RFC-2401. Архитектура безопасности для протокола сетевого уровня Internet (IPsec). Ноябрь 1998 года (категория: стандарт)

Подождите немного. Документ загружается.

RFC-2401 ноябрь 1998

года

категория: стандарт

АРХИТЕКТУРА БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ПРОТОКОЛА

СЕТЕВОГО УРОВНЯ INTRENET

(IPsec)

I. ВВЕДЕНИЕ

Этот стандарт определяет:

 базовую архитектуру безопасности для систем, использующих IP-

протокол в качестве базового протокола межсетевого информационного

обмена. Главное предназначение архитектуры — предоставление

различных услуг по обеспечению безопасности трафика на сетевом (IP)

уровне (третий уровень архитектуры INTERNET) при использовании 4-

или 16-байтовой структуры сетевой адресации (IPv4 или IPv6);

 цели таких систем, их компоненты, как они функционируют вместе,

каждый с каждым, а также в составе IP-протокола;

 услуги по обеспечению безопасности, предлагаемые IPsec, а также — как

эти услуги могут быть использованы в составе IP-протокола.

Данный стандарт не раскрывает всех аспектов IPsec-архитектуры.

Последующие документы будут рассматривать специальные вопросы

архитектуры и ее реализации, например, использование IPsec совместно с

протоколом NAT (протокол трансляции сетевых адресов) или в режиме

циркулярной (многоадресной) рассылки IP-пакетов. Далее приводится перечень

основных компонентов архитектуры безопасности IPsec, которые в дальнейшем

будут рассматриваться с точки зрения их функциональности и структуры:

 протоколы безопасности — “Заголовок аутентификации” (АН) и

“Функция “повторного обрамления” защищаемой информации” (ESP);

 защищенный сеанс информационного обмена (защищенное виртуальное

соединение) — что это такое, как это функционирует, как этим управлять,

обработка информации для управления соединением;

 управление процедурами обмена и распределения ключевой информации

— “вручную” и автоматически (IKE);

 алгоритмы аутентификации и шифрования.

Данный документ не определяет всей архитектуры безопасности Internet.

Он адресован только для обеспечения безопасности на сетевом (IP) уровне,

которая реализуется на основе совместного использования криптграфических

способов и алгоритмов и процедурных и логических характеристик протоколов

информационного обмена.

II . ОБЪЕКТЫ РАЗРАБОТКИ

2.1. Определение целей, объектов, требований и проблем реализации

IPsec разработан для обеспечения защищенного межсетевого

информационного обмена (с высоким качеством) на основе криптографических

методов и алгоритмов и может быть использован для IP-пакетов с 4- или 16-

байтовой структурой адресации. Предлагаемый набор услуг по обеспечению

безопасности включает:

 контроль доступа;

 целостность передаваемых данных;

 аутентификация источника сообщения;

 конфиденциальность (шифрование);

 ограничение потока конфиденциального трафика.

Эти услуги предоставляются на сетевом (IP) уровне, обеспечивая защиту

сетевого уровня и/или более высоких уровней (протоколов верхних уровней).

Эти услуги реализуются на основе применения:

 двух протоколов, обеспечивающих безопасность трафика — “Заголовок

аутентификации” (АН) и “Функция “повторного обрамления”

защищаемой информации” (ESP);

 специальных процедур и протоколов управления криптографическими

ключами.

Конкретный набор IPsec протоколов, а также способы и варианты их

применения полностью определяются пользователями, прикладными

процессами и/или корпоративными WEB-сайтами организаций в зависимости

от требуемого уровня безопасности и системных требований.

Когда эти средства настроены корректно и правильно эксплуатируются,

то они не будут “создавать помех” пользователям, сетевым узлам и другим

компонентам Internet, которые не используют указанные средства для защиты

своего трафика. Модульная структура этих средств позволяет выбирать

различные совокупности алгоритмов, которые не будут отрицательно влиять на

другие части используемого приложения или другие прикладные процессы.

