IP Security (IPSec) là tiêu chuẩn của IETF (Internet Engineering Task Force) nhằm cung cấp bảo mật cho mạng Internet. IPSec đảm bảo tính toàn vẹn, xác thực và bảo mật. IPSec được tích hợp sẵn trong IPv4 và IPv6 và được định nghĩa trong cùng các RFC.

1. Tổng quan về giao thức bảo mật IPSec.

IPSec thực hiện mã hóa và xác thực ở lớp mạng. Nó cung cấp một giải pháp an toàn dữ liệu từ đầu cuối-đến-đầu cuối trong bản thân cấu trúc mạng(ví dụ khi thực hiện mạng riêng ảo VPN). Vì vậy vấn đề an toàn được thực hiện mà không cần thay đổi các ứng dụng cũng như các hệ thống cuối. Các gói mã hóa có khuôn dạng giống như gói tin IP thông thường, nên chúng dễ dàng được định tuyến qua mạng Internet mà không phải thay đổi các thiết bị mạng trung gian, qua đó cho phép giảm đáng kể các chi phí cho việc triển khai và quản trị. IPSec cung cấp bốn chức năng quan trọng sau:

- Bảo mật(mã hóa)- Confidentiality: Người gửi có thể mã hóa dữ liệu trước khi truyền chúng qua mạng. Bằng cách đó, không ai có thể nghe trộm trên đường truyền. Nếu giao tiếp bị ngăn chặn, dữ liệu không thể đọc được.

- Toàn vẹn dữ liệu- Data integrity: Người nhận có thể xác minh các dữ liệu được truyền qua mạng Internet mà không bị thay đổi. IPSec đảm bảo toàn vẹn dữ liệu bằng cách sử dụng checksums (cũng được biết đến như là một giá trị băm).

- Xác thực- Authentication: Xác thực đảm bảo kết nối được thực hiện và các đúng đối tượng. Người nhận có thể xác thực nguồn gốc của gói tin, bảo đảm, xác thực nguồn gốc của thông tin.

- Antireplay protection: xác nhận mỗi gói tin là duy nhất và không trùng lặp.

IPSec là một nền (Frame work) kết hợp giao thức bảo mật và cung cấp mạng riêng ảo với các dữ liệu bảo mật, toàn vẹn và xác thực. Làm việc với sự tập hợp của các chuẩn mở được thiết lập để đảm bảo sự bảo mật dữ liệu, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, và chứng thực dữ liệu giữa các thiết bị tham gia vào mạng VPN. Các thiết bị này có thể là các host hoặc là các security gateway (routers, firewalls, VPN concentrator, ...) hoặc là giữa 1 host và gateway như trong trường hợp remote access VPNs.

Các giao thức chính sử dụng trong IPSec:

- IP Security Protocol (IPSec)

- Message Encryption

- Message Integrity (Hash) Functions

- Peer Authentication

- Key Management

- Security Association

Chế độ vận hành

IPsec có thể được hoạt động theo chế độ chuyển giao(transport mode) từ máy chủ này đến máy chủ khác cũng như chế độ đường hầm (tunnel mode) trong mạng.

+ Chế độ chuyển giao: chỉ có trọng tải (dữ liệu được truyền) của gói tin IP mới được mã hóa và/hoặc chứng thực. Trong quá trình Routing cả IP header đều không bị chỉnh sửa hay mã hóa. Transport mode sử dụng trong tình huống giao tiếp host to host.

+ Chế độ Tunnel: Trong chế độ tunnel, toàn bộ gói tin IP sẽ được mã hóa và/hoặc chứng thực. Sau đó nó được đóng gói vào một gói tin IP mới với tiêu đề IP mới. Chế độ tunnel được sử dụng để tạo Virtual Private Network (mạng riêng ảo) phục vụ cho việc liên lạc giữa các mạng, liên lạc giữa máy chủ và mạng (ví dụ như truy cập người sử dụng từ xa), và giữa các máy chủ.

2. Giao thức bảo mật IPSec trong mạng IPv6

IP Security (IPSec) là tiêu chuẩn của IETF (Internet Engineering Task Force) nhằm cung cấp bảo mật cho mạng Internet. IPSec đảm bảo tính toàn vẹn, xác thực và bảo mật. IPSec được tích hợp sẵn trong IPv4 và IPv6 và được định nghĩa trong cùng các RFC. Chức năng này chủ yếu có cả trong môi trường IPv4 và IPv6 nhưng tính năng IPSec là bắt buộc trong IPv6. Điều này có nghĩa mọi điểm kết nối IPv6 đều phải kích hoạt IPsec và phải luôn sử dụng tính năng này, do đó mạng Internet IPv6 được bảo mật tốt hơn mạng Internet IPv4 cũ.

