Klasyfikacja i analiza wybranych mechanizmów bezpieczeństwa w sieciach VPN

Protokół TLS (ang. Transport Layer Security) jest rozwinięciem protokołu SSL (ang. Secure Socket Layer). Istnieją niewielkie różnice pomiędzy tymi protokołami, ale w większości przypadków zasada działania jest identyczna. Wirtualne sieci prywatne warstwy transportu modelu TCP/IP zwykle określa się jako SSL VPN.

TLS jest najczęściej używanym protokołem zabezpieczającym transfer danych w warstwie transportu modelu TCP/IP. Stosuje się go zazwyczaj do zabezpieczenia ruchu poszczególnych aplikacji opartych na HTTP, ale może być też wykorzystywany do innych typów aplikacji, np. SMTP, POP (ang. Post Office Protocol), FTP. Użytkownicy, którzy chcą korzystać z aplikacji chronionej przez TLS nie muszą instalować dodatkowego oprogramowania ani zmieniać konfiguracji systemu operacyjnego, ponieważ większość przeglądarek internetowych ma wbudowaną obsługę TLS/SSL.

Protokół TLS może być stosowany w architekturze typu host-to-host lub host-to-gateway. Istnieją rozwiązania pozwalające na stosowanie TLS w architekturze gateway-to-gateway, ale w tym przypadku lepiej sprawdza się protokół IPSec.

Istnieją dwa rodzaje SSL VPN: SSL portal VPN oraz SSL tunel VPN. Używane są one głównie w celu zabezpieczenia połączenia użytkowników zdalnych z bramą VPN. Brama SSL VPN może być dedykowanym urządzeniem posiadającym oprogramowanie mogące pełnić funkcje związane z SSL. Przykładem urządzeń pełniących rolę bramy VPN może być router lub firewall posiadający odpowiedni system operacyjny.

TLS w zależności od konfiguracji i implementacji może zapewniać następujące typy zabezpieczeń:

• poufność - dane mogą zostać zaszyfrowane, dzięki czemu nawet w wypadku przechwycenia ich przez osoby trzecie, odczytanie ich nie będzie możliwe. Odszyfrować dane może tylko osoba znająca tajny klucz.
• integralność - TLS może sprawdzić, czy dane zostały zmienione podczas przesyłu. Odbywa się to poprzez dodanie do wiadomości MAC (ang. Message Authentication Code), czyli pewnego kod obliczonego w wyniku funkcji, której argumentami wejściowymi są tajny klucz oraz wiadomość. Odbiorca wiadomości może ponownie wyznaczyć kod MAC i porównać go z oryginalnym w celu zweryfikowania danych.
• uwierzytelnianie - każdy punkt końcowy połączenia SSL może zweryfikować tożsamość drugiego, co stanowi zabezpieczenie, że komunikacja odbywa się z odpowiednią osobą (lub urządzeniem).
• zabezpieczenie przed powtórzeniami - dzięki wykorzystaniu numerów sekwencyjnych te same dane nie zostaną odebrane kilkakrotnie, a w przypadku odebrania w złej kolejności zostaną poprawnie złożone.
• zabezpieczenie przed analizą ruchu - SSL może ukryć takie informacje jak: częstotliwość komunikacji i ilość przesyłanych danych. Mimo to liczba przesłanych pakietów może zostać policzona, a adresy IP pozostają jawne.
• kontrola dostępu - dzięki opcji filtrowania SSL może zapewnić, aby odpowiedni użytkownicy mieli dostęp do odpowiednich zasobów sieciowych.

2.1. Architektura SSL VPN

SSL VPN jest rozwiązaniem zapewniającym bezpieczny zdalny dostęp do zasobów firmowych przy użyciu przeglądarki internetowej. Dostęp ten może polegać na łączności z aplikacjami posiadających interfejs obsługiwany przez przeglądarkę, aplikacjami typu klient-serwer lub na łączności z urządzeniami znajdującymi się wewnątrz sieci chronionej przez bramę VPN. Ruch pomiędzy bramą a przeglądarką szyfrowany jest przez protokół SSL. Typowymi użytkownikami SSL VPN są pracownicy w zdalnych oddziałach firmy, użytkownicy mobilni lub partnerzy biznesowi. Mogą się oni łączyć z różnych typów urządzeń, takich jak: firmowe laptopy, komputery osobiste lub telefony komórkowe wyposażone w odpowiednie oprogramowanie. Jedynym wymaganiem jest zainstalowanie na danym urządzeniu przeglądarki internetowej obsługującej protokół SSL. Typową architekturę SSL VPN przedstawiono na rysunku 6 [7].

Rysunek 6 Architektura sieci SSL VPN.

