Mạng riêng ảo trên nền tảng Internet: Khái niệm, ứng dụng và các giao thức đường ngầm cơ bản trong IP-VPN

Mô hình phân lớp bộ giao thức TCP/IP

Nó gồm các giao thức mức cao, mã hóa, điều khiển hội thoại … Các dịch vụ ứng dụng như SMTP, FTP, TFTP … Hiện nay có hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn các giao thức thuộc lớp này. Lớp Internet (Internet layer): Cung cấp chức năng đánh địa chỉ, độc lập phần cứng mà nhờ đó dữ liệu có thể di chuyển giữa các mạng con có kiến trúc vật lý khác nhau.

Các giao thức trong mô hình TCP/IP .1 Giao thức Internet

Giao thức lớp vận chuyển 1. Giao thức UDP

Thủ tục đóng kết nối TCP được thực hiện theo từng chiều, (giả thiết kết nối TCP là song công). Một khi kết nối đóng lại theo chiều nào đó, TCP sẽ từ chối nhận thêm dữ liệu trong kết nối của chiều đó, trong lúc dữ liệu vẫn di chuyển theo chiều ngược lại cho đến khi nơi gửi thực hiện đóng kết nối. Như vây, lời đáp của kết nối vẫn được chuyển về nơi gửi ngay cả khi kết nối đã đóng lại, khi cả hai chiều đều đóng, phần mềm TCP tại mỗi bên xóa bỏ những ghi nhận về kết nối này. Nhận SYN +ACK ACK y+1 Đầu cuối máy. tính gửi Mạng Đầu cuối máy. tính nhận Gửi SYN. Hình 1.11: Thủ tục đóng kết nối TCP c) TCP là giao thức truyền tin cậy. Bộ đếm thời gian bên gửi sẽ được kích hoạt mỗi khi gửi gói (mỗi gói được gửi sẽ được một bộ thời gian đếm từ lúc gửi). Khi qúa thời gian của bộ đếm mà chưa nhận được ACK thì mặc nhiên coi là mất gói hoặc hỏng gói và gói sẽ được gửi lại. Số thứ tự gói trong tiêu đề dùng cho bên gửi và thu xác định việc mất gói và trùng lặp dữ liệu, từ đó tái truyền hay loại bỏ gói lặp cho phù hợp. d) Kỹ thuật cửa sổ trượt.

Gới thiệu về mạng riêng ảo trên Internet IP-VPN .1 Khái niệm về mạng riêng ảo trên nền tảng Internet

Các khối cơ bản trong mạng IP-VPN Các khối cơ bản của VPN bao gồm

Chính sách truy cập đảm bảo mục đích kinh doanh, chẳng hạn, chính sách “Cho phép truy nhập cho các thuê bao chưa vượt quá 60 giờ sử dụng” có thể thực hiện bằng cách sử dụng nhận thực dựa trên RADIUS (Remote Authentication Dial-in User Service: Dịch vụ nhận thực người dùng quay số từ xa) và sử dụng một bộ đếm thời gian mỗi khi người sử dụng truy nhập. Về mặt lí thuyết có thể sử dụng bản tin RADIUS DISCONNECT (tháo gỡ kết nối radius) để ngắt phiên của người sử dụng khi đã vượt quá 60 giờ, tuy nhiên đôi khi chính sách này chỉ được áp dụng tại thời gian đăng nhập, khi tin tưởng người sử dụng không thường xuyên ở trình trạng đăng nhập, hay bằng cách đặt ra một giới hạn phiên.

Phân loại mạng riêng ảo theo kiến trúc

IP-VPN truy nhập từ xa

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của mạng truy nhập từ xa, trên toàn bộ quốc gia và thậm chí là triển khai quốc tế các POP (Point - Of - Presence: điểm hiện diện) quay số bởi các nhà cung cấp dịch vụ, chi phí cho những cuộc gọi đường dài được giảm đi, tất cả các lo lắng về thủ tục quay số có thể được nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) và nhà cung cấp truy nhập gánh chịu. Một tổ chức có thể dùng IP-VPN không chỉ để kết nối các site trực thuộc tổ chức mà còn để kết nối trong miền quản lí của mình như là các văn phòng từ xa hoặc là các văn phòng nhánh tại các vùng địa lí khác nhau tới mạng đầu não thông qua cơ sở hạ tâng chia sẻ.