2.1. Mào đầu gói tin IPv6

Header của IPv6 đơn giản và hợp lý hơn IPv4. IPv6 chỉ có 6 trường và 2 địa chỉ, trong khi IPv4 chứa 10 trường và 2 địa chỉ, IPv6 header có kích thước cố định. Trong khi IPv4 header có kích thước thay đổi. Với kích thước cố định thì một router có thể xử lý gói tin một cách hiệu quả.

    2.1.1. Chiều dài phần mào đầu

Mào đầu IPv4 có một trường chiều dài không cố định đó là Tùy chọn(Option). Trường này được sử dụng để thêm các thông tin về các dịch vụ tùy chọn khác nhau trong IPv4(Ví dụ như thông tin liên quan đến mã hóa). Do đó, chiều dài của mào đầu IPv4 thay đổi tùy theo tình trạng. Vì sự thay đổi đó, các bộ định tuyến điều khiển giao tiếp dựa trên những thông tin trong phần mào đầu không thể biết trước chiều dài của mào đầu. Điều này cản trở việc tăng tốc xử lý gói tin. Gói tin IPv6 có hai dạng mào đầu: mào đầu cơ bản và mào đầu mở rộng. Phần mào đầu cơ bản có chiều dài cố định 40 byte, chứa những thông tin cơ bản trong xử lý gói tin IPv6. Những thông tin liên quan đến dịch vụ mở rộng kèm theo được chuyển hẳn tới một phân đoạn khác gọi là mào đầu mở rộng. Cấu trúc gói tin IPv6:

    2.1.2. Định dạng các trường mào đầu

    Cấu trúc mào đầu của IPv6 header gồm:

Phiên bản (Version): Gồm 4 bít được sử dụng để xác định phiên bản của giao thức IP đang được sử dụng và nó có giá trị là 6 với IPv6.

Phân dạng lưu lượng (Traffic Class): Gồm 8 bít thực hiện chức năng tương tự trường Dạng dịch vụ (Type of Service) của IPv4. Trường này được sử dụng để biểu diễn mức độ ưu tiên của gói tin, mỗi điểm kết nối IPv6 có thể đánh dấu gói tin với từng loại dữ liệu, ví dụ gói tin nên được truyền với tốc độ nhanh hay thông thường.

Nhãn dòng(Flow Label): Có chiều dài 20 bít, là trường mới được thiết lập trong IPv6. Trường này được sử dụng để chỉ định gói tin thuộc một dòng(Flow) nhất định giữa nguồn và đích, yêu cầu bộ định tuyến IPv6 phải có cách xử lý đặc biệt. Bằng cách sử dụng trường này, nơi gửi gói tin có thể xác định một chuỗi các gói tin, ví dụ gói tin của dịch vụ thoại VoIP thành một dòng và yêu cầu chất lượng cụ thể cho dòng đó. Khi một router xác định dòng lưu lượng lần đầu, nó sẽ nhớ dòng lưu lượng đó, cũng như các xử lý đặc biệt ứng với lưu lượng này, và khi các lưu lượng khác thuộc dòng này đến, nó sẽ xử lý nhanh hơn là xử lý từng packet.

Chiều dài tải dữ liệu(Payload Length): Gồm 16 bít, tương tự như trường total length của IPv4, xác định tổng kích thước của gói tin IPv6 bao gồm cả phần mào đầu mở rộng (không chứa header).

Next header: Gồm 8 bít, thay thế trường Thủ tục(Protocol). Trường này chỉ định đến mào đầu mở rộng đầu tiên của gói tin IPv6, đặt sau mào đầu cơ bản hoặc chỉ định tới thủ tục lớp trên như TCP, UDP, ICMPv6 khi trong gói tin IPv6 không có mào đầu mở rộng.

Hop limit: Gồm 8 bít, được sử dụng để giới hạn số hop mà packet đi qua, được sử dụng để tránh cho packet được định tuyến vòng vòng trong mạng. Trường này giống như trường TTL (Time-To-Live) của IPv4.

Source Address: Gồm 128 bít, xác định địa chỉ nguồn của gói tin.

Destination Address: Gồm 128 bít, xác định địa chỉ đích của gói tin

    2.1.3. Các trường mào đầu mở rộng

Mào đầu mở rộng (extension header) là đặc tính mới của thế hệ địa chỉ IPv6.