Например, разные группы пользователей могут выбирать различные наборы

алгоритмов (простым нажатием на клавишу клавиатуры или с помощью мыши),

если конечно это необходимо.

Стандартный набор алгоритмов (“по умолчанию”) предоставляет полную

функциональность для информационного обмена с использованием глобальной

сети Internet. Использование этих алгоритмов, совместно с IPsec-протоколами

для защиты трафика и обмена ключевой информацией, направлено на

соврешенствование систем безопасности, которые применяют

высококачественные методы криптографической защиты информации на IP-

уровне.

2.2. Предостережения и замечания

Совокупность IPsec-протоколов и связанных с ними алгоритмов (“по

умолчанию”) создана для обеспечения высокого уровня безопасности Internet-

трафика. Однако, уровень безопасности, предоставляемый этими протоколами,

полностью зависит от качества самих программных продуктов, которые

используют данный набор стандартов. Более того, безопасность компьютерной

системы или сети зависит от многих факторов, которые включают деятельность

персонала, среду передачи данных, процедурные ошибки, компрометирующие

побочные излучения и просто практический опыт в компьтерной безопасности.

Таким образом, IPsec является только частью общей архитектуры безопасности

системы.

И в заключении, уровень безопасности, обеспечиваемый при

использовании IPsec, во многом зависит от различных аспектов

функционирования системы, в которой применяются IPsec-протоколы.

Например, низкий уровень защищенности операционной системы, низкое

качество генераторов случайных чисел, непродуманные протоколы управления

системой и “безобразная” практика их применения, а также многое другое

может полностью дискредиторовать систему безопасности, обеспечиваемую

IPsec. Но тем не менее, ни один, из упомянутых выше аспектов

функционирования системы не является предметом рассмотрения данного или

других IPsec-стандартов.

III . ОБЗОР СИСТЕМЫ

Программные средства IPsec функционируют в составе программных

комплексов IP-узлов или шлюза безопасности сети (например, маршрутизатор

или фильтр IP-пакетов), обеспечивая защиту IP-трафика. Такая защита

базируется на требованиях безопасности, определяемых стратегией

безопасности (на основе специализированной базы данных — СБД), которая, в

свою очередь, формируется и регулируется пользователем или системным

администратором, или прикладным процессом по определенному ими

алгоритму. В общем, пакеты на основании результатов сравнения информации,

содержащейся в заголовках сетевого (IP) и транспортного уровней, с

информацией, хранящейся в СБД (процедура выбора режима), проходят

обработку в одном из трех возможных режимов. Каждый пакет либо

обрабатывается программными средствами IPsec, либо уничтожается, либо

проходит дальнейшую обработку “в обход” средств IPsec. Выбор одной из

последних процедур обработки пакетов осуществляется в соответствии со

стратегией “заложенной” в СБД.

3.1. Что делает IPsec?

IPsec предоставляет услуги по обеспечению безопасности на сетевом (IP)

уровне на основе специализированной системы выбора требуемых протоколов

защиты информации, определения алгоритмов, используемых в процедуре

безопасности, и ввода каких бы то ни было криптографических ключей,

необходимых для обеспечения затребованной услуги. IPsec может быть

использован для защиты одного или более виртуальных соединений либо

между двумя IP-узлами, либо между двумя шлюзами безопасности, либо между

IP-узлом и шлюзом безопасности.

IPsec предоставляет следующий набор услуг по обеспечению

безопасности:

 конроль доступа;

 целостность передаваемой информации;

 аутентификация источника данных;

 уничтожение повторно переданных пакетов (как одна из форм

обеспечения целостности соединения);

 обеспечение конфиденциальности (шифрование);

 ограничение трафика конфиденциальной информации.

Так как эти услуги предоставляются на IP-уровне, то они могут быть

использованы любыми другими протоколами более высоких уровней

архитектуры INTERNET (например, TCP, UDP, ICMP, BGP и другими).

IPsec DOI (Domain of Interpretation) также обеспечивает условия для

сжатия (компрессии) IP-пакетов (либо заголовка, либо всего пакета).

