2.2.1 Kiến trúc IPSec - Giới thiệu về IPSec
Là một bộ giao thức dùng để bảo vệ truyền thông riêng tư trên Internet.
IPsec mang lại khả năng liên tác cho các thiết bị mạng, PC và những hệ thống điện toán khác nhau. IPsec có thể được dùng bởi những người dùng từ xa.
Người dùng triển khai IPsec để bảo mật cơ sở hạ tầng mà không làm ảnh hưởng đến các ứng dụng trên máy riêng lẻ. Nó thực hiện đóng gói dữ liệu trong một gói mới có chứa thông tin cần thiết để thiết lập, duy trì và huỷ bỏ kênh truyền khi không dùng đến nữa.
IPsec cung cấp các dịch vụ cho cả IPv4 và IPv6 nhưng cách nó cung cấp là khác nhau cho mỗi giao thức. Đối với IPv4 thì IPsec chỉ là một tuỳ chọn nhưng với IPv6 thì IPsec được tích hợp vào và là giao thức an toàn chính. IPsec có thể đảm bảo an toàn cho các dịch vụ phổ biến nhất hiện nay trên mạng Internet như: FTP, E-mail, Web…
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
IPsec làm giảm nguy cơ tắc nghẽn mạng do sử dụng các thuật toán mã hoá hiện đại đồng thời có cả kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu. IPsec cung cấp các dịch vụ an toàn ở lớp IP.
Giao thức AH
Authentication Header (AH)
AH là một trong những giao thức bảo mật, cung cấp tính năng đảm bảo toàn vẹn packet headers và data, xác thực nguồn gốc dữ liệu. Nó có thể tuỳ chọn cung cấp dịch vụ replay protection và access protection. AH không mã hoá bất kỳ phần nào của các gói tin. Trong phiên bản đầu của IPSec, giao thức ESP chỉ có thể cung cấp mã hoá, không xác thực. Do đó, người ta kết hợp giao thức AH và ESP với nhau để cung cấp sự cẩn mật và đảm bảo toàn vẹn dữ liệu cho thông tin.
a. AH Mode
AH có hai mode : Transport và Tunnel.
Trong Tunnel mode, AH tạo 1 IP Header mới cho mỗi gói tin Trong Transport mode, AH không tạo IP Header mới
Trong cấu trúc IPSec mà sử dụng gateway , địa chỉ thật của IP nguồn và đích của các gói tin phải thay đổi thành địa chỉ IP của gateway. Vì trong Transport Mode không thay đổi IP Header nguồn hoặc tạo một IP Header mới, Transport Mode thường sử dụng trong cấu trúc host-to-host.
AH cung cấp tính năng đảm bảo tính toàn vẹn cho toàn bộ gói tin, bất kỳ mode nào được sử dụng .
a.AH xác thực và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu
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 Hash một lần nữa để cho ra một chuỗi số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
B4: so sánh chuỗi số nó vừa tạo ra và chuỗi số của nó nếu giống nhau thì nó chấp nhận gói tin .
C. AH Header
-Next Header : Trường này dài 8 bits , chứa chỉ số giao thức IP. Trong Tunnel Mode, Payload là gói tin IP , giá trị Next Header được cài đặt là 4. Trong Transport Mode , Payload luôn là giao thức Transport-Layer. Nếu giao thức lớp Transport là TCP thì trường giao thức trong IP là 6. Nếu giao thức lớp transport là UDP thì trường giao thức trong IP là 17.
-Payload Length : Trường này chứa chiều dài của AH Header.
-Reserved : giá trị này được dành để sử dụng trong tương lai ( cho đến thời điểm này nó được biểu thị bằng các chỉ số 0).
-Security parameter Index (SPI) : mỗi đầu cuối của mỗi kết nối IPSec tuỳ ý chọn giá trị SPI. Hoạt động này chỉ được dùng để nhận dạng cho kết nối. Bên nhận sử dụng giá trị SPI cùng với địa chỉ IP đích và loại giao thức IPSec (trường hợp này là AH) để xác định chính sách SA được dùng cho gói tin (Có nghĩa là giao thức
IPSec và các thuật toán nào được dùng để áp cho gói tin).
