uni/sem/OpenVPN_vs_IPSec-Paper.tex

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\begin{document}

\newpage
\thispagestyle{empty}
\begin{center}\Large
Universität Hamburg \par
Fachbereich Informatik
\vfill
Seminararbeit
\vfill
{\Large\textsf{\textbf{Vergleich von IPSec und OpenVPN}}\par}
\vfill
von 
\par\bigskip
Mustafa Eris, Jim Martens, Benjamin Scholz \par
Betreuer: Hannes Federrath \par
%Matrikelnummern 6420323 \par
%Studiengang BSc. Informatik
\end{center}

\newpage
\section*{Zusammenfassung}


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\tableofcontents

\newpage
\section{Vorbemerkung}
Problem: VPN (Virtual Private Network) aufsetzen
Relevanz: sichere Kommunikation zwischen zwei privaten Netzwerken

\section{Grundlagen}
Was sind VPNs? Warum braucht man sie? Wozu werden sie verwendet?
Was ist das OSI-Referenzmodell? Wie ist es aufgebaut?
\section{IPSec}
Entstehungsgeschichte
Mit Einfluss von einem Komitee entstanden.
Über die Jahre gab es viele Iterationen. 
Der Standards ist in sogenannten "Request for Comments", kurz rfc, festgehalten.
Es gibt nicht nur einen rfc, sondern viele verschiedene für die verschiedenen Aspekte von IPSec.
So ist es leichter Neuerungen einzuführen, da man nur bestimmte rfcs erneuern muss.
Durch die Art und Weise der Entstehung ist IPSec sehr komplex.
Komplexität durch zu viele Optionen, da es einfach zu viele Einflüsse von verschiedenen Seiten gab.
Es gibt ein Mitglied, das die Ansicht vertritt, dass IPSec durch den Einfluss der im Komitee anwesenden NSA-Mitarbeiter so komplex geworden ist.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
\subsection{Entstehungsgeschichte}
IPSec ist unter der Aufsicht eines Komitees entstanden. Diese Vorgehensweise wurde dabei gezwungenermaßen auferlegt und erschwerte nach Ansicht vieler Mitwirkender die Arbeit erheblich. \footnote{Ferguson, Niels, and Bruce Schneier. "A cryptographic evaluation of IPsec." Counterpane Internet Security, Inc 3031 (2000).} 
Die Entstehungsweise führte dazu, dass IPSec unnötig kompliziert wurde. Die einen Mitglieder wollten die eine Lösung implementieren und andere pledierten 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 bei den Nutzern, es kann vor Allem auch zu Sicherheitslücken führen. Experten bemängelten diese Komplexität.

\subsubsection{ToDo: guten Titel überlegen}
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 als 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.

Technische Details
Ist sehr tief im Betriebssystem verwurzelt. 
Schicht?
Authentication Header vs. ESP
Key Management IKEv2
used algorithms
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\subsection{Technischer Aufbau}
\subsubsection{Tunnel Modus und Transport Modus}
IPSec kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden: Transport Modus oder Tunnel Modus. 
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}
\subsubsection{Encapsulating Security Payload}
\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.  


\section{OpenVPN}
Was ist OpenVPN? Wer ist dafür verantwortlich? Wie funktioniert es? 
\section{Vergleich von IPSec mit OpenVPN}

In den vorangegangenen Abschnitten wurden IPSec und OpenVPN vorgestellt. In diesem Abschnitt widmen wir uns dem Vergleich der beiden. Damit ein solcher Vergleich jedoch sinnvoll stattfinden kann, muss im Voraus klar sein, was verglichen wird. Wir benötigen daher Kriterien. Im Folgenden werden die Kriterien erarbeitet und erläutert, warum wir das jeweilige Kriterium für wichtig befinden.

\subsection{Kriterien}
Ein Hauptziel von VPNs ist die sichere Kommunikation zwischen zwei privaten Netzen. In dem Ziel selber steckt daher bereits Sicherheit als Anforderung. Es muss sichergestellt sein, dass Nachrichten von einem Netz zum anderen gelangen, ohne dass sie unterwegs in irgendeiner Weise beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund ist natürlich von großem Interesse, wie sicher IPSec bzw. OpenVPN sind und weitergehend, ob eine der beiden Varianten sicherer ist als die andere.

