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43
sem/OpenVPN_vs_IPSec-Paper.tex
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@ -82,30 +82,29 @@ IPSec ist unter der Aufsicht eines Komitees entstanden. Diese Vorgehensweise wur
Die Entstehungsweise führte dazu, dass IPSec unnötig kompliziert wurde. Die einen Mitglieder wollten die eine Lösung implementieren und andere plädierten für eine andere Lösung, was dazu führte, dass beide Lösungen implementiert wurden. Dies geht jedoch zu Lasten der Nutzbarkeit. Zu viele Optionen führen nicht nur zur Verwirrung und Komplizierung der Implementation von IPSec, es kann vor allem auch zu Sicherheitslücken führen. Experten bemängelten diese Komplexität.
Die erste Version von IPSec ist 1995 spezifiziert worden. Doch über die Jahre ist der Standard immer weiter entwickelt worden und so gibt es eine zweite Version aus 1998 und eine dritte aus 2005. Diese gelten zwar allgemein als V2 und V3, jedoch sind verschiedene Aspekte von IPSec in verschiedenen sogenannten ``Request for Comments"', kurz RFC, spezifiziert. So gibt es beispielsweise ein RFC, dass sich allgemein auf IPSec bezieht, aktuell RFC 4301 aus 2005, und es gibt beispielsweise ein RFC, dass sich auf die zu verwendenden Verschlüsselungsalgorithmen bezieht, aktuell RFC 7321 bereits aus 2014. So ist gewährleistet, dass IPSec weiterhin auf dem neuesten Stand gehalten werden kann, ohne dass man jedes mal die komplette Spezifikation überarbeiten muss.
Die erste Version von IPSec ist 1995\cite{RFC1825} spezifiziert worden. Doch über die Jahre ist der Standard immer weiter entwickelt worden und so gibt es eine zweite Version aus 1998\cite{RFC2401} und eine dritte aus 2005\cite{RFC4301}. Diese gelten zwar allgemein als V2 und V3, jedoch sind verschiedene Aspekte von IPSec in verschiedenen sogenannten ``Request for Comments"', kurz RFC, spezifiziert. So gibt es beispielsweise ein RFC, dass sich allgemein auf IPSec bezieht, aktuell RFC 4301 aus 2005, und es gibt beispielsweise ein RFC, dass sich auf die zu verwendenden Verschlüsselungsalgorithmen bezieht, aktuell RFC 7321 bereits aus 2014. So ist gewährleistet, dass IPSec weiterhin auf dem neuesten Stand gehalten werden kann, ohne dass man jedes mal die komplette Spezifikation überarbeiten muss.
Die folgenden RFCs sind für IPSec relevant:
\begin{itemize}
\item RFC 4301: Beschreibt den grundsätzlichen Aufbau von IPSec
\item RFC 4302: Beschreibt den Authentication Header (AH)
\item RFC 4303: Beschreibt Encapsulating Security Payload (ESP)
\item RFC 7321: Gibt vor welche Algorithmen für AH und ESP verwendet werden sollten
\item RFC 5996: Beschreibt das Internet Key Exchange Protocol Version 2 (IKEv2)
\item RFC 4307: Gibt vor welche Algorithmen für IKEv2 verwendet werden sollten
\item RFC 4308: Gibt Empfehlungen für Sammlungen von Algorithmen, die verwendet werden können
\item RFC 4301: Beschreibt den grundsätzlichen Aufbau von IPSec\cite{RFC4301}
\item RFC 4302: Beschreibt den Authentication Header (AH)\cite{RFC4302}
\item RFC 4303: Beschreibt Encapsulating Security Payload (ESP)\cite{RFC4303}
\item RFC 7321: Gibt vor welche Algorithmen für AH und ESP verwendet werden sollten\cite{RFC7321}
\item RFC 5996: Beschreibt das Internet Key Exchange Protocol Version 2 (IKEv2)\cite{RFC5996}
\item RFC 4307: Gibt vor welche Algorithmen für IKEv2 verwendet werden sollten\cite{RFC4307}
\end{itemize}
Es gibt noch weitere RFCs, die man IPSec zuordnen kann, doch dies sind die Wichtigsten. Im folgenden Abschnitt werden wir näher auf die technischen Aspekte von IPSec eingehen und die Themen der einzelnen RFCs näher betrachten.
