IPsec

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IPsec im TCP/IP‑Protokollstapel:

Anwendung	HTTP	IMAP	SMTP	DNS	…
Transport	TCP			UDP
Internet	IPsec
Netz-Zugang	Ethernet	Token Bus	Token Ring	FDDI	...

IPsec (Kurzform für Internet Protocol Security) ist ein Sicherheitsprotokoll, dass für die Kommunikation über IP-Netze die Schutzziele Vertraulichkeit, Authentizität und Integrität gewährleisten soll. Es soll auch vor Replay-Angriffen schützen.

Im Gegensatz zu anderen Verschlüsselungsprotokollen wie etwa SSL arbeitet IPsec direkt auf der Vermittlungsschicht (internet layer) des TCP/IP Protokollstapels (entspricht Schicht 3 des OSI-Modells).

RFC 2401 bzw. 4301 (neu) beschreiben die Architektur von IPsec. Von dort aus wird auf die unten genannten RFCs verwiesen, die wesentliche Teile von IPsec beschreiben: die Protokolle Authentication Header (AH), Encapsulated Security Payload (ESP) sowie Internet Key Exchange (IKE) zum Austausch der Schlüssel.

Inhaltsverzeichnis 1 Verbindungsaufbau 1.1 Schlüsselaustausch 1.1.1 Manual Keying 1.1.2 IKEs 1.2 Phase 1 1.2.1 Main Mode 1.2.1.1 PSK-Authentisierung 1.2.1.2 Zertifikatsbasierte Authentisierung 1.2.2 Aggressive Mode 1.3 Phase 2 1.3.1 Quick Mode 2 Authentication Header (AH) 3 Encapsulating Security Payload (ESP) 4 IPsec im Transportmodus 5 IPsec im Tunnelmodus 6 Keepalives 6.1 ISAKMP-Keepalive (DPD) 6.2 UDP-Keepalive 7 Kritik an IPsec 8 Relevante RFCs 9 Literatur 10 Weblinks

[Bearbeiten] Verbindungsaufbau

[Bearbeiten] Schlüsselaustausch

[Bearbeiten] Manual Keying

Die Schlüssel, die für IPsec verwendet werden, werden beim „Manual Keying“ vorab ausgetauscht und auf beiden Tunnelendpunkten fest konfiguriert. Von dieser Methode ist jedoch abzuraten, da manuell erzeugte Schlüssel in der Regel einfach zu erraten sind. Besser ist die Verwendung von ISAKMP, auch als IKE bezeichnet. Bei diesem Protokoll wird der Schlüssel für IPsec automatisch erzeugt (und in regelmäßigen Abständen geändert).

[Bearbeiten] IKEs

Das Internet Key Exchange (IKE) Protokoll dient der automatischen Schlüsselverwaltung für IPsec. Es verwendet den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch für einen sicheren Austausch von Schlüsseln über ein unsicheres Rechnernetz und ist wohl der komplexeste Teil von IPsec. IKE ist ursprünglich im RFC 2409 spezifiziert gewesen und basiert auf dem Internet Security Association and Key Management Protocol (ISAKMP, RFC 2408), der IPsec Domain of Interpretation (DOI, RFC 2407), OAKLEY (RFC 2412) und SKEME. Die RFCs 2407, 2408 und 2409 sind in der aktuellen Version IKEv2 im RFC 4306 zusammengefasst und somit obsolet.

IKE definiert, wie Sicherheitsparameter vereinbart und gemeinsame Schlüssel (shared keys) ausgetauscht werden. Was ausgetauscht wird, ist Aufgabe eines DOI-Dokuments.

Vor dem eigentlichen Start einer verschlüsselten Verbindung mit IPsec müssen sich beide Seiten gegenseitig authentisieren und sich auf die zu verwendenden Schlüssel-Algorithmen einigen. Hierfür ist IKE gedacht. Zur Authentisierung werden die Verfahren Pre Shared Keying (PSK) und Certificate eingesetzt. IPsec arbeitet mit verschiedenen symmetrischen wie asymmetrischen Schlüsseln.

IKE basiert auf UDP und nutzt standardmäßig den Port 500 als Quell- und Ziel-Port. Wird IKE und IPsec jedoch hinter einer Masquerading-Firewall betrieben, wird von den meisten IPsec-Implementierungen in diesem Fall UDP-Port 4500 verwendet. Um das Problem mit IPsec-Verbindungen hinter Masquerading-Firewalls zu lösen, wurden mehrere Vorschläge eingereicht. Keiner der Vorschläge schaffte jedoch die Standardisierung, weshalb der Betrieb einer IPsec-Verbindung von einem Host hinter einer Firewall sehr unzuverlässig ist. Die beste Lösung ist eine Non-Masquerading-Firewall mit einer angeschlossenen DMZ. In der DMZ steht dann der Endpunkt der IPsec-Verbindung.

