Einleitung zu IPsec

Wer als Linux- oder Windows-Administrator in Firmen Netzwerke verwaltet, der muss meistens unterschiedliche Netzwerke miteinander verbinden. Etwa mehrere Außenstellen oder Filialen an eine Zentrale (der Firma) .  Um dies zu eralisieren, kommt heute sehr oft IPSec als Basis für ein VPN (virtual private network) zum Einsatz. In diesem Tutorial im Rahmen unserer Reihe zur Linux-Administration lernen Sie:

• Wie Verschlüsselung grundsätzlich funktioniert
• Wie ein Verbindungsaufbau für ein IPSec-VPN  prinzipiell abläuft
• Wie IPsec auf der Opensource Firewall pfsense implementiert ist.

IPsec (Internet Protocol Security) ist heute ein de-fakto Standard für die Verschlüsselung von Datenverkehr im Internet. IPSec ist auf allen gängigen Betriebssystem-Plattformen sowie in den allermeisten Firewalls vorhanden. IPsec wird heute vor allem zur Koppelung von unterschiedlichen IP-Netzwerken – etwa hinter Firewalls – verwendet.

Hinweis: Für das Verständnis der Implementierung von IPSec auf einer pfsense-Firewall sollten, Sie die Grundlagen der Netzwerk-Technik verstehen und die Basics der pfsense-Firewall verstanden haben. Über beide Themen haben wir hier im Blog der Biteno GmbH ausführliche Tutorials.

Lesetipps dazu:

• Netzwerk-Grundlagen TCP/IP
• pfsense Firewall installieren und konfigurieren
• OpenVPN auf einer pfsense einrichten

Technische Komponenten für ein VPN

Damit ein VPN mit IPsec einwandfrei funktioniert, benötigen wir auf der Firewall mehrere Elemente:

• Eine Hash-Funktion,
• Eine Schlüsselverwaltung
• Einen Verschlüsselungsalgorithmus

Hashes / Prüfwerte

Ein Hash-Wert dient zur Berechnung eines eindeutigen Prüfwerts für beliebige digitale Daten (Nachrichten). Hashes sind außerdem  Grundlage zur Erstellung einer digitalen Signatur.

Der Prüfwert wird verwendet, um die Integrität einer Nachricht bzw. einer beliebigen Zeichenkette zu sichern.

Wenn zwei Nachrichten den gleichen Prüfwert ergeben, soll die Gleichheit der Nachrichten nach normalem Ermessen garantiert sein. Darum fordert man von einer kryptologischen Hashfunktion die Eigenschaft der Kollisionssicherheit: es soll praktisch unmöglich sein, zwei verschiedene Nachrichten mit dem gleichen Prüfwert zu erzeugen.

(Quelle: Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Secure_Hash_Algorithm)

Die Eigenschaften eines Hash-Wertes:

• Jeder Hashwert einer identischen Zeichenkette muss immer denselben Output (=Hashwert) ergeben.
• Eine Rückrechnung – also ein Knacken des Hashes soll möglichst unmöglich sein

Anwendung für Prüfsummen:

Hashwerte werden immer dann verwendet, um etwa Passwörter zu vergleichen. So werden in modernen Anwendungen nicht die Passwörter gespeichert, sondern deren Hash-Werte.

Nach der Eingabe eines Passworts durch den Anwender wird der Hash-Wert ermittelt und mit dem gespeicherten Hash-Wert verglichen. Sind beide gleich, dann stimmten die Passwörter überein.

MD5

Der Message-Digest Algorithm 5 (MD5) ist eine weit verbreitete kryptographische Hashfunktion, die aus einer beliebigen Nachricht einen 128-Bit-Hashwert erzeugt. Dies erlaubt beispielsweise die leichte Überprüfung eines Downloads auf Korrektheit. Der MD5 wurde 1991 von entwickelt.

