C) Hoạt động của AH và ESP trong các chế độ (mode)
2.4.2 Hoat động của IPSec
Ta biết rằng, mục đích chính của IPSec là bảo vệ luồng dữ liệu mong muốn với các dịch vụ bảo mật cần thiếtvà hoạt động của IPSec có thể chia thành 5 bước chính như sau:
A gửi lưu lượng cần bảo vệ tới B
Router A và B thoả thuận một phiên trao đổi IKE Phase 1 IKE
SA ← IKE Phase → IKE SA
Router A và B thoả thuận một phiên trao đổi IKE Phase 2
IPSec SA ← IKE Phase → IPSec SA
Thông tin được truyền dẫn qua đường hầm IPSec
Kết thúc đường hầm IPSec
Hình 2.27: 5 bước hoạt động của IPSec.
bước 1: Lưu lương cần được bảo vệ khởi tạo quá trình IPSec. Ở đây, các thiết bị IPSec sẽ nhận ra đâu là lưu lượng cần được bảo vệ chẳng hạn thông qua trường địa chỉ.
bước 2: IKE Phase 1 – IKE xác thực các đối tác IPSec và một tập các dịch vụ bảo mật được thoả thuận và công nhận (thoả thuận các kết hợp an ninh IKE SAs (Security associations)). Trong phase này, thiết lập một kênh truyền thông an toàn 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. Những thông số an ninh này được sử dụng để bảo vệ dữ liệu và các bản tin trao đổi giữa các điểm đầu cuối. kết quả cuối cùng của hai bước IKE là một kênh thông tin bảo mật được tạo ra giữa hai phía.
bước 4: Truyền dữ liệu – Dữ liệu được truyền giữa các đối tác IPSec dựa trên cơ sở các thông số bảo mật và các khoá được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SA.
bước 5: Kết thúc đường hầm IPSec – kết thúc các SA IPSec do bị xoá hoặc do hết hạn (time out).
Sau đây sẽ trình bày cụ thể hơn về 5 bước hoạt động của IPSec:
Bước 1- Kích hoạt lưu lượng cần bảo vệ.
Việc xác định lưu lượng nào cần được bảo vệ là một phần việc trong chính sách an ninh (Security Policy) của một mạng VPN. Chính sách được sử dụng để quyết định lưu lượng nào cần được bảo vệ và không cần bảo vệ (lưu lượng ở
dạng bản rõ (clear text) không cần bảo vệ). Chính sách sau đó sẽ được thực hiện
ở giao diện của mỗi đối tác IPSec.
Đối với mỗi gói dữ liệu đầu vào và đầu ra sẽ có ba lựa chọn: Dùng IPSec, cho qua IPSec, hoặc huỷ gói dữ liệu. Đối với mọi gói dữ liệu được bảo vệ bởi IPSec, người quản trị hệ thống cần chỉ rõ các dịch vụ bảo mật được sử dụng cho gói dữ liệu. Các cơ sở dữ liệu, chính sách bảo mật chỉ rõ các giao thức IPSec, các node, và các thuật toán được sử dụng cho luồng lưu lượng.
Ví dụ, các danh sách điều khiển truy nhập (ACLs – Access Control Lists)
của các router được sử dụng để biết lưu lượng nào cần mật mã. ALCs định nghĩa bởi các dòng lệnh.
Chẳng hạn: - Lệnh Permit: Xác định lưu lượng phải được mật mã.
- Lệnh deny : Xác định lưu lưọng phải được gửi đi dưới dạng không mật mã.
Khi phát hiện ra lưu lượng cần bảo vệ thì một đối tác IPSec sẽ kích hoạt bước tiếp theo: Thoả thuận một trao đổi IKE Phase 1.
