IT-Sicherheit Kapitel 10 IPSec

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1 IT-Sicherheit Kapitel 10 IPSec Dr. Christian Rathgeb Sommersemester

2 TCP/IP TCP/IP-Schichtenmodell: 2

3 TCP/IP Sicherheitsmechanismen in den Schichten: 3

4 TCP/IP TCP verpackt die Anwenderdaten in eine Folge von Datenpaketen. IP versendet die einzelnen Datenpakete. TCP setzt die empfangenen Datenpakete wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen. 4

5 TCP/IP Jedes IP-Paket besteht aus einem Header und einem Datenfeld ( Payload ). Jedes IP-Paket enthält im Header die Quell- und Zieladresse. Über Gateways/Router werden die IP-Pakete bis zur Zieladresse vermittelt. 5

6 TCP/IP Bewertung: IP-Pakete werden unverschlüsselt von den Routern übertragen. IP-Pakete können von jedem Router manipuliert werden. Integrität, Authentizität und Vertraulichkeit können NICHT gewährleistet werden. IPSec ist eine Erweiterung des Internet Protocols um Authentifizierung und Verschlüsselung. 6

7 IPSec Prinzip: Um IP-Pakete sicher zu übertragen, werden diese transformiert (Message Authentication Codes oder/und symmetrische Verschlüsselung). 7

8 IPSec Die Transformation übernimmt der IPSec-Stack des Betriebssystems. Dem Anwendungsprozess bleibt IPSec verborgen. IPSec sichert die Kommunikation zwischen Rechnersystemen. Spezifikation: Architektur: erste Version: RFC 2401; neu: RFC 4301 Authentifizierung: erste Version: RFC 2402; neu: RFC 4302 Verschlüsselung: erste Version: RFC 2406; neu: RFC 4303 Schlüsselmanagement: RFC 2407, 2408 (ISAKMP); RFC 2409 (IKEv1); RFC 4306 (IKEv2) 8

9 IPSec Mechanismen: IPSec bietet zwei Arten von Transformationen um IP-Pakete sicher zu übertragen: 1. Authentication Header (AH): Integritätsschutz; Datenauthentizität 2. Encapsulating Security Payload (ESP): Vertraulichkeit; optional Datenauthentizität Modi: Für die Verwendung AH und ESP gibt es zwei verschiedene Modi: 1. Transport-Modus: Sicherung der Nutzdaten 2. Tunnel-Modus: Schutz des gesamten IP-Paketes; dazu wird das zu schützende IP-Paket in ein neues IP-Paket verpackt 9

10 Authentication Header Der Authentication Header (= AH) bietet einen Integritätsschutz + Authentizität des IP-Paketes. Es wird ein Hash-Wert über das IP-Paket + AH-Parameter + Schlüssel berechnet. 10

11 Authentication Header Next Header: gibt den Typ des nachfolgenden Headers an Payload Length: gibt die Länge des Authentication Headers an Security Parameter Index: gibt den MAC Algorithmus und den Schlüssel an Sequence Number: Zähler, der bei jedem IP-Paket erhöht wird; (gegen Replay-Angriffe) Algorithmen für AH: Verwendbare Algorithmen nach der aktuellen Version (RFC 4835) für die Implementierung von AH: HMAC-SHA1-96, AES-XCBC-MAC-96, HMAC-MD

12 Authentication Header Modi für Authentication Header: 12

13 Encapsulating Security Payload ESP dient zur Verschlüsselung der Nutzdaten. Es wird optional ein Hash-Wert über das ESP-Paket + Schlüssel berechnet. 13

14 Encapsulating Security Payload Security Parameter Index: gibt den Algorithmus und den Schlüssel an. Sequence Number: Zähler, der bei jedem IP-Paket erhöht wird; (gegen Replay-Angriffe) Encrypted Data: verschlüsselte Nutzdaten. Padding: Padding des Klartextes bei blockorientierten Chiffren bzw. Auffüllen von Bits, so dass ESP-Format stimmt. Padding Length: gibt die Anzahl der Padding-Bytes an. Next Header: gibt den Typ des nachfolgenden Headers an. 14

15 Encapsulating Security Payload Algorithmen für ESP: Verwendbare Algorithmen nach der aktuellen Version (RFC 4835) für die Verschlüsselung: AES128-CBC, 3DES-CBC, AES-CTR Verwendbare Algorithmen für die MAC-Berechnung: HMAC-SHA1-96, AES128-XCBC-MAC-96, HMAC-MD