Bsp. Zu MD5

MD5 Hash-Wert online erstellen: https://www.md5-generator.de/

Der MD5  gilt heute (2017/2018) als Hash-Wert nicht mehr als wirklich sicher, da es mit überschaubarem Aufwand möglich ist, unterschiedliche Nachrichten zu erzeugen, die den gleichen MD5-Hashwert aufweisen.

Dennoch findet sich der MD5 noch immer in vielen Software-Anwendungen bzw. Firewalls.

Weiterführende Informationen: https://de.wikipedia.org/wiki/Message-Digest_Algorithm_5

SHA-1 und Nachfolger

Der Secure Hash Algorithm (SHA bzw SHA-1) wurde 1993 entwickelt und galt bis Ende der 1990er sicher. Die Funktion ermittelt für jede beliebige Zeichenkette einen eineindeutigen Wert

Bsp. Zu SHA-1:

„Hallo mein Name ist Franz“ -> 9dcd46848cbb177296693eaa3de4f59ff603ae5f

Online selbst ausprobieren: http://www.sha1generator.de/

Da der SHA-1 in zwischen 2000 und 2010 mit sehr viel Aufwand mehrfach gebrochen werden konnte, empfiehlt man heute statt SHA-1 die Weiterentwicklungen der SHA-2-Familie (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512) zu verwenden.

Sie unterscheiden sich von SHA-1 dadurch, daß die Berechnung komplexer und die Bitfolgen länger werden.

Bsp. Zu SHA-3

„Hallo mein Name ist Franz“ -> f83a982bbd010930076555a20dcf311c7cc89737736a3f48a0cd3de3001219b3ca18b721ed58ddd63955818da341ca56cfcb033dbc0b945ad03ca9221842b9b0

SHA-3 unterscheidet sich also sowohl von SHA-1 als auch MD5 von der deutlich längeren Zeichenkette.

Online checken: https://emn178.github.io/online-tools/sha3_512.html

Weitere Informationen zu SHA https://de.wikipedia.org/wiki/Secure_Hash_Algorithm

Schlüsselverwaltung

Damit zwei Gesprächspartner (Firewalls) in einem ungesicherten Raum (Internet) sicher miteinander kommunizieren können, müssen Sie sich zunächst gegeneinander mit Schlüsseln absichern.

Manuelle Schlüsselverwaltung

Prinzipiell können alle Schlüssel zwischen zwei Firewalls vorab über einen gesicherten Weg manuell (!) ausgetauscht werden. In der Praxis ist das aber meist nicht praktikabel.

Automatischer Schlüsselaustausch mit IKE

Das Internet-Key-Exchange-Protokoll (IKE) dient der automatischen Schlüsselverwaltung für IPsec. Es verwendet den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch für einen sicheren Austausch von Schlüsseln über ein unsicheres Netzwerk (z.B. Internet).

IKE definiert, wie Sicherheitsparameter vereinbart und gemeinsame Schlüssel (shared keys) ausgetauscht werden.

Beide Gesprächspartner benötigen also für den Aufbau ein gemeinsam und vorher bekanntes „Shared Secret“.

Weitere Informationen zu IKE: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Key_Exchange

Diffie Hellmann Schlüsselaustausch

Die beiden Namensgeber Whitfield Diffie und Martin Hellman haben im Jahr 1976 den nach Ihnen bekannten Schlüsselaustausch beschrieben, auf dem heute ein Teil des Algorithmus für den Schlüsselaustausch bei IPsec erfolgt.

Im Wesentlichen beschreiben Sie dabei u.a. eine mathematische Einwegfunktion.

https://de.wikipedia.org/wiki/Diffie-Hellman-Schl%C3%BCsselaustausch

Verschlüsselungs-Algorithmen

Damit zwei Parteien (Menschen oder Firewalls) geheime Informationen sicher austauschen können, benötigen Sie einen gemeinsamen Ablauf (Algorithmus), um damit Nachrichten zu verschlüsseln. Dieser Algorithmus muss auf beiden Seiten eindeutig sein und gleich ablaufen.