IKE arbeitet in zwei Phasen:

1. Aushandlung einer SA (Security Association) für ISAKMP entweder über den Aggressive Mode (Aggressiver Modus) oder Main Mode (Hauptmodus)
2. Erzeugung einer SA für IPsec mittels Quick Mode (Schnellmodus)

Eine Security Association (SA) ist eine Vereinbarung zwischen den beiden kommunizierenden Seiten und besteht aus den Punkten:

1. Identifikation (entweder per PSK oder Zertifikat)
2. Festlegung des zu verwendenden Schlüsselalgorithmus für die IPsec-Verbindung
3. von welchem (IP-) Netz die IPsec-Verbindung erfolgt
4. zu welchem (IP-) Netz die Verbindung bestehen soll
5. Zeiträume, in denen eine erneute Authentisierung erforderlich ist
6. Zeitraum, nach dem der IPsec-Schlüssel erneuert werden muss

[Bearbeiten] Phase 1

[Bearbeiten] Main Mode

Der Main Mode (dem Aggressive Mode vorzuziehen) wird in der ersten Phase der Verschlüsselungsvereinbarung und Authentisierung (Internet Key Exchange) genutzt. Hierbei handeln der Initiator (derjenige, der die Verbindung aufnehmen will) und der Antwortende (der Responder) miteinander eine ISAKMP-SA aus. Diese „Verhandlung“ geschieht in folgenden Schritten:

1. Der Initiator sendet einen (zur Not auch mehrere) Vorschläge mit Authentisierungs- und Verschlüsselungsalgorithmen.
2. Der Responder wählt aus den angebotenen und den von ihm unterstützten Algorithmen den sichersten aus und sendet das Auswahlergebnis an den Initiator.
3. Der Initiator sendet seinen öffentlichen Teil vom Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und einen zufälligen Wert (die Nonce).
4. Der Responder sendet ebenfalls seinen öffentlichen Teil vom Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und einen zufälligen Wert. Dieser Wert dient im Schritt 5 der Authentisierung.

Da nun beide (der Responder und der Initiator) die öffentlichen Teile für den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch kennen, wird dieses Verfahren genutzt, um den geheimen Schlüssel zu berechnen. Dieser wird dann für die Verschlüsselung nach dem vereinbarten Schlüsselverfahren für die folgenden Schritte verwendet. Der berechnete (Diffie-Hellman-)Schlüssel wird auch für die Erzeugung eines weiteren Schlüssels genutzt, der für die Authentifikation verwendet wird.

Schritt 5 ist die Authentisierung. Dabei müssen sich beide Beteiligten als zugriffsberechtigt ausweisen. Hierbei kommen zwei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:

1. die Authentisierung mittels vereinbarter Geheimnisse (im englischen Pre-Shared-Keys, PSK) oder
2. zertifikatsbasiert.

Die zertifikatsbasierte Authentisierung verwendet X.509-Zertifikate und ist im Wesentlichen eine Public-Key-Infrastruktur, wie sie auch für SSL und S/MIME verwendet wird. PGP-Zertifikate sind ein anderer Ansatz und können hierfür nicht verwendet werden.

Die Authentisierungsmethoden unterscheiden sich zwar, jedoch ist die grundsätzliche Vorgehensweise immer die gleiche: Es wird immer ein Hashwert über das mit dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch erzeugte Geheimnis, die Identität, die ausgehandelten Kryptoverfahren sowie die bisher versandten Nachrichten gebildet, verschlüsselt und versendet. (In der Literatur werden manchmal Cookies erwähnt: ein Hashwert über ein erzeugtes Geheimnis, IP-Adresse und Zeitmarke.) Der Schlüssel, der hier für die Verschlüsselung genutzt wird, ist jedoch nicht der aus dem Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch, sondern ein Hashwert über diesen sowie die versandten Nachrichten.

[Bearbeiten] PSK-Authentisierung

Bei diesem Verfahren erfolgt die Authentisierung aufgrund eines einzigen gemeinsamen Geheimnisses. Es kann angewendet werden, wenn eine überschaubare Menge von Teilnehmern an das IPsec-VPN angeschlossen ist. Der wesentliche Nachteil ist: Erhält jemand unberechtigten Zugriff auf diesen Schlüssel, müssen auf allen beteiligten Hosts die Schlüssel ausgetauscht werden, um die Sicherheit wiederherzustellen. Soll ein Rechnernetz wachsen, ist dieses Verfahren auch dann abzulehnen, wenn zuerst nur wenige Knoten beteiligt sind. Der Mehraufwand für die zertifikatsbasierte Authentisierung amortisiert sich in der Regel bereits nach kurzer Zeit.