2.2. Funkcje dostępne w SSL VPN

W rozwiązaniu SSL VPN najczęściej bramą jest dedykowane urządzenie wykonujące tylko tą funkcję. Może to być również rozwiązanie programowe zainstalowane na serwerze. W zależności od wybranego urządzenia lub programu, rozwiązanie SSL VPN oferuje jedną lub więcej z poniższych funkcji [7]:

• proxy - jest urządzeniem pośredniczącym w wymianie danych pomiędzy klientem a serwerem. W komunikacji z klientem, urządzenie proxy podaje się za serwer, a z komunikacji z serwerem - za klienta. Proxy wykorzystywane jest głównie z SSL portal VPN. Brama SSL portal VPN pracuje jako urządzenie typu proxy, odbiera żądania od użytkownika, przetwarza je i wysyła do serwera WWW - (ang. World Wide Web), ściąga z niego żądane informacje i wysyła do przeglądarki użytkownika.
• application translation - proces polegający na konwertowaniu informacji z jednego protokołu do drugiego. Techniki tej używa się w celu umożliwienia użytkownikowi dostępu do aplikacji nieposiadających interfejsu obsługiwanego przez przeglądarkę.
• network extension (rozszerzenie sieci) - sposób zapewnienia zdalnym użytkownikom częściowej lub całkowitej łączności z siecią chronioną przez bramę VPN. Użytkownicy mogą wtedy łączyć się i mieć dostęp do wewnętrznych zasobów tak jakby znajdowali się fizycznie w tej samej sieci. Network extension stosowany jest w SSL tunel VPN. Dodatkowo możliwy jest split tunneling (ochron przez tunel SSL tylko ruchu, który powinie trafić do sieci firmowej) lub full tunneling (ochrona przez tunel SSL całego ruchu użytkownika, niezależnie od tego czy jest to ruch związany z zasobami sieci firmowej). Network extension wymaga zainstalowania na urządzeniu użytkownika dodatkowego oprogramowania, np. wtyczki do przeglądarki internetowej.

2.3. Usługi bezpieczeństwa w SSL VPN

Urządzenia SSL VPN oferują standardowo następujące usługi bezpieczeństwa [8]:

• uwierzytelnianie - polega na potwierdzeniu tożsamości użytkownika, który chce skorzystać z SSL VPN.
• kontrola zabezpieczeń użytkownika - brama VPN może mieć możliwość sprawdzenia zabezpieczeń systemu użytkownika. Dodatkowo brama może sprawdzić, czy na komputerze użytkownika uruchomiony jest program antywirusowy i firewall, czy system jest zaktualizowany lub czy nie ma na nim szkodliwego oprogramowania. Może też mieć możliwość czyszczenia pamięci podręcznej przeglądarek internetowych po zakończeniu sesji w celu usunięcia poufnych danych z systemu użytkownika.
• ochrona przed włamaniami - mechanizm sprawdzania danych po ich odszyfrowaniu pod kątem obecności wirusów, robaków lub innych szkodliwych kodów.
• szyfrowanie i zapewnienie integralności - szyfrowanie zapewnia poufność transmisji danych a sprawdzanie integralności gwarantuje, że dane nie zostały naruszone w trakcie przesyłu.
• kontrola dostępu - przyznawanie różnych praw dostępu dla różnych użytkowników.

2.4. Problemy występujące w SSL VPN

Technologia SSL VPN jest rozwinięta i stosowana na szeroką skalę, ale mimo tego wciąż narażona jest na niebezpieczeństwa i problemy [7].

Pomimo faktu, że SSL VPN nie wymaga żadnego dodatkowego oprogramowania w systemie użytkownika, nie zawsze możliwe jest nawiązanie połączenia z dowolnego komputera. Jeśli użytkownik znajduje się w kafejce internetowej, może on nie mieć odpowiednich uprawnień w systemie operacyjnym, aby zezwolić na zainstalowanie programu lub wtyczki do przeglądarki umożliwiającej połączenie SSL tunel VPN.

Poważną kwestią w SSL VPN jest stopień zaufania do komputera, z którego łączy się dany użytkownik. Jeśli jest to komputer dostępny publicznie, może nie mieć zainstalowanego programu antywirusowego i najnowszych poprawek do systemu operacyjnego. Stanowi to poważne zagrożenie dla chronionej siec podczas połączenia z takim komputerem. Ponadto po zakończeniu sesji na takim ogólnym systemie mogą pozostać poufne informacje przechowywane w katalogach plików tymczasowych.

Urządzenia oraz programowe rozwiązania SSL VPN powinny być kompatybilne z różnymi systemami operacyjnymi i urządzeniami, z których użytkownik może chcieć się połączyć. Niestety nie wszystkie rozwiązania SSL VPN dają pełną kompatybilność. Istnieje niewiele rozwiązań wspierających komputery kieszonkowe i telefony komórkowe.