DES & 3DES

Der Data Encryption Standard (DES) ist ein weit verbreiteter symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus.  Der DES-Algorithmus wurde als offizieller Standard für die US-Regierung   im Jahr 1977 bestätigt und wird seither international vielfach eingesetzt.  Heute wird DES aufgrund der verwendeten Schlüssellänge von nur 56 Bits für viele Anwendungen als nicht ausreichend sicher erachtet.

Weiterentwicklungen von DES sind 3DES oder Tripple-DES sowie AES (siehe unten)

AES (Rijndael)

Der Advanced Encryption Standard (AES) ist eine Blockchiffre, die als Nachfolger für DES im Oktober 2000 vom National Institute of Standards and Technology (NIST) als Standard bekanntgegeben wurde. Nach seinen Entwicklern Joan Daemen und Vincent Rijmen wird AES auch Rijndael-Algorithmus genannt.

Es handelt sich um ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren, d. h. der Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln ist identisch. Der Rijndael-Algorithmus besitzt variable, voneinander unabhängige Block- und Schlüssellängen von 128, 160, 192, 224 oder 256 Bit. Rijndael bietet ein sehr hohes Maß an Sicherheit; erst mehr als zehn Jahre nach seiner Standardisierung wurde der erste theoretisch interessante, praktisch aber nicht relevante Angriff gefunden.

Blowfish

Blowfish (deutsch Kugelfisch) ist ein symmetrischer Blockverschlüsselungsalgorithmus, der 1993 von Bruce Schneier entworfen und erstmals im April 1994 publiziert wurde. Er wurde als public domain veröffentlicht und kann frei verwendet werden.  Blowfish hat als Blockchiffre eine feste Blocklänge von 64 Bit, basiert auf einem Feistelnetzwerk, welches die Umkehrbarkeit zwischen Verschlüsselung und Entschlüsselung garantiert.

Mehr dazu. https://de.wikipedia.org/wiki/Blowfish

Weitere Begriffe

Encapsulating Security Payload (ESP) stellt Mechanismen zur Sicherstellung der Authentizität, Integrität und Vertraulichkeit der übertragenen IP-Pakete bereit. Im Unterschied zum AH wird der Kopf des IP-Paketes vom ICV (Integrity check value) nicht berücksichtigt, jedoch werden die Nutzdaten verschlüsselt übertragen. ESP basiert direkt auf IP und verwendet die Internet-Protokoll Nummer 50.

Quelle:  https://de.wikipedia.org/wiki/IPsec#Encapsulating_Security_Payload_(ESP)

Funktionsweise von IPsec

IPsec (kurz für Internet Protocol Security) ist eine Protokoll-Suite, die eine gesicherte Kommunikation über potentiell unsichere IP-Netze wie etwa das Internet ermöglichen soll.

IPsec arbeitet direkt auf der Internetschicht (Internet Layer) und ist eine Weiterentwicklung der IP-Protokolle. Das Ziel ist es, eine verschlüsselungsbasierte Sicherheit auf Netzwerkebene bereitzustellen.

IPsec bietet durch die verbindungslose Integrität sowie die Zugangskontrolle und Authentifikation der Daten diese Möglichkeit an. Zudem wird durch IPsec die Vertraulichkeit sowie Authentizität der Paketreihenfolge durch Verschlüsselung gewährleistet.

Weitere Informationen zu IPsec:

• https://de.wikipedia.org/wiki/IPsec
• http://www.hznet.de/security/ipsec-einf.pdf

IPsec verwendet zwei Phasen, um eine VPN-Verbindung sicher aufzubauen. Diese heißen Phase 1 und Phase2.

Phase 1 von IPsec

Der erste Teil (Phase 1) eines IPsec ist der technisch komplexere Teil von IPsec. In der echten Welt ist das in etwa so, also würden sich ein Telefonanrufer und ein Angerufener, die sich beide nicht kennen und die nicht wissen ob der andere die eigene Sprache versteht, versuchen zu verständigen.

Die Phase 1 beginnt mit dem so genannten „Main Mode“. Er wird in der ersten Phase der Verschlüsselungsvereinbarung und Authentisierung (Internet Key Exchange) genutzt.