[Bearbeiten] Zertifikatsbasierte Authentisierung

Diese Authentisierung hat einen anderen Ansatz. Dabei werden X.509-Zertifikate verwendet. Dieses System basiert auf vertrauenswürdigen CAs (Certification Authorities, z. B. mit eTrust) oder einer Hierarchie aus diesen. Das Prinzip hierbei ist, dass jeder einzelne Endpunkt seine CAs (Vertrauensstellen) kennt und alle Zertifikate, die von diesen Vertrauensstellen signiert sind, als gültig anerkennt. In der Praxis bedeutet dies, dass alle Zertifikate von vertrauenswürdigen CAs eingespielt werden und somit alle von diesen CAs ausgestellten Zertifikaten Zugriff haben. Zertifikate können von bekannten CAs bezogen werden (VeriSign, eTrust uvm.). Damit kann gewährleistet werden, dass auch unbekannte VPN-Partner authentisiert werden können. Leider ist dies in der Praxis nicht so leicht, weil weitere Parameter (z. B. Rechnernetzadressen) eine Rolle spielen und diese mit bereits bestehenden VPN-Verbindungen kollidieren können. Es hat sich daher durchgesetzt, eine private PKI einzusetzen. Mit einer eigenen PKI sollen aber nur bekannte und vertrauenswürdige Hosts Zugriff auf das VPN haben.

Die zertifikatsbasierte Authentisierung erfolgt wie die PSK-Authentisierung. Der Unterschied ist: Je nach Verbindung kann ein anderes Zertifikat zum Einsatz kommen. Und wer sein CA-Zertifikat nicht veröffentlicht, kann gezielt steuern, wer zugreifen darf.

Ein weiterer Vorteil einer zertifikatsbasierten Authentisierung: Die CA darf einzelne Zertifikate widerrufen. In der sogenannten CRL (Certificate Revocation List) werden alle Zertifikate, die irgendwie ungültig geworden sind, gesperrt. Bei einer PSK-Authentisierung ist dagegen der Austausch aller Schlüssel erforderlich.

[Bearbeiten] Aggressive Mode

Im Aggressive Mode werden die obigen Schritte auf drei zusammengefasst. Hierbei fällt dann die Verschlüsselung des obigen fünften Schrittes weg. Stattdessen werden die Hashwerte der PSKs im Klartext übertragen. Die Sicherheit des Verfahrens ist eng mit der Stärke des pre shared keys und des Hashverfahrens gekoppelt. Ein guter Schlüssel ist eine zufällige Wertefolge in der maximalen Schlüssellänge. Da in der Praxis gute Schlüssel oft aus Bequemlichkeit nicht gewählt werden, sollte man diesen Modus mit Vorsicht einsetzen.

Ein Grund für den Einsatz dieses Modus kann jedoch gegeben sein, wenn die Adresse des Initiators dem Responder a priori nicht bekannt ist, und beide Seiten pre-shared Keys zur Authentisierung einsetzen wollen. Weitere Anwendungsszenarien sind gegeben, wenn ein schnellerer Verbindungsaufbau gewünscht ist und die „policies“ des Responders hinlänglich bekannt sind. Beispiel: Angestellter will aus der Ferne auf das Firmennetz zugreifen – Richtlinien (z. B. Verschlüsselung mit AES, Hashing mit SHA und Authentisierung mit RSA Signaturen, die durch die Zertifizierungsstelle der Firma signiert wurden) sind soweit bekannt.

[Bearbeiten] Phase 2

[Bearbeiten] Quick Mode

Der Quick Mode wird in der zweiten Phase von IKE verwendet (Schutz durch die IKE SA). Die gesamte Kommunikation in dieser Phase erfolgt verschlüsselt. Wie in der ersten Phase wird zunächst ein Vorschlag (Proposal) gemacht und zusammen mit einem Hashwert und dem Nonce übertragen. Später werden die Schlüssel neu berechnet, und es fließen keinerlei Informationen aus den zuvor generierten SAs ein. Dies stellt sicher, dass niemand von den zuvor generierten Schlüsseln auf die neuen schließen kann (Perfect Forward Secrecy). Dies wird erreicht, indem ein zusätzlicher Diffie-Hellman-Austausch stattfindet. Die Geheimnisse zur Schlüsselbildung werden verworfen, sobald der Austausch abgeschlossen ist.

