Modul 4: IPsec Teil 1

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Uwe Ackermann
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1 Modul 4: IPsec Teil 1 Teil 1: Transport- und Tunnelmode Authentication Header Encapsulating Security Payload IPsec Architektur (Security Association, SAD, SPD), Teil 2: Das IKE-Protokoll Folie 1

2 Struktur der IPsec-relevanten RFCs Authentication Header (AH) RFC 4302 (12/05) Cryptographic Algorithm RFC 8221 (10/17) Encapsulating Security Payload (ESP) RFC 4303 (12/05) Security Architecture IP RFC 4301 (12/05) Security Protocols System Overview Security Associations IP Traffic Processing and Processing Internet Key Exchange (IKEv2) RFC 7296, STD: 79 (10/14) Key Exchange Cryptographic Algorithm RFC 8247 (09/17) M. Leischner Folie 2 Sicherheit in Netzen

3 IPSec Überblick 2 Modi: Transport-Mode (=Original-Header) nur E-E Tunnel-Mode (=gekapselt): ermöglicht den Aufbau virtueller Netze E-E, E-G / G-G Authentication Header (AH): für Integrität + Authentizität Encapsulating Security Payload (ESP): für Vertraulichkeit + implizite Authentizität Security Assosiation (SA): "Verbindungskontext" Security parameter index (SPI): dient der Identifikation des Verbindungskontextes Security policy database (SPD): regelt die Anwendung des richtigen Verbindungskontextes SA database (SAD): dynamisches Repository für Verbindungskontexte Management von Sicherheitsassoziationen (Internet Key Exchange, IKE) Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP): Abstrakte Protokollbasis zum Etablieren von SAs Oakley: Schlüsselaustausch basierend auf Diffie-Hellmann Domain of Interpretation (DOI): konkrete Spezifikation der vereinbarten Parameter und Konventionen Folie 3

4 Transport- und Tunnelmode IP-Header Daten f IP-Header f(daten) nur Länge modifiziert IP-Header Daten f neuer IP-Header f(ip-header, Daten) Folie 4

5 AH im Transport Mode / AH im Tunnel Mode IP-Header TCP/UDP-Header Daten IP-Header AH-Header TCP/UDP-Header Daten Authentifiziert IP-Header TCP/UDP-Header Daten IP-Header AH-Header IP-Header TCP/UDP-Header Daten Authentifiziert Folie 5

SPI (Security Parameter Index) Sequence Number Authentication Data

6 Aufbau des IPsec AH-Header-Formats (RFC4302, 12/05) Pointer dient zur eindeutigen Identifizierung einer SA Next Header AH Length Reserved SPI (Security Parameter Index) Sequence Number Authentication Data (Integrity Check Value-ICV (variable)) Sequenznummer gegen Replay Folie 6

7 HMAC für AH-Authentifizierung Variante 1: MAC = H(key message) Variante 2: MAC = H(message key) Variante 3: MAC = H(key message key) Variante 4: H(key1 H(key2 message)) Folie 7

HMAC für AH-Authentifizierung nach RFC 2104 (Updated by: RFC 6151) opad Inputblocklänge der Hashfunktion Secret Key K 0x00000 0x3636363636 ipad 0x5C5C5C5C XOR XOR XOR d Key1 Message to hash

8 HMAC für AH-Authentifizierung nach RFC 2104 (Updated by: RFC 6151) opad Inputblocklänge der Hashfunktion Secret Key K 0x x ipad 0x5C5C5C5C XOR XOR XOR d Key1 Message to hash Hash-Funktion H HMAC ist eine schüsselgesteuerte Hash-Funktion H steht für beliebige Hashfunktion XOR d Key2 Intermediate Hash Sicherheit von dieser HMAC- Konstruktion wurde kryptographisch bewiesen; einfachere Kombinationen von Daten+Schlüssel sind angreifbar Hash-Funktion H Integrity Check Value (ICV) :43:59 Folie 8

9 Empfehlungen des BSI zu AH Aus Technische Richtlinie TR (Version ) Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen Teil 3 Verwendung von Internet Protocol Security (IPsec) und Internet Key Exchange (IKEv2) Berechnung des Integrity Check Values (ICV) Für Neuentwicklungen wird eines der auf SHA-2 basierenden Verfahren (Nr. 4-6) in Tabelle 9 empfohlen :47:57 Folie 9