Im Main Mode handeln der Initiator (derjenige, der die Verbindung aufnehmen will) und der Antwortende (der Responder) miteinander eine ISAKMP-SA (kurz für Internet Security Association and Key Management Protocol – Security Association ; mehr: https://de.wikipedia.org/wiki/Internet_Security_Association_and_Key_Management_Protocol   ) aus.

Die Verhandlung geschieht in folgenden Schritten:

1. Der Initiator sendet einen oder mehrere Vorschläge (engl. Proposal) mit Authentisierungs- und Verschlüsselungsalgorithmen.
2. Der Responder wählt aus der Schnittmenge der angebotenen und der von ihm unterstützten Algorithmen den sichersten aus und sendet das Auswahlergebnis an den Initiator.
3. Der Initiator sendet seinen öffentlichen Teil vom Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und einen zufälligen Wert (die Nonce).
4. Der Responder sendet ebenfalls seinen öffentlichen Teil vom Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und einen zufälligen Wert.
   Dieser Wert dient weiter unten zur Authentisierung.

Da nun beide Firewalls (der Responder und der Initiator) die öffentlichen Bestandteile für den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch kennen, wird dieses Verfahren genutzt, um den geheimen Schlüssel zu berechnen.

Dieser wird dann für die Verschlüsselung nach dem vereinbarten Schlüsselverfahren für die folgenden Schritte verwendet. Der berechnete (Diffie-Hellman-)Schlüssel wird auch für die Erzeugung eines weiteren Schlüssels genutzt, der für die Authentifikation verwendet wird.

Der letzte Schritt hier  ist die Authentisierung. Dabei müssen sich beide Beteiligten als zugriffsberechtigt ausweisen. Hierbei kommen zwei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:

1. die Authentisierung mittels vereinbartem Geheimnis (im englischen Pre-Shared-Keys, PSK) oder
2. zertifikatsbasiert.

Phase 2 von IPsec

In der zweiten Phase von IKE wird der Quick Mode verwendet (Schutz durch die IKE SA). Die gesamte Kommunikation in Phase 2 erfolgt dabei bereits verschlüsselt.

Wie in der ersten Phase wird zunächst ein Vorschlag (Proposal) gemacht und zusammen mit einem Hashwert übertragen. Später werden die Schlüssel neu berechnet, und es fließen keinerlei Informationen aus den zuvor generierten SAs ein. Dies stellt sicher, dass niemand von den zuvor generierten Schlüsseln auf die neuen schließen kann (Perfect Forward Secrecy). Dies wird erreicht, indem ein zusätzlicher Diffie-Hellman-Austausch stattfindet. Die Geheimnisse zur Schlüsselbildung werden verworfen, sobald der Austausch abgeschlossen ist.

Mehrere „Quick Modes“ können zur gleichen Zeit stattfinden und durch die gleiche IKE SA geschützt sein. Um die verschiedenen Wechsel unterscheiden zu können, wird das Message-ID-Feld des ISAKMP-Headers herangezogen. Der Status eines solchen Austausches wird durch die Cookies identifiziert.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/IPsec

Implementierung von IPsec in der pfsense Firewall

Die Implementierung von IPsec lehnt sich an den Standard von IPsec mit Phase1 und Phase2 an. Es gibt je eine Maske für die Phase1 von IPsec und eine weitere für die Phase2.

Hinweis: Ein Ipsec-Tunnel kann mehrere Phase2 Einträge pro Verbindung haben. Das ist dort sinnvoll wo etwa mehrere Netze hinter einer Firewall über ein IPSec VPN gleitet werden.

Übersicht der Verbindungen auf der pfsense

Abbildung: Ein Tunnel mit IPsec auf der pfsense mit zwei Netzen und zwei Phase2 Einträgen

In der obigen Abbildung ist ein VPN-Tunnel (1) mit Phase 1 definiert. Dazu gehören zwei unterschiedliche Phase 2 Einträge (2) für jeweils ein Netzwerk.

