Мы уже обсуждали понятие IPSec, в этом материале мы рассмотрим IPSec подробнее.

Итак, название IPSec происходит от IP Security.
IPSec - это совокупность протоколов и адлгоритмов, которые используются для защиты IP пакетов на уровне Layer3.

IPSec позволяет гарантировать:
- Confidentiality - с помощью шифрования
- Data integrity - через Hashing и HMAC\
- Authentication - через использование Digital Signatures или Pre-shared key (PSK).

Перечислим основные протоколы IPsec:
■ ESP and AH: Два основных протокола, используемых в IPsec.
Encapsulating Security Payload (ESP), может делать всё что требуется для IPsec, а
Authentication Header (AH), может делать всё, кроме шифрования, encryption of the data, - поэтому чаще всего используют ESP.
■ Encryption algorithms for confidentiality: DES, 3DES, AES.
■ Hashing algorithms for integrity: MD5, SHA.
■ Authentication algorithms: Pre-shared keys (PSK), RSA digital signatures.
■ Key management: An example would be Diffie-Hellman (DH), which can be used to
dynamically generate symmetrical keys to be used by symmetrical algorithms; PKI,
which supports the function of digital certificates issued by trusted CAs; and Internet
Key Exchange (IKE), which does a lot of the negotiating and management for us for
IPsec to operate.

Зачем нужен IPSec

Рассмотрим следующую простую топологию соединения двух офисов.

Нам необходимо обеспечить соединение двух офисов и выполнить следующие цели:

• Confidentiality - обеспечивается через шифрование данных.
• Data integrity - обеспечивается через hashing, либо через Hashed Message Authentication Code (HMAC), - методы позволяющие гарантировать, что данные не были изменены.
• Authentication - обеспечивается с использованием pre-shared keys (PSK), либо digital signatures. А при использовании HMAC аутентификация происходит постоянно.
• Antireplay protection - все пакеты VPN нумеруются, что является защитой от их повторения.

Протоколы и порты IPSec

Работа IPSec

Для поднятия безопасного соединения VPN, IPSec использует протокол Internet Key Exchange (IKE).
IKE - это framework, обеспечиваемая Internet Security Association, а также Key Management Protocol (ISAKMP)

Итак у нашей конфигурации оба роутера будут выступать в качестве VPN gateway или IPsec peers.

Предположим юзер в сети 10.0.0.0 отправляет пакет в сеть 172.16.0.0.
Поскольку туннель ещё не создан R1 начнёт initiate negotiations со вторым роутером R2.

Step 1: Negotiate the IKEv1 Phase 1 Tunnel

Первым шагом между роутерами поднимается Internet Key Exchange (IKE) Phase 1 tunnel.
Такой туннель не предназначен для передачи пользовательских данных, но используется в служебных целях, для защиты management traffic.

Поднятие IKE Phase 1 tunnel может быть выполнено в двух режимах:
- main mode
- aggressive mode
Main mode требует обмена большим количеством пакетов но и считается более безопасным.

Для поднятия IKE Phase 1 tunnel должны быть негоциированы следующие элементы:

• Hash algorithm: Это может быть message digest 5 algorithm (MD5) или Secure Hash
  Algorithm (SHA).
• Encryption algorithm: Digital Encryption Standard (DES) (слабый, не рекомендуется), Triple DES (3DES) (чуть лучше) or Advanced Encryption Standard (AES) (рекомендуется) AES может использовать ключи разной длины: чем длиннее тем безопаснее.
• Diffie-Hellman (DH) group to use: The DH “group” refers to the modulus size (length of
  the key) to use for the DH key exchange. Group 1 uses 768 bits, group 2 uses 1024, and
  group 5 uses 1536. More secure DH groups are part of the next-generation encryption
  (NGE):
  - Group 14 or 24: Provides 2048-bit DH
  - Groups 15 and 16: Support 3072-bit and 4096-bit DH
  - Group 19 or 20: Supports the 256-bit and 384-bit ECDH groups, respectively

  Задача DH - сгенерировать keying material (symmetric keys). Эти ключи будут использоваться для передачи данных.
  Сам DH является asymmetrical , но ключи он генерирует symmetrical.

• Authentication method: может быть в виде pre-shared key (PSK) или RSA signatures
• Lifetime: врем жизни IKE Phase 1 tunnel. Единственный параметр, который может не совпадать. Чем короче Lifetime, тем чаще будут менять ключи, и тем это безопаснее.