Mehrere Quick Modes können zur gleichen Zeit stattfinden und durch die gleiche IKE SA geschützt sein. Um die verschiedenen Wechsel unterscheiden zu können, wird das Message-ID-Feld des ISAKMP-Headers herangezogen. Der Status eines solchen Austausches wird durch die Cookies identifiziert.

[Bearbeiten] Authentication Header (AH)

Der Authentication Header (AH) soll die Authentizität der übertragenen Pakete sicherstellen und den Sender authentifizieren. Weiterhin schützt er gegen Replayangriffe. AH schützt die invarianten Teile eines IP-Datagramms; IP-Header-Felder, die auf dem Weg durch ein IP-Netz von Routern verändert werden können (z. B. TTL), werden nicht berücksichtigt. AH basiert direkt auf IP und verwendet die IP-Protokoll Nummer 51.

Ein AH-Paket sieht folgendermaßen aus:

Byte 0								Byte 1								Byte 2								Byte 3
Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7
Nächster Header								Nutzdaten-Länge								reserviert
Security Parameters Index (SPI)
Feld mit Sequenznummern
Authentizitätsdaten (variabel)

Bedeutung der Felder:

Nächster Header (next header) 

identifiziert das Protokoll der im Paket übertragenen Daten

Nutzdaten Länge (payload length) 

Größe des AH-Paketes

reserviert (RESERVED) 

reserviert für zukünftige Nutzung

Security Parameters Index (SPI) 

identifiziert in Verbindung mit der IP-Adresse und dem Sicherheitsprotokoll die Sicherheitsassoziation

Feld mit Sequenznummern (sequence number) 

ansteigende Nummer, die vom Absender gesetzt wird, soll Schutz vor Replay-Angriff bieten

Authentizitätsdaten (authentication data) 

enthält den Wert des Integritätstests (integrity check value, ICV) welcher sich aus einem Hash des übrigen Paketes ergibt

[Bearbeiten] Encapsulating Security Payload (ESP)

Encapsulating Security Payload (ESP) soll die Authentisierung, Integrität und Vertraulichkeit von IP-Paketen sicherstellen. Im Unterschied zum AH wird der Kopf des IP-Paketes vom ICV (Integrity check value) nicht berücksichtigt. Jedoch werden die Nutzdaten verschlüsselt übertragen. ESP basiert direkt auf IP und verwendet die IP-Protokoll Nummer 50.

Ein ESP-Paket sieht folgendermaßen aus:

Byte 0								Byte 1								Byte 2								Byte 3
Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7	Bit 0	1	2	3	4	5	6	7
Security Parameters Index (SPI)
Sequenznummer
Nutzdaten * (variabel)
								Füllung (0–255 bytes)
																Länge Füllung								Nächster Header
Authentizitätsdaten (variabel)

Bedeutung der Felder:

Security Parameters Index (SPI) 

identifiziert in Verbindung mit der IP-Adresse und dem Sicherheitsprotokoll die Sicherheitsassoziation

Sequenznummern (sequence number) 

ansteigende Nummer, die vom Absender gesetzt wird, soll Schutz vor Replay-Angriff bieten

Nutzdaten (payload data) 

enthält die Datenpakete

Füllung (padding) 

wird für eingesetzte Blockchiffre genutzt, um Daten bis zur vollen Größe des Blocks aufzufüllen

Länge Füllung (pad length) 

enthält Anzahl der eingefügten Bits für Padding

Nächster Header (next header) 

identifiziert das Protokoll der im Paket übertragenen Daten

Authentizitätsdaten (authentication data) 

enthält den Wert des Integritätstests (integrity check value, ICV)

[Bearbeiten] IPsec im Transportmodus

Im Transportmodus wird der IPsec-Header zwischen dem IP-Header und den Nutzdaten eingefügt. Der IP-Header bleibt unverändert und dient weiterhin zum Routing des Pakets vom Sender zum Empfänger. Der Transportmodus wird verwendet, wenn die „kryptographischen Endpunkte“ auch die „Kommunikations-Endpunkte“ sind. Nach dem Empfang des IPsec-Paketes werden die ursprünglichen Nutzdaten (TCP/UDP-Pakete) ausgepackt und an die höherliegende Schicht weitergegeben. Der Transportmodus wird vor allem für Host-zu-Host- oder Host-zu-Router-Verbindungen verwendet, z.B. zu Zwecken des Netzwerkmanagements.

