8. Создание защищенных каналов

В этой главе показано, как создавать защищенные коммуникационные каналы в Интернет. Эти каналы используются для подключения сетей через Интернет таким способом, чтобы информация, передаваемая через Интернет, была бы надежно защищена от чтения или   модификации.  

8.1 Введение

Что такое защищенный канал и для чего он применяется?

На любом из хостов, встречающихся на пути пакетов, может просмотреть их содержимое и/или изменить что-либо в них. Все это создает серьезные проблемы, тем более существенные, чем выше уровень значимости или конфиденциальности передаваемых данных.

Для решения этих проблем и применяются защищенные информационные каналы. Их можно представить себе как некий тоннель. Информация помещается с одной стороны тоннеля и прочесть ее можно только с другой стороны.

На самом деле, передаваемая информация модифицируется таким образом, чтобы их невозможно было изменить (аутентификация) или просмотреть (криптография) на пути их следования. При совместном применении этих двух механизмов обеспечивается как сокрытие информации, так и невозможность ее подмены на всем пути ее следования.

Что такое криптография?

Если один из этих компонентов держится в секрете (как правило, ключ), то просмотреть данные постороннему человеку невозможно.

Что такое аутентификация ?

Созданная таким образом электронная подпись передается вместе с данными в пункт назначения. Если данные в процессе передачи подверглись изменениям, это сразу же обнаружится: в хосте назначения будет вычислена электронная подпись от полученных данных и после сравнения с полученной подписью подмена будет обнаружена.

Операция по вычислению подписи выполняется очень быстро по сравнению с шифрованием. Тем не менее, она не может защитить данные от чтения. Поэтому ее следует применять, если важна надежность доставки, а не конфиденциальность. Для обеспечения обеих характеристик аутентификация используется совместно с криптографией.

Типы аутентификации и алгоритмы шифрования

Одним из параметров оценки прочности алгоритма является размер ключа. Чем большее количество бит содержится в ключе, тем больше можно составить всевозможных комбинаций, и тем сильнее, теоретически, данный алгоритм должен противостоять атакам.

Алгоритмы аутентификации:

• MD5

  это сокращение от Message Digest 5. Этот алгоритм, создан и запатентован RSA Data Security, Inc., но при этом он может быть без ограничений использован для любых приложений. Он применяется для создания электронных подписей со 128 битами в сообщениях любого размера и считается достаточно быстрым и защищенным алгоритмом.

• SHA

    это сокращение от Secure Hash. Этот алгоритм позволяет генерировать электронные подписи длиной 160 бит для сообщений любого размера. Он считается более защищенным алгоритмом в сравнении с MD5, однако его производительность в среднем на 50% ниже в реализации, используемой в межсетевом экране Aker.

  В межсетевом экране Aker используется версия SHA-1, незначительно скорректированная по сравнению с SHA. Тем не менее, в данном руководстве и в административном интерфейсе она всегда будет называться SHA.

• DES

    DES - это сокращение от Data Encryption Standard, он создан IBM в семидесятых годах и до недавнего времени был принят в качестве стандарта в правительстве США . В аппаратных реализациях этот алгоритм оказывается достаточно быстрым; правда, его скорость недостаточна при программной реализации. Его криптографические ключи имеют фиксированный размер в 56 бит, что считается недостаточным для сегодняшних стандартов. Поэтому для критических приложений предпочтение следует отдавать другим алгоритмам.

• Triple DES или 3DES

  Алгоритм Triple DES заключается в троекратном применении алгоритма DES с использованием трех различных ключей для одних и тех же данных. Это эквивалентно использованию алгоритма с ключом в 112 бит, что приводит к резкому повышению уровня безопасности по сравнению с DES. Его главным недостатком остается то, что он в два раза медленнее, чем DES (в реализации, используемой межсетевым экраном Aker).