Những thông tin liên quan đến dịch vụ kèm theo được chuyển hẳn tới một phân đoạn khác gọi là header mở rộng, mỗi header mở rộng được nhận dạng bởi trường Next Header. Các header mở rộng được đặt giữa IPv6 header và header của các giao thức lớp trên, được sử dụng để mang các thông tin tuỳ chọn ở lớp mạng (Network layer) trong gói tin. Một gói tin IPv6 có thể chứa một hay nhiều header mở rộng , được đặt sau mào đầu cơ bản. Các mào đầu mở rộng được đặt nối tiếp nhau theo thứ tự quy định, mỗi dạng có cấu trúc trường riêng. Thông thường, các mào đầu mở rộng được xử lý tại đích. Tuy nhiên cũng có dạng mào đầu mở rộng được xử lý tại mọi bộ định tuyến mà gói tin đó đi qua, đó là dạng mào đầu mở rộng Từng bước (Hop by Hop). Mỗi header mở rộng sẽ có giá trị đại diện cho nó. Ví dụ: TCP (6); UDP (7); Routing header (43); Fragment header (44); ESP (50); AH (51); ICMP (58)... [1].

Mào đầu cơ bản và mọi mào đầu mở rộng IPv6 đều có trường mào đầu tiếp theo (Next Header) chiều dài 8 bít. Trong mào đầu cơ bản, trường Next Header sẽ xác định gói tin có tồn tại mào đầu mở rộng hay không. Nếu không có mào đầu mở rộng giá trị của trường sẽ xác định phần mào đầu của tầng cao hơn (TCP hay UDP…) phía trên của tầng IP. Nếu có, giá trị trường Next Header chỉ ra loại mào đầu mở rộng đầu tiên theo sau mào đầu cơ bản. Tiếp theo, trường Next Header của mào đầu mở rộng thứ nhất sẽ trỏ tới mào đầu mở rộng thứ hai, đứng kế tiếp nó. Trường Next Header của mào đầu mở rộng cuối cùng sẽ có giá trị xác định mào đầu tầng cao hơn.

Khi gói đi từ nguồn đến đích, các trạm trung gian không được phép xử lý các Extension Header đến khi đến trạm đích. Và việc xử lý các Header này cũng phải diễn ra theo đúng tuần tự mà các Header sắp xếp trong gói tin IPv6. Không bao giờ được phép xảy ra trường hợp trạm đích quét qua toàn bộ gói tin và chọn ra một Header nào đó để xử lý trước. Trường hợp ngoại lệ là trường hợp Hop-by-hop Extension Header, sự hiện diện của Hop-by-hop Extension Header buộc gói tin phải bị kiểm tra bởi tất cả các trạm trung gian trên đường từ nguồn đến đích, bao gồm cả trạm nguồn và đích. Vì vậy, Hop-by-hop Extension Header luôn phải đứng sau IPv6 Header. Sự hiện diện của Extension Header này được chỉ thị bởi giá trị 0 trong Next-Header của IPv6 Header. Kích thước của các Extension Header có thể tùy ý, nhưng luôn là bội số của 8 octet. Nếu trong gói tin có chứa nhiều Extension Header, chúng được sắp xếp theo thứ tự sau :

- IPv6 Header.

- Hop-by-Hop Options Header.

- Destination Options Header : Được xử lý bởi trạm đích đầu tiên trong IPv6 Header và những trạm còn lại được chỉ ra trong Routing Header.

- Routing Header.

- Fragment Header.

- Authentication Header.

- Encapsulating Security Payload Header.

- Mobility header

- Destination Options Header: Chỉ được xử lý bởi đích đến cuối cùng trong gói tin

- Upper-layer Header.

2.2 Tích hợp bảo mật IPsec trong địa chỉ IPv6

Cấu trúc địa chỉ IPv6 sử dụng IPSec để đảm bảo tính toàn vẹn, bảo mật và xác thực nguồn gốc dữ liệu sử dụng hai mào đầu mở rộng tùy chọn: mào đầu Xác thực- (AH -Authentication Header) và mào đầu Mã hóa (ESP - Encrypted Security Payload) . Hai Header này có thể được sử dụng chung hay riêng để hỗ trợ nhiều chức năng bảo mật.

Các chế độ làm việc chính của giao thức IPSec, bao gồm:

- Transport mode: chế độ hoạt động này bảo vệ giao thức tầng trên và các ứng dụng. Trong đó, phần IPSec header được chèn vào giữa phần IP header và phần header của giao thức tầng trên.Vì vậy, chỉ có tải (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. Hoạt động của ESP trong chế độ này được sử dụng để bảo vệ thông tin giữa hai host cố định và bảo vệ các giao thức lớp trên của IP datagram. Trong Transport Mode, AH header được chèn vào trong IP datagram sau IP header và các tuỳ chọn. Ở trong chế độ này, AH được xem như phần tải đầu cuối tới đầu cuối (end-to-end payload), nên sẽ xuất hiện sau các phần header mở rộng hop-to-hop, routing, và fragmentation. Còn phần mào đầu đích (Destination Options Header) có thể được đặt trước hoặc sau AH.