3.2. Как работает IPsec?

IPsec использует два протокола для защиты трафика — протокол

формирования “Заголовка аутентификации” (АН) и протокол, реализующий

“Функцию “повторного обрамления” защищаемой информации” (ESP):

 АН обеспечивает целостность виртуального соединения (передаваемых

данных), аутентификацию источника информации и дополнительную

функцию по предотвращению повторной передачи пакетов;

 ESP может обеспечить конфиденциальность (шифрование) передаваемой

информации, ограничение потока конфиденциального трафика. Кроме

этого, он может обеспечить целостность виртуального соединения

(передаваемых данных), аутентификацию источника информации и

дополнительную функцию по предотвращению повторной передачи

пакетов (Всякий раз, когда применяется ESP, в обязательном порядке

должен использоваться тот или иной набор данных услуг по обеспечению

безопасности.);

 АН и ESP являются специализированными средствами для контроля

доступа, основанного на процедурах распределения криптографических

ключей и управления потоками трафика, который формируется в связи с

применением этих протоколов безопасности.

Эти протоколы могут использоваться каждый индивидуально или в

какой-либо комбинации друг с другом с целью обеспечения выбранного набора

услуг по обеспечению безопасности для IPv4 и IPv6. Каждый протокол может

использоваться в двух режимах: транспортном режиме и режиме

туннелирования. В транспортном режиме как правило обеспечивается защита

протоколов верхних уровней архитектуры INTERNET; в режиме

туннелирования обеспечивается туннелирование IP-пакетов (IPsec-туннель).

IPsec предоставляет пользователю (или системному администратору)

возможность управления количеством формируемых IPsec-туннелей в

соответствии с выбранной процедурой обеспечения безопасности. Например,

он может сформировать только один криптографический туннель для

транслирования всего трафика между двумя шлюзами безопасности или

несколько отдельных криптографических туннелей для каждого ТСР-

соединения (сеанса связи) между каждой парой IP-узлов, соединенных через

эти шлюзы безопасности.

Управление IPsec должно обеспечивать следующие функциональные

возможности:

 определение выбранной услуги (процедуры) по обеспечению

безопасности;

 выделенное (самостоятельное) управление каждой процедурой по

обеспечению безопасности (каждым IPsec-туннелем), которая может быть

востребована;

 определение алгоритмов безопасности, используемых эффективные

криптографические методы защиты информации.

Так как эти процедуры безопасности используют персональные

криптографические ключи, IPsec ориентирован на определенный класс (группу)

способов и методов доставки таких ключей пользователям. (В частности, эти

ключи используются в процедурах аутентификации, защиты целостности

данных и шифровании.) Данный стандарт требует обеспечения двух режимов

распределения ключей: ручного и автоматического.

3.3. Где может быть использован IPsec ?

Существует несколько направлений для практического применения IPsec

в составе программного обеспечения IP-узла или маршрутизатора или сетевого

фильтра пакетов (сформировав, таким образом, шлюз безопасности).

Следующие далее примеры подтверждают это:

1. интеграция IPsec с программным обеспечением IP-протокола. Для

этого потребуется исходный текст (листинг) программы, реализующей IP-

протокол, для встраивания программного обеспечения IPsec, что вполне

приемлемо для IP-узлов и шлюзов безопасности;

2. интеграция IPsec с программным обеспечением локальных сетей

(LAN). Для этого существует специальное ПО (специализированный

интерфейс, так называемые драйверы), обеспечивающее интеграцию Internet-

архитектуры (ТСР/IP) с LAN-архитектурой. И в данном случае знание

указанных драйверов не обязательно, достаточно того, что IPsec уже

синтегрирован с “классическим” программным обеспечением IP-протокола в

составе IP-узла, взаимодействующего с LAN;

3. информационно-вычислительные системы военного назначения, а

также некоторые коммерческие компьютерные сети используют так

называемые линейные (канальные) шифраторы (специализированные

криптографические аппаратно-программные комплексы), которые защищают

выходной трафик на физическом уровне ТСР/IP-архитектуры. Они могут

применяться для защиты IP-узла, шлюза безопасности или обоих

одновременно. Как правило, шифратор имеет свой уникальный IP-адрес. Когда

шифратор обслуживает только один IP-узел, то такая ситуация похожа на

предыдущую — интеграция IPsec с программным обеспечением LAN. Если

шифратор обслуживает маршрутизатор или сетевой фильтр пакетов, то он

должен фукционировать как шлюз безопасности и иметь в своем составе

программное обеспечение IPsec.