Алгоритмы обмена ключами

Чтобы снизить риск взлома ключей злоумышленником и уменьшить нанесенный ущерб в случае взлома одного из них, важно проводить периодические замены ключей; предположим, что спустя шесть месяцев после установки ключей злоумышленнику удалось взломать ключи алгоритма шифрования (выбранная ситуация гипотетическая и ничего общего не имеет с реальной ). Если компания продолжает пользоваться теми же ключами, скажем, в течение года, то злоумышленник может расшифровать весь трафик компании за последние 6 месяцев. С другой стороны, если ключи менять ежедневно, тот же нарушитель, расшифровав после шестимесячной работы по взлому трафик первого дня, будет вынужден еще поработать шесть месяцев над расшифровкой трафика второго дня и т.д. Межсетевой экран Aker предоставляет два способа обмена ключами: ручной обмен и с помощью SKIP:

• Ручной обмен ключами

  В этом случае все настройки ключевой информации производятся вручную. При этом если производится замена ключей, обе стороны, между которыми образован защищенный канал, должны быть одновременно переконфигурированы

• Замена ключей с помощью SKIP

  SKIP - это сокращение от Simple Key Management for IP. По существу, он является алгоритмом , позволяющим выполнять замену ключей в автоматическом режиме с чрезвычайно высокой частотой, практически полностью исключающей их взлом. Функционирование SKIP оказывается сложной процедурой, и мы не будем вдаваться в ее детали. Сфокусируем внимание на описании самого процесса.

  В основном SKIP работает с тремя различными уровнями ключей:

  1. Общий секрет для всех взаимодействующих хостов
  2. Мастер ключ, который вычисляется заново каждый час на основе секрета.
  3. Случайный ключ, который можно вычислить заново в случае необходимости

  Опишем сценарий в общих чертах: для установления связи генерируется случайный ключ и он используется для шифрования и аутентификации посылаемых данных. Затем этот ключ шифруется на мастер ключе и отсылается вместе с зашифрованными данными. Когда принимающая сторона получает пакет, она расшифровывает ключ с помощью мастер ключа и использует его для расшифровки остального пакета.

  Поскольку алгоритмы, используемые для аутентификации, шифрования пакета и ключа определяются отправителем и передаются как часть протокола, получателю нет нужды настраивать эти параметры в приемнике.

  Основным преимуществом SKIP является возможность использования одного и того же секрета годами, не боясь его взлома нарушителем (поскольку замена ключа производится с интервалом от нескольких секунд до максимального значения в один час, в зависимости от трафика между взаимодействующими сетями).

  Настоятельно рекомендуется пользоваться этой опцией при конфигурировании защищенных каналов.

Определение защищенных каналов

Для определения групп хостов используется концепция объектов, рассмотренная в главе Регистрация объектов. При определении канала можно пользоваться объектами типа "хост", "сеть" или "набор".

Кроме объектов, необходимо определить алгоритм аутентификации, и в случае необходимости, криптографический алгоритм. Ключи аутентификации и шифрования завершают перечень параметров, необходимых для описания канала.

Межсетевой экран Aker поддерживает несколько одновременно защищенных каналов между различными точками. На межсетевом экране содержится список, каждый элемент которого полностью определяет параметры защищенного канала. Этот элемент называется Security Association или SA.

Планирование защищенных каналов должно проводиться очень тщательно. Использование криптографии отнимает много вычислительных ресурсов. Поэтому шифрование пакетов, если это не диктуется интересами безопасности, представляется напрасной тратой ресурсов. Более того, разные алгоритмы шифрования требуют различного объема обработки, и обеспечивают различные уровни безопасности. Каждый алгоритм следует выбирать в зависимости от необходимого уровня безопасности (выше было дано описание всех алгоритмов, поддерживаемых межсетевым экраном Aker).

Последнее замечание по поводу защищенных каналов касается их одностороннего характера, т.е. если вы хотите настроить защищенную связь между двумя сетями А и В, то должны настроить два разных канала: канал с источником в сети А и пунктом назначения в сети В и другой канал с источником в сети В и пунктом назначения в сети А. Пакеты, посланные из А в В будут использовать настройки первого канала, а пакеты, посланные из В в А - второго. Это свойство подробнее будет проиллюстрировано в приведенных ниже примерах:

Примеры использования защищенных каналов

В этом примере рассматривается, как описать защищенный канал связи между двумя сетями, взаимодействующими через Интернет, используя два межсетевых экрана Aker. Канал обеспечивает защиту всего трафика между этими двумя сетями. В качестве алгоритма аутентификации выбран MD5, а в качестве алгоритма шифрования - DES.

