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IPSec 筆記

Posted by Kakashi on 2018-03-21

前言

這篇筆記是用來記錄 IPSec protocal 的一些細節，前陣子在架設 AWS VPN 的時候，遇到了一些小問題，主要還是防火牆擋到需要走的 port ，而當時就在想自己對於 IPSec protocal 也太不熟悉了，所以才有這篇文章來稍微紀錄一下。

為什麼需要 IPSec

IP is not secure，我想這點學過計算機網路的同學應該都會知道這點，而有可能受到以下的風險

基本上使用 VPN 走 IPSec protocal 可以確保 CIA (似乎跟資安有關的都會提到這三個詞）

  • Confidentiality: 利用演算法將資料加密 (DES, 3DES, AES & Blowfish)
  • Integrity: 資料完整性，利用 hashing algorithm 保證資料沒有受到竄改
  • Authentication: 認證

IPSec security architecture

  • 使用 Layer3 Network layer 這層
  • Application 層的大家可以無感的享受其 CIA 的好處
  • Components
    • Authentication Header (AH)
    • Encapsulation Security Payload (ESP)
    • Security Associations (SA)

基本上我覺得要懂 IPSec，可以先來弄懂 AH & ESP 會比較重要，因為這兩個東西有對 IP packet 動手腳

Authentication Header

AH 主要提供的是驗證 Data integrity & data origin source，然後沒有提供任何加密的功能，使用 HMAC 算法，把 payload & header 和 IKE 定義好的 key 一起拿來 hash，但這邊要小心因為 NAT 會改變 header，而被改變的話，另外一邊就沒辦法解析正確，所以基本上 AH 應該是不可能跟 NAT 共存。
而其中又分為 Transport mode & Tunnel mode，後面會有介紹有什麼不同。
AH 使用 port 51。

AH.png

Encapsulation Security Payload

ESP 的功能比起 AH 強大了許多，confidentiality, authentication, integrity 都包含在其中了，所以真正有提供加密的功能，而在驗證 Data integrity 方面，還是要看是使用 Transport mode 或是 Tunnel mode

  • Transport mode: ESP 沒有對 IP header 做 hash ，所以只能保證 Data 是沒有被修改的
  • Tunnel mode: 有將 IP header 包進來，所以這點跟 AH 是一致的

對照下圖可以發現，ESP 和 AH 最大的差別應該是 AH 會對於 Outer IP header 做驗證，所以其實 IPSec 唯有使用 ESP tunnel mode 才能和 NAT 共存。
而在 RFC 3948 裡面也有寫道: Because the protection of the outer IP addresses in IPsec AH is inherently incompatible with NAT, the IPsec AH was left out of the scope of this protocol specification. 證實我們的推論應該是無誤的，難怪 AWS 的 NAT 教學裡面都是用 ESP 來做連線啊QQ。
ESP 使用 port 50。

ESP.png

Transport mode & Tunnel mode

Transport mode: 通常是直接建立在兩台主機上，因為不需要再多加一個 IP header ，整體來說較省頻寬，在這個模式下，兩邊的主機都要安裝 IPSec 的 protocal，而且不能隱藏主機的 IP 位置。
Tunnel mode: 針對 Firewall 或是 Gateway proxy，一般來說我們會用這個模式，因為他們不是原本的發送收端。

Security Associations

IPsec 中最重要的其實是 SA，因為它定義了如何協商，還有要使用哪些 Policy 和參數

  1. Authentication method
  2. Encryption algorithm & hashing algorithm
  3. Life time of SA
  4. Sequence number (避免 replay 攻擊)

而基本上 SA 是單向的，所以通常要建立兩條 SA (from A to B and B to A)，然後這些 parameter 會經過 Internet Key Exchange (IKE) protocal 來決定，IKE 主要有分兩個 step

IKE phase1: 主要做 Authenticate，Authentication 方面常常使用的都是 pre-shared key，基本上就是用同一組密碼，接著透過 Diffie-Hellman 來建立一組 Key，而這組 Key 是要被 Phase2 拿來用的。
IKE phase2: 處理 IPsec security 協商，最後 IPSec SA 完成，接下來才會建立 IPSec 的連線。

** IKE 主要走 port 500

結論

這只是一篇小小的筆記，而網路上面有更多詳細的資料，但有了這些基本概念後，對於為什麼 VPN 打不通，會有更多除錯的方法，像是那些 port 是不是沒開，或是 SA 整個設定錯誤，導致雙方協商失敗等等，會讓我們更有方向。

Reference

  1. http://chunchaichang.blogspot.tw/2011/12/ipsec-nat-t.html
  2. https://www.jannet.hk/zh-Hant/post/internet-protocol-security-ipsec/
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/IPsec#Security_association
  4. https://tools.ietf.org/html/rfc3948
  5. http://www.deepsh.it/networking/IPSec.html
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