Поговорим о VPN-ах? Типы VPN соединений. Масштабирование VPN

Надеюсь, данная статья станет справочным материалом, который может потребоваться при дизайне сети, либо при её апгрейде, либо для того, чтобы освежить в памяти принцип работы того или иного VPN-на.

В начале статьи описаны основные моменты стека протоколов IPSec, так как использование данного стандарта далее будет весьма часто встречаться. В конце параграфа об IPSec были включены самые частые причины неработоспособности IPSec канала, а также основные шаги по их устранению.

Типы VPN соединений

Ниже систематизированы VPN-ы, которые доступны для настройки в корпоративной сети. Технологии распределены по уровню предоставляемых клиенту каналов по модели OSI (рис 1):


Увеличить

Как раз VPN-ы для корпоративных сетей будут рассмотрены в данной статье.

Схема VPN-ов относительно возможности пропуска мультикаста и работы протоколов маршрутизации (рис. 2):


Увеличить
Дополнительно приводится структурированная схема VPN-ов (рис.3), которые могут предоставляться провайдером, но в данной статье подробно они не рассматриваются:


Увеличить

Итогом работы по систематизации VPN-ов и исследованию их масштабируемости послужила итоговая таблица, в которую заносилась общая информация по типу протокола VPN-а, его особенности, и самое важное, что необходимо сделать, если к существующим VPN-ам подключить еще один.
В таблице представлены результаты настроек, исследование полученного формата пакета, настройка протокола маршрутизации (OSPF) через VPN-ы, а также рассмотрены вопросы масштабируемости протокола.