- Tunnel mode: chế độ này 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 (Original Header)và phần đầu mới của IP. Trong chế độ Tunnel IP header ở đầu vào mang địa chỉ nguồn và địa chỉ đích cuối cùng, còn IP header ở đầu ra mang địa chỉ để định tuyến qua Internet. Trong chế độ này, AH bảo vệ toàn bộ gói tin IP bên trong, bao gồm cả IP header đầu vào.

2.3 Nguyên tắc hoạt động của các giao thức bảo mật trong địa chỉ IPv6

    2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của AH

AH được mô tả trong RFC 4302, là một IPSec header cung cấp xác thực gói tin và kiểm tra tính toàn vẹn. AH cho phép xác thực và kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu của các gói tin IP truyền giữa 2 hệ thống. Nó là phương tiện để kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi trong khi truyền hay không. Tuy nhiên các dữ liệu đều truyền dưới dạng bản Plaintext vì AH không cung cấp khả năng mã hóa dữ liệu.

Định dạng của AH:

- Next Header: Trường này có độ dài 8 bits để xác định mào đầu tiếp theo sau AH. Giá trị của trường này được lựa chọn từ các tập các giá trị IP Protocol Numbers định nghĩa bởi IANA- Internet Assigned Numbers Authority 

- Payload Length: Trường này có độ dài 8 bits để xác định độ dài của AH không có tải.

- Reserved: Trường này có độ dài 16 bits dành để dự trữ cho việc sử dụng trong tương lai. Giá trị của trường này được thiết lập bằng 0 bởi bên gửi và sẽ được loại bỏ bởi bên nhận.

- SPI (Security Parameters index): Đây là một số 32 bits bất kì, cùng với địa chỉ đích và giao thức an ninh ESP cho phép nhận dạng duy nhất chính sách liên kết bảo mật SA (xác định giao thức IPSec và các thuật toán nào được dùng để áp dụng cho gói tin) cho gói dữ liệu này. Các giá trị SPI 1-255 được dành riêng để sử dụng trong tương lai. SPI thường được lựa chọn bởi phía thu khi thiết lập SA.

- Sequence Number : Trường này có độ dài 32 bits, chứa một giá trị đếm tăng dần (SN), đây là trường không bắt buộc cho dù phía thu không thực hiện dịch vụ chống trùng lặp cho một SA cụ thể nào đó. Việc thực hiện SN tùy thuộc phía thu, nghĩa là phía phát luôn phải truyền trường này, còn phía thu có thể không cần phải xử lí nó. Bộ đếm của phía phát và phía thu đều được khởi tạo 0 khi một SA được thiết lập (Gói đầu tiên truyền đi với SA đó sẽ có SN=1)

- Authentication Data: Trường có độ dài biến đổi chứa một giá trị kiểm tra tính toàn vẹn ICV (Integrity Check Value) cho gói tin, có độ dài là số nguyên lần 32 bits. Trường này có thể chứa thêm một phần dữ liệu đệm để đảm bảo độ dài của AH header là số nguyên lần 32 bít (đối với IPV4) hoặc 64 bít (đối với IPV6).

Chế độ xác thực:

Xác thực từ đầu cuối đến đầu cuối (End-to-End Authentication): là trường hợp xác thực trực tiếp giữa hai hệ thống đầu cuối (giữa máy chủ với trạm làm việc hoặc giữa hai trạm làm việc), việc xác thực này có thể diễn ra trên cùng mạng nội bộ hoặc giữa hai mạng khác nhau, chỉ cần hai đầu cuối biết được khoá bí mật của nhau. Trường hợp này sử dụng chế độ vận chuyển (Transport Mode) của AH.

Xác thực từ đầu cuối đến trung gian (End-to-Intermediate Authentication): là trường hợp xác thực giữa hệ thống đầu cuối với một thiết bị trung gian (router hoặc firewall). Trường hợp này sử dụng chế độ đường hầm (Tunnel Mode) của AH.