Aus was setzt sich die Sicherheit jedoch zusammen? Zur Sicherheit gehören einerseits die Schutzziele in der IT-Sicherheit: Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit. Andererseits gehören aber auch das Vorhandensein von Sicherheitslücken zur Sicherheit. Denn was nutzt ein theoretisch sicheres Verfahren, wenn es in der Implementation reihenweise Sicherheitslücken gibt?

Allerdings ist es nicht wirklich gangbar IPSec und OpenVPN anhand von Sicherheitslücken zu vergleichen, denn während IPSec ein Standard ist\cite{Kent2005}, handelt es sich bei OpenVPN um eine konkrete Implementation eines SSL/TLS-basierten VPNs\cite{Kotuliak2011}. Daher haben wir uns dagegen entschieden Sicherheitslücken in den Vergleich mit einzubeziehen.

Allerdings sind wir damit noch nicht am Ende unserer Kriterien angelangt. Aus dem Schutzziel der Verfügbarkeit lässt sich die Performance als Kriterium ableiten. Schließlich interessiert es neben der Sicherheit auch, wie schnell die Nachrichten von A nach B kommen. Was konkrete Werte bei einem Performancevergleich angeht, verweisen wir auf einen solchen Vergleich von 2011, welcher im Rahmen der ICETA Konferenz von Kotuliak\cite{Kotuliak2011} unternommen wurde.

Ein weiteres Kriterium ist die Kompatibilität zwischen Lösungen unterschiedlicher Hersteller. Dies liegt darin begründet, dass es aus Gründen der Sicherheit sinnvoll ist, Hardware unterschiedlicher Hersteller zu benutzen, da somit Sicherheitslücken bei einem Hersteller sich nicht auf das gesamte Netzwerk auswirken. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Implementationen der verschiedenen Hersteller zueinander kompatibel sind. In der Hinsicht hat auch Kompatibilität etwas mit Sicherheit zu tun.

Wir haben die Kriterien in dem obigen Abschnitt herausgearbeitet. Zusammengefasst sind es: Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit, Performance und Kompatibilität.

\subsection{Vertraulichkeit}
Wir beginnen den Vergleich mit der Vertraulichkeit. Interessant sind da die unterstützten Verschlüsselungsalgorithmen und die maximalen Schlüssellängen der Algorithmen.

Im Abschnitt über IPSec wurde bereits eingeführt, dass IPSec grundlegend zwei Mechanismen unterstützt: ESP\footnote{Encapsulated Security Payload} und AH\footnote{Authentication Header}. Das Schutzziel der Vertraulichkeit wird dabei nur von ESP gewährleistet, weswegen wir AH beim Vergleich bzgl. der Vertraulichkeit ignorieren.

OpenVPN ist eine Implementation eines TLS-basierten VPNs. Die Verschlüsselung wird hierbei von dem TLS-Protokoll übernommen. Deswegen werden wir in diesem Punkt IPSec mit TLS vergleichen.

Für jedes Verschlüsselungsverfahren wird ein Schlüssel benötigt. Daher werden wir uns zunächst die verwendeten Verfahren zum Schlüsselaustausch ansehen. IPSec verwendet meistens Diffie-Hellman, unterstützt aber auch KINK\footnote{Auf Kerberos basierendes Protokoll, dass Schlüsselaustausch- und Authentifizierungsmechanismen bereitstellt. Es wurde noch nicht standardisiert\cite{Alshamsi2005}.}. TLS unterstützt mehrere Verfahren. In diesem Paper beschränken wir uns auf zwei davon: RSA und DH\footnote{Diffie-Hellman}\cite{Alshamsi2005}. %Im Falle von RSA sendet der Client den sogenannten \texttt{pre\_master\_secret}, nachdem dieser mit dem öffentlichen Schlüssel des Servers verschlüsselt wurde. Anhand dieses Wertes kann der Server nun das \texttt{master\_secret} errechnen, womit der Sitzungsschlüssel erzeugt wird. Der Client tut dies ebenfalls.

