VPN unterstützt 3 verschiedene Szenarien: Host to Host: Dies kennzeichnet eine sichere 1:1 Verbindung zweier Computer, z.b. über das Internet.

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1 1. VPN Virtual Private Network Ein VPN wird eingesetzt, um eine teure dedizierte WAN Leitung (z.b. T1, E1) zu ersetzen. Die WAN Leitungen sind nicht nur teuer, sondern auch unflexibel, da eine Leitung natürlich nur mit einem Punkt verbunden sein kann. D.h. man benötigt viele dedizierte Leitungen, um alle externen Mitarbeiter mit dem Firmennetzwerk zu verbinden. Dieses Problem wird mit VPN behoben. Hierbei wird nur ein Gateway benötigt, welches den VPN Verkehr aufnimmt. Jeder externe Mitarbeiter kann sich per VPN über ein beliebiges Netzwerk (z.b. Internet) mit dem Gateway verbinden und so eine Verbindung mit dem privaten Firmennetzwerk aufbauen, als wäre er in der Firma. Arten von VPN Verbindungen VPN unterstützt 3 verschiedene Szenarien: Host to Host: Dies kennzeichnet eine sichere 1:1 Verbindung zweier Computer, z.b. über das Internet. Host to Net: Wird auch als Dial Up Service bezeichnet. Hier wählt sich ein Externer per VPN Verbindung in ein privates Netzwerk ein und kann somit arbeiten, als wäre er Teil dieses Netzwerks (Er hat auch eine private Adresse). Net to Net: Auch als LAN Interconnect bezeichnet. Wird verwendet, um zwei private Netzwerke transparent zu verbinden (z.b. die Zentrale mit einem Außenstandort der Firma). Tunnel Tunneling wird der Prozess bezeichnet, wo ein erzeugtes Paket in ein VPN Paket eingepackt und über ein öffentliches Netzwerk, per Tunnel, an das Ziel geschickt wird. Die Zielstation entpackt das ursprüngliche Paket wieder aus dem VPN Paket heraus. Abbildung 1: Tunneling 1 / 7

2 Der Tunnel, bzw. das Tunnelprotokoll übernimmt die Verschlüsselung des Pakets. Meist ist auch eine transparente Kompression integriert. Ein Tunnel kann auf Layer 2 oder Layer 3 des OSI Modells arbeiten. Es gibt jedoch auch Tunnel auf höheren Layern, wie z.b. SSL oder SSH (Layer 4). Auf Layer 2 gibt es PPTP und L2TP als Tunnelprotokolle, welche beide auf PPP aufsetzen. Ein Layer 3 Tunnelprotokoll ist IPSec. Dieses Protokoll tunnelt die Pakete über IP Netzwerke. Anforderungen an Tunnelprotokolle Ein Tunnelprotokoll soll folgende Tätigkeiten erfüllen: Authentifizierung des Users Verschlüsselung des Pakets Schlüsselverwaltung Unterstützung mehrerer Protokolle Im nachfolgenden wird erklärt, mit welchem Mechanismen IPSec diese Anforderungen erfüllt. 2. IPSec Internet Protocol Security IPSec ist eigentlich eine Rückportierung von IPv6 zur Absicherung von IPv4. D.h. in IPv6 ist der IPSec Standard bereits fix integriert. Mit IPSec wird Zugriffskontrolle, Datenintegrität, Verschlüsselung und Authentifizierung gewährleistet. Da IPSec jedoch auf Layer 3 arbeitet, werden diese Dienste nur für IP Pakete und darüberliegende Protokolle angeboten. Die IPSec Dienste werden durch eines von zwei Protokollen bereitgestellt, durch den Authentication Header (AH) bzw. durch die Encapsulating Security Payload (ESP). Außerdem wird das Internet Key Exchange (IKE) Protokoll zum Schlüsseltausch bzw. zur Schlüsselverwaltung gemeinsam mit dem Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) verwendet. Security Associations (SA) Das SA Konzept ist grundlegend für IPSec. Hier wird definiert, welche Sicherheitsmaßnahmen für ein Paket herangezogen werden. SAs können dynamisch zwischen Sender und Empfänger eingerichtet werden. Eine SA wird durch drei Parameter identifiziert. 2 / 7