! При использовании шифрования обязательно должна использоваться аутентификация. Это вызвано тем, что без применения аутентификации к зашифрованным сообщениям могут быть проведены атаки с модификацией текста.

Конфигурация межсетевого экрана Aker сети 1

NETWORK1 - IP адрес: A1.B1.C1.0 - Cетевая маска 255.255.255.0
NETWORK2 - IP адрес: A2.B2.C2.0 - Cетевая маска 255.255.255.0

Защищенный канал 1:

Направление канала: отправка
Источник: NETWORK1
Назначение: NETWORK2
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X1
Ключ шифрования: X2

Защищенный канал 2:

Направление канала: прием
Источник: NETWORK2
Назначение: NETWORK1
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X3
Ключ шифрования: X4

Конфигурация межсетевого экрана Aker сети 2

NETWORK1 - IP адрес: A1.B1.C1.0 - Сетевая маска 255.255.255.0
NETWORK2 - IP адрес: A2.B2.C2.0 - Сетевая маска 255.255.255.0

Защищенный канал 1:

Направление канала: прием
Источник: NETWORK1
Назначение: NETWORK2
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X3
Ключ шифрования: X4

Защищенный канал 2:

Направление канала: отправка
Источник: NETWORK2
Назначение: NETWORK1
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X1
Ключ шифрования: X2

! Обратите внимание на то, что правило 1 для межсетевого экрана Aker 1 в точности совпадает с правилом 1 для межсетевого экрана Aker 2, за исключением пункта, связанного с направлением. То же касается и правила 2.

Пример конфигурации защищенного канала для подсети

В этом примере определим защищенный канал только для группы хостов в каждой из двух сетей. Кроме того, установим различные алгоритмы для каналов между этими группами.

Использование различных алгоритмов для двух направлений защищенного канала может оказаться полезным в том случае, когда ценность информации в одном направлении больше, чем в другом. В этом случае более защищенный алгоритм применяется в наиболее критическом направлении. Предположим еще, что сети 1 и 2 содержат два адреса класса В: А1.В1.0.0 и А2.В2.0.0, соответственно.

Конфигурация межсетевого экрана Aker сети 1

SUBNET1 - IP адрес: A1.B1.2.0 - Сетевая маска 255.255.255.0
SUBNET2 - IP адрес: A2.B2.5.0 - Сетевая маска 255.255.255.0

Защищенный канал 1:

Направление канала: отправка
Источник: SUBNET1
Назначение: SUBNET2
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X1
Ключ шифрования: X2

Защищенный канал 2:

Направление канала: прием
Источник: SUBNET2
Назначение: SUBNET1
Алгоритм шифрования: 3DES
Алгоритм аутентификации: SHA
Ключ аутентификации: X3
Ключ шифрования: X4

Конфигурация межсетевого экрана Aker сети 2

SUBNET1 - IP адрес: A1.B1.C1.0 - Сетевая маска 255.255.255.0
SUBNET2 - IP адрес: A2.B2.C2.0 - Сетевая маска 255.255.255.0

Защищенный канал 1:

Направление канала: отправка
Источник: SUBNET2
Назначение: SUBNET1
Алгоритм шифрования: 3DES
Алгоритм аутентификации: SHA
Ключ аутентификации: X3
Ключ шифрования: X4

Защищенный канал 2:

Направление канала: прием
Источник: SUBNET1
Назначение: SUBNET2
Алгоритм шифрования: DES
Алгоритм аутентификации: MD5
Ключ аутентификации: X1
Ключ шифрования: X2

! Заметьте, что в этом случае совпадение правил возникает в двух межсетевых экранах в другом порядке: правило 1 в межсетевом экране 1 совпадает с правилом 2 в межсетевом экране 2 (с измененными направлениями), а правило 2 в экране1 совпадает с правилом 1 в экране 2 (опять с измененными направлениями). Конечно, порядок описания правил для данных примеров не имеет значения (однако, это не всегда так):

8.2 Использование графического интерфейса пользователя

• Выбрать пункт Edit в главном меню
• Выбрать опцию Secure Channels

Окно настройки защищенных каналов

Окно содержит параметры конфигурации всех защищенных каналов межсетевого экрана Aker. Каждый канал будет показан на дисплее на отдельной строке, состоящей из нескольких клеток. При выделении одного из каналов строка будет окрашена в другой цвет.