\subsection{Technischer Aufbau}
\subsubsection{Tunnel Modus und Transport Modus}
IPSec kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden: Transport Modus oder Tunnel Modus.
IPSec kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden: Transport Modus oder Tunnel Modus. \cite{RFC4301}
Beim Tunnel Modus werden die IP-Pakete in neue Pakete verpackt mit einem neuen Header. Dabei werden die Pakete jedoch von den einzelnen Gateways bearbeitet. Das heißt im Endeffekt, dass die Sicherheit nur von Gateway zu Gateway gewährleistet wird und nicht vom einem Ende zum anderen. Der Vorteil ist, dass der Endnutzer die Anwendung nicht merkt, da zum Beispiel der Router dies übernehmen kann.
Im Transport Modus ist die Sicherheit vom einen zum anderen Ende gewährleistet. Dabei werden die eigentlichen IP-Pakete beibehalten und einige sicherheitsrelevante Felder hinzugefügt.
\subsubsection{Authentication Header}
Der Authentication Header, kurz AH, kann dazu verwendet werden, um die Authentizität und Integrität von Daten zu gewährleisten, und außerdem um Replay-Angriffe abzuwehren. Er muss im Gegensatz zur Alternative "`Encapsulating Security Payload"' jedoch nicht von IPSec Implementationen unterstützt werden.\footnote{RFC 4301 3.2. How IPsec Works} Der Grund hierfür ist, dass ESP neben dem, was der AH leistet, zusätzlich noch die Vertraulichkeit der Pakete sicherstellt. Der Authentication Header wird dabei an die IP-Pakete angehängt und sieht wie folgt aus:
Der Authentication Header, kurz AH, kann dazu verwendet werden, um die Authentizität und Integrität von Daten zu gewährleisten, und außerdem um Replay-Angriffe abzuwehren. Er ist in RFC 4302 spezifiziert.\cite{RFC4302} Er muss im Gegensatz zur Alternative "`Encapsulating Security Payload"' jedoch nicht von IPSec Implementationen unterstützt werden.\footnote{RFC 4301 3.2. How IPsec Works} Der Grund hierfür ist, dass ESP neben dem, was der AH leistet, zusätzlich noch die Vertraulichkeit der Pakete sicherstellt. Der Authentication Header wird dabei an die IP-Pakete angehängt und sieht wie folgt aus:
%\begin{figure}[htbp]
% \centering
@ -114,36 +113,42 @@ Der Authentication Header, kurz AH, kann dazu verwendet werden, um die Authentiz
% \label{AH-Aufbau}
%\end{figure}
Das 8 Bit lange Feld "`Next Header"' gibt an welche Art Nutzdaten nach dem AH folgen. Eine 4 bedeutet zum Beispiel IPv4 und eine 41 IPv6. Das 8 Bit lange Feld "`Payload Length"' gibt die Länge des AH in 4 Byte Worten - 2 an. Das 16 Bit lange Feld "`Reserved"' ist reserviert, damit man es in Zukunft nutzen kann, falls es benötigt wird. Das 32 Bit lange Feld "`Security Parameters Index"' (SPI) enthält die verwendete Security Association, die beim Versenden des Paketes verwendet wurde. Die Security Association beschreibt dabei, welche Sicherheitsdienste verwendet wurden, damit der Empfänger das Paket verarbeiten kann. Das 32 Bit lange Feld "`Sequence Number"' wird bei jedem versendeten Paket um 1 erhöht, um so Replay-Angriffe zu verhindern. Der Empfänger akzeptiert das Paket dabei nur, wenn die Sequence Number dabei in einem bestimmten Fenster liegt. Dieses Fenster ist daher vorhanden, da Pakete oft nicht in der selben Reihenfolge empfangen, wie sie versendet werden. Außerdem ist die Nummer mit einer MAC geschützt. Das heißt, wenn der Angreifer die Nummer ändert, dann stimmt der MAC nicht, und wenn er sie nicht ändert, dann fällt diese nicht mehr in das Fenster. Es gibt auch die Möglichkeit ein erweitertes 64 Bit langes Feld für die Sequence Number zu verwenden.