Tryb rozszerzenia sieci nie jest dostępny dla każdego i z każdej lokalizacji. W przypadku, gdy użytkownik danego systemu operacyjnego nie ma odpowiednich uprawnień w systemie, może on nie pozwolić mu na uruchomienie dodatkowego oprogramowania niezbędnego do uruchomienia trybu network extension.

Należy również zaznaczyć, że niektóre rozwiązania SSL VPN nie współpracują z aplikacjami typu klient-serwer.

Zestaw protokołów i algorytmów wchodzących w skład IPSec (ang. Internet Protocol Security) służy zapewnieniu wysokiej jakości zabezpieczeń ruchu w sieciach IP. Dwa główne protokoły wykorzystywane w IPSec to AH (ang. Authentication Header) i ESP (ang. Encapsulating Security Payload) [9].

W modelu TCP/IP protokół IPSec znajduje się w warstwie sieci. Oznacza to, że IPSec może zabezpieczyć całość ruchu pomiędzy dwoma sieciami IP niezależnie od stosowanych w tych sieciach aplikacji. Ponadto IPSec, oprócz zapewnienia poufności danych, może ukryć nagłówki IP, w których znajdują się takie informacje jak adresy źródłowe i docelowe.

Z uwagi na fakt, że protokół IPSec potrafi zabezpieczyć wiele aplikacji jednocześnie, stał się bardzo popularny jako zabezpieczenie przesyłu danych przez sieci publiczne takie jak Internet. IPSec jest zbiorem wielu różnych standardów i w zależności od konkretnej konfiguracji i implementacji może zapewnić następujące typy zabezpieczeń:

• poufność - dane mogą zostać zaszyfrowane, dzięki czemu nawet w wypadku przechwycenia ich przez osoby trzecie, odczytanie ich nie będzie możliwe. Odszyfrować dane może tylko osoba znająca tajny klucz.
• integralność danych - IPSec może sprawdzić, czy dane nie zostały zmienione podczas przesyłu. Jest to możliwe dzięki dodaniu do wiadomości MAC (ang. Message Authentication Code), czyli pewnego kodu obliczonego w wyniku funkcji, której argumentami jest dana wiadomość oraz tajny klucz. Odbiorca wiadomości może ponownie wyznaczyć kod MAC i porównać go z oryginalnym w celu zweryfikowania poprawności przesłanych danych.
• uwierzytelnianie - każdy punkt końcowy połączenia IPSec może zweryfikować tożsamość drugiego. Stanowi to zapewnienie, że komunikacja odbywa się z odpowiednią osobą lub urządzeniem.
• zabezpieczenie przed powtórzeniami - dzięki zastosowaniu numerów sekwencyjnych, te same dane nie zostaną odebrane kilkakrotnie, a w przypadku odebrania w złej kolejności - zostaną poprawnie złożone w całość.
• zabezpieczenie przed analizą ruchu - IPSec może ukryć takie informacje jak: kto z kim i jak często się komunikuje oraz ile danych zostało przesłanych. Mimo to, liczba przesłanych bitów może zostać policzona.
• kontrola dostępu - IPSec może dokonać operacji filtrowania w celu zapewnienia dostępu do odpowiednich zasobów sieciowych dla wybranych użytkowników.

Przed rozpoczęciem sesji IPSec wymagane jest, aby strony uczestniczące w transmisji wiedziały, w jaki sposób będą zabezpieczać dane. Zestaw informacji, które należy ustalić to: protokół ESP czy AH oraz algorytmy i klucze kryptograficzne. Zestaw tych informacji określany jest jako SA (ang. Security Association). Każdy tunel VPN powinien posiadać unikalne SA do ochrony wysyłanych i odbieranych informacji, tzn. dla jednego tunelu IPSec wymagane są dwa SA). Urządzenie VPN posiada do tego celu bazę SA ponumerowaną za pomocą unikalnych identyfikatorów o nazwie SPI (ang. Security Parameters Index). Numery SPI przekazywane są w nagłówkach ESP i AH tak, aby urządzenie odbierające pakiety IPSec widziało, w jaki sposób zostały zabezpieczone. Bazy SA w urządzeniach VPN mogą być wpisywane ręcznie przez administratorów lub ustalane automatycznie z użyciem protokołu IKE (ang. Internet Key Exchange).

3.1. Authentication Header

Authentication Header jest jednym z protokołów IPSec, który może zapewnić integralność, uwierzytelnianie, zabezpieczenie przed powtórzeniami oraz kontrolę dostępu [8]. AH nie szyfruje danych. W pierwszych wersjach IPSec, AH zapewniał tylko szyfrowanie bez uwierzytelniania, dlatego też stosowano jednocześnie AH i ESP. W drugiej wersji IPSec dodano możliwość uwierzytelniania w ESP. W związku z tym, protokół AH stał się mniej istotny i coraz rzadziej się go używa [2].