3 Ziel IP Adresse: Adresse des Endpunktes der SA Security Protocol Identifier: Protokollnummer (AH, ESP) Security Parameter Index (SPI): 32 Bit Zahl Wichtig ist, dass die Source IP Adresse hier nicht verwendet wird. Dies hat den Grund, da eine SA nur zur Verbindung zweier Stationen und zum Senden der Daten in eine Richtung verwendet wird. Wenn bidirektional Daten gesendet werden sollen, müssen zwei SAs eingerichtet werden. Transport/Tunnel Mode Eine SA kann grundsätzlich in einem dieser beiden Modi arbeiten. Der Transport Mode wurde entwickelt, um Protokolle höherer Layer zu schützen. Im Tunnel Mode wird das ursprüngliche IP Paket einfach in ein neues Paket eingepackt. Somit wird das gesamte Paket, inklusive Header, verschlüsselt, womit per Tunnel Mode größere Sicherheit für das ursprüngliche Paket gewährleistet ist. Abbildung 2: Transport/Tunnel Mode Wie in der Abbildung zu erkennen ist, wird beim Transport Mode der ursprüngliche IP Header modifiziert und ein Security Header wird dahinter platziert. Im Header steht nun, dass nicht sofort die Daten folgen, sondern zuvor noch ein Security Header. Im Tunnel Mode wird der Header hingegen nicht modifiziert, sondern das gesamte Paket wird die Nutzlast für ein neues IP Paket, mit neuem Header. Authentication Header (AH) Das AH Protokoll erlaubt eine Authentifizierung des Pakets. AH verwendet den Authentication Header, um das Paket zu authentifizieren. 3 / 7

4 Dieser Header wird im IP Paket nach dem IP Header platziert. Der AH Header sieht folgendermaßen aus: Abbildung 3: AH Header Im Next Header Feld wird das Protokoll des Paketheaders angegeben, in welchem sich der AH Header befindet. Die Payload Length gibt an, wie lang der AH Header ist. Das Reserved Feld wurde für zukünftigen Gebrauch reserviert und zurzeit auf 0 gesetzt. Im SPI Feld steht eine 32 Bit Nummer, welche, zusammen mit der Ziel IP Adresse die SA identifiziert. Die Sequence Number ist eine 32 Bit Zahl, welche die Position des Paket in einer Session kennzeichnet. Das Authentication Data Feld beinhaltet den Integrity Check Value (ICV). Der hierbei verwendete Schlüssel wird von der SA festgelegt. Natürlich kann das AH Protokoll im Transport und im Tunnel Mode eingesetzt werden. Im Transport Mode wird der ursprüngliche IP Header der Header des neuen Pakets und dahinter kommt der AH. Der Vorteil ist, dass hier nur wenige zusätzliche Bytes für das Paket benötigt werden. Doch da das ursprüngliche IP Paket als Header verwendet wird, kann dieser Modus nur zwischen zwei Hosts verwendet werden, da die Source und Destination IP Adresse nicht geändert werden kann. Im Tunnel Mode wird ein neuer IP Header generiert, hinter welchem der AH platziert wird. Das ursprüngliche IP Paket wird die Nutzlast dieses neuen Pakets. Diese Variante ist somit sicherer, da das gesamte Originalpaket verschlüsselt übertragen wird. Encapsulation Security Payload (ESP) Genau wie bei AH werden auch bei ESP Verwendung zusätzliche Informationen zum IP Paket hinzugefügt. Doch ESP verwendet nicht nur ein zusätzliches Feld wie AH, sondern es werden drei Teile an verschiedenen Stellen im IP Header platziert. Diese Teile sind: ESP Header: Dieser wird nach einem neuen bzw. nach dem modifizierten IP Header platziert ESP Trailer: Dieser steht am Ende des ursprünglichen IP - Pakets ESP Authentication Feld: Dies steht nach dem ESP Trailer 4 / 7

5 Die Platzierung sieht folgendermaßen aus: Abbildung 4: Anordnung des ESP Headers im IP Paket Gegenüber dem AH sind hier zwei Felder hinzugekommen, Padding und Pad Length, beide im ESP Trailer. Das Padding Feld kann für verschiedene Zwecke verwendet werden: Es kann verwendet werden, um die Nutzlast auf eine bestimmte Größe zu bringen, falls dies erforderlich ist. Das Feld kann auch verwendet werden, um die wahre Größe der Daten zu verheimlichen. Die Pad Length gibt die Länge des Padding Feldes an. Bei Verwendung vom Transport Mode wird wieder das ursprüngliche IP Paket modifiziert und dahinter der ESP Header platziert. Hinter das Paket wird außerdem der ESP Trailer und das ESP Authentication Feld eingefügt. Falls das ursprüngliche IP Paket bereits IPSec Security Header (z.b. AH) beinhaltet hat, wird der ESP Header vor diese Header gestellt. Da der Originalheader verwendet wird, kann die Source und Destination IP Adresse nicht verändert werden. Somit kann auch ESP Transport Mode nur zwischen zwei Hosts verwendet werden. Im ESP Tunnel Mode wird ein neuer IP Header generiert, hinter welchem der ESP Header gestellt wird. Danach folgt das ursprüngliche IP Paket, samt Header, als Nutzlast. Am Ende des Pakets wird der ESP Trailer und das ESP Authentication Feld hinzugefügt. Dieser Modus erlaubt die Verschlüsselung des gesamten Originalpakets, inklusive Header und ist somit sicherer. Unterschied: AH ESP Bei AH wird nur eine Authentifizierung gewährleistet, während ESP zusätzlich zur Authentifizierung auch das Paket verschlüsselt. 5 / 7