-Sequence Number : chỉ số này tăng lên 1 cho mỗi AH datagram khi một host gửi có liên quan đến chính sách SA. Giá trị bắt đầu của bộ đếm là 1. chuỗi số này không bao giờ cho phép ghi đè lên là 0. vì khi host gửi yêu cầu kiểm tra mà nó không bị ghi đè và nó sẽ thoả thuận chính sách SA mới nếu SA này được thiết lập. Host nhận sẽ dùng chuỗi số để phát hiện replayed datagrams. Nếu kiểm tra bên phía host nhận, bên nhận có thể nói cho bên gửi biết rằng bên nhận không kiểm tra chuỗi số, nhưng đòi hỏi nó phải luôn có trong bên gửi để tăng và gửi chuỗi số. -Authentication Data: Trường này chứa kết quả của giá trị Integrity Check Value (ICV). Trường này luôn là bội của 32-bit (từ) và phải được đệm vào nếu chiều dài của ICV trong các bytes chưa đầy.
d. Hoạt động của giao thức AH
-Hướng tốt nhất để hiểu AH làm việc như thế nào, ta sẽ xem và phân tích các gói tin AH.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình trên cho thấy các thành phần của gói tin AH thật sự. Mỗi section của AH Packet gồm : Ethernet header , IP header , AH header và Payload. Dựa trên các trường của phần AH mode, ta thấy đây là gói tin ở Transport Mode vì nó chỉ chứa IP Header. Trong trường hợp này, payload chứa ICMP echo request (hay là Ping). Ping gốc chứa chuỗi mẫu tự được miêu tả trong gói tin tăng dần bởi giá trị Hex ( vd : 61, 62, 63). Sau khi giao thức AH được applied, ICMP Payload không thay đổi. Vì AH chỉ cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu, không mã hoá.
Các trường trong AH Header từ 4 gói tin đầu tiên trong AH session giữa host A và host B. Các trường trong header đầu tiên chỉ là nhãn, để đáp ứng trong việc nhận dạng AH mode.
-SPI : host A sử dụng giá trị số Hex cdb59934 cho SPI trong cả các gói tin của nó. Trong khi đó host B sử dụng giá trị số Hex a6b32c00 cho SPI trong cả các gói tin. Điều này phản ánh được rằng kết nối AH thật sự gồm hai thành phần kết nối một chiều. -Sequence Number : cả hai host bắt đầu thiết lập chỉ số bằng 1, và cả hai tăng lên là 2 cho gói tin thứ hai của chúng.
-Authentication information : Xác thực (đảm bảo toàn vẹn ) thông tin , là một keyed hash dựa trên hầu như tất cả các bytes trong gói tin.
e. AH version 3
Một chuẩn mới của AH là Version 3, phiên bản được phát triển dựa trên phiên bản phác thảo. Tính năng khác nhau giữa Version 2 và Version 3 là mối quan hệ thứ yếu để các quản trị viên IPSec và người dùng - một vài sự thay đổi đến SPI, và tuỳ chọn chỉ số dài hơn.
chuẩn phác thảo version 3 cũng chỉ đến một chuẩn phác thảo khác rằng liệt kê thuật toán mã hoá yêu cầu cho AH. Bản phác thảo uỷ nhiệm hỗ trợ cho HMAC- SHA1-96, giới thiệu thuật toán hỗ trợ mạnh hơn là AES-XCBC-MAC-96, và cũng giới thiệu thuật toán : HMAC-MD5-96.
f. AH Summary
-AH cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn cho tất cả các header và data gói tin. Ngoại trừ một số trường IP Header mà định tuyến thay đổi trong chuyển tiếp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-AH bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong dịch vụ đảm bảo toàn vẹn. AH thường không tương thích với NAT.
-Hiện nay, hầu hết IPSec bổ sung hỗ trợ phiên bản thứ hai của IPSec mà ESP có thể cung cấp dịch các vụ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu qua sự xác thực.
-AH cung cấp một lợi ích mà ESP không có, đó là : đảm bảo toàn vẹn cho outermost IP Header.
Giao thức ESP
Encapsulaton Secutity Payload (ESP)
ESP là giao thức bảo mật chính thứ hai. Trong phiên bản đầu của IPSec , ESP chi cung cấp mã hoá cho packet payload data. Khi cần, giao thức AH cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn. Trong phiên bản thứ hai của IPSec, ESP trở nên mềm dẻo hơn. Nó có thể thực hiện xác thực để cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn, mặc dù không hỗ trợ cho outermost IP header. Sự mã hoá của ESP có thể bị vô hiệu hoá qua thuật toán mã hoá Null ESP algorithm. Do đó, ESP có thể cung cấp chỉ mã hoá; mã hoá và đảm bảo toàn vẹn dữ liệu; hoặc chỉ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu.
a. ESP Mode
ESP có hai mode : Transport Mode và Tunnel Mode.