Protokół Authentication Header ma dwa tryby pracy: tryb transportowy i tryb tunelowania. W trybie tunelowania AH tworzy nowy nagłówek IP dla każdego pakietu. Z kolei w trybie transportowym oryginalny nagłówek IP nie zostaje zmieniony. W momencie przesyłu danych w architekturze gateway-to-gateway lub host-to-gateway adresy źródłowe i docelowe IP zmieniane są na adres IP bramy VPN. Z uwagi na fakt, że protokół AH w trybie transportowym nie może zmieniać oryginalnego nagłówka IP - tryb ten nie jest kompatybilny z architekturami gateway-to-gateway i host-to-gateway. Z tego względu trybu transportowego używa się tylko w architekturze host-to-host.

Jak widać na rysunkach 7 i 8, protokół Authentication Header zapewnia integralność i uwierzytelnianie danych całego pakietu IP [4].

Rysunek 7. Pakiet AH w trybie tunelowania.

Rysunek 8. Pakiet AH w trybie transportowym.

3.2. Encapsulating Security Payload

Encapsulating Security Payload jest następnym protokołem wchodzącym w skład IPSec. W pierwszej wersji zapewniał tylko możliwość szyfrowania. W kolejnej wersji dodano funkcję uwierzytelniania i integralności danych.

Podobnie jak AH, protokół ESP ma dwa tryby pracy: tryb transportowy i tryb tunelowania. W trybie tunelowania dla każdego pakietu tworzony jest nowy nagłówek IP. Oryginalne adresy źródłowe i docelowe zostają zamienione na adresy punktów końcowych połączenia IPSec (punktem końcowym może być host lub brama VPN). Tryb tunelowania jest kompatybilny ze wszystkimi trzema rodzajami architekturami VPN. Pierwotny nagłówek IP jest zamknięty wewnątrz nowego pakietu i może zostać zaszyfrowany. Pozwala to ukryć prawdziwe adresy źródłowe i docelowe. Osoba monitorująca lub podsłuchująca ruch w sieci będzie widzieć tylko adresy punktów końcowych połączenia VPN. Przykładowy pakiet ESP w trybie tunelowania pokazano na rysunku 9 [10].

Rysunek 9 Pakiet ESP w trybie tunelowania.

Tryb transportowy jest rzadziej stosowany. W trybie tym, protokół ESP używa oryginalnego nagłówka IP. W związku z tym, proces szyfrowania, uwierzytelniania i zapewnienia integralności danych obejmuje tylko wewnętrzną część pakietu. Nagłówek zawierający m.in. adresy IP pozostaje jawny.

Tryb transportowy jest niekompatybilny z NAT. Suma kontrolna TCP obliczana jest na podstawie pól TCP oraz IP. Jeśli NAT zmienia adresy IP w pakiecie, istnieje potrzeba przeliczenia sumy kontrolnej TCP. NAT nie może tego dokonać, jeśli zawartość pakietu jest zaszyfrowana. Trybu transportowego używa się głównie w architekturze host-to-host [2]. Przykład pakietu ESP w tym trybie pokazano na rysunku 10 [10].

Rysunek 10. Pakiet ESP w trybie transportowym.

opracowano na podstawie:

[2]Frankel S., Kent K., Lewkowski R. i inni: Guide to IPsec VPNs, Recommendations of the National Institute of Stadards and Technology, 2005,
http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-77/sp800-77.pdf
[3]Hamzeh K., Pall G. i inni: Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP), Network Working Group, 1999, RFC 2637
[4]Deal R.: The Complete Cisco VPN Configuration Guide, Cisco Press, Indianapolis 2006
[5]Lau J., Townsley M., Goyret I.: Layer Two Tunneling Protocol –Version 3 (L2TPv3), Network Working Group, 2005, RFC 3931
[6]Luo W.: Layer 2 Virtual Private Network (L2VPN) Extensions for Layer 2 Tunneling Protocol (L2TP), Network Working Group, 2006, RFC 4667
[7]Frankel S., Hoffman P., Orebaugh A., Park R.: Guide to SSL VPNs (Draft), Recommendations of the National Institute of Standards and Technology, 2007,
http://csrc.nist.gov/publications/drafts/SP800-113/Draft-SP800-113.pdf
[8]Steinberg J., Speed T.: SSL VPN. Understanding, evaluating, and planning secure, web-based remote access, Packt Publishing Ltd., Birmingham 2005
[9]Kent S., Atkinson R.: Security Architecture for the Internet Protocol, Network Working Group, 1998, RFC 2401
[10]Kent S., Atkinson R.: IP Encapsulating Security Payload (ESP), Network Working Group, 1998, RFC 2406