BÀI IV: IPSec

IV.1.Understanding IPSec

Thuật ngữ IPSec là một từ viết tắt của Internet Protocol Security. Nó có quan hệ tới một số bộ giao thức (AH, ESP, FIP-140-1 và một số chuẩn khác) được phát triển bởi Internet Engineering Task Force (IETF). Mục đích chính của việc phát triển IPSec là cung cấp một cơ cấu bảo mật ở tầng 3 (Network layer) của mô hình OSI, như hình 

Mọi giao tiếp trong một mạng trên cơ sở IP đều dựa trên các giao thức IP. Do đó, khi một cơ chế bảo mật cao được tích hợp với giao thức IP, toàn bộ mạng được bảo mật bởi vì các giao tiếp đều đi qua tầng 3. (Đó là lý do tai sao IPSec được phát triển ở giao thức tầng 3 thay vì tầng 2).

Ngoài ra, với IPSec tất cả các ứng dụng đang chạy ở tầng ứng dụng của mô hình OSI đều độc lập trên tầng 3 khi định tuyến dữ liệu từ nguồn đến đích. Bởi vì IPSec được tích hợp chặt chẽ với IP, nên những ứng dụng có thể dùng các dịch vụ kế thừa tính năng bảo mật mà không cần phải có sự thay đổi lớn lao nào. Cũng giống IP, IPSec trong suốt với người dùng cuối, là người mà không cần quan tâm đến cơ chế bảo mật mở rộng liên tục đằng sau một chuổi các hoạt động.

IV.2.IPSec Security Associations

Security Associations (SAs) là một khái niệm cơ bản của bộ giao thức IPSec. SA là một kết nối luận lý theo một phương hướng duy nhất giữa hai thực thể sử dụng các dịch vụ IPSec.

Các giao thức xác nhận, các khóa, và các thuật toán.

Phương thức và các khóa cho các thuật toán xác nhận được dùng bởi các giao thức Authentication Header (AH) hay Encapsulation Security Payload (ESP) của bộ IPSec.

Thuật toán mã hóa và giải mã và các khóa.

Thông tin liên quan khóa, như khoảng thời gian thay đổi hay khoảng thời gian làm tươi của các khóa.

Thông tin liên quan đến chính bản thân SA bao gồm địa chỉ nguồn SA và khoảng thời gian làm tươi.

Cách dùng và kích thước của bất kỳ sự đồng bộ mã hóa dùng, nếu có.

IPSec SA gồm có 3 trường :

·       SPI (Security Parameter Index). Đây là một trường 32 bit dùng nhận dạng giao thức bảo mật, được định nghĩa bởi trường Security protocol, trong bộ IPSec đang dùng. SPI được mang theo như là một phần đầu của giao thức bảo mật và thường được chọn bởi hệ thống đích trong suốt quá trình thỏa thuận của SA.

·       Destination IP address. Đây là địa chỉ IP của nút đích. Mặc dù nó có thể là địa chỉ broadcast, unicast, hay multicast, nhưng cơ chế quản lý hiện tại của SA chỉ được định nghĩa cho hệ thống unicast.

·       Security protocol. Phần này mô tả giao thức bảo mật IPSec, có thể là AH hoặc ESP.

Chú thích :

Broadcasts có nghĩa cho tất cả hệ thống thuộc cùng một mạng hoặc mạng con. Còn multicasts gửi đến nhiều (nhưng không phải tât cả) nút của một mạng hoặc mạng con cho sẵn. Unicast có nghĩa cho 1 nút đích đơn duy nhất.

Bở vì bản chất theo một chiều duy nhất của SA, cho nên 2 SA phải được định nghĩa cho hai bên thông tin đầu cuối, một cho mỗi hướng. Ngoài ra, SA có thể cung cấp các dịch vụ bảo mật cho một phiên VPN được bảo vệ bởi AH hoặc ESP. Do vậy, nếu một phiên cần bảo vệ kép bởi cả hai AH và ESP, 2 SA phải được định nghĩa cho mỗi hướng. Việc thiết lập này của SA được gọi là SA bundle.

Một IPSec SA dùng 2 cơ sở dữ liệu. Security Association Database (SAD) nắm giữ thông tin lien quan đến mỗi SA. Thông tin này bao gồm thuật toán khóa, thời gian sống của SA, và chuỗi số tuần tự. Cơ sở dữ liệu thức hai của IPSec SA, Security Policy Database (SPD), nắm giữ thông tin về các dịch vụ bảo mật kèm theo với một danh sách thứ tự chính sách các điểm vào và ra.

Giống như firewall rules và packet filters, những điểm truy cập này định nghĩa lưu lượng nào được xữ lý và lưu lượng nào bị từ chối theo từng chuẩn của IPSec.