• Клавиша OK обновляет параметры каналов и немедленно активизирует каналы.
• Клавиша Cancel отбрасывает все сделанные модификации и окно закрывается.
• Клавиша Help показывает окно помощи по этому разделу
• Если установлена опция Show all entities, на строке будут показаны все составляющие в объекте источника и назначения данного канала, в противном случае будут показаны только первые два

Указание: Если эта опция не установлена и каналы имеют больше двух объектов в источнике или назначении, в каждом поле, содержащем больше двух объектов, будет показана направленная вниз стрелка.

• Полоска прокрутки с правой стороны полезна для просмотра каналов, параметры которых не поместились в окне.
• Если Вы выделите канал, у которого есть записи в поле комментариев, то последние будут показаны в нижней части окна.

• Add: Эта опция позволяет включить в список новый канал. Если выделен какой-либо канал, новый канал будет вставлен в позицию выделенного канала. Если же канал не выделен, новый канал будет включаться в конец списка.
• Delete: Эта опция удаляет выделенный канал из списка.
• Edit: Эта опция открывает окно редактирования выделенного канала.
• Copy: Эта опция копирует выделенный канал в буфер.
• Cut: Эта опция удаляет выделенный канал из списка и копирует его в буфер.
• Paste: Эта опция копирует канал из буфера в список. Если канал выделен, то новый канал будет помещен в позицию выделенного канала. В противном случае он будет помещен в конец списка.
• Deselect: Эта опция отменяет выделение канала и снова показывает меню. Это очень полезно при наличии большого числа каналов, и служит для включения или вклейки канала в конец списка.

Рекомендация: Все опции, кроме опции "deselect", доступны через инструментальное меню, расположенное в верхней части окна. В этом случае сначала надо выделить канал, нажав на нем левой клавишей мыши, а затем выбрать необходимую опцию. При добавлении или редактировании каналов появится окно свойств, описание которого приведено ниже:

Использование ручного механизма обмена ключами

Аутентификация

Для создания каналов, в которых используется только аутентификация, нужно выделить опцию None в поле Encryption. В этом случае появятся следующее окно:

Source Entities : Определяет объекты, адреса которых будут сравниваться с адресом источника IP пакетов, которые должны попадать в канал.

Destination Entities : Определяет объекты, адреса которых будут сравниваться с адресом назначения IP пакетов, которые должны попадать в канал.

Comment: Поле комментариев.

Direction of the channel: Определяет направление канала. Эта опция может принимать два значения: отправка (send) или (receive прием. За деталями обращайтесь к разделу этой главы Введение.

SPI: (Security Parameter Index) Это уникальное число, используемое приемником, которое идентифицирует потоки. Оно должно превышать 255 и обязательно различаться для каждого канала, направленного к тому же приемнику.

Ключ аутентификации: Это ключ, используемый при аутентификации. Он должен быть записан в шестнадцатеричном формате. Максимальный размер ключа зависит от используемого алгоритма: 32 знака для MD5 и 40 знаков для SHA. Рекомендуется использовать максимально допустимое количество знаков.

Тип аутентификации: Это поле определяет, какой алгоритм аутентификации будет применяться. Возможны два алгоритма: MD5 или SHA. Аутентификация с шифрованием, использующим DES

Для создания каналов с шифрованием, использующим алгоритм DES, следует выделить опцию DES в поле Encryption. Вы увидите следующее окно:

Это окно полностью совпадает с окном для предыдущего элемента меню за исключением двух полей:

Size of the initialization vector: Это размер в битах вектора инициализации, который применяется в алгоритме DES. Этот вектор генерируется системой автоматически для каждого посылаемого пакета. Рекомендуется использование варианта с 64 битами.