IV . ЗАЩИЩЕННЫЕ ВИРТУАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Концепция “Защищенного виртуального соединения” (“Security

Association” — SA) является фундаментальной в IPsec-архитектуре. Любые

варианты программного обеспечения, реализующие протоколы AH и ESP,

должны обладать способностью “построения” SA.

4.1. Определения и предмет исследования

SA представляет собой симплексное соединение, которое формируется

процедурами обеспечения безопасности для транспортирования по нему

соответствующего трафика. При реализации услуг безопасности формируется

SA на основе использования протоколов AH и ESP (либо обоих одновременно).

Последние могут формировать два и более SA для защиты трафика. Как

правило, при организации дуплексного виртуального соединения (если оно

востребовано) между двумя IP-узлами или двумя шлюзами безопасности

фомируются два SA (каждое для одного направления).

SA имеет уникальный маркер, состоящий из трех элементов:

 индекса параметра безопасности;

 IP-адреса назначения (доставки информации);

 идентификатора протокола безопасности (AH или ESP).

В принципе, IP-адрес назначения может быть индивидуальным (unicast

address, то есть IP-узел  IP-узел), либо широковещательным (broadcast address,

то есть IP-узел  IP-узлы), либо групповым



(multicast group address, то есть IP-

узлы  IP-узлы). Однако в IPsec-архитектуре рассматриваются только

индивидуальные IP-адреса. SA определен в соответствии с концепцией

межтерминального (сквозного) соединения (“point-to-point”).

Существуют два режима функционирования SA: транспортный режим

(РТР) и режим тунелирования (РТУ).

РТР реализуется при SA между двумя IP-узлами. При использовании IPv4

заголовок протокола безопасности, функционирующего в РТР, размещается

сразу после заголовка IP-пакета и поля “Услуги” и перед заголовками

сообщений выше лежащих уровней (например, ТСР или UDP). При

использовании IPv6 заголовок протокола безопасности, функционирующего в

РТР, размещается после базового заголовка IP-пакета и необходимых

дополнительных полей, но может размещаться до или после поля “destination

options”, и всегда перед заголовками сообщений выше лежащих уровней. В

случае применения ESP, SA в РТР обеспечивает защиту для сообщений

протоколов выше лежащих уровней, но не заголовка IP-пакета или каких-либо

необходимых дополнительных полей, предшествующих ESP-заголовку. В

случае применения AH, дополнительно защищаются отдельные части заголовка

IP-пакета, отдельные части необходимых дополнительных полей и отдельные

части поля “destination options” (содержащиеся в заголовке IPv4,

дополнительные поля для адресов ретрансляционных IP-узлов в заголовке IPv6,

или дополнительные поля “destination options” в заголовке IPv6).

SA в РТУ фактически формирует IP-туннель. Всякий раз, когда при SA

одним из двух конечных терминалов является шлюз безопасности, SA должен

функционировать в РТУ. Таким образом, SA между двумя шлюзами

безопасности всегда функционирует в РТУ, а также в случае SA между шлюзом

безопасности и IP-узлом. (Замечание. В том случае, когда трафик

предназначен для шлюза безопасности (например, управляющие SNMP-

сообщения), последний функционирует как IP-узел в РТР и не транслирует

трафик.) Два IP-узла могут взаимодействовать между собой, используя SA в

РТУ. Требование обязательного РТУ для любого (транзитного трафика) SA,

функционирующего между шлюзами безопасности, влечет за собой

необходимость преодоления потенциальных проблем, связанных с



В Internet-сообществе также рассматривается так называемый уникальный IP-адрес (anycast address,

то есть IP-узлы  IP-узел).