16 Encapsulating Security Payload NULL-Verschlüsselung: In der Spezifikation RFC 2410 wurde gefordert, dass die NULL- Verschlüsselung von ESP unterstützt werden muss. Aus technischer Sicht wird hier eine Verschlüsselung durchgeführt, jedoch wird durch die Wahl des NULL-Algorithmus de facto auf eine Verschlüsselung verzichtet. NULL-Verschlüsselung ist ein wissenschaftlicher Witz der Informatik! (mit hoher Flexibilität und Performance :-) 16

17 Encapsulating Security Payload Modi für Encapsulating Security Payload: 17

18 Anwendungsszenarien AH/ESP (Transport) Host-to-Host: AH/ESP im Transport-Modus gewährleistet eine sichere Kommunikation zwischen Host A und Host B. Der Datentransfer zwischen Host A und Host B kann aber erkannt und analysiert werden (Eingriff in die Privatsphäre). 18

19 Anwendungsszenarien ESP (Tunnel) Gateway-to-Gateway: Im Tunnel-Modus werden mit ESP auch die IP-Header verschlüsselt. Bei Anwendung von ESP im Tunnel-Modus zwischen Gateways wird der Kommunikationsfluss zwischen Host A und Host B verschleiert (kann aber zw. Host und Gateway abgehört bzw. manipuliert werden). 19

20 Anwendungsszenarien ESP (Tunnel) Host-to-Host (Transport): Kommunikationsfluss-Verschleierung durch ESP im Tunnel-Modus zwischen Gateways. Verschlüsselte/ authentische/ integritäts-geschützte Kommunikation zwischen Host A und B im Transport-Modus. Realisierung eines Virtual Private Networks (= VPN). 20

21 Security Associations IPSec-Transformationen: Für die Sicherheits-Transformationen (AH/ESP) sind zusätzliche Informationen notwendig: 1. Welcher Algorithmus wird verwendet? 2. Welcher Schlüssel wird verwendet? 3. Wie lange ist der Schlüssel gültig? Die Parameter der Transformation werden in einer Security Association (= SA) definiert. Eine Security Association fasst IP-Pakete anhand mehrerer Parameter zusammen. 21

22 Security Associations SA-Parameter: Security Parameter Index: ermöglicht dem Empfänger die entsprechende SA auszuwählen, mit der das empfangene Paket verarbeitet wird. IP-Zieladresse: gibt die Zieladresse der SA an; kann ein End-User oder Router sein. Security Protocol Identifier: gibt an, ob AH oder ESP verwendet wird. Sequenz-Zähler/ Sequenz-Zähler-Überlauf/ Anti-Replay- Window: Schutz vor Replay 22

23 Security Associations SA-Parameter: AH-Information: MAC-Algorithmus, Schlüssel, Gültigkeitsdauer ESP-Information: Verschlüsselungs- und MAC-Algorithmus, Schlüssel, Initialisierungsvektoren, Gültigkeitsdauer Gültigkeitsdauer: Zeitintervall oder Byte-Zähler; gibt an wann die SA ersetzt werden muss Protokoll-Modus: gibt den Modus an: Transport oder Tunnel 23

24 Security Associations Beziehungen: Eine Security Association gilt immer nur in eine Kommunikationsrichtung zwischen zwei Teilnehmern. 24

25 Security Associations Security Policy Database: Die Security Policy Database (= SPD) definiert, welche Security Associations für welche IP-Pakete verwendet werden sollen. Jeder SPD-Eintrag ist durch so genannte Selektoren bestimmt: - IP-Adressen - User-ID - Transport Layer Protocol - Ports 25

26 Schlüsselmanagement IPSec benötigt für AH und ESP geheime Schlüssel, die an beiden Endpunkten verfügbar sein müssen. Die Festlegung und Verteilung von Schlüsseln ist auf zwei Arten möglich: 1. Der Administrator legt die Schlüssel an beiden Seiten fest. 2. Internet Key Exchange (= IKE) Das Internet Key Exchange Protokoll dient dazu, Security Associations zwischen Kommunikationsteilnehmern aufzubauen, abzustimmen, zu verändern und zu löschen. 26

27 Schlüsselmanagement Internet Key Exchange: 27

28 Schlüsselmanagement Internet Key Exchange: ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) dient dem Aufbau von Security Associations. ISAKMP wurde von der IETF standardisiert (RFC 2408). ISAKMP arbeitet standardmäßig auf dem UDP-Port 500. ISAKMP kann mit verschiedene Schlüsselvereinbarungs-protokollen verwendet werden. ISAKMP besteht aus zwei Protokollphasen: Phase 1: Hier authentifizieren sich die Partner und tauschen Schlüssel aus. Phase 2: Eigentliche Vereinbarung der SAs für IPSec. 28