Key:Это ключ, который будет применяться для шифрования пакетов. Он обязательно должен быть шестнадцатеричным числом с 16 знаками. Аутентификация с шифрованием, использующим Triple DES (3DES)

Для создания каналов с шифрованием , использующим алгоритм Triple DES, следует использовать опцию 3DES в поле Encryption. Вы увидите следующее окно:

В этом окне добавляются 4 новых поля по сравнению с окном только аутентификация:

Size of the initialization vector: то размер в битах вектора инициализации, который применяется в алгоритме 3DES. Этот вектор генерируется системой автоматически для каждого посылаемого пакета. Рекомендуется использование варианта с 64 битами.

Ключ 1: Это ключ, применяемый при первом преобразовании в алгоритме 3DES. Он обязательно должен быть шестнадцатеричным числом с 16 знаками.

Ключ 2: Это ключ, применяемый при втором преобразовании в алгоритме 3DES. Он обязательно должен быть шестнадцатеричным числом с 16 знаками.

Ключ 3: Это ключ, применяемый при третьем преобразовании в алгоритме 3DES. Он обязательно должен быть шестнадцатеричным числом с 16 знаками.

Использование SKIP для обмена ключей

В протоколе SKIP вся информация, связанная с алгоритмами аутентификации и шифрования, конфигурируется только в хосте, посылающем пакеты. В хосте, который принимает пакеты, необходимо лишь описать объекты источника и назначения и общий секрет.

В обоих случаях появится следующее окно (при настройках на хосте приемнике ненужные поля будут недоступны):

Источник: Определяет объекты, адреса которых будут сравниваться с адресом источника IP пакетов, которые должны попадать в канал.

Приемник : Определяет объекты, адреса которых будут сравниваться с адресом назначения источника IP пакетов, которые должны попадать в канал.

Комментарии:Поле комментариев.

Направление канала: Определяет направление канала. Эта опция может принимать два значения: отправка (send) или (receive) прием. За деталями обращайтесь к разделу этой главы Введение.

Алгоритм шифрования ключа: Это алгоритм, применяемый для шифрования посылаемого в пакете ключа сеанса. Рекомендуется пользоваться 3DES.

Алгоритм шифрования пакетов: Это алгоритм, которым пользуются для шифрования данных. Возможные опции None ( при использовании только аутентификации), DES и 3DES. Рекомендуется использовать 3DES.

Алгоритм аутентификации: Определяет , какой алгоритм будет использоваться для аутентификации. Возможные значения: MD5 или SHA.

Общий секрет: Это секрет, который будет использоваться для генерации мастер ключей (за деталями обращайтесь к разделу этой главы Введение ).Секрет должен быть одинаков для обоих межсетевых экранов по обе стороны канала. Он обязательно должен быть шестнадцатеричным числом с 64 знаками. Кроме этих полей, существуют две кнопки, облегчающие настройку секрета в обоих межсетевых экранах, отвечающего за шифрование и дешифрование в защищенном потоке:

Загрузить секрет: Эта кнопка позволяет прочесть значение из ASCII файла в поле общего секрета. Этот файл должен состоять только из одной строки длиной 64 символа.

Сохранить секрет: Эта кнопка позволяет записать содержимое поля общего секрета в ASCII файл. Переписанный файл будет иметь только одну строку длиной 64 символа. При нажатии какой-либо из этих кнопок появляется окно, позволяющее выбрать имя файла, в котором следует сохранить или считать секрет.

8.3 Использование интерфейса командной строки

Этот интерфейс обладает теми же возможностями, что и графический интерфейс, за исключением того, что он не позволяет описывать комментарии или указывать больше одного объекта для источника или назначения.