10 ESP (Encapsulating Security Payload) im Transport Mode IP-Header TCP/UDP-Header Daten IP-Header ESP-Header TCP/UDP-Header Daten ESP-Trailer Verschlüsselt Integrität Folie 10

11 ESP im Tunnel Mode IP-Header TCP/UDP-Header Daten IP-Header ESP-Header IP-Header TCP/UDP-Header Daten ESP-Trailer Verschlüsselt Integrität Folie 11

12 Aufbau des IPsec ESP-Header-Format (RFC4303, 12/05) ESP-Header SPI (Security Parameter Index) Sequence Number Initialisierungsvektor (wenn nötig) Encrypted Payload Padding Padding Len. Next Header Integrity Check Value (ICV) (optional, variable) verschlüsselt integritätsgesichert ESP-Trailer Folie 12

13 Empfehlungen des BSI zu ESP Aus Technische Richtlinie TR (Version ) Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen Neuerungen 2017: Erhöhung der Bitlängen von RSA, DH und DSA auf 3000 Bit ab 2023 Neuerung 2018: Anpassung der Verwendungszeiträume Teil 3 Verwendung von Internet Protocol Security (IPsec) und Internet Key Exchange (IKEv2) :50:23 Folie 13

14 Empfehlungen des BSI zum Integritätsschutz von ESP-Paketen. Aus Technische Richtlinie TR (Version ) Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen Teil 3 Verwendung von Internet Protocol Security (IPsec) und Internet Key Exchange (IKEv2) Für Neuentwicklungen wird eines der auf SHA-2 basierenden Verfahren (Nr. 4-6) in Tabelle 8 empfohlen :51:59 Folie 14

Bedeutung SPI Bestandteil von AH- und ESP- Header Verknüpfung mit SA IP-Zieladresse Endbenutzersystem oder

15 Security Association (SA) nur für eine unidirektionale Verbindung nur für einen Mechanismus: AH oder ESP Ggf. Bündel von SA s Eindeutige Identifizierung einer SA: Security Parameter Index (SPI) Bitstring mit lokaler Bedeutung SPI Bestandteil von AH- und ESP- Header Verknüpfung mit SA IP-Zieladresse Endbenutzersystem oder Netzwerksystem (Router, Firewall) zur Zeit nur Unicast-Adressen erlaubt Sicherheitsprotokoll-ID: AH- oder ESP-SA Folie 15

16 Parameter einer SA Sequence Number Counter: 32 Bitwert zum Zählen der Pakete mit einer SA Lebensdauer der SA: Zeitintervall oder Byte-Zähler IPSec Protokoll-Modus: Tunnel, Transport Modus. AH-Information Authentifizierungsalgorithmus Schlüssel Lebensdauer des Schlüssels ESP-Information Verschlüsselungs- und Authentifizierungsalgorithmus Schlüssel Anfangswerte Lebensdauer des Schlüssels Folie 16

Ablauf: Zu sendendes IP-Paket TCP/UDP 3.

17 Ablauf: Zu sendendes IP-Paket TCP/UDP 3. Die Policies werden wiederholt angewandt, bis die SPD vollständig abgearbeitet ist. Security Association Database (SAD-out) IPSEC(AH/EPS) Security Policy DB (SPD-out) 2. Anhand der SPI werden aus der SAD die kryptographischen Parameter (benötigte Algorithmen und Schlüssel) geliefert. IP 1. Anhand der Zieladresse wird in der SPD ermittelt, wie weiter zu verfahren und welcher SPI zu verwenden ist. Folie 17

18 Organisation von IPsec Administrator warnt/meldet richtet ein, ändert, löscht verweist auf konfiguriert SPD schaut nach fordert Einrichtung von SA an IKE IPsec DOI ISAKMP Sockets TCP / UDP Oakley SKEME Anwendungen Anw. Prot. (http, ftp) SAD schaut nach IP / IPsec Link nach: Ghislaine Labouret: Ipsec: a technical overview (Ghislaine.Labouret@hsc.fr) Folie 18

19 Komponenten des IPsec-Assoziationsmanagements ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) Meta-Protokoll, das Pakettypen und Formate für den Schlüsselaustausch und das Management von SAs definiert. Generische Operationen für Aufbau und Management von SAs. IKE (Internet Key Exchange) Rahmen-Anwendung für das Management der SAs in der SAD und für den Schlüsselaustausch. Phase 1: Etablierung eines SAs für IKE Phase 2: Etablierung von IPsec SAs Folie 19

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