Các giao thức đường ngầm trong IP-VPN

L2TP (Layer Two Tunneling Protocol)

Trong bản tin điều khiển L2TP và phần tiêu đề L2TP của dữ liệu đường ngầm có một mã số đường ngầm (Tunnel ID) để xác định đường ngầm, và một mã số cuộc gọi (Call ID)để xác định cuộc gọi trong đường ngầm đó. Đường ngầm dữ liệu L2TP được thực hiện thông qua nhiều mức đóng gói. Hình 2.11 chỉ ra cấu trúc cuối cùng của dữ liệu đường ngầm L2TP trên nên IPSec. a) Đóng gói L2TP: phần tải PPP ban đầu được đóng gói với một PPP Header và một L2TP Trailer. b) Đóng gói UDP: gói L2TP sau đó được đóng gói với một UDP Header, các địa chỉ cổng nguồn và đích được đặt bằng 1701. c)Đóng gói IPSec: tuỳ thuộc vào chính sách IPSec, gói UDP được mật mã và đóng gói với IPSec ESP Header, IPSec ESP Trailer, IPSec Authentication Trailer. d) Đóng gói IP: gói IPSec được đóng gói với IP Header chứa địa chỉ IP nguồn và đích của IP-VPN client và IP-VPN server. e)Đóng gói lớp đường truyền dữ liệu: để truyền đi được trên đường truyền LAN hoặc WAN, IP datagram cuối cùng sẽ được đóng gói với phần Header và Trailer tương ứng với kỹ thuật lớp đường truyển dữ liệu của giao diện vật lý đầu ra. • Giao thức L2TP gửi gói thu được tới giao thức TCP/IP với thông tin để gửi gói L2TP như một bản tin UDP từ cổng UDP 1701 tới cổng UDP 1701 với các địa chỉ IP của IP-VPN client và IP-VPN server.

Tổng kết

Đóng gói thông tin của IPSec .1 Các kiểu sử dụng

Giao thức tiêu đề xác thực AH .1 Giới thiệu

Đến đây, cần phải phân biệt được hai khái niệm toàn vẹn dữ liệu và chống phát lại: toàn vẹn dữ liệu là kiểm tra những thay đổi của từng gói tin IP, không quan tâm đến vị trí các gói trong luồng lưu lượng; còn dịch vụ chống phát lại là kiểm tra sự phát lặp lại một gói tin tới địa chỉ đích nhiều hơn một lần. Chèn dữ liệu: có hai dạng chèn dữ liệu trong AH, đó là chèn dữ liệu xác thực (Authentication Data Padding) và chèn gói ngầm định (Implicit Packet Padding). Đối với chèn dữ liệu xác thực, nếu đầu ra của thuật toán xác thực là bội số của 96 bit thì không được chèn. Tuy nhiên nếu ICV có kích thước khác thì việc chèn thêm dữ liệu là cần thiết. Nội dung của phần dữ liệu chèn là tùy ý, cũng có mặt trong phép tính ICV và được truyền đi. Chèn gói ngầm định được sử dụng khi thuật toán xác thực yêu cầu tính ICV là số nguyên của một khối b byte nào đó và nếu độ dài gói IP không thỏa mãn điều kiện đó thì chèn gói ngầm định được thực hiện ở phía cuối của gói trước khi tính ICV. Các byte chèn này có giá trị là 0 và không được truyền đi cùng với gói. Phân mảnh: khi cần thiết, phân mảnh sẽ được thực hiện sau khi đã xử lý AH. Vì vậy AH trong kiểu transport chỉ được thực hiện trên toàn bộ gói IP, không thực hiện trên từng mảnh. Nếu bản thân gói IP đã qua xử lý AH bị phân mảnh trên đường. truyền thì ở phía thu phải được ghép lại trước khi xử lý AH. Ở kiểu Tunnel, AH có thể thực hiện trên gói IP mà phần tải tin là một gói IP phân mảnh. d) Xử lý gói đầu vào.