Übersicht der Verbindungen mit IPSec auf einer pfsense

Zur Übersicht der VPN-Tunnel auf einer pfsense gelangen Sie über

VPN -> IPsec -> Tunnel.

Um einen neuen VPN-Tunnel zu erstellen klicken Sie unten in der Übersicht auf „Add P1“. Sie beginnen anschließend mit den Einstellungen zu Phase1 von IPsec für ihren neuen Tunnel.

Einstellung von Phase 1 auf der pfsense

Die Einstellungen für die Phase 1 im Detail:

Einstellungen der Phase einer IPSec Verbindung

Als Authentication Method für die Phase 1 wählen Sie unter (1) entweder „Mutual PSK“ (PSK -> Preshared Key ) oder ein Zertifikat. In der Praxis ist das meistens ein PSK.

Unter (2) wählen Sie den Negatiation Mode. Das ist meistens „Main“. Die seltener verwendete Alternative heißt „Aggressive“.

Sofern Sie bei (1) „Mutual PSK“ gewählt haben, tragen Sie bei (3) ihren geheimen Schlüssel ein. Diesen Schlüssel müssen Sie exakt identisch auf der entfernten Firewall hinterlegen. Außerdem müssen sie sicherstellen, daß dieser Schlüssel niemals in falsche Hände gelangt

Tipp:

Unter https://www.gaijin.at/olspwgen.php können Sie online ein sicheres Passwort wählen. Nutzen Sie dort bitte die Einstellung mit min. 16 Zeichen oder länger.

Im zweiten Abschnitt wählen Sie unter (4) den eigentlichen Verschlüsselungs-Algorithmus (engl. Encryption Algorithm) aus. Dies wird in der Regel AES oder 3DES sein. Sofern Sie AES auswählen, müssen Sie (rechts daneben) die richtige Bit-Länge des Schlüssels auswählen. Auch diese muss auf der entfernten Firewall identisch sein.

Unter (5) wählen Sie den Hash-Algorithmus aus. Dies sollte SHA-1 oder höher (z.B. SHA-256 oder SHA-512) sein.

In der Auswahl bei (6) wählen Sie nun noch die für Sie passende Diffie-Hellman-Gruppe aus (also den Algorithmus für den Schlüsselaustausch).

Ebenso wichtig: Die Ablaufzeit (Lifetime) für die Phase 1 in Sekunden. Nach Ablauf dieser Zeitspanne verhandeln beide Firewalls wieder neu. Auch dieser Wert muss auf beiden Firewalls identisch sein.

Die Auswahl für die DH-Group unter (6) ist relativ groß. Je höher die Gruppe, desto höher die Bitlänge und damit die Stärke der Verschlüsselung. Beginnen Sie im Zweifel eher mit einer niedrigeren Schlüssellänge, bis Sie auf beiden Seiten eine stabile Verbindung haben. Danach können Sie (gemeinsam mit der Gegenstelle) die Schlüssellänge erhöhen.

Abbildung: Diffie Hellmann Gruppen auf der pfsense

Die diffie-hellmann-group Einstellungen in der Phase1 der IPSec VPN Verbindung

Einstellung von Phase 2 auf der pfsense

In Phase 2 werden zwei wesentliche Einstellungen gemacht:

• Die Definitionen der unterschiedlichen Netzwerke, die übertragen werden sollen.
• Der Verschlüsselungs- und Sicherungsmechanismus

Phase 2: Netzwerk-Einstellungen

Phase2 IPsec Einstellungen auf der pfsense

Unter „Mode“ (1) stellen Sie zunächst ein, on IPV4 oder IPv6 übertragen werden soll.

Unter (2) wählen Sie welches ihrer lokalen Netzwerke auf ihrer Seite des VPN später erreichbar sein wird.

Unter (3) legen Sie das entfernte Netzwerk bzw. eine Adresse fest. Sofern Sie bei (3) ein Netzwerk gewälht haben, definieren Sie bei (4) die Netz-Adresse sowie die Netzmaske.

