ĐỒ ÁN MÔN BẢO MẬT THÔNG TIN Bảo Mật Thông Tin IPSEC

Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Lời cảm ơn
  
Chúng em xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Văn Thiên Hoàng,
thầy đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo tận tình và góp rất nhiều ý kiến quý báu
tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đề tài Bảo Mật Thông Tin
IPSEC
Những kiến thức học được trên ghế nhà trường là một hành trang quý báu để
chúng em bước vào đời.Chính những kiến thức chắc chắn ấy là nền tảng cho
thành công của chúng em trong tương lai
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn nhà trường, gia đình, bạn bè đã
động viên giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này
Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn
1
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012

MỤC LỤC: BÁO CÁO ĐỀ TÀI MÔN HỌC
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ IPSEC trang 5
I.GIỚI THIỆU trang 5
2
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
I.1.KHÁI QUÁT VỀ IPSEC trang 5
I.2.VÌ SAO PHẢI SỬ DUNG IPSEC trang 6
I.3.MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG IPSEC trang 7
CHƯƠNG II HOẠT ĐỘNG CỦA IPSEC trang 9
A.TRANSPORT MODE trang 9
B.TUNNEL MODE trang 11
II.1.AH (Authentication Header) trang 14
II.1.1 TUNNEL MODE trang 14
II.1.2. TRATSPORT MODE trang 15
a. AH xác thực và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trang 16
b. AH Header (Trường chứng thực) trang 18
c. Hoạt động của giao thức AH trang 20
d. AH version 3(Phiên bảng 3 của AH) trang 22
e. AH Summary(tóm tắt trường chứng thực) trang 22
II.2.ESP (Encapsulaton Secutity Payload) trang 23
2.1. ESP Packet Fields trang 26
3
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
2.2. Quá trình mã hoá và hoạt động của giao thức ESP trang 28
2.3. ESP Version 3 trang 31
2.4. ESP Summary trang 31
CHƯƠNG III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM trang 35

Kết Luận trang 49
Chương I
      
Tổng Quan Về IPSec
I. GIỚI THIỆU
IP Security là một đặc điểm kỹ thuật lớn và phức tạp có nhiều lựa chọn và
rất linh hoạt.
4
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Encapsulating Security Payload giao thức có thể xử lý tất cả các Ipsec của
dịch vụ yêu cầu.
Bài viết này sẽ nghiên cứu về Encapsulating Security Payload (ESP) so
sánh với Authentication Header về điểm yếu và điểm mạnh.
I.1.KHÁI QUÁT CỦA IPSEC
Trong tháng 11 năm 1998, RFC An ninh IP (IPsec) đã được phát hành - RFC
2401 thông qua RFC 2411. Theo quy định tại RFC 2401 [1], IPsec cung cấp
các dịch vụ bảo mật tại tầng IP bằng cách cho phép một hệ thống để chọn
các thông số cần thiết, chẳng hạn như giao thức bảo mật, các thuật toán bảo
mật cho các dịch vụ, và bất kỳ các khóa mật mã dịch vụ yêu cầu.
IP cấp dịch vụ an ninh bao gồm xác thực, bảo mật, và quản lý chủ chốt.
Chứng thực xác minh người gửi gói tin đó đã không bị thay đổi, bảo mật
cung cấp mật mã, và quan trọng quản lý địa chỉ trao đổi an toàn của các
phím.
IPsec gọi cho hai giao thức bảo mật - Authentication Header (AH) mà cung
cấp xác thực, và Encapsulating Security Payload (ESP) cung cấp xác thực,
mã hóa, hoặc cả hai. IPsec cũng có hai chế độ hoạt động: chế độ vận chuyển
và chế độ đường hầm.
I.2 VÌ SAO PHẢI SỬ DỤNG IPSEC
5

Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Mọi giao tiếp trong một mạng trên cơ sở IP đều dựa trên các giao thức IP.
Do đó, khi một cơ chế bảo mật cao được tích hợp với giao thức IP, toàn bộ
mạng được bảo mật bởi vì các giao tiếp đi qua tầng 3. (Đó là lý do tại sao
IPSec được phát triển ở giao thức tầng 3 thay vì tầng 2).
IPSec VPN dùng các dịch vụ được định nghĩa trong IPSec để đảm bảo tính
toàn vẹn dữ liệu, tính nhất quán, tính bí mật về xác thực của truyền dữ liệu
trên một hạ tầng mạng công cộng.
Ngoài ra, với IPSec tất cả các ứng dụng đang chạy ở tầng ứng dụng của mô
hình OSI đều độc lập trên tầng 3 khi định tính dữ liệu từ nguồn đến đích.
Bởi vì IPSec được tích hợp chặt chẽ với IP, nên những ứng dụng cụ thể dùng
các dịch vụ kế thừa tính năng bảo mật mà không cần phải có sự thay đổi lớn
lao nào. Cũng giống IP, IPSec trong suốt với người dùng cuối, không cần
quan tâm đến cơ chế bảo mật mở rộng liên tục đằng sau một chuỗi các hoạt
động.
I.3 MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG IPSEC
IPSEC được sử dụng nhằm cung cấp sự bảo mật về dữ liệu trên đường
truyền mạng (LAN, INTERNET…). Người quản trị sẽ cấu hình IPSEC
bằng cách thiết lập các luật giao tiếp giữa các máy. Các luật này được gọi l
IPSEC Policy. Chúng xác định loại giao thức nó sẽ được mã hóa, loại này
sẽ được ký số (Digitalsign), và sẽ dùng cả hai phương pháp trên. Sau đó,
mỗi lần một packet được gửi đi, packet đó sẽ được kiểm tra, mã hóa, hoặc
ký số tùy vào chính sách (policy) của loại packet đó. Vì quá trình này được
6
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
thực hiện tại tầng network, nên nó hoàn toàn trong suốt với người dùng và
cả với các Application(ứng dụng) tạo ra các packet đó. Và vì một gói IPSEC
(tạm gọi như vậy cho các gói dùng IPSEC để mã hóa) được chứa trong một

gói chuẩn (Standard packet), nên nó hoàn toàn có thể được gửi đi trên mạng
một cách bình thường.
IPSEC cung cấp các khả năng bảo mật sau:
1. Chứng thực lẫn nhau trước và cả trong khi hai hệ thống giao tiếp với
nhau.
2. Bảo đảm tính bí mật cho các gói (packet): IPSEC có hai loại gói chính:
• Encapsulating Security Payload (ESP): mã hóa, chứng thực (kí số).
• Authentication Header (AH): Chỉ chứng thực (kí số) mà không mã
hóa.
3. Bảo tồn việc truy cập: Khi một gởi được gửi đến, hệ thống sẽ kiểm tra các
ký số, nếu ký số không trùng, quá trình chứng thực không thành công. Hệ
thống sẽ tự động xóa bỏ packet đó ngay tại tầng IP. ESP sẽ mã hóa các địa
chỉ nguồn và địa chỉ đích đặt trong phần payload của gói.
4. Ngăn chặn kiểu tấn công dùng lại: (Replay attack): Cả ESP và AH đều sử
dụng các chuỗi số thay đổi. Giả sử có một attacker bắt được gói IPSEC, giả
dạng gói đó để tìm cách thăm nhập vào hệ thống. Khi đó, chuỗi số mà
attacker dùng sẽ không được hệ thống chấp nhận
7
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
  