Путь к программе: /etc/firewall/fwcripto

Синтаксис:

fwcripto [show | help]
fwcripto remove <pos>
fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
         manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key> NONE
fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
         manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key>
         DES <iv size> <encryption key>
fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
         manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key>
         3DES <iv size> <key1> <key2> <key3>
fwcripto add <pos> <source> <destination> send
         skip [DES | 3DES] [MD5 | SHA] [NONE | DES | 3DES] <secret>
fwcripto add <pos> <source> <destination> receive
         skip <secret>

Aker Firewall - Version 3.0
fwcripto - настройка параметров аутентификации/шифрования
Usage: fwcripto [show | help]
       fwcripto remove <pos>
       fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
                manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key> NONE
       fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
                manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key>
                DES <iv size> <encryption key>
       fwcripto add <pos> <source> <destination> [send | receive]
                manual <spi> [MD5 | SHA] <authentication key>
                3DES <iv size> <key1> <key2> <key3>
       fwcripto add <pos> <source> <destination> send
                skip [DES | 3DES] [MD5 | SHA] [NONE | DES | 3DES] <secret>
       fwcripto add <pos> <source> <destination> receive
                skip <secret>
       show    = показывает все объекты в таблице каналов
       add     = добавляет новый элемент в таблицу
       remove  = удаляет существующий элемент из таблицы
       help    = показывает данное сообщение

   Для команды Add:

       pos     = позиция, куда будет включен новый элемент  
                 (она может быть целым положительным числом или словом END, 
                  если новый элемент добавляется в конец таблицы)
       send    = этот элемент будет использоваться при посылке пакетов
       receive = этот элемент будет использоваться при приеме пакетов
       skip    = использует  SKIP в качестве протокола обмена ключей
       manual  = использует ручной обмен ключей
       spi     = Security Parameter Index
                 (Это целое число, которое служит для описания защищенного соединения
                 между хостами источника и назначения. Это число должно
                  быть больше 255)
       MD5     = использует MD5 для аутентификации
       SHA     = uses the SHA-1 as the authentication algorithm
       DES     = использует DES для шифрования
       3DES    = использует 3DES для шифрования
       NONE    = Не использует шифрование, только аутентификацию
                 (для SKIP первый выделенный алгоритм соответствует
                  соответствует алгоритму шифрования ключа, а второй 
                  шифрованию пакета)
       iv_size = размер в битах вектора инициализации для DES или 3DES
                 Значение должно быть равным 32 или 64.
        
       Ключ аутентификации, ключ(и) шифрования и общий секрет для SKIP 
       должны вводиться  в шестнадцатеричном формате
       Для 3DES должны быть введены 3 ключа, разделенные пробелами.
Для команды удаления:
       pos     = позиция удаляемого элемента
                 (позиция в таблице показана в левой колонке
                  при просмотре командой "смотреть")

Entry 01:
--------
Source       : NETWORK1
Destination  : AKER
Direction    : Receive  Keys: SKIP
Secret       : 5ab53faefc7c9845acbe223148065dabe3279819ab01c39654effacbef087022
Entry 02:
--------
Source       : AKER
Destination  : NETWORK1
Direction    : Send     Keys: SKIP            Algorithms: 3DES MD5 DES
Secret       : 5ab53faefc7c9845acbe223148065dabe3279819ab01c39654effacbef087021
Entry 03:
--------
Source       : Internal Network
Destination  : External Network 1
Direction    : Send     Keys: Manual          Algorithms: SHA DES
SPI          : 999      Authentication: 0c234da5677ab5
Encryption   : 9a34ac7890ab67ef                                     IV: 64 bits
Entry 04:
--------
Source       : External Network 1
Destination  : Internal Network
Direction    : Receive  Keys: Manual           Algorithms: SHA DES
SPI          : 999      Authentication: 0c234da5677ab5
Encryption   : 9a3456ac90ab67ef                                     IV: 64 bits

#/etc/firewall/fwcripto remove 3
Entry 3 removed

#/etc/firewall/fwcripto add end NETWORK1 NETWORK2 
send manual 7436 MD5 c234da5677ab5 DES 64 4234ad70cba32c6ef
Entry added at position 3

#/etc/firewall/fwcripto add 1 NETWORK1 NETWORK2 
send skip 3DES SHA DES 5ab53faefc7c9845acbe223148065dabe3279819ab01c39654effacbef087022
Entry added at position 1