8장. IP 보안

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8.3 ESP

8장. IP 보안

목포해양대해양컴퓨터공학과

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개요

•

캡슐화 보안 페이로드 (ESP) 제공 서비스

• 기밀성

• 데이터 출처 인증

• 비연결형 무결성

• 재전송 방지 서비스(부분적 순서 무결성의 형태)

• (제한된) 트래픽 흐름의 비밀성

•

SA 설정 시점에 선택된 옵션과 네트워크 상의 구현위치에

의존적

•

다양한 암호화와 인증 알고리즘으로 동작

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ESP 형식 (1)

•

필드

• 보안 매개변수 색인(Security Parameters Index, 32비트):

• 순서 번호(Sequence Number, 32비트):

• 페이로드 데이터(Payload Data, 가변 길이):

• 패딩(Padding, 0~255 바이트):

• 패드 길이(Pad Length, 8 바이트):

• 다음 헤더(Next Header, 8 비트):

• 무결성 확인 값(ICV: Integrity Check Value, 가변 길이):

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ESP 형식 (2)

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ESP 형식 (3)

•

결합모드 알고리즘이 사용되는 경우

• 무결성 확인에 대한 성공/실패 지시자와 복호화된 평문 2가지를 반환

• ESP 마지막에 나오는 마지막 ICV 생략 가능

• 무결성 검증이 요구되는 경우 패킷의 무결성 검증은 결합모드 알고리즘에서 담당

•

추가적인 필드

• 암호화 또는 인증 알고리즘에서 요구하는 경우 IV(Initialization Vector) 또는 nonce 필드 가능

• 터널모드 사용시 페이로드 데이터 이후 또는 패딩 이전에

TFC(Traffic Flow Confidentiality) 패딩 추가 ^{목포해양대}

해양컴퓨터공학과

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ESP 형식 (4)

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암호화 및 인증 알고리즘 (1)

•

ESP 서비스에서 암호화 대상

• 페이로드 데이터, 패딩, 패드 길이, 다음 헤더 필드

•

페이로드 암호화

• 암호화 알고리즘이 초기화 벡터(IV)를 필요로 하면 데이터는 페이로드 데이터 필드의 시작 부분에 명시해서 전달

• IV를 포함하면 암호문의 일부로 간주하지만 IV는 대체로

암호화하지 않음

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암호화 및 인증 알고리즘 (2)

•

ICV

• 필드는 옵션

• 무결성 서비스가 선택되고, 개별 무결성 알고리즘이나 ICV를 사용하는 결합 모드 알고리즘에 의해 제공될 때에만 나타남

• ICV는 암호화 알고리즘이 수행된 후에 계산

• 복호화하기 전에 위조 패킷을 탐지하고 폐기

• 서비스 거부(DoS) 공격 영향을 잠재적 줄임

• 수신자가 패킷 병렬 처리 가능

• ICV 확인과 복호화 병렬 처리

• ICV는 암호화로 보호되지 않으므로 키가 적용되는 무결성

알고리즘을 ICV 계산에 적용해야 함 ^{목포해양대}

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패딩

•

평문 길이가 특정 길이의 배수가 되야 하는 암호화 알고리즘

• 패딩 필드는 평문을 확장시 필요

•

ESP 형식은 4 바이트 단위

• 패드 길이와 다음 헤더 필드가 32비트 워드에서 오른쪽 정렬

• 암호문은 32비트의 배수로 된 정수

• 패딩 필드는 이러한 정렬을 보장하는 데 사용

•

추가 패딩

• 페이로드의 실제 길이를 감추어서 부분적인 트래픽 흐름의

비밀성 제공 ^{목포해양대}

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재전송방지 서비스 (1)

•

재전송 (Replay) 공격

• 인증된 패킷의 복사본 전송

•

순서번호 필드로 재전송 공격 방지

•

순서번호 처리 ( 송신자 )

• 새로운 SA 성립되면 순서 번호 카운터를 0으로 초기화

• 패킷을 SA로 전송시 송신자는 카운터 값을 증가하고, 순서

번호 필드 값 변경

• 초기 값은 1

• 재전송방지가 기본 값으로 설정되어 있다면,

• 송신자는 순서번호가 232 - 1을 넘을 경우 해당 SA를 종료하고, 새로운 키를 가진 새로운 SA를 설정

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재전송방지 서비스 (2)

•

순서번호 처리

• 수신자는 반드시 크기가 W의 윈도우 구현 (W의 기본값 64)

• 윈도우의 오른쪽 끝은 지금까지 수신한 유효 패킷의 가장 높은 순서 번호, N

• 정확하게 수신된 N - W + 1부터 N 범위에 있는 순서 번호를 가진 모든 패킷에 대해 윈도우 대응하는 슬롯을 표시

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재전송방지 서비스 (3)

•

순서번호 처리 ( 계속 )

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재전송방지 서비스 (4)

•

순서번호 처리(수신자)