фрагментированием и повторной “сборкой” IPsec-пакетов. Это имеет место в

случаях, когда соединение имеет несколько ретрансляционных участков и

маршрутов при трансляции трафика для одного и того же шлюза безопасности.

В случае функционирования SA в РТУ имеет место так называемый

“внешний” заголовок IP-пакета, который определяет адрес назначения

последнего, где он будет “проходить” IPsec-обработку. Кроме этого, имеет

место так называемый “внутренний” заголовок IP-пакета, который определяет

(очевидно) последний адрес назначения IP-пакета. Заголовок используемого

протокола безопасности размещается после “внешнего” и перед “внутренним”

заголовоками IP-пакета. В случае применения протокола AH в РТУ защите

подлежат отдельные части “внешнего” заголовка IP-пакета, а также весь

“туннелируемый” IP-пакет (то есть все поля “внутреннего” заголовка IP-пакета

и все сообщения протоколов верхних уровней). В случае применения протокола

ESP защите подлежит только “туннелируемый” IP-пакет, а “внешний”

заголовок IP-пакета остается без изменений.

Таким образом:

 IP-узел должен обеспечивать два режима функционирования — РТР и

РТУ;

 шлюз безопасности должен обеспечивать только один режим — РТУ.

Если он обеспечивает и РТР, то в этом режиме он должен

функционировать как IP-узел (например, для сетевого управления).

4.2. Функциональность защищенного виртуального соединения

Набор услуг по обеспечению безопасности, предлагаемый SA зависит от

выбранного протокола безопасности, режима функционирования SA, конечных

терминалов SA и выбора дополнительных функций в рамках протокола

безопасности. Например, протокол АН обеспечивает аутентификацию

источника информации и целостность последней для IP-пакетов.

Протокол АН также обеспечивает процедуру блокирования повторной

передачи IP-пакетов (как часть процедуры обеспечения целостности

информации) “по усмотрению” приемного терминала (это помогает

продиводействовать атакам типа “отказ в обслуживании”). Этот протокол

наиболее приемлем, когда не требуется процедура обеспечения

конфиденциальности (или когда нет разрешения, например, вследствие

правительственных ограничений на применение шифрования). Кроме этого, АН

способен “аутентифицировать” выбранные поля заголовка IP-пакета,

содержание которых может понадобиться для нормального функционирования

сетевых компонентов. Например, АН может обеспечить целостность поля

“Услуги” (при использовании IPv4) или дополнительных полей (при

использовании IPv6) заголовка IP-пакета, если необходимо защитить

маршрутную информацию от возможной ее модификации, обеспечив тем

самым корректный маршрут доставки данных (за исключением, пожалуй,

непредсказуемых изменений отдельных частей заголовка IP-пакета).

Протокол ESP дополнительно обеспечивает процедуру шифрования

трафика. (Надежность данной процедуры зависит, в частности, от

используемого алгоритма шифрования.) Кроме этого, ESP обеспечивает

процедуру аутентификации. Если последняя востребована в рамках SA

протокола ESP, то приемный терминал может “усилить” эту процедуру путем

выбора дополнительной функции блокирования повторной передачи IP-пакетов

с такими же параметрами, как и при использовании протокола АН. Однако,

процедура аутентификации, предлагаемая протоколом ESP, немного “заужена”

по сравнению с аналогичной, предлагаемой протоколом АН (то есть “внешний”

ESP-заголовок в рамках IP-заголовка не защищается). Если протоколы верхних

уровней нуждаются в процедуре аутентификации, то в этом случае последняя,

предлагаемая протоколом ESP, является более предпочтительной, так как более

эффективно использует поля закголовка IP-пакета по сравнению с протоколом

АН совместно с ESP в РТУ. (Замечание. Несмотря на то, что процедуры

шифрования и аутентификации являются дополнительными, нельзя

отказываться от обеих одновременно. По крайней мере, одна из них

должна быть выбрана для применения.)