Chương II
      
HOẠT ĐỘNG CỦA IPSEC
Các mode chính của giao thức IPSec:
A. Transport Mode :
-Transport mode bảo vệ giao thức tầng trên và các ứng dụng. Trong
transport mode, phần IPSec header được chèn vào giữa phần IP header và
phần header của giao thức tầng trên.
-vì vậy chỉ có tại (IP payload) là được mã hóa và IP header ban đầu là được

giữ nguyên vẹn. Transport mode có thể được dùng khi cả hai host hỗ trợ
IPSec.
8
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Hình 2-12: IPSec Transport-mode – Một Đại Diện Chung
Transport mode được dùng để bảo mật kết nối giữa hai host:
hoạt động của ESP trong Transport mode được sử dụng để bảo vệ thông tin
giữa hai host cố định. Bảo vệ các giao thức lớp trên của IP datagram.
Hình 2-13: Transport Mode Tunnel
9
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Trong Transport Mode, AH header được chèn vào trong IP datagram sau IP
header và các tuỳ chọn.
Hình 2-14: Transport Mode Packet
-chế độ transport này có thuận lợi là chỉ thêm vào vài bytes cho mỗi packets
và nó cũng cho phép các thiết bị trên mạng thấy được địa chỉ đích cuối cùng
của gói.
B.Tunnel mode :
10
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Hình 2-15: A Tunne Mode – AH Tunnel
Hình 2-16 : Một ESP Tunnel – Mode VPN
11
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
-không giống như transport mode, Tunnel mode bảo vệ toàn bộ gói dữ liệu.
Toàn bộ gói dữ liệu IP được đóng gói trong một gói dữ liệu IP khác. Và một

IPSec header được chèn vào giữa phần đầu nguyên bản và phần đầu mới của
gói tin IP .
Hình 2-17: IPSec Tunnel Mode – Đại Diện Chung
-Toàn bộ gói IP ban đầu sẽ bị đóng gói bởi AH hoặc ESP và một IP header
mới sẽ được bao bọc xung quanh gói dữ liệu. Toàn bộ gói IP sẽ được mã hoá
và trở thành dữ liệu mới của gói IP mới. chế độ này cho phép các thiết bị
mạng, chẳng hạn như Router, hoạt động như một IPSec proxy thực hiện
chức năng mã hóa thay cho host. Router nguồn sẽ mã hóa các packets và
truyền chúng dọc theo tunnel. Router đích sẽ giải mã gói IP ban đầu và
12
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
chuyển nó về hệ thống cuối.
-với tunnel hoạt động giữa hai security gateway, địa chỉ nguồn và đích có
thể được mã hóa.
II.1.Authentication Header (AH)
AH là một trong những giao thức bảo mật, cung cấp tính năng đảm bảo toàn
vẹn packet headers và data, xác thực nguồn gốc dữ liệu. Nó có thể tuỳ chọn
cung cấp dịch vụ replay protection và access protection. AH không mã hoá
bất kỳ phần nào của các gói tin. Trong phiên bản đầu của IPSec, giao thức
ESP chỉ có thể cung cấp mã hoá, không xác thực. Do đó, người ta kết hợp
giao thức AH và ESP với nhau để cung cấp sự cẩn mật và đảm bảo toàn vẹn
dữ liệu cho thông tin.
II.1. AH Mode
AH có hai mode : Transport và Tunnel.
1.1.Tunnel.
Trong chế độ đường hầm, toàn bộ các gói tin IP được mã hóa hoặc chứng
thực. Sau đó nó được đóng gói vào một gói tin IP mới với một tiêu đề IP
mới. Chế độ đường hầm được sử dụng để tạo ra các mạng riêng ảo cho mạng
lưới, mạng lưới truyền thông (ví dụ như giữa các bộ định tuyến đến các