Giao thức đóng gói an toàn tải tin ESP .1 Giới thiệu

(any options) ESP. Ext hdr if present. Hop-by-hop, dest*, routing, fragment. opt* TCP Data ESP. Trailer ESP Auth. Trong kiểu Tunnel, inner IP header mang địa chỉ nguồn và đích cuối cùng, còn outer IP header mạng địa chỉ để định tuyến qua Internet. Trong kiểu này, ESP sẽ bảo vệ toàn bộ gói tin IP bên trong, bao gồm cả inner IP header. So với outer IP header thì vị trí của ESP giống như kiểu Trasport. Hình 3.12: Khuôn dạng gói tin đã xử lý ESP ở kiểu Tunnel b) Các thuật toán. Thứ tự xử lý này cho phép nhanh chóng xác định và loại bỏ các gói lỗi hoặc lặp lại mà không cần phải thực hiện giải mã, qua đó làm ảnh hưởng của các tấn công kiểu từ chối dịch vụ (denial of service attacks), đồng thời cho phép phía thu xử lý song song: giải mã và xác thực tiến hành song song. Tạo SN: tương tự như tạo SN của AH. Tính toán ICV: nếu dịch vụ xác thực được lựa chọn cho SA thì phía phát sẽ tính toán giá trị ICV trên dữ liệu gói ESP trừ trường Authentication Data. Lưu ý là các trường mật mã được thực hiện trước xác thực. Chi tiết về tính toán ICV cũng tương tự như ở AH. Phân mảnh: Khi cần thiết, phân mảnh được thực hiện sau khi đã xử lý ESP. Vì vậy ESP trong kiểu Transport chỉ được thực hiện trên toàn bộ gói IP, không thực hiện trên từng mảnh. Nếu bản thân gói IP đã qua xử lý ESP bị phân mảnh bởi các router trên đường truyền thì các mảnh phải được ghép lại trước khi xử lý ESP ở phía thu. Trong kiểu Tunnel, ESP có thể thực hiện trên gói IP mà phần Payload là một gói IP phân mảnh. d) Xử lý gói đầu vào.

Kết hợp an ninh SA và giao thức trao đổi khóa IKE .1 Kết hợp an ninh SA

Giao thức trao đổi khóa IKE

Thay vì phải thỏa thuận từng giao thức một, các giao thức được nhóm thành các tập và được gọi là tập chính sách IKE (IKE policy set). Các tập chính sách IKE được trao đổi trong IKE pha thứ nhất, trao đổi thứ nhất. Nếu một chính sách thống nhất được tìm thấy ở hai phía thì trao đổi được tiếp tục. Nếu không tìm thấy chính sách thống nhất nào, đường ngầm sẽ bị loại bỏ. Ví dụ Router A gửi các tập chính sách IKE policy 10 và IKE plicy 20 tới router B. Router B so sánh với tập chính sách của nó, IKE policy 15, với các tập chính sách nhận được từ router A. Trong trường hợp này, một chính sách thống nhất được tìm thấy: IKE policy 10 của router A và IKE policy 15 của router B là tương đương. Trong ứng dụng điểm - tới - điểm, mỗi bên chỉ cần định nghĩa một tập chính sách IKE. Tuy nhiên ở mạng trung tâm có thể phải định nghĩa nhiều chính sách IKE để đáp ứng nhu cầu của tất cả các đối tác từ xa. b) Trao đổi khóa Diffie-Hellman. Trước khi thực hiện được điều đó, mỗi cặp điểm cuối lần lượt thỏa thuận mức độ an toàn cần thiết (ví dụ các thuật toán xác thực và mật mã dùng trong phiên đó). Thay vì phải thỏa thuận riêng từng giao thức đơn lẻ, các giao thức được nhóm thành các tập, chính là các tập chuyển đổi IPSec. Các tập chuyển đổi này được trao đổi giữa hai phía trong chế độ nhanh. Nếu tìm thấy một tập chuyển đổi tương đương ở hai phía thì quá trình thiết lập phiên tiếp tục, ngược lại thì phiên đó sẽ bị loại bỏ. Ví dụ router A gửi tập chuyển đổi 30 và 40 tới router B, router B kiểm tra thấy tập chuyển đổi 50 phù hợp với tập chuyển đổi 30 của router A, các thuật toán xác thực va mật mã trong các tập chuyển đổi này hình thành một kết hợp an ninh. b) Thiết lập kết hợp an ninh. Khi một tập chuyển đổi đã được thống nhất giữa hai bên, mỗi thiết bị IP-VPN sẽ đưa thông tin này vào một cơ sở dữ liệu. Thông tin này được biết đên như là một kết hơp an ninh. Thiết bị IP-VPN sau đó sẽ đanh số mỗi SA bằng một chỉ số SPI. Khi có yêu cầu gửi gói tin giữa hai đầu VPN, các thiết bị sẽ dựa vào địa chỉ đối tác, các chỉ số SPI, thuật toán IPSec được dùng để xử lý gói tin trước khi truyền trong đường ngầm. c) Thời gian sống của một kêt hợp an ninh.

