Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы построения защищенных инфокоммуникационных систем. Учебно-методическое пособие
.pdf
ность атак (несанкционированного доступа) с использованием ложных элементов сети. Кроме того дополнительные проблемы могут возникнуть из-за
того, что в системах третьего и четвертого поколений часть трафика проходит
через незащищенные сети Интернета. А при использовании фемтосот даже
аутентификация проходит через Интернет. Поэтому в сетях LTE предусмотрены взаимная аутентификация, защита целостности данных и шифрование
внутри и между различными сетями. В сетях LTE предусмотрены два уровня
защиты передаваемых по сети данных: NAS (Non Access Stratum – уровень без
доступа) и AS (Access Stratum – уровень с доступом). Уровень NAS устанавливает сессии связи между мобильными станциями и ядром сети прозрачно через
радиоподсистему (аутентификация, шифрование, управление вызовами и мобильностью).
В разд. 3.1 отмечено, что вектор безопасности (триплет) состоял из следующих компонент:
RAND, SRES, Kc. (3.1)
В LTE вектор безопасности имеет вид:
RAND, AUTN, XRES, K
, (3.2)
asme
где RAND (Random) – случайное число; AUTN (AUthentication TokeN) –
аутентификационный знак; XRES (eXpected RESponse) – ожидаемый отклик
(на RAND); K
Security Management Entity).
Для входа в сеть МС передаёт свой идентификатор: при первом
– ключ безопасности для вычисления других ключей (Access
asme
подключении IMSI; при последующих подключениях передаются временные
идентификаторы M-TMSI, S-RNTI или C-RNTI. Идентификатор МС поступает
на Узел управления мобильности MME. MME присоединяет к номеру IMSI
мобильной станции (т.е. заменяет временный идентификатор мобильной станции на постоянный) свой Идентификатор публичной наземной сети PLMN ID.
К этим двум идентификаторам добавляется код сети: E-UTRAN. Полученная
тройка чисел имеет формат
IMSI, PLMN ID, Network (E-UTRAN) (3.3)
и поступает на опорный сервер данных HSS. В ответ HSS вырабатывает вектор
безопасности в соответствии с (3.2).
Как и ранее в GSM, в HSS для каждого IMSI существует ключ K (root
Key – корневой ключ), этот же ключ записан в USIM-карте абонента.
В алгоритме по выработке ключа K
участвует кроме RAND и K ещё один
asme
параметр SQN (SeQuence Number – порядковый номер процедуры). Ключ
K
является ключевым параметром для выработки различных ключей
asme
шифрования различных видов сообщений во всей сети LTE. На МС поступают
следующие числа:
RAND, AUTN, KSI
где KSI
(Key Set Identifier – идентификатор ключа установки).
asme
31
, (3.4)
asme
На основе вектора (3.4) и ключа K в USIM-карте абонента вырабатывается отклик на «пароль» RES, ключ шифрования и ключ целостности. Отклик
на «пароль» RES отправляется в MME и, если он совпадает с XRES, то МС допускается в сеть (и ей присваивается новый идентификатор).
Кроме того МС из (3.4) вычисляет специальный код сети MAC (Message
Authentication Code – Код сообщения аутентификации) и, если он совпал с полученным AUTN, то сообщает сети о завершении процедуры аутентификации.
Если MAC и AUTN не совпали, то МС также посылает информацию об этом в
сеть.
Для шифрования и защиты целостности информации в LTE предусматривается использование следующих базовых алгоритмов [13]:
- UEA2 (UMTS Encryption Algorithm) и UIA2 (UMTS Integrity Algorithm),
разработанные для стандартов 3G;
- AES (Advanced Encryption Standard).
Исходным ключом для всей цепочки процедур формирования ключей
является K
(рис. 3.5). Модуль KDF (Key Derivation Function) генерирует
ASME
ключи длиной 256 бит, у которых с помощью функции Trunc исключают
128 старших бит, в результате чего получают рабочие ключи длиной 128 бит
(рис. 3.8а).