Bước 2 – IKE Phase 1
Mục đích cơ bản của IKE Phase 1 là để thoả thuận các tập chính sách IKE (IKE policy), xác thực các đối tác ngang hàng, và thiết lập kênh an toàn giữa các
đối tác. IKE Phase 1 có hai chế độ: Chế độ chính (main mode) và chế độ nhanh
Hình 2.28 : IKE Phase 1
Chế độ chính có 3 trao đổi hai chiều giữa bên khởi tạo và bên nhận:
- Trao đổi thứ nhất – Các thuật toán mật mã và xác thực (sử dụng để bảo vệ các trao đổi thông tin IKE) sẽ được thoả thuận giữa các đối tác.
- Trao đổi thứ hai – Sử dụng trao đổi DH để tạo các khoá bí mật chung (shared secret keys), trao đổi các số ngẫu nhiên (nonces) để khẳng định nhận dạng của mỗi đối tác. Khoá bí mật chung được sử dụng để tạo ra tất cả các khoá mật mã và xác thực khác.
- Trao đổi thứ ba – xác minh nhận dạng của nhau (xác thực đối tác). Kết quả chính của chế độ chính là một đường truyền thông an toàn cho các trao đổi tiếp theo của hai đối tác.
Chế độ nhanh thực hiện ít trao đổi hơn (tất nhiên là ít gói dữ liệu hơn). Hầu hết mọi thứ đều được thực hiện trong trao đổi thứ nhất: Thoả thuận tập chính sách IKE; tạo khoá công cộng DH; và một gói nhận dạng (identify packet), có thể sử dụng để xác định nhận dạng thông qua một bên thứ ba (third party). Bên nhận gửi trở lại mọi thứ cần thiết để hoàn thành (complete)việc trao đổi. cuối cùng bên khởi tạo khẳng định (confirm) việc trao đổi.
Các tập chính sách IKE
Khi thiết lập một kết nối an toàn giữa Host A và Host B thông qua Internet, một đường hầm an toàn được thiết lập giữa Router A và Router B. Thông qua đường hầm, các giao thức mật mã, xác thực và các giao thức khác được thoả thuận. Thay vì phải thoả từng giao thức một, các giao thức được nhóm thành các tập, chính là tập chính sách IKE (IKE policy set). Các tập chính sách IKE được
trao đổi trong IKE Phase 1 ở chế độ chính và trong trao đổi thứ nhất. Nếu một chính sách thống nhất (matching policy) được tìm thấy ở hai phía thì chế độ chính tiếp tục. Nếu không tìm thấy chính sách thống nhất nào thì đường hầm sẽ bị loại bỏ.
Hình 2.29: Tập chính sách IKE
Ví dụ, Router A gửi các tập chính sách IKE Policy 10 và IKE Policy 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 nhiều ứng dụng điểm- tới điểm, mỗi bên chỉ cần định nghĩa một tập các chính sách IKE. Tuy nhiên ở mạng trung tâm có thể phải định nghĩa nhiều chính sách IKE để đáp ứng nhu cầucủa tất cả các đối tác từ xa.
Trao đổi khoá Diffie-Hellman
Trao đổi khoá Diffie-Hellman là một phương pháp mật mã khoá công khai cho phép hai bên thiết lập một khoá bí mật chung qua một môi trường truyền thông an toàn. Khoá mật mã này sẽ được sử dụng để tạo ra tất cả các khoá xác thực và mã hoá khác.
Khi đã hoàn thành viêc htoả thuận các nhóm, khoá bí mật chung SKEYID sẽ được tính. SKEYID được sử dụng để tạo ra 3 khoá khác SKEYID_a, SKEYID_e, SKEYID_d. Mỗi khoá có một mục đích riêng: SKEYID_a đựoc sử dụng trong quá trình xác thực.
SKEYID_e được sử dụng trong quá trình mật mã.
SKEYID_d được sử dụng để tạo ra các khoá cho các kết hợp an ninh không theo giao thức ISAKMP (non-ISAKMP SAs). Cả bốn khoá trên đều được tính trong IKE Phase 1.
Khi bước này hoàn thành, các đối tác ngang hàng có cùng một mật mã chia sẻ nhưng các đối tương này không được xác thực. Qua trình này diễn ra ở quá trình thứ 3, quá trình xác thực đối tác.