6 Internet Key Exchange (IKE) IKE ist ein Protokoll zur Schlüsselverwaltung. ESP und AH spezifizieren zwar, wie die Security Dienste den IP Paketen zugeordnet werden sollen, es wird aber nicht geklärt, wie SAs eingerichtet werden. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten. Die manuelle Konfiguration durch den Administrator, oder die eher bevorzugte dynamische SA Einrichtung per IKE. Aufgebaut ist IKE auf dem ISAKMP Framework. Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP) Hier wird definiert, wie ein Endpunkt authentifiziert wird, wie eine SA erstellt und verwaltet wird, welche Techniken zur Schlüsselerzeugung angewandt werden und wie die Bedrohung durch diverse Angriffe vermindert werden kann. Dies ist wichtig, um eine sichere Verbindung und Kommunikation über das Internet gewährleisten zu können. ISAKMP kann im Zusammenhang mit verschiedenen Protokollen verwendet werden. Zum Schlüsseltausch verwendet ISAKMP das Diffie Hellman Verfahren. Es kann jedoch auch mit einem Shared Secret gearbeitet werden. Exkurs: Diffie Hellman Verfahren: Wird verwendet, um ohne sicheren Kanal eine verschlüsselte Verbindung aufzubauen. Dieses Verfahren wurde offiziell in den 70er Jahren entwickelt. Wahrscheinlich wurde es aber schon im WW2 vom britischen Geheimdienst eingesetzt. Primzahl p, Generator g wird generiert und über unsichere Verbindung ausgetauscht (Wichtig: g < p) Alice Geheime Zahl a generieren Berechnen: A = g^a mod p Bob Geheime Zahl b generieren Berechnen: B = g^b mod p A und B über unsichere Verbindung austauschen Berechnen: s = B^a mod p Berechnen: s = A^b mod p Somit hat jeder den Shared Secret s, ohne einen sicheren Kanal zu verwenden Abbildung 5 Diffie Hellman Verfahren Eine ISAKMP Nachricht besteht aus dem ISAKMP Header und mehreren ISAKMP Datenpaketen, welche zusammen in ein UDP Paket gepackt werden. Die Initiator und Responder Cookie Felder beinhalten Werte, die von den ISAKMP Endpunkten generiert wurden, so sollen z.b. Denial-of-service Angriffe verhindert werden. Außerdem werden diese Felder verwendet, um 6 / 7

7 die ISAKMP SA zu identifizieren. Die ISAKMP SA darf nicht mit der IPSec SA verwechselt werden. In einer ISAKMP Kommunikation wird zuerst die bidirektionale ISAKMP SA eingerichtet, bevor SAs für andere Protokolle (z.b. IPSec SA) eingerichtet werden können. Angriffspunkte auf IPSec Angriffe auf die Implementierung: Da IPSec versucht, Flexibilität und Sicherheit zu garantieren, ist es möglich, dass ein Endpunkt eine Verschlüsselung verwendet, während der andere Endpunkt die NULL Authentication einsetzt (d.h. keine Verschlüsselung). Dies ist möglich, da AH und ESP optional sind und somit auch keine von den beiden Methoden eingesetzt werden kann. Natürlich kann diese Schwäche von Implementierungen verschiedener Entwickler einfach verbessert werden. Replay Attack: Im Falle eines Replay Angriffs sammelt der Angreifer alte Nachrichten, um diese später gezielt wieder einzuspielen. Die Sequenznummer in den Paketen des ESP und des AH verhindert die Wiedereinspielung von alten Daten, sofern auch die ESP-Pakete durch Authentifizierung geschützt sind, da Pakete mit einer alten Sequenznummer oder ungültigem MAC verworfen werden. Des Weiteren enthalten die Cookies Zeiteinträge, die ebenfalls einen Replay Angriff aufzeigen. IP Spoofing: Beim IP Spoofing ändert ein Angreifer seine IP Adresse, um z.b. an Daten heranzukommen, die nur aus einem internen Firmennetz abrufbar sind. Die Fälschung der IP Adresse kann mit IPSec durch Verwendung des AH entdeckt und blockiert werden, da der Angreifer nicht im Besitz des entsprechenden Schlüssels ist, um einen gültigen AH zu einem gefälschten Paket zu erzeugen. Fazit IPSec kann in einem Net to Net Szenario unter Verwendung des Tunnel Mode eingesetzt werden. Außerdem ist IPSec für die Intranet Absicherung geeignet, wenn der Transport Mode verwendet wird. IPSec sollte eingesetzt werden, wenn die Sicherheit ein sehr wichtiger Aspekt ist. Es kann auch mit L2TP kombiniert werden, um große Sicherheit und gute Kompatibilität zu erreichen. 7 / 7

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