а) б)
Рисунок 3.8 - Формирование ключей шифрования и целостности
для NAS сигнализации (а) и для МС - БС (б)
При этом формирование NAS ключей в МС и MME выполняется парал-
лельно, однако МС, начинает генерацию ключей по команде ММЕ после выбора им алгоритма (рис. 3.8). Идентификатор алгоритма (Alg ID) и индикатор
ключа K
KSI (Key Set Identifier) содержатся в команде ММЕ (NAS Security
ASME
Mode Command). МС информирует ММЕ о завершении генерации NAS
ключей путём передачи сообщения NAS Security Mode Complete, после
получения которого МС и ММЕ будут производить обмен зашифрованной
информацией с проверкой ее целостности. Шифрование и проверки целостности информации, передаваемой между БС – МС, выполняются с помощью
32
протокола RRC [13]. Схема получения ключей шифрации и целостности для
трафика отличается от схемы генерации ключей для NAS тем, что в качестве
исходного параметра служит вторичный промежуточный ключ K
(256 бит).
eNB
Этот ключ генерируется МС и ММE и также использует модуль KDF. Исходными входными параметрами для его генерации служат: K
нальных сообщений NAS вверх, прежнее значение K
, идентификатор соты и
eNB
номер частотного канала в направлении вверх. По завершении генерации K
, счетчик сиг-
ASME
eNB
его значение из ММЕ передается на БС. Таким образом, при каждой периодической локализации МС происходит изменение K
eNB
[13].
На рис. 3.9 представлен процесс шифрования и дешифрования сообще-
ний с использованием алгоритма ЕЕА (EPS Encryption Algorithm). Исходными
параметрами в этом процессе являются ключ шифрации (128 бит), счетчик
блоков (32 бита), идентификатор сквозного канала (5 бит), указатель направления передачи (1 бит) и длина шифрующего ключа LENGTH. В соответствии
с алгоритмом шифрации ЕЕА формируется шифрующее число KEYSTREAM
BLOCK, которое при передаче складывают по модулю 2 с шифруемым исходным блоком информации PLAINTEXT BLOCK. При приёме для дешифрования повторно выполняется та же операция.
Рисунок 3.9 - Алгоритм шифрования/дешифрования ЕЕА
Проверка целостности передаваемых сообщений (рис. 3.10) базируется
на генерации и присоединении к передаваемому пакету числа МАС (Message
Authentication Code) (32 бита), которое вычисляется на передающей стороне.
На приёмной стороне с помощью алгоритма EIA (ЕРС Electronic Industries
Alliance) вычисляется хМАС. Вычисление МАС и хМАС производится при
одних и тех же исходных данных, и при сравнении их равенство свидетельствует о целостности полученного пакета.
33
Рисунок 3.10 - Алгоритм проверки целостности EIA
Таким образом система выработки ключей целостности и шифрования в
LTE является двухступенчатой и более защищенной.
3.4. Защита информации в беспроводной ИКС стандарта WiFi
Как и любая компьютерная сеть, WiFi является источником повышенного риска несанкционированного доступа. Кроме того, проникнуть в беспроводную сеть значительно проще, чем в обычную, — не нужно подключаться к
проводам, достаточно оказаться в зоне приема сигнала.
Беспроводные сети отличаются от кабельных только на первых двух физическом (Phy) и отчасти канальном (MAC) - уровнях семиуровневой модели взаимодействия открытых систем. Более высокие уровни реализуются, как
в проводных сетях, а реальная безопасность сетей обеспечивается именно на
этих уровнях. Поэтому разница в безопасности тех и других сетей сводится к
разнице в безопасности физического и MAC-уровней.
Для защиты сетей 802.11 предусмотрен комплекс мер безопасности передачи данных. На раннем этапе использования WiFi-сетей таковым являлся
пароль SSID (Server Set ID) для доступа в локальную сеть, но со временем оказалось, что данная технология не может обеспечить надежную защиту.
Главной же защитой долгое время являлось использование цифровых
ключей шифрования потоков данных с помощью функции Wired Equivalent
Privacy (WEP). Сами ключи представляют собой обыкновенные пароли с длиной от 5 до 13 символов ASCII. Данные шифруются ключом с разрядностью от
40 до 104 бит. Но это не целый ключ, а только его статическая составляющая.
Для усиления защиты применяется так называемый вектор инициализации
Initialization Vector (IV), который предназначен для рандомизации дополнительной части ключа, что обеспечивает различные вариации шифра для разных пакетов данных. Данный вектор является 24-битным. Таким образом, в
результате мы получаем общее шифрование с разрядностью от 64 (40+24) до
128 (104+24) бит, в результате при шифровании мы оперируем и постоянными,
и случайно подобранными символами.