%Bei DH tauschen Client und Server die öffentlichen DH-Werte aus und erzeugen den \texttt{pre\_master\_secret} unabhängig voneinander. 

Es ist ersichtlich, dass IPSec und TLS DH unterstützen. Zusätzlich unterstützt IPSec KINK und TLS RSA. Ein wirklicher Vor- oder Nachteil kann in diesem Fall weder IPSec noch TLS zugesprochen werden. Wenn wir die Verbreitung von KINK bzw. RSA vergleichen, dann liegt RSA vorne, da es seit langem standardisiert ist und es etliche Implementationen gibt.

Ein weiterer Punkt bei der Vertraulichkeit ist die Authentifizierungsmethode. IPSec unterstützt lediglich die gegenseitige Authentifizierung. TLS hingegen unterstützt eine reine Server-Authentifizierung, eine gegenseitige Authentifizierung, die auch Client-Authentifizierung genannt wird und eine anonyme Authentifizierung, bei der nichts authentifiziert wird.\cite{Alshamsi2005}

Bei den Authentifizierungsalgorithmen hat jedoch IPSec einen Vorteil, denn es wird sowohl die Nutzung einer digitalen Signatur als auch die Verwendung eines Algorithmus, der auf einem geheimen Schlüssel basiert, ermöglicht. TLS benötigt hingegen zwangsweise eine digitale Signatur. Sollten alle Algorithmen mit digitaler Signatur ausfallen, kann IPSec weiterhin implementiert werden, TLS jedoch nicht.\cite{Alshamsi2005}

Zusammenfassend kann für den Bereich der Vertraulichkeit gesagt werden, dass sowohl IPSec als auch TLS hinreichende Vertraulichkeit bieten.

\subsection{Integrität}
Neben der Vertraulichkeit ist auch die Integrität wichtig. Daher werden wir im folgenden Abschnitt vergleichen, welche Methoden von IPSec und OpenVPN zur Wahrung der Integrität verwendet werden.

Analog zur Vertraulichkeit wird auch hier nicht direkt OpenVPN verglichen, sondern TLS, da dieses zuständig dafür ist.

Als Authentifizierungsverfahren zur Überprüfung der Integrität werden von beiden Message Authentication Codes (kurz: MACs) verwendet. Bei MACs hängt es von dem verwendeten Hashverfahren an, ob die Integrität zuverlässig überprüft werden kann. Sowohl IPSec als auch TLS erfordern die Implementation von HMAC-SHA-1 und HMAC-MD5. HMAC ist eine kryptographische Hashfunktion, die einen geheimen Schlüssel erfordert. Die Sicherheit bzw. Stärke des Algorithmus hängt dabei von der Länge des Schlüssels und des Outputs ab.\cite{Alshamsi2005}

Als Fazit für die Integrität kann gelten, dass es keine wirklichen Unterschiede zwischen IPSec und TLS in diesem Bereich gibt.

\subsection{Verfügbarkeit}
Das dritte Schutzziel ist Verfügbarkeit. Traditionell fallen Dinge wie DDOS-Angriffe\footnote{Distributed-Denial-of-Service-Angriffe} unter dieses Schutzziel bzw. beeinträchtigen es. In unserem Zusammenhang ist die Durchlässigkeit bei Firewalls von Interesse, also ob ein VPN durch eine der beiden Technologien gezielt geblockt werden kann. Auch die Verbreitung spielt eine Rolle, denn eine weit verbreitete Technologie macht es intuitiv gesehen erst einmal "`einfacher"' eine Verbindung zwischen zwei Netzen aufzubauen.

