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IPsecを用いた鍵管理プロトコルと VPNルータの開発

IPsecを用いた鍵管理プロトコルと VPNルータの開発

OSC/Kyoto 2016

Ren Kimura

July 29, 2016
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  1. IPsecを用いた鍵管理プロトコルと VPNルータの開発 @RKX1209 OSC Kyoto 2016

  2. 自己紹介 @RKX1209 神戸大学 工学部 B4 - 型システム, セキュリティ(アクセス制御とか)の研究 OS,VMM,コンパイラ,サーバーなど、基盤技術をさわってる #QEMU

    contributor #seccamp14,15,16 #未踏16
  3. 話すこと • IPsec-VPNルーターの自作 • ルーターの開発(ARPの実装) • IPsecデーモンの開発 - IKEv2 [RFC5996],

    - PFKeyv2 [RFC2376], - ESP [RFC4303] の実装 RKX1209/OpenVpnRouter https://github.com/RKX1209/OpenVpnRouter
  4. IPsec-VPN SA(Security Association)による論理的なコネクションを使用 Configuring Cisco IOS Easy VPN Remote with

    802.1x Authentication
  5. IPsec AH, ESP AH,ESPいずれかの方式を選択。後者が比較的よく使われる Crypto map based IPsec VPN fundamentals

    - negotiation and configuration
  6. ESP(Encapsulating Security Payload) • データの機密性確保 - トンネルモードの場合はIPパケット全体を、トランスポートモードの場合 はIPペイロード部を暗号化 (3DES, RC5,

    IDEA, CAST-128, Blowfish-CBC….) • データ送信元の認証 - 共有秘密鍵を用いた送信相手の認証 (HMAC-SHA-1-96) • 送信データの完全性の確保 - 初期ベクトルIVを用いた認証付き暗号が利用できる (AES-GCM, AES-CCM) どのアルゴリズムを使用するのか選択する必要がある
  7. SA(Security Association) IPsecで使用される単方向コネクション。SPIで判別 • SPD (Security Policy Database) - IPパケットを受信した際、まず最初に参照されるポリシーデー

    タベース。 該当パケットにIPsecを適用するか否かを決定する • SAD (Security Association Database) - 次にSPIなどをキーとして該当するコネクションSAを検索。SA が存在しない場合はIKEv2などの鍵管理プロトコルによって SAが生成される。
  8. SA(Security Association) SAは単方向でかつプロトコルごとに1つ。 例えばESP,AH両方使用する場合4コネクション必要 CISCO: IPSec Overview Part Five: Security

    Associations
  9. IKEv2(Internet Key Exchange version2) • SAの管理と選択 - 提案されたSAパラメータを元にIKE_SA, CHILD_SAを作 成。CHILD_SAがIPsecのSA。IKE_SAは2本のCHILD_SAから

    なる。 • 共有秘密鍵の管理 - 定期的な二者間での鍵の共有,変更を行う。鍵の変更はDiffie- Hellman鍵共有アルゴリズムを用いる。 • 相手の認証 - 事前共有方式かデジタル署名により相手を認証 SAの作成や暗号化,認証アルゴリズムの決定,通知を二者間で行うプロトコル
  10. IKEv2(Internet Key Exchange version2) IKEv2(ISAKMP)はUDPの500番ポートを使用

  11. IKEv2(Internet Key Exchange version2) IKEv2 header Initiator cookie: 送信者のIKE_SA SPI

    Responder cookie: 応答者のIKE_SA SPI Next Payload: 次ペイロード番号(種類) ヘッダの後に数種類のペイロードが次々とつながっている。 ペイロードにはSA作成や鍵交換用途など様々な種類があり、 必要になったペイロードをヘッダの後につなげて送信する。
  12. IKEv2(Internet Key Exchange version2) ペイロードの種類。これらを適時組み合わせて通信する

  13. IKEv2(Internet Key Exchange version2) 両者間にSAが作成されるまでのやり取り IKE_SA_INIT: IKE_SAの選択,共有秘密鍵の生成 IKE_AUTH: 相手の認証, CHILD_SAの選択と共有秘密鍵の作成

    VPNs mit Strongswan-IKEv2 Linux-Magazine
  14. PFKeyv2 IKE鍵交換デーモンがSADBにSAを登録,選択,削除などを行う際に使用する、 鍵管理プロトコル Kazunori Miyazawa: Linux Conference 2001 - SADBとPFKEYv2

  15. PFKeyv2 RFC2367: PF_KEY Key Management API, Version 2

  16. OpenSwan • KLIPS - カーネルにIPsec機能を実装するための パッチ郡(メインラインマージ済み) • PLUTO - IKE鍵交換,

    PFKey鍵管理をつかさどるデーモン • 管理用コマンド/スクリプト - KLIPSとPLUTOのための管理用スクリプト VPNルータの実装はOpenSwanのコードを参考にした
  17. OpenSwan IKE_SA_INIT,AUTHなどのやり取りをオートマトンとして表現。 正しい通信の順番を保証するような実装が取られている。 state: 以前の状態 next_state: 次の状態 recv_type: 通信の種類(IKE_SA_INIT or

    IKE_SA_AUTO or…) processor: 次の状態に移る際に実行するルーチン (programs/pluto/ikev2.c)
  18. OpenSwan

  19. OpenSwan PFKeyはLinuxのXFRMインターフェース/proc/net/pfkeyと netlinkを利用してカーネルと通信するような実装 (programs/pluto/kernel_netlink.c) add_sa: SAをSADBに追加 del_sa: SAをSADBから削除 get_sa: SAをSADBから取得

    get_spi: SPIを取得
  20. 自作VPNルータ ルーティングは同セグメントならARP、 別セグメントなら上位ルータに委譲 ルーターにVPNサーバーを実装。 OpenSwanを参考に開発したため、 似たような動作をする。 (動作がまだ不安定, 未完成です) https://github.com/RKX1209/OpenVpnRouter

  21. 自作VPNルータ • IPsec-AHの実装 • IPsecポリシーの実装 • NAT Traversal • チェックサム計算,暗号化などのオフローディング

    - FPGAで回路実装 TODO
  22. Reference • 馬場達也 “マスタリング IPsec” O'REILLY ジャパン2006 • RFC 5996:

    Internet Key Exchange Protocol Version 2 (IKEv2) • RFC2367: PF_KEY Key Management API, Version 2 • RFC 4303: IP Encapsulating Security Payload (ESP) • WIDE Project “第XIV部 IPパケットの暗号化と認証” 2004