Как показало время, WEP тоже оказалась не самой надёжной технологией защиты. После 2001 года для проводных и беспроводных сетей был внедрён
34
новый стандарт IEEE 802.1X, который использует вариант динамических
128-разрядных ключей шифрования, то есть периодически изменяющихся во
времени. В 802.1X применяется тот же алгоритм, что и в WEP, а именно —
RC4, но с некоторыми отличиями. 802.1X базируется на протоколе расширенной аутентификации (EAP), протоколе защиты транспортного уровня (TLS) и
сервере доступа Remote Access Dial-in User Server. Протокол защиты транспортного уровня TLS обеспечивает взаимную аутентификацию и целостность
передачи данных. Все ключи являются 128-разрядными по умолчанию.
В конце 2003 года был внедрён стандарт WiFi Protected Access (WPA),
который совмещает преимущества динамического обновления ключей IEEE
802.1X с кодированием протокола интеграции временного ключа TKIP, протоколом расширенной аутентификации (EAP) и технологией проверки целостности сообщений MIC. WPA - это временный стандарт, о котором договорились
производители оборудования, пока не вступил в силу IEEE 802.11i. По сути,
WPA = 802.1X + EAP + TKIP + MIC,
где WPA - технология защищённого доступа к беспроводным сетям;
EAP - протокол расширенной аутентификации (Extensible Authentication Protocol); TKIP - протокол интеграции временного ключа (Temporal Key Integrity
Protocol); MIC - технология проверки целостности сообщений (Message
Integrity Check).
Стандарт TKIP использует автоматически подобранные 128-битные
ключи, которые создаются непредсказуемым способом и общее число вариаций которых достигает 500 миллиардов. Сложная иерархическая система алгоритма подбора ключей и динамическая их замена через каждые 10 Кбайт (10
тыс. передаваемых пакетов) делают систему максимально защищённой.
От внешнего проникновения и изменения информации также обороняет технология проверки целостности сообщений MIC. Достаточно сложный математический алгоритм позволяет сверять отправленные в одной точке и полученные в другой данные. Если замечены изменения и результат сравнения не сходится, такие данные считаются ложными и выбрасываются.
В 2004 г. появляется WPA2, или 802.11i, который в настоящее время является максимально защищённым. WPA2 или стандарт 801.11i — это финальный вариант стандарта безопасности беспроводных сетей. В качестве основного шифра был выбран стойкий блочный шифр AES. Система аутентификации
по сравнению с WPA претерпела минимальные изменения. Так же, как и в
WPA, в WPA2 есть два варианта аутентификации WPA2-Enterprise с аутентификацией на RADIUS сервере и WPA2-PSK с предустановленным ключом.
Используемые алгоритмы шифрования: AES-CCMP (стандарт), TKIP
(в качестве обратной совместимости). Как и в WPA есть два режима работы:
Pre-Shared Key и Enterprise. WPA и WPA2 имеют следующие преимущества:
ключи шифрования генерируются во время соединения, а не распределяются
статически; для контроля целостности передаваемых сообщений используется
алгоритм MIC; используется вектор инициализации существенно большей
длины.
35
Таким образом, на сегодняшний день у обычных пользователей и администраторов сетей имеются все необходимые средства для надёжной защиты
WiFi, и при отсутствии явных ошибок (пресловутый человеческий фактор)
всегда можно обеспечить уровень безопасности, соответствующий ценности
информации, находящейся в такой сети.
3.5. Контрольные вопросы по разделу 3
1. Что такое аутентификация?
2. В чем суть алгоритма шифрования?
3. Где в сети размещаются ключи Ki?
4. Где в сети размещаются ключи шифрования?
5. Где формируется RAND?
6. Где формируется SRES?
7. Для чего нужен алгоритм А3?
8. Что такое триплет?
9. Где хранятся триплеты?
10. Для чего нужен алгоритм А8?
4. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ В ИКС НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ (ИКС NG)
4.1. Новые требования к защите информации в ИКС NGN
Существуют три типа причин, по которым обеспечение защищенности в
ИКС NG требует значительно больше затрат, чем в традиционных телефонных
сетях общего пользования. К этим типам причин относятся: технологические;
законодательные; организационные.
Технология ИКС NG движется от закрытых корпоративных решений к
открытым приложениям. В отличие от сети ТфОП, инфраструктура которой
предназначена для передачи речи, инфраструктура ИКС NG изначально используется для служб передачи голоса, данных и мультимедийных служб.