[Bearbeiten] IPsec im Tunnelmodus

Im Tunnelmodus wird das ursprüngliche Paket gekapselt und die Sicherheitsdienste von IPsec auf das komplette Paket angewandt. Der neue (äußere) IP-Header dient dazu, die Tunnelenden (also die kryptografischen Endpunkte) zu adressieren, während die Adressen der eigentlichen Kommunikationsendpunkte im inneren IP-Header stehen. Der ursprüngliche (innere) IP-Header stellt für Router usw. auf dem Weg zwischen den Tunnelenden nur Nutzlast (Payload) dar und wird erst wieder verwendet, wenn das empfangende Security-Gateway (das Tunnelende auf der Empfangsseite) die IP-Kapselung entfernt hat und das Paket dem eigentlichen Empfänger zustellt.

Im Tunnelmodus sind Gateway-zu-Gateway- oder auch Peer-zu-Gateway-Verbindungen möglich. Da an jeweils einer Seite Tunnelende und Kommunikationsendpunkt in einem Rechner zusammenfallen können, sind auch im Tunnelmodus Peer-zu-Peer-Verbindungen möglich. Ein Vorteil des Tunnelmodus ist, dass bei der Gateway-zu-Gateway-Verbindung nur in die Gateways (Tunnelenden) IPsec implementiert und konfiguriert werden muss. Angreifer können dadurch nur die Tunnelendpunkte des IPsec-Tunnels feststellen, nicht aber den gesamten Weg der Verbindung.

[Bearbeiten] Keepalives

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[Bearbeiten] ISAKMP-Keepalive (DPD)

DPD ist seit Februar 2004 als RFC verabschiedet und bei CheckPoint bis heute (Stand 05/2007) nicht implementiert, obwohl es eines der sinnvollsten Features ist. Nur durch den Einsatz von DPD kann erkannt werden, ob eine IPsec-Verbindung (insbesondere der ISAKMP-Tunnel) unbeabsichtigt und unvorhergesehen abgebrochen wurde. Dann würden beide Gegenstellen die SA’s (Security Associations) abbauen und einen neuen Aufbau des ISAKMP-Tunnels und der ESP-/AH-Tunnel möglich machen. Ohne den Einsatz von DPD würde das Device mit noch bestehenden Tunneln den Neuaufbau abwehren, da die SPIs (Security Payload Identifier) nicht mehr passen. Ein Neuaufbau der Tunnel wäre erst nach Ablauf der Re-Keying-Timer möglich.

DPD wird als Notify-Message im ISAKMP-Protokoll (UDP:500) übertragen (Message-Values: R-U-THERE – 36136/R-U-THERE-ACK – 36137). Die DPD-Funktion dagegen gewährleistet eine kontinuierliche Überprüfung der Verbindung zur Gegenstelle und leistet einen automatischen Wiederaufbau bei ungewolltem Verbindungsabbruch. Die Spezifikation ist festgelegt im RFC 3706 und wird auch ISAKMP-Keepalive genannt.

[Bearbeiten] UDP-Keepalive

Es verhindert den (bei NAT-Traversal) von NAT üblicherweise automatisch eingeleiteten Time-out bei längeren Zeitverzögerungen in der Dateneingabe. Die Spezifikation ist im RFC 3519 festgelegt und wird auch NAT-Keepalive genannt. CheckPoint unterstützt lediglich UDP Keepalive. CheckPoint nutzt hierfür den Port UDP:18233.

[Bearbeiten] Kritik an 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. (Bruce Schneier)

(Deutsch: IPsec war eine große Enttäuschung für uns. In Anbetracht der Qualifikation der Leute, die daran gearbeitet haben, und der Zeit, die dafür aufgebracht wurde, haben wir ein viel besseres Ergebnis erwartet)

Die Experten für Kryptographie Bruce Schneier und Niels Ferguson evaluierten mehrfach das IPsec-Protokoll und fanden mehrere Kritikpunkte. Neben der Art, wie es entstand, wird vor allem die hohe Komplexität und damit Fehleranfälligkeit kritisiert. Allerdings stellen beide auch fest, dass IPsec das ursprüngliche IP zur Zeit am besten absichert.

[Bearbeiten] Relevante RFCs

IPsec entstand im Zuge der Entwicklung von IPv6 und ist in verschiedenen aktuellen RFCs spezifiziert:

[Bearbeiten] Literatur

• Naganand Doraswamy, Dan Harkins: IPSec – The New Security Standard for the Internet, Intranets, and Virtual Private Networks. Second Edition Auflage. Prentice Hall, 2003, ISBN 013046189X.

[Bearbeiten] Weblinks

• IPsec-Evaluation von Schneier
• An illustrated guide to IPsec (englisch)
• Portbeschränkung unter Windows 2000 Server via IPSec (Vor- und Nachteile sowie HowTo)