Таблица VPN

Тип VPN	Настройка HUB	Настройка Spoke	Настройка HUB при добавлении нового Spoke	Настройка Spoke при добавлении другого нового Spoke	Использование протоколов динамической маршрутизации OSPF, EIGRP	Особенности
Regular IPSec (crypto map)	isakmp Crypto-map	isakmp Crypto-map	Да: isakmp, crypto-map: set peer, transform-set, crypto ACL	Да: Для обеспечения связности между Spoke-ми необходимо добавить маршруты нового Spoke-a в crypto ACL всех существующих Spoke-ах	Нет	Удобен в случае кол-ва Spoke <5-10. Для обеспечения связности между Spokе-ми через HUB требуется добавление в crypto ACL N сетей на N spoke-ах Крайне немасштабируемый.
Regular IPSec (Profile)	isakmp profile, IPSec Profile, сrypto-map	isakmp profile, IPSec Profile, сrypto-map	Да: crypto-map: set peer, crypto ACL	Да: Добавление новых маршрутов в crypto ACL	Нет	Крайне не  масштабируемый. Меньше конфигурации засчет объединения типовых настроек в profile.
Regular IPSec (Profile, Static VTI)	isakmp profile, IPSec Profile, VTI (Virtual Tunnel Interface)	isakmp, IPSec Profile, VTI (Virtual Tunnel Interface)	Да: isakmp, новый VTI (Virtual Tunnel Interface)	Да static route до сетей уд. офиса	Да	В конфигурации SVTI без IGP – крайне не масштабируемый. На каждый Spoke по SVTI. N spoke – N VTI и своя подсеть. На Spoke требуется добавление маршрутов до удаленных Spoke-в. Пропускает multicast! По умолчанию на каждый SVTI только одна SA IPSec c traffic selector “IP any any.” Нет команды crypto ACL. В туннель заворачиваются те сети, которые определены через static route на SVTI.
Regular IPSec (Profile, Static VTI and IGP)	isakmp, IPSec Profile, VTI (Virtual Tunnel Interface)	isakmp, IPSec Profile, VTI (Virtual Tunnel Interface)	Да: isakmp, новый VTI (Virtual Tunnel Interface)	Нет	Да	Не масштабируемый. На каждый Spoke по SVTI. N spoke – N VTI и своя подсеть. Маршруты от IGP попадают в туннель.
IPSec with dynamic IP (Dynamic VTI and Static VTI and IGP)	keyring, isakmp policy, isakmp profile, ipsec profile, loopback for unnumbered interface (обязательно), Virtual-Template type tunnel	keyring, isakmp policy, isakmp profile, ipsec profile, loopback for unnumbered interface, Static VTI	Нет	Нет	Да	Очень масштабируемый. Все spoke и hub находятся в одной сети! Dynamic VTI (DVTIs) также point-to-point интерфейс. В режиме point-to-multipoint соседство OSPF не устанавливается. Использование Unnumbered IP в качестве адреса DVTI обязательно
Easy VPN	ААА – для авторизации клиентов Isakmp, isakmp policy, isakmp profile, ipsec profile, interface, Virtual-Template type tunnel DHCP для клиентов	Minimum IPsec client конфигурация, с указанием VPN-сервера, VPN группы, пользователя для ааа, Указание внутренних и внешний интерфейсов.	Нет	Нет	Да	Масштабируемый. Если ранее был настроен NAT/PAT, то перед внедрением EASY VPN должна быть эта конфигурация удалена. Есть особенности в настройке transform-set.
GRE	Interface Tunnel, Static route	Interface Tunnel, Static route	Да Int tunnel, Static route	Да Static route	Да	Не масштабируемый. Образует P2P линк, на каждый туннель – своя подсеть. Прекрасно подходит для туннелирования IGP протоколов.
IGP over GRE	Interface Tunnel, Static route	Interface Tunnel, Static route	Да Int tunnel	Нет	Да	Не масштабируемый. На каждый туннель – своя подсеть. IGP протоколы работают через туннель при настройках по умолчанию.
DMVPN (проприетарный)	DMVPN phase 1 – кон-ция только mGRE DMVPN phase 2 – настройка ipsec profile для защиты трафика	Minimum: DMVPN phase 1 – кон-ция только mGRE DMVPN phase 2 – настройка ipsec profile для защиты трафика	Нет	Нет: при добавлении нового spoke – туннель до него строится автоматически	Да: EIGRP на HUB выключаем расщепление горизонта  и сохранения себя в качестве next-hop в анонсах маршрута	Наиболее масштабируемый протокол. GRE multipoint. Туннели между удаленными офисами создаются динамически.
PPTP	Vpdn-group, interface Virtual-Template, IP local pool, username/password для авториз-и, static route до сетей уд.офиса	service internal (для включения настроек pptp клиента), vpdn-group, interface Dialer, dialer-list, static route до сетей центр., удал. офиса	Да Static route для внутренних сетей за PPTP клиентом	Да Static route для новых внутренних сетей за новым PPTP клиентом	Да	Масштабируемый с ограничениями. Морально устаревший протокол, уязвимости в криптографии в протоколе авторизации MSCHAPv2. Чаще всего используется для создания удаленного доступа. Поддерживается множеством популярных версий ОС Windows. Исп только один протокол для шифрования -MPPE (RC4 со 128-битным ключом). Поддерживает мультикаст, т.к. PPP инкапсулируются в GRE.
IGP over PPTP	Vpdn-group, interface Virtual-Template, IP local pool, username/password для авториз-и, IGP protocol (router ospf process)	service internal (для включения настроек pptp клиента), vpdn-group, interface Dialer, dialer-list, IGP protocol (router ospf process)	Нет	Нет	Да	Масштабируемый с ограничениями. Поддерживает мультикаст, т.к. PPP инкапсулируются в GRE. Морально устаревший протокол  -> альтернатива L2TP over IPSec
L2TPv3 xconnect	pseudowire-class xconnect	pseudowire-class xconnect	Да xconnect	Нет	Да	Не масштабируемый. Отлично подходит для разнесения «native» L2 vlan-а через IP сеть. Но, необходимо наличие резервного шлюза по умолчанию. Создавая xconnect на интерфейсе маршрутизатора мы должны удалить IP адрес с его интерфейса, тем самым удалив маршрут по умолчанию для всех устройств внутри этой сети.
L2TPv2/v3	aaa new-model, username для авторизации L2TP пира, VPDN-group, interface Virtual-Template, static route до сетей уд. офиса	username для авторизации L2TP HUBa, interface virtual-ppp, pseudowire class, static route до сетей центр., удал. офиса	Да: static route до внутренних сетей удаленного офиса	Да: static route до внутренних сетей удаленного офиса	Да	Масштабируемый. L2TPv3 дает большие преимущества, позволяя инкапсулировать не только PPP трафик, как L2TPv2, но и передавать метку VLANа и, а также инкапсулировать HDLC, Frame Relay.
IGP over L2TPv2/v3	aaa new-model, username для авторизации L2TP пира, VPDN-group, interface Virtual-Template, IGP (router ospf process)	username для авторизации L2TP HUBa, interface virtual-ppp, pseudowire class, IGP (router ospf process)	Нет	Нет	Да	Очень масштабируемый. Позволяет настраивать протоколы маршрутизации «по умолчанию», связь удаленных офисов осуществляется через L2TPv2/v3 HUB (в центральном офисе).