Das 8 Bit lange Feld "`Next Header"' gibt an welche Art Nutzdaten nach dem AH folgen. Eine 4 bedeutet zum Beispiel IPv4 und eine 41 IPv6.\\
Das 8 Bit lange Feld "`Payload Length"' gibt die Länge des AH in 4 Byte Worten - 2 an. Das 16 Bit lange Feld "`Reserved"' ist reserviert, damit man es in Zukunft nutzen kann, falls es benötigt wird.\\
Das 32 Bit lange Feld "`Security Parameters Index"' (SPI) enthält die verwendete Security Association, die beim Versenden des Paketes verwendet wurde. Die Security Association beschreibt dabei, welche Sicherheitsdienste verwendet wurden, damit der Empfänger das Paket verarbeiten kann.\\
Das 32 Bit lange Feld "`Sequence Number"' wird bei jedem versendeten Paket um 1 erhöht, um so Replay-Angriffe zu verhindern. Der Empfänger akzeptiert das Paket dabei nur, wenn die Sequence Number dabei in einem bestimmten Fenster liegt. Dieses Fenster ist daher vorhanden, da Pakete oft nicht in der selben Reihenfolge empfangen, wie sie versendet werden. Außerdem ist die Nummer mit einer MAC geschützt. Das heißt, wenn der Angreifer die Nummer ändert, dann stimmt der MAC nicht, und wenn er sie nicht ändert, dann fällt diese nicht mehr in das Fenster. Es gibt auch die Möglichkeit ein erweitertes 64 Bit langes Feld für die Sequence Number zu verwenden.\\
Das Feld "`Integrity Check Value"' (ICV) enthält den MAC-Wert. Da dieser je nach verwendetem Algorithmus unterschiedlich lang ist, hat das Feld ebenfalls eine Variable Länge, dessen Beschränkung allerdings ist, dass es ein Vielfaches von 32 Bit sein muss, und dass der komplette AH ebenfalls ein vielfaches von 32 Bit bei IPv4 und ein vielfaches von 64 Bit bei IPv6 sein muss. Der MAC-Wert wird zur Überprüfung der Authentizität der Daten verwendet, das heißt es wird überprüft, ob das Paket auch tatsächlich vom Absender und nicht von einem Angreifer stammt.
\subsubsection{Encapsulating Security Payload}
Die Alternative zum AH ist "`Encapsulating Security Payload"', kurz ESP. Wie schon erwähnt muss ESP von IPSec-Implementationen unterstützt werden.
Die Alternative zum AH ist "`Encapsulating Security Payload"', kurz ESP. Wie schon erwähnt muss ESP von IPSec-Implementationen unterstützt werden. ESP ist in RFC 4303 spezifiziert.\cite{RFC4303}
ESP schützt auch wie AH die Integrität und Authentizität der Daten. Zusätzlich bietet es auch noch einen Schutz der Vertraulichkeit. Um dies zu erreichen können die Daten verschlüsselt werden. Der Aufbau von ESP ist wie folgt:
%Abbild Aufbau des ESP
Im Allgemeinen wird zwischen dem Header, der vor den Nutzdaten kommt, dem Trailer, welcher nach den Nutzdaten angelegt ist, und dem Feld zum Prüfen der Authentizität unterschieden. Das heißt beim ESP sind die Nutzdaten, wie der Name schon schließen lässt, von diesen Feldern umgeben.