Những giao thức đang được ứng dụng cho xử lý IPSec

Một phương pháp khác để nắm giữ khóa mà không nắm giữ nhiều công việc hỗ trợ quản lí là sử dụng CA (Certificate Authorities) như là một thực thể tin cậy để đưa ra và thu hồi chứng nhận số và cho việc cung cấp một ý nghĩa giúp kiểm tra về nhận thực những chứng thực. CA thường có 3 phần tác nhân như VeriSign hoặc Entrust, nhưng để tiết kiệm, bạn có thể thiết lập thiết lập CA cho riêng mình trên cơ sở sử dụng dịch vụ giấy chứng nhận Windows 2000. Dưới đây trình bày quá trình làm việc của CA:. 1) Một client muốn sử dụng chứng thực số tạo ra một cặp khóa, một khóa công cộng và một khóa riêng. Tiếp theo, chient chuẩn bị chứng nhận không đánh dấu (X.509) nó chứa, giữ nhiều thứ: ID nhận dạng client và khóa công cộng mà nó vừa tạo thành. Chứng nhận không đánh dấu này sau đó được gửi tới phía CA nhờ sử dụng một vài phương pháp an toàn. 2) Phía CA tính toán mã băm của chứng nhận không đánh dấu. Sau đó CA giữ mã băm và đóng gói nó sử dụng khóa công khai của CA. Hàm mật mã băm này là một chữ ký số, và CA tấn công vào nó để chứng nhận và quay lại đánh dấu chứng nhận client. Chứng nhận này được gọi là nhận dạng chứng nhận và được lưu trong thiết bị client cho đến khi nó kết thúc hoặc bị xóa. CA cũng gửi cho client chứng nhận số của nó, các mà trở thành chứng nhận gốc cho client. 3) Bây giờ client có một chứng nhận số đánh dấu mà nó có thể gửi tới bất kì bên thành viên nào.

Ví dụ về hoạt động của một IP-VPN sử dụng IPSec

Certificate Authority có chức năng giúp trụ sở chính nhận thực người sử dụng có được phép thực hiện phiên thông tin này hay không, chứng thực này là chữ ký số và được ký bởi một đối tác có quyền ký mà hai bên đều tin tưởng. Tới đây, router người sử dụng sẽ đóng gói dữ liệu theo các yêu cầu đã thương lượng trong IPSec SA (thuật toán mật mã, nhận thực, giao thức đóng gói là AH hay ESP…), thêm các thông tin thích hợp để đưa gói tin được mã hóa này về dạng IP datagram ban đầu và chuyển tới router mạng trung tâm.

Tổng kết

Việc tạo ra các IPSec SA chính là quá trình thỏa thuận giữa các bên về các chính sách an ninh, thuật toán mã hóa được sử dụng (chẳng hạn là DES), thuật toán xác thực (chẳng hạn MD5), và một khóa chia sẻ. Thứ ba, IPSec là một khung chuẩn mở, nghĩa là có thể lựa chọn các thuật toán phù hợp với mức độ an toàn dữ liệu mong muốn mà không bị giới hạn cứng nhắc phải sử dụng đúng một thuật toán nào đó, đồng thời có khả năng sử dụng các thuật toán tiên tiến phát triển trong tương lai.

Mật mã

Trung tâm của mỗi vòng lặp xử lý DES là mạng Fiestel (được đặt theo tên của một nhà khoa hoc tại IBM). Hoạt động của mạng Fiestel được diễn tả như sau:. Ở vòng lặp cuối cùng các nhánh trái và phải không đổi chỗ chi nhau, vì vậy input của IP-1 là R16L16. Trong đó hàm F được thể hiện là khối hộp đen. Hình 4.5: Mạng Fiestel a) Hoạt động của khối hộp đen. Khá phức tạp, trong đó nó gồm có các khối chức năng và nhiệm vụ như sau:. Hoạt động mở rộng này dựa vào một bảng định trước để lựa chọn các bít đầu ra. Sau đó các bít sau hoán vị mở rộng được XOR với khóa Ki. Mỗi khối Bj sau đó được đưa vào một hàm Sj. Hàm Sj này sẽ trả lại các khối 6 bit thành khối 4 bit theo bảng định trước. - P-Box: Các khối 4 bit sau khi được trả lại sẽ kết hợp với nhau thành khối 32 bít đầu ra của hộp đen. b) Hoạt động tính khóa:. Khóa input ban đầu là một khối 64 bít, sau khi bỏ đi 8 bít parity và hoán vị 56 bít còn lại theo một trật tự nhất định. Sau đó các bit của hai thành phần Ci-1 và Di-1 được hoán vị dịch để tạo thành Ci và Di. Ghép nữa trái và nữa phải tạo ra khóa Ki 48 bít. c) Giải mã: Quá trình giải mã thực hiện các bước này theo thứ tự ngược lại. Thực tế, để thực hiện được các thuật toán với kích thước khóa lớn đòi hỏi một lượng tính toán rất lớn liên quan đến vấn đề lý thuyết số như thuật toán Euclide để tìm USCLN của hai số nguyên hay thuật toán Miller-Rabin để kiểm tra tính nguyên tố của các số tự nhiên này.