IV.3.IPSec Security Protocols

Bộ IPSec đưa ra 3 khả năng chính bao gồm :

·       Tính xác nhận và Tính nguyên vẹn dữ liệu (Authentication and data integrity). IPSec cung cấp một cơ chế mạnh mẽ để xác nhận tính chất xác thực của người gửi và kiểm chứng bất kỳ sự sữa đổi không được bảo vệ trước đó của nội dung gói dữ liệu bởi người nhận. Các giao thức IPSec đưa ra khả năng bảo vệ mạnh để chống lại các dạng tấn công giả mạo, đánh hơi và từ chối dịch vụ.

·       Sự cẩn mật (Confidentiality). Các giao thức IPSec mã hóa dữ liệu bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa cao cấp, giúp ngăn cản người chưa chứng thực truy cập dữ liệu trên đường đi của nó. IPSec cũng dùng cơ chế tạo hầm để ẩn địa chỉ IP của nút nguồn (người gửi) và nút đích (người nhận) từ những kẻ nghe lén.

·       Quản lý khóa (Key management). IPSec dùng một giao thức thứ ba, Internet Key Exchange (IKE), để thỏa thuận các giao thức bao mật và các thuật toán mã hóa trước và trong suốt phiên giao dịch. Một phần quan trọng nữa, IPSec phân phối và kiểm tra các khóa mã và cập nhật những khóa đó khi được yêu cầu.

Hai tính năng đầu tiên của bộ IPSec, authentication and data integrity, và confidentiality, được cung cấp bởi hai giao thức chính của trong bộ giao thức IPSec. Những giao thức này bao gồm Authentication Header (AH) và Encapsulating Security Payload (ESP). Tính năng thứ ba, key management, nằm trong bộ giao thức khác, được bộ IPSec chấp nhận bởi nó là một dịch vụ quản lý khóa mạnh. Giao thức này là IKE.

IV.4.Các chế độ IPSec

SAs trong IPSec hiện tại được triển khai bằng 2 chế độ. Được mô tả ở hình dưới đó là chế độ Transport và chế độ Tunnel. Cả AH và ESP có thể làm việc với một trong hai chế độ này

IV.4.1. Transport Mode

Transport mode bảo vệ giao thức tầng trên và các ứng dụng. Trong Transport mode, phần IPSec header được chèn vào giữa phần IP header và phần header của giao thức tầng trên, như hình mô tả bên dưới.

Transport mode thiếu mất quá trình xữ lý phần đầu, do đó nó nhanh hơn. Tuy nhiên, nó không hiệu quả trong trường hợp ESP có khả năng không xác nhận mà cũng không mã hóa phần đầu IP.

IV.4.2. Tunnel Mode

Không giống Transport mode, Tunnel mode 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 và phần đầu mới của IP

Trong AH Tunnel mode, phần đầu mới (AH) được chèn vào giữa phần header mới và phần header nguyên bản, như hình bên dưới.

IV.5.Internet Key Exchange

Về cơ bản được biết như ISAKMP/Oakley, ISAKMP là chữ viết tắc của Internet Security Association and Key Management Protocol, IKE giúp các bên giao tiếp hòa hợp các tham số bảo mật và khóa xác nhận trước khi một phiên bảo mật IPSec được triển khai. Ngoài việc hòa hợp và thiết lập các tham số bảo mật và khóa mã hóa, IKE cũng sữa đổi những tham số khi cần thiết trong suốt phiên làm việc. IKE cũng đảm nhiệm việc xoá bỏ những SAs và các khóa sau khi một phiên giao dịch hoàn thành.

Thuận lợi chính của IKE include bao gồm:

·       IKE không phải là một công nghệ độc lập, do đó nó có thể dùng với bất kỳ cơ chế bảo mật nào.

·       Cơ chế IKE, mặc dù không nhanh, nhưng hiệu quả cao bở vì một lượng lớn những hiệp hội bảo mật thỏa thuận với nhau với một vài thông điệp khá ít.

IV.5.1. IKE Phases

Giai đoạn I và II là hai giai đoạn tạo nên phiên làm việc dựa trên IKE, hình 6-14 trình bày một số đặc điểm chung của hai giai đoạn. Trong một phiên làm việc IKE, nó giả sử đã có một kênh bảo mật được thiết lập sẵn. Kênh bảo mật này phải được thiết lập trước khi có bất kỳ thỏa thuận nào xảy ra. 

IV.5.1.1.Giai đoạn I của IKE

Giai đoạn I của IKE đầu tiên xác nhận các điểm thông tin, và sau đó thiết lập một kênh bảo mật cho sự thiết lạp SA. Tiếp đó, các bên thông tin thỏa thuận một ISAKMP SA đồng ý lẫn nhau, bao gồm các thuật toán mã hóa, hàm băm, và các phương pháp xác nhận bảo vệ mã khóa.

Sau khi cơ chế mã hóa và hàm băm đã được đồng ý ở trên, một khóa chi sẽ bí mật được phát sinh. Theo sau là những thông tin được dùng để phát sinh khóa bí mật :

·       Giá trị Diffie-Hellman

·       SPI của ISAKMP SA ở dạng cookies

·       Số ngẩu nhiên known as nonces (used for signing purposes)

Nếu hai bên đồng ý sử dụng phương pháp xác nhận dựa trên public key, chúng cũng cần trao đổi IDs. Sau khi trao đổi các thông tin cần thiết, cả hai bên phát sinh những key riêng của chính mình sử dụng chúng để chia sẽ bí mật. Theo cách này, những khóa mã hóa được phát sinh mà không cần thực sự trao đổi bất kỳ khóa nào thông qua mạng.