Trong Tunnel Mode : ESP tạo một IP Header mới cho mỗi gói tin. IP Header mới liệt kêt các đầu cuối của ESP Tunnel ( như hai IPSec gateway) nguồn và đích của gói tin. Vì Tunnel mode có thể dùng với tất cả 3 mô hình cấu trúc VPN.
ESP Tunnel Mode được sử dụng thường xuyên nhanh hơn ESP Transport Mode. Trong Tunnel Mode, ESP dùng IP header gốc thay vì tạo một IP header mới. Trong Transport Mode, ESP có thể chỉ mã hoá và/hoặc bảo đảm tính toàn vẹn nội dung gói tin và một số các thành phần ESP, nhưng không có với IP header.
Giao thức AH, ESP trong Transport mode thường sử dụng trong cấu trúc host-to- host. Trong Transport mode không tương thích với NAT.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
b. ESP Packet Fields
ESP thêm một header và Trailer vào xung quanh nội dung của mỗi gói tin. ESP Header được cấu thành bởi hai trường : SPI và Sequence Number.
-SPI (32 bits) : mỗi đầu cuỗi của mỗi kêt nối IPSec được tuỳ chọn giá trị SPI. Phía nhận sử dụng giá trị SPI với địa chỉ IP đích và giao thức IPSec để xác định chính sách SA duy nhất mà nó được áp cho gói tin.
-Sequence Number : thưòng được dùng để cung cấp dịch vụ anti-replay. Khi SA được thiết lập, chỉ số này được khởi đầu về 0. Trước khi mỗi gói tin được gửi, chỉ số này luôn tăng lên 1 và được đặt trong ESP header. Để chắc chắn rằng sẽ không có gói tin nào được công nhận, thì chỉ số này không được phép ghi lên bằng 0. Ngay khi chỉ số 232-1 được sử dụng , một SA mới và khóa xác thực được thiết lập. Phần kế tiếp của gói tin là Payload, nó được tạo bởi Payload data (được mã hoá) và IV không được mã hoá). Giá trị của IV trong suốt quá trình mã hoá là khác nhau trong mỗi gói tin.
phần thứ ba của gói tin là ESP Trailer, nó chứa ít nhất là hai trường.
-Padding ( 0-255 bytes) : được thêm vào cho đủ kích thước của mỗi gói tin. -Pad length: chiều dài của Padding
-Next header : Trong Tunnel mode, Payload là gói tin IP, giá trị Next Header được cài đặt là 4 cho IP-in-IP. Trong Transport mode, Payload luôn là giao thức lớp 4. Nếu giao thức lớp 4 là TCP thì trường giao thức trong IP là 6, giao thức lớp 4 là UDP thì trường giao thức IP là 17. Mỗi ESP Trailer chứa một giá trị Next Header. -Authentication data : trường này chứa giá trị Integrity Check Value (ICV) cho gói tin ESP. ICV được tính lên toàn bộ gói tin ESP công nhận cho trường dữ liệu xác thực của nó. ICV bắt đầu trên ranh giới 4-byte và phải là bội số của 32-bit (đơn vị từ).
C. Quá trình mã hoá và hoạt động của giao thức ESP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ESP sử dụng mật mã đối xứng để cung cấp sự mật hoá dữ liệu cho các gói tin IPSec. Cho nên, để kết nối của cả hai đầu cuối đều được bảo vệ bởi mã hoá ESP thì hai bên phải sử dụng key giống nhau mới mã hoá và giải mã được gói tin .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thực hiện thao tác mã hoá nhiều lần sử dụng các block dữ liệu và key. Thuật toán mã hoá hoạt động trong chiều này được xem như blocks cipher algorithms. Khi một đầu cuối khác nhận được dữ liệu mã hoá, nó thực hiện giải mã sử dụng key giống nhau và quá trình thực hiện tương tự, nhưng trong bước này ngược với thao tác mã hoá.
Ví dụ : ESP sử dụng thuật toán mã hoá là AES-Cipher Block Chaining (AES- CBC), AES Counter Mode (AES-CTR), và Triple DES ( 3DES).