trang web liên kết), máy chủ, mạng lưới truyền thông (ví dụ như người dùng
truy cập từ xa), và host-to-máy chủ truyền thông (ví dụ như tin trò chuyện) .
Tunnel mode hỗ trợ NAT traversal.
13
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Trong Tunnel mode, AH tạo 1 IP Header mới cho mỗi gói tin
Trong Transport mode, AH không tạo IP Header mới
Hình 2-1: AH Tunnel Mode Packet
1.2.Transport
Trong cấu trúc IPSec mà sử dụng gateway , địa chỉ thật của IP nguồn
và đích của các gói tin phải thay đổi thành địa chỉ IP của gateway. Vì trong
Transport Mode không thay đổi IP Header nguồn hoặc tạo một IP Header
mới, Transport Mode thường sử dụng trong cấu trúc host-to-host.
AH cung cấp tính năng đảm bảo tính toàn vẹn cho toàn bộ gói tin, bất kỳ
14
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
mode nào được sử dụng .
Hình 2-2: AH Transport Mode Packet
a.AH xác thực và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu
Hình 2-3
15
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Bước 1:
AH sẽ đem gói dữ liệu (packet ) bao gồm : Payload(Data) + IP Header +
Key cho chạy qua giải thuật Hash (Băm)1 chiều và cho ra 1 chuỗi số. Và
chuỗi số này sẽ được gán vào AH Header.
Bước 2:

AH Header này sẽ được chèn vào giữa Payload và IP Header và chuyển
sang phía bên kia.
Bước 3:
Router đích sau khi nhận được gói tin này bao gồm : IP Header + AH
Header + Payload(Data) sẽ được cho qua giải thuật Hash(Băm) một lần nữa
để cho ra một chuỗi số.
B4: so sánh chuỗi số nó vừa tạo ra và chuỗi số của nó nếu giống nhau thì nó
chấp nhận gói tin .
b. AH Header (Trường chứng thực)
16
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Hình 2-4 : AH Header
-Next Header : Trường này dài 8 bits , chứa chỉ số giao thức IP. Trong
Tunnel Mode, Payload là gói tin IP , giá trị Next Header được cài đặt là 4.
Trong Transport Mode , Payload luôn là giao thức Transport-Layer. Nếu
giao thức lớp Transport là TCP thì trường giao thức trong IP là 6. Nếu giao
thức lớp transport là UDP thì trường giao thức trong IP là 17.
-Payload Length : Trường này chứa chiều dài của AH Header.
-Reserved : giá trị này được dành để sử dụng trong tương lai ( cho đến thời
điểm này nó được biểu thị bằng các chỉ số 0).
-Security parameter Index (SPI) : mỗi đầu cuối của mỗi kết nối IPSec tùy
chọn giá trị SPI. Hoạt động này chỉ được dùng để nhận dạng cho kết nối.
Bên nhận sử dụng giá trị SPI cùng với địa chỉ IP đích và loại giao thức
IPSec (trường hợp này là AH) để xác định chính sách SA được dùng cho gói
tin (Có nghĩa là giao thức IPSec và các thuật toán nào được dùng để áp cho
gói tin).
-Sequence Number : chỉ số này tăng lên 1 cho mỗi AH datagram khi một
host gửi có liên quan đến chính sách SA. Giá trị bắt đầu của bộ đếm là 1.
17

Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
chuỗi số này không bao giờ cho phép ghi đè lên là 0. vì khi host gửi yêu cầu
kiểm tra mà nó không bị ghi đè và nó sẽ thoả thuận chính sách SA mới nếu
SA này được thiết lập. Host nhận sẽ dùng chuỗi số để phát hiện replayed
datagrams. Nếu kiểm tra bên phía host nhận, bên nhận có thể nói cho bên
gửi biết rằng bên nhận không kiểm tra chuỗi số, nhưng đòi hỏi nó phải luôn
có trong bên gửi để tăng và gửi chuỗi số.
-Authentication Data:Trường này chứa kết quả của giá trị Integrity Check
Value (ICV). Trường này luôn là bội của 32-bit (từ) và phải được đệm vào
nếu chiều dài của ICV trong các bytes chưa đầy.
c. Hoạt động của giao thức AH
-Hướng tốt nhất để hiểu AH làm việc như thế nào, xem và phân tích các gói
tin AH sau:
18
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Hình 2-5: Sample AH Transport Mode Packet.
Hình trên cho thấy các thành phần của gói tin AH thật sự. Mỗi section của
AH Packet gồm : Ethernet header , IP header , AH header và Payload. Dựa
trên các trường của phần AH mode, ta thấy đây là gói tin ở Transport Mode
vì nó chỉ chứa IP Header. Trong trường hợp này, payload chứa ICMP echo
request (hay là Ping). Ping gốc chứa chuỗi mẫu tự được miêu tả trong gói tin
tăng dần bởi giá trị Hex ( vd : 61, 62, 63). Sau khi giao thức AH được
applied, ICMP Payload không thay đổi. Vì AH chỉ cung cấp dịch vụ đảm
bảo toàn vẹn dữ liệu, không mã hoá.
19
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Hình 2-6:các trường AH Header trong Packet.