Das 32 Bit lange Feld "`Security Parameters Index"' (SPI) wird genau wie beim AH verwendet. Das 32 Bit lange Feld "`Sequence Numbers"' ist ebenfalls sehr ähnlich zu dem entsprechenden Feld im AH, allerdings muss die Empfänger die Nummer ignorieren, wenn der Algorithmus zur Überprüfung der Integrität Null ist. Es gibt auch die Option zu einer Erweiterung zu einem 64 Bit langem Feld. Das Feld "`Payload Data"' hat eine variable Länge. Es enthält die Nutzdaten des Paketes. Das Feld "`Padding"' ist 0 bis 255 Bytes lang und kann zu verschiedenen Zwecken verwendet werden. Es gibt einige Verschlüsselungs-Algorithmen die nur Inhalte verschlüsseln können die ein Vielfaches einer bestimmten Byte-Zahl sind. Mit dem Padding-Feld können so die Nutzdaten aufgefüllt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist mit dem Feld die tatsächliche Länge für einen Angreifer zu verbergen, allerdings wird davon im RFC abgeraten, da dies nicht effektiv genug ist und das optionale Feld "`TFC Padding"' dafür bereits vorgesehen ist. Dieses Feld ist anders als das normale Padding-Feld nicht auf 255 Bytes limitiert und kann so einen Angreifer, der die Verkehrsdaten analysiert abwehren. Man kann das Feld im Transport-Modus jedoch nicht immer anwenden.
Das 32 Bit lange Feld "`Security Parameters Index"' (SPI) wird genau wie beim AH verwendet. Das 32 Bit lange Feld "`Sequence Numbers"' ist ebenfalls sehr ähnlich zu dem entsprechenden Feld im AH, allerdings muss die Empfänger die Nummer ignorieren, wenn der Algorithmus zur Überprüfung der Integrität Null ist. Es gibt auch die Option zu einer Erweiterung zu einem 64 Bit langem Feld.\\
Das Feld "`Payload Data"' hat eine variable Länge. Es enthält die Nutzdaten des Paketes.\\
Das Feld "`Padding"' ist 0 bis 255 Bytes lang und kann zu verschiedenen Zwecken verwendet werden. Es gibt einige Verschlüsselungs-Algorithmen die nur Inhalte verschlüsseln können die ein Vielfaches einer bestimmten Byte-Zahl sind. Mit dem Padding-Feld können so die Nutzdaten aufgefüllt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist mit dem Feld die tatsächliche Länge für einen Angreifer zu verbergen, allerdings wird davon im RFC 4303 abgeraten, da dies nicht effektiv genug ist und das optionale Feld "`TFC Padding"' dafür bereits vorgesehen ist.\cite{RFC4303}\\
Dieses Feld ist anders als das normale Padding-Feld nicht auf 255 Bytes limitiert und kann so einen Angreifer, der die Verkehrsdaten analysiert abwehren. Man kann das Feld im Transport-Modus jedoch nicht immer anwenden.
Eine weitere Möglichkeit die Verkehrsdaten-Analyse zu verhindern ist dummy-Pakete zu versenden, die keinen nützlichen Inhalt haben, was aber nur für den Absender und Empfänger ersichtlich ist.
Das Feld "`Pad Length"' enthält die Länge des Padding-Feldes, jedoch nicht des TFC-Padding-Feldes, da dessen Länge in dem Payload Data-Feld gespeichert wird.%herausfinden warum genau
Das Feld "`Pad Length"' enthält die Länge des Padding-Feldes, jedoch nicht des TFC-Padding-Feldes, da dessen Länge in dem Payload Data-Feld gespeichert wird.\\
Das Feld "`Next Header"' ist 8 Bit lang. Es funktioniert ähnlich wie das entsprechende Feld des AH. Es wird benutzt um den Typ der Nutzdaten zu speichern. Wie schon beim AH gibt es zum Beispiel Werte für IPv4 und IPv6, aber zusätzlich gibt es beim ESP noch den Wert 59, welcher auf ein dummy-Paket hinweist. Das Feld "`Integrity Check Value"' hat eine variable Länge und enthält wie schon beim AH den Message Authentication Code, der benutzt wird um die Authentizität und Integrität der Nachricht zu prüfen. Der MAC wird dabei aus allen vorigen Feldern berechnet und wenn der Inhalt verschlüsselt wird, dann wird der MAC erst nach dem Verschlüsseln generiert.