Xác thực đối tác
Xác thực đối tác là bước trao đổi cuối cùng được sử dụng để xác thực các đối tác nghĩa là thực hiện kiểm tra xem ai đang ở bên kia của đường hầm. Các thiết bị ở hai đầu đường hầm VPN phải được xác thực trước khi đường truyền thông được coi là an toàn. Trao đổi cuối cùng của IKE Phase 1 cómục đích là để xác thực đối tác.
H ình 2.30: Xác thực các đối tác Ba phương pháp xác thực nguồn gốc dữ liệu:
- Pre-shared keys (Các khoá chia sẻ trước) – một giá trị khoá bí mật được nhập vào bằng tay để xác định đối tác.
- RSA signatures (Các chữ ký RSA) – sử dụng việc trao đổi các chứng nhận số (digital certificates) để xác thực đối tác.
- RSA encryption nonces – Các số ngẫu nhiên (nonces_một số ngẫu nhiên được tạo ra bổi mỗi đối tác) được mã hoá và sau đó được trao đổi giữa các đối tác ngang hàng, 2 nonce được sử dụng trong suốt quá trình xác thực đối tác ngang hàng.
Bước 3 – IKE Phase 2
Mục đích của IKE Phase 2 là để thoả thuận các thông số bảo mật IPSec được sử dụng để bảo mật đường hầm IPSec.
Hình 2.31: Thoả thuận các thông số bảo mật IPSec IKE Phase 2 thức hiện các chức năng sau:
Thoả thuận các thông số bảo mật IPSec (IPSec security parameters),
các tập chuyển đổi IPSec (IPSec transform sets).
Thiết lập các kết hợp an ninh IPSec (IPSec Security Associations).
Định kỳ thoả thuận lại IPSec SAs để đảm bảo tính an toàn của đường
hầm.
Thực hiện một trao đổi DH bổ xung (khi đó các SA và các khoá mới
được tạo ra, làm tăng tính an toàn của đường hầm).
IKE Phase 2 chỉ có một chế độ được gọi là: Quick Mode
Chế độ này diễn ra khi IKE đã thiết lập được đường hầm an toàn ở IKE Phase 1. IKE Phase 2 thoả thuận một tập chuyển đổi IPSec chung , tạo các khoá bí mật chung sủ dụng cho các thuật toán an ninh IPSec và thiết lập các SA IPSec. Quick mode trao đổi các nonce mà được sử dụng để tạo ra khoá mật mã chung mới và ngăn cản các tấn công “Replay” từ việc tạo ra các SA khong có thật.
Quick mode cũng được sử dụng để thoả thuận lại một SA IPSec mới khi SA IPSec cũ đã hết hạn.
Các tập chuyển đổi IPSec
Mục đích cuối cùng của IKE Phase 2 là thiết lập một phiên IPSec an toàn giữa các điểm đầu cuối. Trước khi thực hiện được điều này thì mỗi cặp điểm cuối cần thoả thuận múc độ an toàn cần thiết (ví dụ, các thuật toán xác thực và mật mã dung trong phiên đó). Thay vì phải thoả thuận từng giao thức riêng 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 Quick Mode. Nếu tìm thấy
một tập chuyển đổi tương đương ở hai phía thì quá trình thiết lập phiên tiếp tục, ngược lại phiên đó sẽ bị loại bỏ.
Hình 2.32: tập chuyển đổi IPSec
Ví dụ: Router A gửi IPSec transform set 30 và 40 tới Router B , Router B so sánh với IPSec transform set 55 của nó và thấy tương đương với IPSec transform set 30 của Router A, các thuật toán xác thực và mật mã trong các tập chuyển đổi này hình thành một kết hợp an ninh SA.