29 Schlüsselmanagement ISAKMP: 29

30 Schlüsselmanagement Austausch von Cookies: Beide Partner senden in ihrer initialen Nachricht eine Zufallszahl, die vom Partner bestätigt werden muss. Erst nachdem der Initiator den Cookie des Responders bestätigt, sendet der Responder seine eigentliche Nachricht. Mit dem Austausch von Cookies will man Denial-of-Service- Angriffe verhindern. 30

31 Schlüsselmanagement Schlüsselaustausch: Die Phase 1 kann in zwei Modi ablaufen: Main Mode: - Authentifizierung und Vereinbarung eines Sitzungsschlüssels auf Basis von Diffie-Hellman - Vereinbarung der Kryptoalgorithmen Aggressive Mode: - Authentifizierung und Vereinbarung eines Sitzungsschlüssels auf Basis von Diffie-Hellman - Der Initiator gibt die Kryptoalgorithmen vor 31

32 Schlüsselmanagement Gegenseitige Authentifizierung: Nach dem Schlüsselaustausch authentifizieren sich die beiden Teilnehmer gegenseitig. Es gibt drei mögliche Modi: - Vorab ausgetauschte Schlüssel (Pre-Shared Keys) - Digitale Signaturen (DSA oder RSA) - Public-Key Verschlüsselung (El-Gamal oder RSA) 32

33 Schlüsselmanagement Schlüsselableitung: Aus den Protokolldaten, die zwischen Initiator und Responder ausgetauscht werden, werden je nach Modus verschiedene Schlüssel abgeleitet: - Sitzungsschlüssel - Ableitungsschlüssel - Authentifizierungsschlüssel - Verschlüsselungsschlüssel Aktuell sind folgende Algorithmen (Pseudo Random Functions) zur Schlüsselableitung in IKEv2 spezifiziert: HMAC-MD5 (RFC 2104), HMAC-SHA1 (RFC 2104), HMAC-TIGER (RFC 2104), AES128- XCBC-MAC (RFC 3664) 33

34 Schlüsselmanagement Chiffren in IKEv2: DES-IV64 (RFC 1827), DES (RFC 2405), NULL (RFC 2410), 3DES (RFC 2451), RC5 (RFC 2451), IDEA (RFC 2451), CAST (RFC 2451), BLOWFISH (RFC 2451), 3IDEA (RFC 2451), AES- CBC (RFC 3602), AES-CTR (RFC 3664) MAC-Algorithmen: HMAC-MD5-96 (RFC 2403), HMAC-SHA1-96 (RFC 2404), DES- MAC, KDPK-MD5 (RFC 1826), AES128-XCBC-96 (RFC 3566) 34

35 Sicherheitsbetrachtung Zusammenfassung : AH bietet nur Integrität und Authentizität, aber keine Vertraulichkeit. AH schützt auch die IP-Header vor Manipulation. ESP bietet Integrität, Authentizität und Vertraulichkeit. ESP schützt aber nicht die IP-Header. ESP im Tunnel-Modus schützt auch die Integrität der eigentlichen IP-Header nur nicht die Tunnel-IP-Header. Mit AH erreicht man kein hohes Sicherheitsniveau. IPSec-Lösungen werden komplizierter und aufwändiger zu administrieren. 35

36 Sicherheitsbetrachtung Schwachstellen im Design: Authentizität: Datenpakete werden nur einzeln authentitätsgeschützt; die Authentizität des gesamten Datenstroms wird nur optional überprüft. Vertraulichkeit: ESP gibt es im CBC-Modus, d.h. eine Veränderung von Geheimtextblöcken wirkt sich nur auf den aktuellen und den nächsten Klartextblock aus. (Cut-and-Paste- Angriff möglich bei Host-to-Host) 36

37 Sicherheitsbetrachtung Cut-and-Paste-Angriff: Voraussetzung: 1.Schritt: 37

38 Sicherheitsbetrachtung 2.Schritt: 3.Schritt: 38

39 Sicherheitsbetrachtung 4.Schritt: Da Cipher-Block-Chaining verwendet wird, kann der größte Teil richtig entschlüsselt werden! 39

40 Sicherheitsbetrachtung Bruce Schneier, ein US-amerikanischer Experte für Kryptographie und Computersicherheit sagt über IPSec: IPsec was a great disappointment to us. Given the quality of the people that worked on it and the time that was spent on it, we expected a much better result. 40

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