\subsubsection{Algorithmen}
In RFC 4835 ist festgehalten welche Algorithmen implementiert werden können, sollen oder müssen. Dabei sind die Algorithmen mit den Bewertungen must, must not, should, should not und may versehen. Zusätzlich gibt es zum Beispiel must-, was bedeutet, dass es zwar noch implementiert werden muss, aber wahrscheinlich bald zu should herabgestuft wird. Dabei wird unterschieden zwischen Verschlüsselungs-Algorithmen und Authentifizierungs-Algorithmen für ESP und Authentifizierungs-Algorithmen für AH.
In RFC 7321 ist festgehalten welche Algorithmen implementiert werden können, sollen oder müssen.\cite{RFC7321} Dabei sind die Algorithmen mit den Bewertungen must, must not, should, should not und may versehen. Zusätzlich gibt es zum Beispiel must-, was bedeutet, dass es zwar noch implementiert werden muss, aber wahrscheinlich bald zu should herabgestuft wird. Dabei wird unterschieden zwischen Verschlüsselungs-Algorithmen und Authentifizierungs-Algorithmen für ESP und Authentifizierungs-Algorithmen für AH.
Für ESP muss zur Zeit zur Verschlüsselung AES-CBC unterstützt werden. Hierbei werden die Felder Payload Data, Padding, TFC Padding, Pad Length und Next Header verschlüsselt. Im RFC 7321 steht außerdem, dass der Algorithmus Null unterstützt werden muss, was lediglich bedeutet, dass es auch möglich sein muss die Daten nicht zu verschlüsseln.
Die Algorithmen zum Authentifizieren sind bei AH und ESP gleich. Unterstützt werden muss HMAC-SHA1-96.\\
Es sind jeweils noch weitere Hinweise zu Algorithmen im RFC vorhanden, welche zum Beispiel unterstützt werden sollten oder auch nicht unterstützt werden dürfen.
\subsubsection{Internet Key Exchange Version 2}
Es gibt bei IPSec eine ``Security Policy Database'' (SPD). Diese legt fest welche Verfahren angewendet werden dürfen, das heißt hier wird festgelegt welche Security Associations erstellt werden dürfen. Die Security Associations (SA) werden wiederum in einer eigenen Datenbank gespeichert, also in einer SAD. Die SA enthalten unter anderem auch die verwendeten Schlüssel.
Es gibt bei IPSec eine SPD\footnote{Security Policy Database}. Diese legt fest welche Verfahren angewendet werden dürfen, das heißt hier wird festgelegt welche Security Associations erstellt werden dürfen. Die SA\footnote{Security Associations} werden wiederum in einer eigenen Datenbank gespeichert, also in einer SAD\footnote{Security Associations Database}. Die SA enthalten unter anderem auch die verwendeten Schlüssel.
Die SPD wird üblicherweise per Hand eingerichtet, da diese eher statisch ist und man während der Kommunikation keine Einträge vornehmen muss. Für die SAD wird üblicherweise IKEv2 verwendet, welches die SAs automatisch verwaltet.