ИКС NG работает с разными типами доступа и сервис-провайдерами. Она
также может поддерживать дополнительные услуги. Например, интеллектуальные услуги (IN), которые могут реализовываться на открытых сервисных
платформах (OSP), принадлежащих другим операторам.
При внедрении защищенных ИКС NG операторы должны стремиться к
следующим целям и принимать во внимание следующие соображения:
- минимизировать дополнительные затраты на защищенное решение пу-
тем выбора оптимального решения, которое исключит непомерные затраты
(базовый принцип выбора защищенного решения на основе оценки стоимости
возможного ущерба);
36
- применять наиболее общие защищенные решения, применимые к
большинству приложений и служб NGN, которые оказывают минимальное
влияние на архитектуру и размещение сетевых элементов;
- убеждаться, что примененные меры защиты корректно взаимодейству-
ют друг с другом, так чтобы не возникало проблем, которые могут привести к
возникновению «дыр» в системе защиты;
- убеждаться в том, что учтены требования по обеспечению качества
обслуживания мультимедийного трафика (QoS).
4.2. Анализ возможных уязвимостей и рисков в ИКС NG
ИКС NG, как и всякая открытая система, подвержены атакам различных
нарушителей, которые, используя системные недоработки, стремятся часто не
только получить доступ к чужой персональной информации, но иногда и разрушить функциональность всей сети в целом. В настоящее время существует
большое число публикаций по информационной безопасности, например
[21-24], для сохранения преемственности воспользуемся определениями и
терминами, приведенными в [23]. Существуют международные стандарты по
обеспечению информационной безопасности, которые также приняты в
Российской Федерации и которые определяют основные подходы к анализу
рисков и определению уязвимостей [22]. Воспользовавшись этой методикой,
попробуем рассмотреть с этих позиций ИКС NG.
Наиболее вероятные риски в ИКС NG
Для того чтобы компании-операторы могли разрабатывать меры защиты,
необходимо точно определить главные риски и атаки, которым могут быть
подвержены ИКС NG. Это можно сделать путем анализа возможных воздействий и точек их возможного приложения.
Примерами источников дополнительных рисков могут быть следующие
факторы:
- большое число точек соединений с другими операторами, с приложениями сторонних производителей и сервис-провайдерами (например, через
шлюзы OSA), а также с Интернетом;
- совместное использование сетевой инфраструктуры ИКС NG несколькими сервис-провайдерами второго и третьего уровней;
- наличие общего физического доступа для пользовательского и сигнального трафика в ИКС NG облегчает прослушивание и манипуляции в инфраструктуре. Например, путем вторжения и установления шпионского программного обеспечения на пользовательских устройствах и сетевых узлах через удаленный доступ.
Кроме собственно инфраструктуры ИКС NG, новое абонентское оборудование в силу своей открытости и мультимедийности может являться источником злонамеренных потоков (атаки типа «отказ в обслуживании»), вирусов,
направленных как на операторские системы, так и на оборудование пользователей (включая спам). Операторы должны обеспечивать своих пользователей
37
средствами защиты и фильтрации пользовательского трафика для защиты от
атак других пользователей (удаление вирусов и «червей» и подавление спама).
Поскольку в настоящее время пользователи имеют возможность управлять своим оборудованием, риски включают возможность кражи услуг и подделку биллинговых записей за счет третьей стороны (т.е. со стороны собственных или посторонних абонентов), маскирующейся под легального пользователя. Подделки также включают неавторизованный доступ к дорогим и привлекательным номерам 9ххх.
Анализ мультимедийной архитектуры ИКС NG
На рис. 4.1 приведена обобщенная архитектура современной мультимедийной ИКС NG. Данная архитектура ИКС NG включает сетевые узлы 5/5
классов (IP Centrex), видеоконференцию и мультимедийные приложения. Анализ угроз для такой архитектуры включает систематическое и полное исследование всех составляющих: доменов и сайтов, сетевых элементов, интерфейсов
и потоков между ними с целью определения возможности вторжения через
каждый из перечисленных элементов.
Рисунок 4.1 - Структура мультимедийной ИКС NG
Результатом анализа должен являться список возможных угроз для сетевых элементов, сигнализации и управления. Большинство угроз может быть
распределено по категориям.
Особую группу составляют протоколы – ориентированные угрозы.
Например, специфические угрозы для протокола SIP включают симуляцию
сообщений, несанкционированную посылку сообщений. Специфическими
угрозами для протоколов MGCP и MEGACO/H.248 являются, например, отказы в обслуживании, вызванные перегрузкой ресурсов сети за счет несанкцио-
38
нированных операций Add/Create Connection или избыточными операциями
Modify/Modify Connection, влияющими на качество обслуживания (QoS).