Các trường trong AH Header từ 4 gói tin đầu tiên trong AH session giữa
host A và host B. Các trường trong header đầu tiên chỉ là nhãn, để đáp ứng
trong việc nhận dạng AH mode.
-SPI : host A sử dụng giá trị số Hex cdb59934 cho SPI trong cả các gói tin
của nó. Trong khi đó host B sử dụng giá trị số Hex a6b32c00 cho SPI trong
cả các gói tin. Điều này phản ánh được rằng kết nối AH thật sự gồm hai
thành phần kết nối một chiều.
-Sequence Number : cả hai host bắt đầu thiết lập chỉ số bằng 1, và cả hai
tăng lên là 2 cho gói tin thứ hai của chúng.
-Authentication information : Xác thực (đảm bảo toàn vẹn ) thông tin , là
một keyed hash dựa trên hầu như tất cả các bytes trong gói tin.
20
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
d. AH version 3(Phiên bảng 3 của AH)
Một chuẩn mới của AH là Version 3, phiên bản được phát triển dựa trên
phiên bản phác thảo. Tính năng khác nhau giữa Version 2 và Version 3 là
mối quan hệ thứ yếu để các quản trị viên IPSec và người dùng - một vài sự
thay đổi đến SPI, và tuỳ chọn chỉ số dài hơn.
chuẩn phác thảo version 3 cũng chỉ đến một chuẩn phác thảo khác rằng liệt
kê thuật toán mã hoá yêu cầu cho AH. Bản phác thảo uỷ nhiệm hỗ trợ cho
HMAC-SHA1-96, giới thiệu thuật toán hỗ trợ mạnh hơn là AES-XCBC-
MAC-96, và cũng giới thiệu thuật toán : HMAC-MD5-96.
e. AH Summary(tóm tắt trường chứng thực)
-AH cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn cho tất cả các header và data gói
tin. Ngoại trừ một số trường IP Header mà định tuyến thay đổi trong chuyển
tiếp.
-AH bao gồm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong dịch vụ đảm bảo toàn vẹn.
AH thường không tương thích với NAT.
-Hiện nay, hầu hết IPSec bổ sung hỗ trợ phiên bản thứ hai của IPSec mà