В случае выбора процедуры шифрования, протокол ESP формирует SА в

РТУ между двумя шлюзами безопасности и предлагает выборочное

шифрование трафика. Использование РТУ предусматривает шифрование

“внутренних” заголовков IP-пакета, скрывая признаки (конечных) отправителя

и получателя сообщений. Более того, протокол ESP осуществляет дополнение

“нулями” (либо случайное число) реальной нагрузки, содержащейся в поле

информации, скрывая тем самым истинный размер IP-пакета и, как следствие,

реальные параметры трафика.

Подобное шифрование трафика может понадобиться мобильному

пользователю, когда его терминалу присваивается динамический IP-адрес (с

точки зрения радиолинии (радиоканала) привязки к базовой станции) для

доступа к корпоративному сетевому фильтру пакетов (выступающему в роли

шлюза безопаности), при этом протоколом ESP формируется SА в РТУ.

(Замечание. Большое количество SА (“granularity”), обеспечивающих

трансляцию трафика между двумя шлюзами безопаности (то есть, когда

каждое ТСР-соединение имеет свой IPsec-туннель), в одном IP-соединении

делает его более уязвимым в атакам типа “анализ трафика”, чем

небольшое количество таких SА.)

4.3. Комбинированные защищенные виртуальные соединения

Защищаемые IP-пакеты транслируются по одному из индивидуальных SА

в соответствии с одним из протоколов (либо АН, либо ESP, но не оба сразу)

обеспечения безопасности. Иногда, для конкретного трафика в соответствии со

стратегией безопасности может потребоваться сочетание нескольких процедур

обеспечения защиты, что не допустимо при использовании одиночного SА. В

таких случаях с целью выполнения требований безопасности необходимо

сформировать несколько SА (группу защищенных виртуальных соединений

или “пучок” SА — “security association bundle”). Правила формирования группы

SА определяются стратегией безопасности. (Замечание. Некоторые SА (из

состава группы) могут заканчиваться в различных точках (терминалах)

виртуальных соединений. Например, один SА из группы может быть

сформирован между мобильным IP-узлом и шлюзом безопасности, а

второй SА из этой же группы может быть продлен и заканчиваться на IP-

узле за шлюзом безопасности.)

Несколько SА могут группироваться в “пучки” двумя следующими

способами:

 параллельное транспортирование (“transport adjacency”);

 раздельное туннелирование (“iterated tunneling”).

Параллельное транспортирование. В этом случае используются несколько

(но не один) протоколов безопасности для транспортирования одного и того же

IP-пакета. Другими словами, один IP-пакет передается по нескольким

параллельным SА (группа SА) в РТР, сформированными различными

протоколами обеспечения безопасности. Но в связи с тем, что в IPsec

рассматриваются только два протокола безопасности АН и ESP, а SА в РТР

могут формироваться только между IP-узлами, то реально существует только

один вариант комбинированного защищенного виртуального соединения при

параллельном транспортировании, который представлен на рис.1.

Раздельное туннелирование. В данном случае несколько вариантов

комбинирования протоколов безопасности на основе процедуры IP-

туннелирования. Различие указанных вариантов заключается в том, что каждое

SА в РТУ (в составе группы SА) может начинаться и заканчиваться в разных

точках функционирования IPsec. В этой связи, не существует какой-либо

специальной обработки ISAKMP-трафика в промежуточных шлюзах

безопасности, за исключением той, которая определена СПД.

Существуют три основных варианта раздельного туннелирования (при

этом поддержки требуют только 2

и 3

варианты):

1. Все SА (в составе группы) в РТУ имеют две общие конечные (начало

или окончание симплексного соединения) точки (рис.2), где функционирует

IPsec (это 1

и 2

IP-узлы). В этом случае для каждого из протоколов

безопасности (АН и ESP) могут создавться внутренний и внешний туннели,