Установление IPSec, сообщения, режимы работы.

В процессе установления соединения через IPSec двум участникам защищенного канала необходимо согласовать значительный ряд параметров: по необходимости они должны аутентифицировать друг друга, сгенерировать и обменяться общими ключами (причем через недоверенную среду), установить какой трафик шифровать (от какого отправителя и к какому получателю), а также договориться с помощью каких протоколов шифровать, а с помощью каких — аутентифицировать. Служебной информации предполагается обменяться много, не правда ли? По этой причине IPSec и состоит из стека протоколов, обязанность которых обеспечить установление, работу и управление защищенным соединением. Процесс установления соединения состоит из 2 фаз: первая фаза устанавливается для того, чтобы обеспечить безопасный обмен ISAKMP сообщений во второй фазе. А ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol) служит для согласования политик безопасности (SA) между участниками VPN соединения, в который как раз и определяются с помощью какого протокола шифровать (AES, 3DES, DES), и с помощью чего аутентифицировать (HMAC SHA, MD5).

Режим работы IKE (Internet Key Exchange):

IKE Фаза 1

• (опционально) аутентификация пиров
• Согласование IKE SA между пирами

Main Mode (6 сообщений)

• [First exchange] Начало согласований начинаются с отправки пиром друг другу предложений о поддерживаемом шифровании, протоколов аутентификации самих сообщений IKE, времени жизни ассоциаций безопасности. Пир выбирает предложенный SA и отправляет их предложившему пиру. Эти настройки определяются в ISAKMP Policy
• [Second exchange] Генерация общих разделяемых ключей через обмен открытыми ключами по Diffie-Hellman. Дальнейший обмен сообщениями происходит уже зашифрованными сообщениями.
• [Third exchange] Обмен сообщениями для аутентификации ISAKMP сессии (IKE_I_MM4)

После установки IKE SA (то есть установления 1-ой фазы), происходит согласование IPSEC в quick mode (QM). Сообщения режима Main Mode (MM):
-        IKE_READY New State = IKE_I_MM1
-        IKE_I_MM1 New State = IKE_I_MM2
-        IKE_I_MM2 New State = IKE_I_MM3
-        IKE_I_MM3 New State = IKE_I_MM4
-        IKE_I_MM4 New State = IKE_I_MM5
-        IKE_I_MM5 New State = IKE_I_MM6
Aggressive Mode (3 сообщения)
Инициатором в первое сообщение помещается предложение о шифровании, протоколе аутентификации самих сообщений IKE, времени жизни ключей, сообщения об обмене ключами Диффи-Хеллмана (DH), идентификатор сессии, её аутентификация.
Команда для диагностики данной фазы на оборудовании Cisco **show crypto isakmp sa

IKE Фаза 1.5

Не используется в стандартном peer-to-peer VPN соединении, применяется при организации удаленных подключений.
Имеет два режима:
Xauth (User Authentication)

• Дополнительная аутентификация пользователей в пределах IKE протокола. Для этого используется протокол Extended Authentication.

Mode config (Push Config)

• Передается дополнительная информация клиенту о IP адресе, маске, DNS-серверах и т.д.