Xác thực

Xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu

Bây giờ đã có khóa bảo mật chia sẻ: KA=KB=K. Bây giờ đã có khóa bảo mật chia sẻ: KA=KB=K. Ví dụ về trao đổi khóa Diffie-Hellman như sau: hai bên A và B thống nhất với nhau số nguyên tố P=31 và một số nguyên G=3. Tính khóa bí mật K:. ⇒ Hai bên chọn khóa bí mật là KA=KB=K=8 cho quá trình mật mã và giải mã thông tin. hash) cho mỗi bản tin. Giải pháp khóa không đối xứng tạo ra một chữ ký số (digital signature) bằng cách mật mã giản lược thông điệp MD với khóa công khai của người gửi. 4.3.1.1 Giản lược thông điệp MD dựa trên các hàm băm một chiều a) Giản lược thông điệp MD (Message Digest). MD là phương pháp sử dụng để phát hiện lỗi truyền dẫn, nó được thực hiện bằng các hàm băm một chiều. MD có độ dài cố định hoạt động như một dấu vân tay duy nhất cho một bản tin có độ dài tùy ý. Nếu mỗi văn bản có một dấu vân tay xác định thì cũng chỉ có một phần rất nhỏ trong số 1038 khả năng có thể của MD được sử dụng. b) Các hàm băm một chiều.

Xác thực nguồn gốc dữ liệu .1 Các phương thức xác thực

Vì vậy, khi một máy chủ xác thực một người sử dụng bằng cách kiểm tra chữ ký trên cơ sở khóa công khai của người sử dụng đó thì vấn đề đặt ra là liệu cặpkhóa công khai/ bí mật sử dụng trong quá trình xác thực có thực sự thuộc về người sử dụng này hay không. Nếu khóa công khai sử dụng trong quá trình xác thực được lấy từ một thư mục công cộng thì một tấn công kiểu trung gian (man-in-the-middle attack) có thể dễ dàng thay thế khóa công khai của người sử dụng bằng một khóa công khai của kẻ tấn công.

THỰC HIỆN IP-VPN

Các mô hình thực hiện IP-VPN

Trường hợp thứ nhất, ISP quản lý, cung cấp và duy trì kết nối Internet cơ sở, còn bản thân tổ chức phải quản lý tất cả các vấn đề như an toàn dữ liệu, quản lý router, máy chủ, các nguồn tài nguyên như ngân hàng các modem quay số. Trong mô hình này, tổ chức và nhà cung cấp dịch vụ chia sẻ các công việc tương đối ngang bằng, ISP cung cấp thiết bị VPN, đảm bảo QoS với mức băng tần thỏa thuận, còn phía nhà quản trị mạng quản trị các ứng dụng và cấu hình, cung cấp các dịch vụ trợ giúp và an toàn dữ liệu.

Ví dụ về thực hiện IP-VPN

Trong trường hợp này, người sử dụng từ xa cần kết nối vào mạng trung tâm để truy nhập thư điện tử, các file cơ sở dữ liệu, trình diễn… Để thực hiện kết nối này, một phương án là sử dụng thiết bị VPN 3000 Concentrator ở mạng trung tâm của tổ chức, và phần mềm VPN 3000 Concentrantor Client tại máy tính của người sử dụng. Đối tượng khách hàng hướng tới của VDC và Singtel là những công ty hoạt động phân bố trên địa bàn khác nhau và mong muốn tăng kết nối từ xa với chi phí giảm như bảo hiểm, ngân hàng, hàng hải, các doanh nghiệp hoạt động ở khu công nghiệp, các văn phòng đại diện của công ty nước ngoài.