    2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của ESP

ESP Header được mô tả trong RFC 4303, cung cấp mã hóa bảo mật và toàn vẹn dữ liệu trên mỗi điểm kết nối IPv6. ESP là một giao thức an toàn cho phép mật mã dữ liệu, xác thực nguồn gốc dữ liệu, kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu. Khác với AH, ESP cung cấp khả năng bí mật của thông tin thông qua việc mã hóa gói tin ở lớp IP, tất cả các lưu lượng ESP đều được mã hóa giữa 2 hệ thống, do đó xu hướng sử dụng ESP nhiều hơn AH trong tương lai để làm tăng tính an toàn cho dữ liệu. Sau khi đóng gói xong bằng ESP, mọi thông tin và mã hoá và giải mã sẽ nằm trong ESP Header. Các thuật toán mã hoá sử dụng trong giao thức như : DES, 3DES, AES. Định dạng của ESP Header như sau:

- Định dạng ESP: ESP thêm một header và Trailer vào xung quanh nội dung của mỗi gói tin.

SPI (Security Parameters Index): Trường này tương tự như bên AH

SN (Sequence Number): Trường này tương tự như bên AH

Payload Data: Trường này có độ dài biến đổi chứa dữ liệu mô tả bên trong Next Header. Đây là trường bắt buộc và có độ dài là số nguyên lần bytes

Padding: Trường này được thêm vào bởi nếu thuật toán mật mã được sử dụng yêu cầu bản rõ (plaintext) thì padding được sử dụng để điền vào plaintext (bao gồm các trường Payload Data, Pad Length, Next Header và Padding) để có kích thước theo yêu cầu.

IVC: Giá trị kiểm tra tính toàn vẹn, là trường có độ dài thay đổi được tính trên các trường ESP trailer, Payload, ESP header. Thực chất các trường ESP trailer đã bao gồm kiểm tra tính toàn vẹn (IVC).

- Gói tin IPv6 ESP ở chế độ Transport:

- Gói tin IPv6 ESP ở chế độ Tunnel:

Nguyên tắc hoạt động:

Về nguyên tắc hoạt động thì ESP sử dụng mật mã đối xứng để cung cấp sự mật hoá dữ liệu cho các gói tin IPSec. Cho nên, để kết nối của cả hai đầu cuối đều được bảo vệ bởi mã hoá ESP thì hai bên phải sử dụng key giống nhau mới mã hoá và giải mã được gói tin . Khi một đầu cuối mã hoá dữ liệu, nó sẽ chia dữ liệu thành các khối (block) nhỏ, và sau đó thực hiện thao tác mã hoá nhiều lần sử dụng các block dữ liệu và khóa (key). Khi một đầu cuối khác nhận được dữ liệu mã hoá, nó thực hiện giải mã sử dụng key giống nhau và quá trình thực hiện tương tự, nhưng trong bước này ngược với thao tác mã hoá.

    2.3.4 Quản lý khóa

Để áp dụng hai mào đầu AH và ESP yêu cầu các bên tham gia phải thỏa thuận một khóa chung để sử dụng trong việc kiểm tra an toàn thông tin.

Quản lý khóa thủ công: IPv6 yêu cầu tất cả các thao tác đều có thể cho phép thiết lập thủ công khóa bí mật. Công nghệ cấu hình bằng tay được cho phép trong IPSec chuẩn và có thể được chấp nhận để cấu hình một hay hai gateway nhưng việc gõ key bằng tay không thích hợp trong một số trường hợp số lượng các gateway nhiều và cũng gây ra các vấn đề không an toàn trong quá trình tạo khóa.

Quản lý khóa tự động:

Internet Key Exchange (IKE) cung cấp key một cách tự động, quản lý SA hai chiều, tạo key và quản lý key. IKE thương thuyết trong hai giai đoạn.

Giai đoạn 1: thương thuyết bảo mật, kênh chứng thực mà dựa trên đó hệ thống có thể thương thuyết nhiều giao thức khác. Chúng đồng ý thuật toán mã hoá, thuật toán hash, phương pháp chứng thực và nhóm Diffie-Hellman để trao đổi key và thông tin.

Giai đoạn 2: xác định dịch vụ được sử dụng bởi IPSec. Chúng đồng ý giao thức IPSec, thuật toán hash, và thuật toán mã hoá. Một SA được tạo ra cho inbound và outbound của mỗi giao thức được sử dụng.

3. Kết luận

IPv6Sec là một trong những tính năng ưu việt nổi bật của IPv6. Nó giúp phần làm tăng cường tính an toàn an ninh thông tin khi trao đổi, giao dịch trên mạng Internet. IPv6sec cũng được lựa chọn là giao thức bảo mật sử dụng trong mạng riêng ảo và thích hợp trong việc đảm bảo kết nối bảo mật từ đầu cuối tới đầu cuối.

BBT