Beginnen wir bei Firewalls. Dort gilt, dass IPSec in geringem Maße im Nachteil ist, da es feste Protokolle und Ports benötigt. Ein gezieltes Blocken von IPSec-basierten VPNs ist daher praktikabel. Im Vergleich dazu kann OpenVPN auf jedem Port mit UDP oder TCP laufen. Um restriktive Firewalls zu überwinden, kann der Port 443 und TCP benutzt werden. Dadurch sieht der Traffic von OpenVPN wie normaler HTTPS-Traffic aus und kann nicht gezielt gefiltert werden.\cite{ivpn.net}

Bei der Verbreitung hat IPSec wiederum einen leichten Vorsprung, denn die meisten Betriebssysteme unterstützen es nativ. Für OpenVPN muss hingegen jeweils ein Client installiert werden. Die Form des Client unterscheidet sich je nach Betriebssystem und ist in den meisten Fällen innerhalb von 5 Minuten erledigt.\cite{ivpn.net}

Für die Verwendung hinter hochrestriktiven Firewalls ist OpenVPN im Vorteil, da es die zu 99\% immer offenen Ports 80 und 443 mitbenutzen kann und somit nicht von normalem Browsertraffic zu unterscheiden ist. Bei allen Nutzungsszenarien spielt es jedoch keine Rolle, ob IPSec oder OpenVPN eingesetzt werden.

\subsection{Performance}
Nachdem wir IPSec und OpenVPN bezüglich der Schutzziele verglichen haben, widmen wir uns jetzt der Performance.

%TODO Vergleich Performance

\subsection{Kompatibilität}
Abschließend gehen wir auf die Kompatibilität der Implementationen verschiedener Hersteller untereinander ein. Uns war es nicht möglich eigene Vergleiche hinsichtlich der Kompatibilität durchzuführen, daher werden wir nur oberflächlich darauf eingehen.

OpenVPN benutzt TLS und dieses Protokoll ist seit langem erprobt und von einer Vielzahl an Herstellern implementiert. Obgleich es mit Heartbleed eine Sicherheitslücke in der bekannten Implementation OpenSSL gab, tut das der Kompatibilität keinen Abbruch. Es ist demnach vollkommen egal welche Hardware und welche Software verwendet wird, denn TLS wird mittlerweile in allen gängigen Systemen nativ unterstützt.

Bei IPSec sieht das anders aus. Zwar ist auch IPSec standardisiert, ebenso wie TLS, aber der Umfang der RFCs macht ein Verständnis relativ schwer. Daraus ist auch zu begründen, warum es zu Beginn kaum untereinander kompatible Lösungen gab\cite{Alshamsi2005}. Mittlerweile ist der Standard jedoch älter und auf breiterer Schicht umgesetzt, sodass es zwar noch Unterschiede zwischen TLS und IPSec gibt, diese jedoch nicht mehr ins Gewicht fallen.

Bezüglich der Kompatibilität kommen wir zu dem Fazit, dass IPSec noch im Vergleich zu TLS aufholen muss, allerdings bereits viele der anfänglichen Kompatibilitätsprobleme überwunden hat.

\clearpage

Pool
\begin{itemize}
	\item IPSec unterstützt Secret Key\cite{Alshamsi2005}, Open VPN (SSL) nicht
	\item IPSec unterstützt eine Authentifizierungsmethode, SSL mehrere\cite{Alshamsi2005}
	\item beide nutzen MACs (Message Authentication Codes) für die Authentifizierung von Nachrichten nach initialem Kontakt\cite{Alshamsi2005}
	\item beide erfordern die Implementation von HMAC-SHA-1 und HMAC-MD5\cite{Alshamsi2005}
	\item IPSec hat Probleme mit Implementationen anderer Hersteller zusammenzuarbeiten, SSL hat dieses Problem nicht\cite{Alshamsi2005}
	\item IPSec in Netzwerkschicht, OpenVPN in Anwendungsschicht
\end{itemize}

\section{Schlussbemerkungen}
Ausblick: (weitere) Vereinfachung von IPSec?, unterschiedliche Ansätze, Vor- und Nachteile bei beiden

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\printbibliography
\addcontentsline{toc}{section}{Literaturverzeichnis}


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\addcontentsline{toc}{section}{Anhang}

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