Hinweis: Sofern Sie mehrere Netzwerke über ein VPN mit einer pfsense übertragen möchten, so müssen Sie mehrere Phase-2 Einträge für ein IPsec Tunnel erstellen. (wohl aber nur einen Eintrag für die Phase1)

Phase 2: Verschlüsselungs-Einstellungen

Im unteren Teil der Phase 2 finden Sie alle Einstellungen zum Schlüsselaustausch der Phase 2 sowie die Verschlüsselungs-Algorithmen:

Phase2 bei IPSec auf der pfsense: Verschlüsselungs-Einstellungen

Unter (1) wählen Sie entweder ESP (siehe Einleitung) oder AH (steht für Authentication Header). Am häufigsten wird ESP verwendet.

Unter (2) werden nun die zur Auswahl stehenden Verschlüsselungs-Mechanismen angewählt. Wichtig ist hier: Sie geben der Firewall eine Liste bzw. Auswahl mit. Mit dieser Liste verhandeln die beiden betroffenen Firewalls den passenden Verschlüsselungsmechanismus und dessen Schlüssellänge.

In der Praxis sollten Sie hier mit einem (in Worten: eins) Wert zur Auswahl beginnen, der bei beiden betroffenen Firewalls enthalten ist.

Unter (3) wählen Sie einen Hash-Algorithmus aus, der in Phase 2 zum Einsatz kommt. Vermeiden Sie dabei möglichst MD5. Besser ist ein (hoher) SHA-Algorithmus.

Bei (5) erhalten Sie die Auswahl für die Perfect Forward Secrecy. Das ist nichts anderes als der Schlüsselaustausch-Mechanismus. Sie haben im Wesentlichen die gleiche Auswahl wie bei der Diffie-Hellmann-Gruppe in Phase 1.

Wenn Sie auf Nummer sicher gehen wollen, wählen Sie hier wieder dieselbe Gruppe wie die DH-Group in Phase 1.

Unter (6) legen Sie wieder eine maximale Lebensdauer der verhandelten Schlüssel fest. Dieser Wert muss ebenfalls bei beiden Firewalls identisch sein. Nach Ablauf dieser Zeit in Sekunden fangen die Firewalls wieder neu an zu verhandeln.

Empfehlung für die Praxis:

IPsec VPN-Tunnel funktionieren in der Regel nur dann dauerhaft und vor allem stabil, wenn Sie auf beiden Seiten

• Für die Einstellungen der relevanten Parameter die gleichen Werte verwenden
• Kompatible Geräte auf beiden Seiten haben.

Kritik an IPsec

In ihrer Untersuchung über Ipsec von 1999 schrieben Niels Ferguson und Bruce Schneier “IPsec was a great disappointment to us. Given the quality of the people that worked on it and the time that was spent on it, we expected a much better result. We are not alone in this opinion; (…) Even with all the serious critisisms that we have on IPsec, it is probably the best IP security protocol available at the moment.”

An dieser Einschätzung hat sich vermutlich in den vergangenen Jahrzehnten wenig geändert. IPsec ist weiterhin ein sehr komplexer Mechanismus. Er ist aber offenbar selbst fast 20 Jahre nach dieser Kritik immer noch der de-facto Standard, der durch fast alle Hersteller von Security Software  und Hardware durchgängig unterstützt wird.

Verwendete Begriffe

AES: Symmetrischer Verschlüsselungs-Mechanismus mit variabler Bitlänge

DES / 3DES: Symmetrischer Verschlüsselungs-Mechanismus

IKE: Internet Key Exchange – Schlüsselaustausch über ein unsicheres Netz

MD5: Hash-Funktion, die mittlerweile als unsicher gilt

PFS: Perfect Forward Secrecy https://de.wikipedia.org/wiki/Perfect_Forward_Secrecy

SHA: Hash-Funktion, die mit unterschiedlicher Schlüssellänge eindeutige Hash-Werte erzeugt.

Shared Secret: Ein nur zwei Parteien bekannte, geheime Zeichenfolge.