IV.5.1.2.Giai đoạn II của IKE

Trong khi giai đoạn I thỏa thuận thiết lập SA cho ISAKMP, giai đoạn II giải quyết bằng việc thiết lập SAs cho IPSec. Trong giai đoạn này, SAs dùng nhiều dịch vụ khác nhau thỏa thuận. Cơ chế xác nhận, hàm băm, và thuật toán mã hóa bảo vệ gói dữ liệu IPSec tiếp theo (sử dụng AH và ESP) dưới hình thức một phần của giai đoạn SA.

Sự thỏa thuận của giai đoạn xảy ra thường xuyên hơn giai đoạn I. Điển hình, sự thỏa thuận có thể lặp lại sau 4-5 phút. Sự thay đổi thường xuyên các mã khóa ngăn cản các hacker bẻ gãy những khóa này và sau đó là nội dung của gói dữ liệu.

Tổng quát, một phiên làm việc ở giai đoạn II tương đương với một phiên làmviệc đơn của giai đoạn I. Tuy nhiên, nhiều sự thay đổi ở giai đoạn II cũng có thể được hổ trợ bởi một trường hợp đơn ở giai đoạn I. Điều này làm qua trình giao dịch chậm chạp của IKE tỏ ra tương đối nhanh hơn.

Oakley là một trong số các giao thức của IKE. Oakley is one of the protocols on which IKE is based. Oakley lần lượt định nghĩa 4 chế độ phổ biến IKE.

IV.5.2. IKE Modes

4 chế độ IKE phổ biến thường được triển khai :

·       Chế độ chính (Main mode)

·       Chế độ linh hoạt (Aggressive mode)

·       Chế độ nhanh (Quick mode)

·       Chế độ nhóm mới (New Group mode)

IV.5.2.1.Main Mode

Main mode xác nhận và bảo vệ tính đồng nhất của các bên có liên quan trong qua trình giao dịch. Trong chế độ này, 6 thông điệp được trao đổi giữa các điểm:

·       2 thông điệp đầu tiên dùng để thỏa thuận chính sách bảo mật cho sự thay đổi.

·       2 thông điệp kế tiếp phục vụ để thay đổi các khóa Diffie-Hellman và nonces. Những khóa sau này thực hiện một vai tro quan trọng trong cơ chế mã hóa.

·       Hai thông điệp cuối cùng của chế độ này dùng để xác nhận các bên giao dịch với sự giúp đỡ của chữ ký, các hàm băm, và tuỳ chọn với chứng nhận.

IV.5.2.2.Aggressive Mode

Aggressive mode về bản chất giống Main mode. Chỉ khác nhau thay vì main mode có 6 thông điệp thì chết độ này chỉ có 3 thông điệp được trao đổi. Do đó, Aggressive mode nhanh hơn mai mode. Các thông điệp đó bao gồm :

·       Thông điệp đầu tiên dùng để đưa ra chính sách bảo mật, pass data cho khóa chính, và trao đổi nonces cho việc ký và xác minh tiếp theo.

·       Thông điệp kế tiếp hồi đáp lại cho thông tin đầu tiên. Nó xác thực người nhận và hoàn thành chính sách bảo mật bằng các khóa.

·       Thông điệp cuối cùng dùng để xác nhận người gửi (hoặc bộ khởi tạo của phiên làm việc).

IV.5.2.3.Quick Mode

Chế độ thứ ba của IKE, Quick mode, là chế độ trong giai đoạn II. Nó dùng để thỏa thuận SA cho các dịch vụ bảo mật IPSec. Ngoài ra, Quick mode cũng có thể phát sinh khóa chính mới. Nếu chính sách của Perfect Forward Secrecy (PFS) được thỏa thuận trong giai đoạn I, một sự thay đổi hoàn toàn Diffie-Hellman key được khởi tạo. Mặt khác, khóa mới được phát sinh bằng các giá trị băm

IV.5.2.4.New Group Mode

New Group mode được dùng để thỏa thuận một private group mới nhằm tạo điều kiện trao đổi Diffie-Hellman key được dễ dàng. Hình 6-18 mô tả New Group mode. Mặc dù chế độ này được thực hiện sau giai đoạn I, nhưng nó không thuộc giai đoạn II.

Ngoài 4 chế độ IKE phổ biến trên, còn có thêm Informational mode. Chế độ này kết hợp với quá trình thay đổ của giai đoạn II và SAs. Chế độ này cung cấp cho các bên có liên quan một số thông tin thêm, xuất phát từ những thất bại trong quá trình thỏa thuận. Ví dụ, nếu việc giải mã thất bại tại người nhận hoặc chữ ký không được xác minh thành công, Informational mode được dùng để thông báo cho các bên khác biết.