1. 수신된 패킷이 윈도우 범위 내에 있고, 새로운 것이면, MAC을 검사

• 패킷이 인증되면 윈도우 안의 해당 슬롯을 표시

2. 수신된 패킷이 윈도우의 오른쪽에 해당하고 새로운 것이면, MAC을 검사

• 패킷이 인증되면, 순서 번호가 윈도우 오른쪽 끝에

위치하도록 윈도우를 이동시키고, 윈도우 내의 해당 슬롯을 표시

3. 수신된 패킷이 윈도우의 왼쪽에 해당하거나 또는 인증되지 _{목포해양대}

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전송 모드와 터널 모드 (1)

•

전송 모드 ESP

• IP로 전송되는 데이터(예: TCP 세그먼트)를 암호화하고,

선택적으로 인증하는 데 사용

•

터널 모드 ESP

• 전체 IP 패킷을 암호화하는 데 사용

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전송 모드와 터널 모드 (2)

•

암호화는 두 호스트 사이에서 직접 제공

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전송 모드와 터널 모드 (3)

•

각 내부 네트워크의 보안 게이트웨이에서 터널 종료

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전송 모드 ESP (1)

•

IP 로 전송되는 데이터 ( 예 : TCP 세그먼트 ) 를 암호화하고 , 선택적으로 인증하는 데 사용

•

IPv4

• ESP 헤더는 IP 패킷의 전송 계층 헤더 바로 앞에 삽입

• ESP 트레일러는 IP패킷 다음에 위치

• 인증이 선택되면, ESP 인증 데이터 필드가 ESP 트레

• 일러 뒤에 추가

• 전체 전송 계층 세그먼트와 ESP 트레일러를 암호화

• 인증은 암호문 전체와 ESP 헤더까지 포함

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전송 모드 ESP (2)

•

IPv6

• ESP는 종단 간(end-to-end) 패킷으로 처리

• 중간라우터에서 검사되거나 처리되지 않음

• ESP 헤더는 IPv6 기본 헤더, 홉 간(hop-by-hop), 라우팅, 단편 확장 헤더 뒤에 위치

• 목적지 옵션 확장 헤더는 필요에 따라 ESP 헤더 앞 또는 뒤에 위치

• 암호화는 전체 전송 계층 세그먼트와 ESP 트레일러

• ESP 헤더 다음에 ESP 트레일러가 위치해 있다면 목적지 확장 옵션 확장 헤더까지를 포함해서 암호화

• 인증은 암호문과 ESP 헤더를 포함 ^{목포해양대}

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전송 모드 ESP (3)

•

전송 모드 동작

1. 발신지에서 ESP 트레일러와 전송 계층 세그먼트로 구성된 데이터 블록은 암호화

• 이 블록의 평문은 전송을 위한 IP 패킷을 구성하기 위해 암호문으로 대치

• 인증 옵션이 선택되면 인증이 추가

2. 패킷은 목적지로 라우팅

• 각 중간 라우터는 IP 헤더와 평문 IP 확장 헤더만을 검증하고 처리

• 암호문은 조사하지 않음

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전송 모드 ESP (4)

•

전송 모드 동작 ( 계속 )

3. 목적지 노드는 IP 헤더와 모든 평문 IP 확장 헤더를 조사하고 처리

4. ESP헤더에서 SPI에 근거하여 목적지 노드는 전송 계층

세그먼트를 평문으로 만들기 위해 패킷의 나머지 부분을 복호화

•

장점 : 임의의 응용프로그램에 비밀성 제공

•

단점 : 전송되는 패킷에 대한 트래픽 분석 가능

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터널 모드 ESP (1)

• 전체 IP 패킷을 암호화하는 데 사용

• ESP 헤더 위치: 패킷의 앞

• 패킷과 ESP 트레일러는 암호화

• 이 방법은 트래픽 분석에 대응하기 위해 사용

• 새로운 IP 헤더를 붙여 캡슐화

• IP 헤더는 목적지 주소와 발신지 라우팅 지시자, 그리고 홉

간(hop-by-hop)옵션 정보를 갖고 있기 때문에 암호화된 IP 패킷

앞에 ESP 헤더를 붙여 전송하는 것은 불가능

• 중계 라우터는 ESP 패킷 처리 불가

• 터널모드의 경우 방화벽이나 보안 게이트웨이 환경에서 유용

• 내부에서의 암호화 부담이 없음

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터널 모드 ESP (2)

•

외부 호스트에서 내부호스트로 전송데이터 세그먼트 전송 단계

1. 발신자는 내부 호스트 목적지 주소를 가진 내부 IP 패킷을 준비하고 목적지 주소가 방화벽인 새로운 IP헤더로 캡슐화

• ESP 헤더 + 패킷과 트레일러 암호화 + 인증 데이터(옵션)

2. 목적지 방화벽으로 라우팅 (외부 IP헤더만 참조)

3. 목적지 방화벽에서 외부 IP헤더와 IP확장헤더확인 후 처리 4. 내부 패킷은 내부 네트워크 안의 라우터를 통해 목적지

호스트로 라우팅 ^{목포해양대}

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ESP 암호화와 인증 범위

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