ESP có thể cung cấp dịch các vụ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu qua sự xác thực.
-AH cung cấp một lợi ích mà ESP không có, đó là đảm bảo toàn vẹn cho
outermost IP Header.
II.2. Encapsulaton Secutity Payload (ESP)
ESP là giao thức bảo mật chính thứ hai. Trong phiên bản đầu của IPSec ,
ESP chỉ cung cấp mã hoá cho packet payload data. Khi cần giao thức AH
21
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
cung cấp dịch vụ đảm bảo toàn vẹn. Trong phiên bản thứ hai của IPSec, ESP
trở nên mềm dẻo hơn. Nó có thể thực hiện xác thực để cung cấp dịch vụ đảm
bảo toàn vẹn, mặc dù không hỗ trợ cho outermost IP header. Sự mã hoá của
ESP có thể bị vô hiệu hoá qua thuật toán mã hoá Null ESP algorithm. Do đó,
ESP có thể cung cấp chỉ mã hoá; mã hoá và đảm bảo toàn vẹn dữ liệu; hoặc
chỉ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu.
ESP Mode
ESP có hai mode : Transport Mode và Tunnel Mode.
Trong Tunnel Mode : ESP tạo một IP Header mới cho mỗi gói tin. IP
Header mới liệt kêt các đầu cuối của ESP Tunnel ( như hai IPSec gateway)
nguồn và đích của gói tin. Vì Tunnel mode có thể dùng với tất cả 3 mô hình
cấu trúc VPN.
Hình 2-7: Mô Hình ESP Tunnel Mode Packet
ESP Tunnel Mode được sử dụng thường xuyên nhanh hơn ESP Transport
22
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Mode.
Trong Tunnel Mode, ESP dùng IP header gốc thay vì tạo một IP header mới.
Trong Transport Mode, ESP có thể chỉ mã hoá hoặc bảo đảm tính toàn vẹn
nội dung gói tin và một số các thành phần ESP, nhưng không có với IP

header.
Giao thức AH, ESP trong Transport mode thường sử dụng trong cấu trúc
host-to-host. Trong Transport mode không tương thích với NAT.
Hình 2-8:Mô Hình ESP Transport Mode Packet
23
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
2.1. ESP Packet Fields
Hình 2-9: ESP Packet Fields
ESP thêm một header và Trailer vào xung quanh nội dung của mỗi gói tin.
ESP Header được cấu thành bởi hai trường : SPI và Sequence Number.
-SPI (32 bits) : mỗi đầu cuỗi của mỗi kêt nối IPSec được tuỳ chọn giá trị
SPI. Phía nhận sử dụng giá trị SPI với địa chỉ IP đích và giao thức IPSec để
xác định chính sách SA duy nhất mà nó được áp cho gói tin.
-Sequence Number : thưòng được dùng để cung cấp dịch vụ anti-replay.
24
Bảo Mật Thông Tin IPSEC
2012
Khi SA được thiết lập, chỉ số này được khởi đầu về 0. Trước khi mỗi gói tin
được gửi, chỉ số này luôn tăng lên 1 và được đặt trong ESP header. Để chắc
chắn rằng sẽ không có gói tin nào được công nhận, thì chỉ số này không
được phép ghi lên bằng 0. Ngay khi chỉ số 232-1 được sử dụng , một SA
mới và khóa xác thực được thiết lập.
Phần kế tiếp của gói tin là Payload, nó được tạo bởi Payload data (được mã
hoá) và IV không được mã hoá). Giá trị của IV trong suốt quá trình mã hoá
là khác nhau trong mỗi gói tin.
phần thứ ba của gói tin là ESP Trailer, nó chứa ít nhất là hai trường.
-Padding ( 0-255 bytes) : được thêm vào cho đủ kích thước của mỗi gói tin.
-Pad length: chiều dài của Padding
-Next header : Trong Tunnel mode, Payload là gói tin IP, giá trị Next

Header được cài đặt là 4 cho IP-in-IP. Trong Transport mode, Payload luôn
là giao thức lớp 4. Nếu giao thức lớp 4 là TCP thì trường giao thức trong IP
là 6, giao thức lớp 4 là UDP thì trường giao thức IP là 17. Mỗi ESP Trailer
chứa một giá trị Next Header.
-Authentication data : trường này chứa giá trị Integrity Check Value (ICV)
cho gói tin ESP. ICV được tính lên toàn bộ gói tin ESP công nhận cho
trường dữ liệu xác thực của nó. ICV bắt đầu trên ranh giới 4-byte và phải là
bội số của 32-bit (đơn vị từ).
2.2. Quá trình mã hoá và hoạt động của giao thức ESP
25