IKE Фаза 2

IPsec SAs/SPIs
На этом этапе ISAKMP ответственен за обмен сессионными ключами и согласование политик безопасности (SA) для обеспечения конфиденциальности и целостности пользовательского трафика. В настройке (в Cisco IOS) за это отвечает transform-set.
Quick mode
QM делает все то, что и IPSec SAs/SPIs за меньшее количество служебных сообщений. По аналогии с Aggressive Mode.
Рассмотрим пример обмена служебными сообщениями во время установления IPSec туннеля. Работающий вариант.

ISAKMP:(1007):Old State = IKE_I_MM6  New State = IKE_I_MM6 *Sep  3 08:59:27.539: ISAKMP:(1007):Input = IKE_MESG_INTERNAL, IKE_PROCESS_COMPLETE *Sep  3 08:59:27.543: ISAKMP:(1007):Old State = IKE_I_MM6  New State = IKE_P1_COMPLETE

ФАЗА 2

*Sep  3 08:59:27.559: ISAKMP:(1007):beginning Quick Mode exchange, M-ID of 2551719066 *Sep  3 08:59:27.563: ISAKMP:(1007):QM Initiator gets spi *Sep  3 08:59:27.575: ISAKMP:(1007): sending packet to 192.168.0.2 my_port 500 peer_port 500 (I) QM_IDLE *Sep  3 08:59:27.575: ISAKMP:(1007):Sending an IKE IPv4 Packet. *Sep  3 08:59:27.583: ISAKMP:(1007):Node 2551719066, Input = IKE_MESG_INTERNAL, IKE_INIT_QM *Sep  3 08:59:27.587: ISAKMP:(1007):Old State = IKE_QM_READY  New State = IKE_QM_I_QM1 *Sep  3 08:59:27.803: ISAKMP:(1007):Checking IPSec proposal 1 *Sep  3 08:59:27.803: ISAKMP: transform 1, ESP_AES *Sep  3 08:59:27.807: ISAKMP:   attributes in transform: *Sep  3 08:59:27.807: ISAKMP:      encaps is 1 (Tunnel) *Sep  3 08:59:27.811: ISAKMP:      SA life type in seconds *Sep  3 08:59:27.815: ISAKMP:      SA life duration (basic) of 3600 *Sep  3 08:59:27.815: ISAKMP:      SA life type in kilobytes *Sep  3 08:59:27.819: ISAKMP:      SA life duration (VPI) of  0x0 0x46 0x50 0x0 *Sep  3 08:59:27.827: ISAKMP:      authenticator is HMAC-SHA *Sep  3 08:59:27.827: ISAKMP:      key length is 128 *Sep  3 08:59:27.831: ISAKMP:(1007):atts are acceptable. *Sep  3 08:59:27.855: ISAKMP:(1007):Old State = IKE_QM_I_QM1  New State = IKE_QM_IPSEC_INSTALL_AWAIT ISAKMP:(1007):Old State = IKE_QM_IPSEC_INSTALL_AWAIT  New State = IKE_QM_PHASE2_COMPLETE

А теперь я предлагаю рассмотреть пару примеров неработоспособности IPSec.

Case1

“Old State = IKE_I_MM1  New State = IKE_I_MM1”
Причина №1
Не договорились по IKE proposal (предложенным IKE) в Фазе 1. На одной стороне указан 3des, на другом aes.

Error while processing SA request: Failed to initialize SA *Sep  3 08:36:38.239: ISAKMP: Error while processing KMI message 0, error 2. *Sep  3 08:36:38.287: ISAKMP:(0): retransmitting phase 1 MM_NO_STATE... *Sep  3 08:40:38.307: ISAKMP (0): incrementing error counter on sa, attempt 3 of 5: retransmit phase 1 *Sep  3 08:40:38.307: ISAKMP:(0): retransmitting phase 1 MM_NO_STATE *Sep  3 08:37:08.339: ISAKMP:(0):deleting SA reason "Death by retransmission P1" state (I) MM_NO_STATE (peer 192.168.0.2) *Sep  3 08:41:08.359: ISAKMP:(0):Input = IKE_MESG_INTERNAL, IKE_PHASE1_DEL *Sep  3 08:41:08.359: ISAKMP:(0):Old State = IKE_I_MM1  New State = IKE_DEST_SA

На маршрутизаторе отображается следующее состояние:

R7#sh crypto isakmp sa IPv4 Crypto ISAKMP SA dst                     src                       state             conn-id status 192.168.0.2     192.168.0.1           MM_NO_STATE          0    ACTIVE

Причина №2
ACL на физическом интерфейсе блокируется трафик ISAKMP.