Kết hợp an ninh (SA)
Khi một tập chuyển đổi đã được thống nhất giữa hai bên, mỗi thiết bị VPN sẽ đưa thông tin này vào một cơ sở dữ liệu. Thông tin này bao gồm các thuật toán xác thức, mật mã; địa chỉ của đối tác, Chế độ truyền dẫn, thồi gian sống của khoá .v.v. Những thông tin này được biết đến như là một kết hợp an ninh SA. Một SA là một kết nối logic một chiều cung cấp sự bảo mật cho tất cả lưu lượng đi qua kết nối. Bởi vì hầu hết lưu lượng là hai chiều nên phải cần hai SA, một cho đầu vào và một cho đầu ra.
Thiết bị VPN sau đó sẽ đánh số SA bằng một số SPI (Security Parameter Index – chỉ số thông số bảo mật). Thay vì gửi từng thông số của SA qua đường hầm, mỗi phía chỉ đơn giản chèn số SPI vào ESP Header. Khi bên thu nhận được gói sẽ tìm kiếm địa chỉ đích và SPI trong cơ sở dữ liệu của nó SAD (Security Association database), sau đó xử lý gói theo các thuật toán được chỉ định bởi SPI / ra trong SPD
Hình 2.33 : Các kết hợp an ninh
IPSec SA là một sự tổ hợp của SAD và SPD. SAD được sử dụng để định nghĩa địa chỉ IP đối tác đích, giao thức IPSec, số SPI. SPD định nghĩa các dịch vụ bảo mật được sử dụng cho đối tác SA, các thuật toán mã hoá và xác thực, mode, và thời gian sống của khoá.
Ví dụ, đối với một kết nối mạng Công ty – Ngân hàng , một đường hầm rất an toàn được thiết lập giữa hai phía, đường hầm này sử dụng 3DES, SHA, tunnel mode, và thời hạn của khoá là 28800, giá trị SAD là 192.168.2.1, ESD và SPI là 12. Với người sử dụng từ xa truy nhập vào e-mail thì đường hầm có mức bảo mật thấp hơn được thoả thuận, sử dụng DES, MD5, tunnel mode, thời hạn của khoá là 28800, tương ứng với SPI là 39.
Thời hạn (lifetime) của một kết hợp an ninh
Vấn đề tương đương với thời hạn của một mật khẩu sử dụng mật khẩu trong máy tính, thời hạn càng dài thì nguy cơ mất an toàn càng lớn. Các khoá và các SA cũng vậy, để đảm bảo tính an toàn cao thì các khoá và các SA phải được thay đổi một cách thường xuyên. Có hai thông số cần được xác định để thay đổi khoá và SA:
Lifetime type- Xác định kiểu tính là theo số Byte hay theo thời gian đã truyền đi.
Ví dụ: lifetime là 10000Kbs dữ liệu đã truyền đi hoặc 28800s. Các khoá và SAs còn hiệu lực cho đến khi lifetime hết hạn hoặc có một nguyên nhân bên ngoài, chẳng hạn một bên ngắt đường hầm, khi đó khoá và SA bị xoá bỏ.
Bước 4 – Đường hầm mật mã IPSec
Sau khi đã hoàn thành IKE Phase 2 và quick mode đã thiết lập các kết hợp an ninh IPSec SA, lưu lượng trao đổi giữa Host A và Host B thông qua một đường hầm an toàn. Lưu lượng được mật mã và giải mã theo các thuật toán xác định trong IPSec SA.
Hình 2.34: Đường hầm IPSec được thiết lập
Bước 5 – Kết thúc đường hầm
Hình 2.35: Kết thúc đường hầm
Các kết hợp an ninh IPSec SA kết thúc khi bị xoá hoặc hết hạn. Một SA hết hạn khi lượng thời gian chỉ ra dã hết hoặc một số lượng Byte nhất định đã truyền qua đường hầm. Khi các SA kết thúc, các khoá cũng bị huỷ. Lúc đó các IPSec SA mới cần được thiết lập, một IKE Phase 2 mới sẽ được thực hiện, và nếu cần thiết thì sẽ thoả thuận một IKE Phase 1 mới. Một hoả thuận thành công sẽ tạo ra cacSA và khoá mới. Các SA mới được thiết lập trước các SA cũ hết hạn để đảm bảo tính liên tục của luồng thông tin.