Die SPD wird üblicherweise per Hand eingerichtet, da diese eher statisch ist und man während der Kommunikation keine Einträge vornehmen muss. Für die SAD wird üblicherweise IKEv2\footnote{Internet Key Exchange Version 2} verwendet, welches die SAs automatisch verwaltet. IKEv2 wird in RFC 5996 spezifiziert.\cite{RFC5996}
Zunächst wird eine Prozedur durchlaufen, um eine Verbindung zwischen den Kommunizierenden herzustellen. Die einzelnen Schritte bestehen immer aus einer Nachricht des Senders und einer Nachricht des Empfängers. Der erste Austausch wird IKE\_SA\_INIT genannt. Hierbei werden zunächst Daten ausgetauscht, um zu vereinbaren wie die Verbindung hergestellt wird, also z.B. welche Algorithmen verwendet werden. Dazu schickt der Initiator dem Empfänger Vorschläge wie die Verbindung aussehen soll und der Empfänger bestätigt dann seine Auswahl. Außerdem werden Diffie-Hellman Werte und Noncen ausgetauscht. Anhand von diesen Werten und der Noncen wird SKEYSEED generiert. Mit Hilfe dieses SKEYSEEDs werden nun mehrere Schlüssel erstellt, die zum Verschlüsseln und Authentifizieren nachfolgender Kommunikation verwendet werden. Der nächste Austausch wird IKE\_AUTH genannt. Dieser Austausch ist mit den vorher generierten Schlüssel geschützt und nun können sich die Kommunizierenden, ebenfalls anhand der vorher generierten Schlüssel, authentifizieren. Nun wird eine SA ausgemacht, die letztendlich auch in die SAD eingetragen wird, also letztendlich genutzt wird um den später die eigentliche Datenkommunikation zu regeln.
Nachfolgende Kommunikation bezüglich IKE wird CREATE CHILD SA genannt und kann dazu genutzt werden um weitere SAs zu vereinbaren. Es gibt außerdem noch INFORMATIONAL, welches z.B. für Fehlermeldungen von IKEv2 und ähnliches genutzt wird.
Nachfolgende Kommunikation bezüglich IKE wird CREATE\_CHILD\_SA genannt und kann dazu genutzt werden um weitere SAs zu vereinbaren. Es gibt außerdem noch INFORMATIONAL, welches z.B. für Fehlermeldungen von IKEv2 und ähnliches genutzt wird.
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{OpenVPN}
%\input{VPN}

96
sem/sem.bib
View File

@ -315,6 +315,102 @@
Timestamp = {2014.10.24}
}
@Techreport{RFC1825,
Title = {Security {Architecture} for the {Internet} {Protocol}},
Author = {Atkinson, R.},
Institution = {IETF},
Year = {2005},
Type = {RFC},
Organization = {BBN Technologies},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC2401,
Title = {Security {Architecture} for the {Internet} {Protocol}},
Author = {Kent, S. and Aktinson, R.},
Institution = {IETF},
Year = {1998},
Type = {RFC},
Organization = {BBN Technologies},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC4301,
Title = {Security {Architecture} for the {Internet} {Protocol}},
Author = {Kent, S. and Seo, K.},
Institution = {IETF},
Year = {2005},
Type = {RFC},
Organization = {BBN Technologies},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC4302,
Title = {IP Authentication Header},
Author = {Kent, S.},
Institution = {IETF},
Year = {2005},
Type = {RFC},
Organization = {BBN Technologies},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC4303,
Title = {IP Encapsulating Payload (ESP)},
Author = {Kent, S.},
Institution = {IETF},
Year = {2005},
Type = {RFC},
Organization = {BBN Technologies},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC7321,
Title = {Cryptographic Algorithm Implementation Requirements and Usage Guidance},
Author = {McGrew, D. and Hoffman, P.},
Institution = {IETF},
Year = {2014},
Type = {RFC},
Organization = {Cisco Systems and VPN Consortium},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC5996,
Title = {Internet Key Exchange Protocol Version 2 (IKEv2)},
Author = {Kaufman C. and Hoffman, P. and Nir, Y. and Eronen, P.},
Institution = {IETF},
Year = {2010},
Type = {RFC},
Organization = {Microsoft and VPN Consortium and Check Point and Independent},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Techreport{RFC4307,
Title = {Cryptographic Algorithms for Use in the Internet Key Exchange Version 2 (IKEv2)},
Author = {Schiller, J.},
Institution = {IETF},
Year = {2005},
Type = {RFC},
Organization = {Massachusetts Instutute of Technology},
Owner = {jim},
Timestamp = {2014.12.13}
}
@Conference{Kessler1997,
Title = {Automatic Detection of Text Genre},
Author = {Kessler, Brett and Nunberg, Geoffrey and Schuetze, Hinrich},