Case2

Если transform set на одном роутере один

R7#sh run | i transform crypto ipsec transform-set TRANSFORM esp-aes esp-md5-hmac

…а на другом роутере другой

R10#sh run | i transform crypto ipsec transform-set TRANSFORM esp-aes esp-sha-hmac

, то не сойдется SA IPSEC (не будет увеличиваться количество зашифрованных и расшифрованных пакетов

*Sep  3 08:56:08.551: ISAKMP:(1006): IPSec policy invalidated proposal with error 256 *Sep  3 08:56:08.559: ISAKMP:(1006): phase 2 SA policy not acceptable! (local 192.168.0.1 remote 192.168.0.2) *Sep  3 08:56:08.563: ISAKMP: set new node -1456368678 to QM_IDLE *Sep  3 08:56:08.567: ISAKMP:(1006):Sending NOTIFY PROPOSAL_NOT_CHOSEN protocol 3 spi 1785687224, message ID = 2838598618 *Sep  3 08:56:08.575: ISAKMP:(1006): sending packet to 192.168.0.2 my_port 500 peer_port 500 (I) QM_IDLE *Sep  3 08:56:08.579: ISAKMP:(1006):Sending an IKE IPv4 Packet. *Sep  3 08:56:08.583: ISAKMP:(1006):purging node -1456368678 *Sep  3 08:56:08.587: ISAKMP:(1006):deleting node 1350414148 error TRUE reason "QM rejected" *Sep  3 08:56:08.591: ISAKMP:(1006):Node 1350414148, Input = IKE_MESG_FROM_PEER, IKE_QM_EXCH *Sep  3 08:56:08.595: ISAKMP:(1006):Old State = IKE_QM_READY  New State = IKE_QM_READY

Case3

Если неправильно указали preshared key на IPSec пирах:

R7#sh run | i isakmp key crypto isakmp key cisco123 address 172.16.1.2

R10#sh run | i isakmp key crypto isakmp key cisco address 0.0.0.0 0.0.0.0

Тогда будет ошибка retransmitting phase 1 MM_KEY_EXCH

*Sep  3 09:14:30.659: ISAKMP:(1010): retransmitting phase 1 MM_KEY_EXCH... *Sep  3 09:14:30.663: ISAKMP (1010): incrementing error counter on sa, attempt 3 of 5: retransmit phase 1 *Sep  3 09:14:30.663: ISAKMP:(1010): retransmitting phase 1 MM_KEY_EXCH *Sep  3 09:14:30.663: ISAKMP:(1010): sending packet to 192.168.0.2 my_port 500 peer_port 500 (I) MM_KEY_EXCH *Sep  3 09:14:30.663: ISAKMP:(1010):Sending an IKE IPv4 Packet. *Sep  3 09:14:30.711: ISAKMP (1010): received packet from 192.168.0.2 dport 500 sport 500 Global (I) MM_KEY_EXCH *Sep  3 09:14:30.715: ISAKMP:(1010): phase 1 packet is a duplicate of a previous packet. *Sep  3 09:14:50.883: ISAKMP:(1011): retransmitting due to retransmit phase 1 *Sep  3 09:14:51.383: ISAKMP:(1011): retransmitting phase 1 MM_KEY_EXCH... *Sep  3 09:14:51.387: ISAKMP:(1011):peer does not do paranoid keepalives. *Sep  3 09:14:51.387: ISAKMP:(1011):deleting SA reason "Death by retransmission P1" state ® MM_KEY_EXCH (peer 192.168.0.2) *Sep  3 09:14:51.395: ISAKMP:(1011):Input = IKE_MESG_INTERNAL, IKE_PHASE1_DEL