Сравнительный анализ возможных угроз и атак на ИКС NG является основой
для создания защищенного решения, которое описывается в следующем разделе.
Необходимость приоритезации задач защиты сети
Расстановка приоритетов в области требований по организации защиты
– это задача компании-оператора. Операторы сетей общего пользования оценивают риски в соответствии с типами их абонентов и спецификой предоставляемых служб. Они последовательно определяют уровни приоритетов для тех
рисков, которые должны быть устранены в первую очередь. Хотя возможны
существенные различия между подходами различных операторов, существует
общий набор требований по безопасности, признаваемый всеми.
Во-первых, доступ к спецслужбам и легальное прослушивание по своей
сути являются незащищенными услугами. Операторов обязывают предоставлять их. Следовательно, эти услуги должны предоставляться относительно защищенным способом. Во-вторых, самым главным для каждого производителя
является разработка глобальной защищенной архитектуры. В-третьих, на основе требований операторов и глубокого анализа угроз, проведенного компаниями-производителями оборудования NGN, наивысший приоритет должен
быть присвоен следующим аспектам: уменьшению влияния атак типа «отказ в
обслуживании» (DoS) или распределенный отказ в обслуживании (DDoS), организованных конечными пользователями; решениям по аутентификации (как
администраторов, так и конечных пользователей); обнаружению вторжения
(IDS) и предотвращению вторжений (IPS); уменьшению влияния внутренних
атак; защитному тестированию и защите сетевых элементов; процессу
контроля уязвимости; средствам контроля доступа и аудирования; стандартам,
которые должны поддерживаться.
Значительная часть угроз устраняется корректными процедурами аутентификации. Однако если вторжение уже произошло, то защита от сетевых атак
должна выполняться эффективной системой обнаружения и предотвращения
вторжений (IDS/IPS). Важную роль в системе защиты играет защитное тестирование, которое выполняется при помощи стандартных или корпоративных
средств для систематического и полного тестирования всех известных уязвимостей в сети. Средства информационного аудита должны обеспечивать своевременное закрытие всех неиспользуемых служб и услуг (т.е. закрытие неиспользуемых портов и выключение неиспользуемых приложений).
4.3. Виртуальная частная сеть – технологическая основа
информационной защиты в ИКС NG
Основой защищенного сетевого решения является разделение единой
транспортной среды на изолированные друг от друга виртуальные частные сети (VPN). При этом разделение на VPN выполняется по следующим принци-
39
пам: трафик голоса должен быть отделен от трафика данных; сигнальные сообщения должны передаваться в отдельной VPN; управляющие сообщения
должны передаваться в отдельной сети. Таким образом, в инфраструктуре
ИКС NG должны быть выделены, по крайней мере, четыре виртуальные сети:
сеть для голосовых и мультимедийных приложений; сеть для передачи данных; сеть для протоколов сигнализации; сеть управления сетевыми элементами.
На рис. 4.2 представлена схема построения виртуальных частных сетей
VPN при использовании на транспортной сети технологии IP/MPLS (служба
третьего уровня VPRN).
Рисунок 4.2 - Организация VPN и подключение к ним
сетевых элементов ИКС NG
Применение этой технологии позволяет при наличии единой транспортной IP-сети создать в каждом маршрутизаторе независимые VRF (см. подробнее в первой части пособия). В рассматриваемом случае на уровне транспорта
организованы четыре независимых VPN: VPN-1 – для передачи сигнализации
(H.248, MEGACO, SIGTRAN…); VPN-2 – для передачи голоса и видео
(RTP/RTCP…); VPN-3 – для передачи данных (HTTP, FTP…); VPN-4 – для
управления сетью (SNMP, TFTP…). Как видно из рис. 4.2, различные сетевые
элементы подключаются в разные VPN в соответствии с типами передаваемого трафика. Так, программный коммутатор подключается только к VPN-1 для
получения и отправки сигнализационных сообщений и к VPN-4 для соединения с сетевой платформой управления BSS/OSS. Шлюзы имеют выходы на
VPN-1, -2 и -4, поскольку в VPN-2 передается голосовой и видео трафик.
Мультиплексоры DSLAM подключаются к VPN-3 для передачи данных и к
VPN-4 для поддержки сетевого управления.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]