Khi so sánh với gói tin AH , gói tin ESP có dạng giống với gói tin AH. chuỗi mẫu tự có thể xác định được trong AH-protected Payload nhưng không xác định được trong ESP-protected payload, vì trong ESP nó đã được mã hoá.
Gói tin ESP có chứa 5 đoạn : Ethernet Header , IP Header, ESP Header, Encrypted Data (Payload và ESP Trailer), và (option) authentication information . Dữ liệu được mã hoá không thể xác định được dù gói tin truyền trong Transport Mode hay Tunnel Mode. Tuy nhiên, vì IP Header không được mã hoá, trường giao thức IP trong Header vẫn phát hiện được giao thức dùng cho Payload ( trong trường hợp này là ESP).
các trường ESP Header từ 4 gói tin đầu trong ESP session giữa host A và host B . Các trường SPI và Sequence Number trong ESP làm việc một chiều như chúng đã thực hiện trong AH . Mỗi host sử dụng một giá trị SPI khác nhau cho các gói tin của nó, tương thích với kết nối ESP gồm hai thành phần kết nối một chiều.
Cả hai host cũng bắt đầu thiết lập sequence number là 1, và sẽ tăng dần lên là 2 cho gói tin thứ hai.
d. ESP Version 3
Một chuẩn mới cho ESP là phiên bản 3, một phiên bản vừa được bổ sung, được dựa trên chuẩn phác thảo. Tìm ra được chức năng chính để cho thấy sự khác nhau giữa version 2 và version 3 , bao gồm những điều sau :
-Chuẩn ESP version 2 đòi hỏi ESP bổ sung để hỗ trợ ESP chỉ sử dụng cho mã hoá (không có tính năng bảo vệ toàn vẹn dữ liệu). Do đó, chuẩn ESP version 3 được đưa ra nhằm hỗ trợ cho sự lựa chọn này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-ESP có thể dùng chuỗi số dài hơn, giống với chuẩn AH version 3.
-ESP version 3 hỗ trợ trong việc sử dụng kết hợp các thuật toán ( EAS Counter với CBC-MAC [EAS-CMC]. Như vậy kết quả mã hoá và tính bảo vệ toàn vẹn dữ liệu đạt được sẽ nhanh hơn là sử dụng tách rời thuật toán.
e. ESP Summary
-Trong Tunnel Mode, ESP cung cấp sự mã hoá và sự đảm bảo an toàn cho đóng gói IP Packet, cũng xác thực tốt giống như của ESP Header , ESP có thể tương thích với NAT.
-Trong Transport Mode, ESP cung cấp sự mã hoá và đảm bảo an toàn cho Payload của gói tin IP , cũng đảm bảo an toàn tốt giống như của ESP Header. Transport Mode thì không tương thích với NAT.
-ESP Tunnel Mode thường sử dụng phổ biến trong IPSec , vì nó mã hoá IP Header gốc, nó có thể giấu địa chỉ source và des thật của gói tin. ESP cũng có thể thêm vật đệm vào để đủ gói tin.
-ESP thường được dùng để cung cấp cho mã hoá hoặc đảm bảo an toàn ( hoặc cả hai ).
2.2.2 Mạng riêng ảo IPSec
Hệ thống mạng riêng ảo IPSEC VPN là công nghệ dựa vào cơ sở hạ tầng chung (mạng internet,…) để thiết lập thành 1 mạng riêng thông qua nhiều giai đoạn bắt tay ,mã hóa kênh kết nối giữa các site với nhau. Mạng internet chứa đựng nhiều hiểm nguy khác nhau đặc biệt là nguy cơ về việc đảm bảo an toàn thông tin. Các hacker có thể lợi dụng khai thác và capture các thông tin truyền trên internet. Để đảm bảo sao cho các thông tin này khi bị các hacker capture lại cũng không thể đọc được nội dung. Vì đây là vấn đề quan trọng nên có rất nhiều các thuật toán mã hóa khác nhau ra đời như: MD5,DES,3DES,… nhằm mã hóa các gói dữ liệu truyển qua internet 1 cách an toàn. IPSEC VPN áp dụng các thuật toán này để mã hóa và tạo ra các tunel truyền dữ liệu an toàn.
IPSec (Internet Protocol Security) Đây là công nghệ sử dụng mật mã để cung cấp đồng thời hai dịch vụ xác thực (authentication) và mã hóa (encryption). Việc xác thực đảm bảo rằng các gói tin được gửi đi từ người gửi đích thực và không bị thay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/