mào đầu IPsec AH

Định dạng của AH

 Next Header:

Trường này có độ dài 8 bits để xác định mào đầu tiếp theo sau AH.Giá trị của trường này được lựa chọn từ các tập các giá trị IP Protocol Numbers định nghĩa bởi IANA- Internet Assigned Numbers Authority (xem chi tiết hình dưới)

 Payload Length:

Trường này có độ dài 8 bits để xác định độ dài của AH không có tải

 Reserved:

Trường này có độ dài 16 bits dành để dự trữ cho việc sử dụng trongtương lai Giá trị của trường này được thiết lập bằng 0 bởi bên gửi và sẽ được loại bỏ bởi bên nhận.

 SPI (Security Parameters index):

Đây là một số 32 bits bất kì, cùng với địa chỉ đích và giao thức an ninh ESP cho phép nhận dạng duy nhất chính sách liên kết bảo mật SA (xác định giao thức IPSec và các thuật toán nào được dùng để áp dụng cho gói tin) cho gói dữ liệu này Các giá trị SPI 1-255 được dành riêng để

sử dụng trong tương lai SPI thường được lựa chọn bởi phía thu khi thiết lập SA

 Sequence Number :

Trường này có độ dài 32 bits, chứa một giá trị đếm tăng dần (SN), đây là trường không bắt buộc cho dù phía thu không thực hiện dịch vụ chống trùng lặp cho một SA cụ thể nào đó Việc thực hiện SN tùy thuộc phía thu, nghĩa là phía phát luôn phải truyền trường này, còn phía thu có thể không cần phải xử lí nó Bộ đếm của phía phát và phía thu đều được khởi tạo 0 khi một SA được thiết lập (Gói đầu tiên truyền đi với SA đó sẽ

có SN=1)

 Authentication Data:

Trường có độ dài biến đổi chứa một giá trị kiểm tra tính toàn vẹn ICV (Integrity Check Value) cho gói tin, có độ dài là số nguyên lần 32 bits Trường này có thể chứa thêm một phần dữ liệu đệm để đảm bảo độ dài của AH header là số nguyên lần 32 bít (đối với IPV4) hoặc 64 bít (đốivới IPV6)

 Xác thực từ đầu cuối đến trung gian (End-to-Intermediate Authentication):

Là trường hợp xác thực giữa hệ thống đầu cuối với một thiết bị trung gian (router hoặc firewall) Trường hợp này sử dụng chế độ đường hầm (Tunnel Mode) của AH

Hai chế độ xác thực của AH

Gói tin IPv6 AH ở chế độ Transport:

Mào đầu được xác thực trong chế độ IPv6 AH Transport ( Phần màu nâu đậm là phần dữ liệu được xác thực)

Gói tin IPv6 AH ở chế độ Tunnel:

Mào đầu được xác thực trong chế độ IPv6 AH Tunnel (Phần màu nâu đậm là phần dữ liệu được xác thực).

Nguyên tắc hoạt động của AH bao gồm 4 bước:

B1: AH sẽ đem gói dữ liệu (packet ) bao gồm : Payload + IP

Header + Key cho chạy qua giải thuật Hash 1 chiều và cho ra 1 chuỗi số

và chuỗi số này sẽ được gán vào AH Header

B2: AH Header này sẽ được chèn vào giữa Payload và IP Header

và chuyển sang phía bên kia

B3: Router đích sau khi nhận được gói tin này bao gồm:

IP Header + AH Header + Payload sẽ được cho qua giải thuật Hashmột lần nữa để cho ra một chuỗi số

B4: so sánh chuỗi số nó vừa tạo ra và chuỗi số của nó nếu giống nhau thì nó chấp nhận gói tin