Step 2: Run the DH Key Exchange

После того, как роутеры договрились об IKE Phase 1 policy, они могут начать процесс DH key exchange. DH позволяет двум устройствам, между которыми пока нет secure connection, безопасно обменяться симметричными ключами, которые будут использоваться симметричными алгоритмами, например AES.

Step 3: Authenticate the Peer

Последнее что будет сделано в IKE Phase 1 - это взаимная аутентификация хостов, которая может быть произведена двумя методами (PSK или RSA digital signatures)
Если аутентификация прошла удачно, IKE Phase 1 tunnel считается поднятым. Туннель является двунаправленным .

Step 4: IKE Phase 2

После того, как поднялся IKE Phase 1 tunnel, роутеры начинают поднимать IKE Phase 1 tunnel.
Как уже упоминалось, IKE Phase 1 tunnel является чисто служебным, management tunnel и через него проходит весь трафик negotiation для поднятия туннеля IKE Phase 2.
IKE Phase 2 tunnel также использует алгоритмы hashing и encryption.
Поднятие IKE Phase 2 tunnel может быть выполнено в одном режимы:
- quick mode

IKE Phase 2 tunnel на самом деле состоит из двух однонаправленных туннелей, т.е. можно сказать что создаются:
Один туннель IKE Phase 1 tunnel, который является bidirectional, используемый для служебных функций.
И два туннеля IKE Phase 2, которые являются unidirectional, и которые используются для шифрования полезного трафика.
Все эти туннели также называются как security agreements between the two VPN peers или security associations (SA).
Каждый SA имеет свой уникальный номер.

Теперь, после того как был поднят IKE Phase 2 tunnel, все пакеты выходящие из наружных интерфейсов будут зашифрованы.

Пример настройки

Рассмотрим пример настройки IPsec на примере данной схемы.

1. Configure Interesting Traffic
   Для начала мы должны определить трафик, который мы будем шифровать.
   Router R1

   ip access-list extended VPN-ACL
    permit ip 192.168.1.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255

   Router R2

   ip access-list extended VPN-ACL
    permit ip 192.168.2.0 0.0.0.255 192.168.1.0 0.0.0.255

2. Configure Phase 1 (ISAKMP)
   Phase 1 поднимает туннель, используемый для служебных целей: обмен shared secret keys, authenticate, negotiate IKE security policies и т.д.
   Может быть создано несколько isakmp policies с разными приоритетами.

   Router R1

   crypto isakmp policy 1
    encryption 3des
    hash md5
    authentication pre-share
    group 2

   crypto isakmp key secretkey address 200.200.200.1

   Router R2

   crypto isakmp policy 1
    encryption 3des
    hash md5
    authentication pre-share
    group 2

   crypto isakmp key secretkey address 100.100.100.1

   Здесь key есть PSK(Preshared Key) используемый роутерами для аутентификации IKE Phase 1.

3. Configure Phase 2 (IPSEc)
   Цель IKE Phase 2 Tunnel - передача полезного трафика между хостами двух офисов.
   Параметры туннеля Phase 2 Tunnel группируются в sets, называемые transform sets.
   Router R1

   crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac
   !
   crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp
    set peer 200.200.200.1
    set transform-set TRSET
    match address VPN-ACL
   !
   interface FastEthernet0/0
    crypto map VPNMAP

   Router R2

   crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac
   !
   crypto map VPNMAP 10 ipsec-isakmp
    set peer 100.100.100.1
    set transform-set TRSET
    match address VPN-ACL
   !
   interface FastEthernet0/0
    crypto map VPNMAP

   На обоих хостах использовалась crypto ipsec transform-set TRSET esp-3des esp-md5-hmac.
   Это означает, что 3des будет использовано для шифрования, а md5-hmac для аутентификации.

   crypto map эплаится на интерфейс. Криптокарта отслеживает трафик, отвечающим заданным условиям. Наша криптокарта будет работать с роутером с адресом 100.100.100.1, заданным ACL внутренним трафиком и будет применять на этот трафик transform-set TRSET.

Проверка IPSec

В целом список полезных команд следующий:
show crypto isakmp policy
show crypto map
show crypto isakmp sa detail
show crypto ipsec sa
show crypto engine connections active

На практике наиболее полезно следующее:

• show crypto isakmp sa
  
  Это проверка IKE Phase 1 Tunnel: если State : QM_IDLE и Status: ACTIVE - значит всё нормально.
• show crypto ipsec sa
  
  здесь поля “pkts encrypt” и “pkts decrypt” отражают прохождение трафика через шифрованный туннель и оба должны увеличиваться