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10-3 IPSec AH 安全協定

內容：

10-3-1 IPSec AH協定簡介

『認證標頭』（Authentication Header, AH）是 IPSec 最基本的安全協定，它是針對 IP 封包標頭做安全認證，提供有『非連接導向的完整性』、『資料來源認證』、以及『反重播』等保護服務。另外 AH 並未對所承載的資料作任何保護，基本上，IP 封包在 Internet 網路上，乃經由路由器（或網路閘門）層層轉送才會到達目的地，每經過一個路由器轉送時，路由器便拆解該封包的標頭，根據標頭上所標示的目的位址，繼續往下一個路徑傳送；當然每一路由器都會重新包裝該封包，並製作新的封包標頭，所以有心人士非常容易去竄改封包標頭，或從事重播攻擊的行為。AH 的功能是對 IP 封包提供認證，確保遭受竄改的封包可以被偵測出來。

AH 使用密碼學的『訊息認證碼』（Message Authentication Code, MAC）來認證 IP 封包標頭。簡單的說，傳送端將 IP 封包標頭經過雜湊演算法得到一個訊息摘要（Message Digest, MD），再將此訊息摘要經過秘密金鑰加密，得到一個 MAC 碼，最後將此 MAC 碼（製作 AH 標頭）與 IP 封包一併傳送給接收端；接收端收到此封包後，以同樣的演算法與秘密金鑰產生另一個 MAC 碼。如果兩者 MAC 碼相同的話，表示封包未遭受竄改或偽造；否則需拋棄此封包。目前最常用的 MAC 演算法是 HMAC（Hash Message Authentication Code），主要原因是，它可以配合不同的雜湊演算法，譬如，MD5、SHA-1、RIPEMD-160 或 Tiger 等雜湊函數。另外加密時所需的秘密金鑰是在安全關聯（SA）裡所制定，在此暫時不去討論它如何產生。

(A) AH 標頭格式

認證標頭（AH）是 IPSec AH 協定所產生的一個新認證標頭，主要功能是認證原封包標頭是否遭受竄改，並將它置放於原封包標頭的後面。AH 標頭包含五個固定長度的欄位和一個不定長度的認證資料欄位，如圖 10-10 所示，各欄位功能如下：

 

圖 10-10 認證標頭格式

²  下一個標頭（Next Header, NH）：8 位元欄位。標示 AH 標頭後面緊接著的封包格式。譬如，TCP 封包為 6；IP 包裝的 IP 封包是 4。如果後面緊接著 ESP 標頭，則為 50，而 AH 的編號是 51。

²  承載長度（Payload Length）：8 位元欄位。表示整個 AH 標頭欄位的長度，計算方式是以 32 位元字組為單位，再除以 2，因為IPv6 封包標頭是以 64 位元字組為單位。

²  保留（Reserved）：16 位元保留欄位。目前皆設定為 0，還未指定使用方式。

²  安全參數索引（Security Parameter Index, SPI）：32 位元欄位。SPI 是通訊雙方事先協議完成的安全關聯（SA）索引值，它必須配合目的位址和安全協定（AH 或 ESP）來查詢相關安全參數。

²  序號（Sequence Number）：32 位元的無號整數值，是一個計數器的數值，主要防止重播攻擊（Replay Attack），容後再介紹。

²  認證資料（Authentication Data）：不定長度的欄位。此欄位所存放的便是原來 IP 封包標頭的『完整性檢查值』（Integrity Check Value, ICV），即 IP 封包標頭經過 HMAC 運算後的值。如果是 IPv4 封包，則 ICV 的長度必須是 32 的整數倍，而 IPv6 必須是 64 的整數倍。AH 協定規定 IPSec 裝置至少必須提供 HMAC-MD5 與 HMAC-SHA-1 等兩個以上的 HMAC 演算法。

(B) AH 認證欄位

AH 認證欄位是傳送端選擇原來 IP 封包標頭上某些欄位的值，並將這些值經過 MAC 演算法計算，產生一個『完整性檢查值』（Integrity Check Value, ICV），再將此 ICV 值存放於 AH 標頭的認證資料欄位（如圖 10-10 所示）上；接收端收到 IPSec AH 封包後，選擇同樣欄位計算出 ICV，如果該 ICV 與 AH 標頭上 ICV 相同的話，則表示該封包是正確的，但必須滿足下列三個需求：

1.      必須協調出針對 ICV 加密的秘密金鑰；

2.      必須協調出採用何種認證演算法（如 HMAC-SHA-1）；

3.      必須協調出選擇哪些欄位來計算 ICV 的值。

基本上，這三個需求都必須在通訊之前，透過 SA 連線協議而成。但就第三個需求而言，除了雙方可協議出採用哪些欄位外，我們同時必須了解選擇欄位的原因。有些欄位的內容會隨時改變，並不適合做 AH 認證使用，否則會發生許多無謂的困擾。如以 TTL 與 Header Checksum 欄位為例，IP 封包每經過一個路徑（或路由器），則 TTL 的值便會被減一，之後路由器會再重新計算標頭檢查值（Header Checksum），因此這兩個欄位隨時會遭受修改其內容。如果傳送端將隨時變更欄位的值加入計算的話，接收端在做認證檢查時，將很困難去辨別是正常變更或是遭受破壞。因此，我們必須先了解 IP 封包標頭上有哪些欄位容易變更、以及哪些欄位較不容易變更。在協調雙方通訊參數時（SA 連線），便可參照這些訊息來決定哪些欄位可加入認證範圍。當然，加入愈多的欄位則認證的安全性愈高，但這必須視通訊雙方的需要而定。

吾人將 IPv4 封包標頭較容易變更的欄有位：服務類別(Type of Service, TOS)、旗號（Flags）、存活時間（Time To Live, TTL）、分段偏移位址（Fragment Offset）、標頭檢查碼（Header Checksum）、選項（Options）。

不容易被變更欄位並可以選擇 ICV 計算欄位：

²  版本（Version）：IP 封包版本，應該為 4。

²  Internet 標頭長度（Internet Header Length, IHL）：封包標頭的長度（包含 Options 與 Padding 欄位）

²  總長度（Total Length）：封包的總長度，其中包含封包標頭與承載資料（Data 欄位）。

²  識別（Identification）：如果所承載的資料（如 TCP 封包）有經過分段後，再分別由不同的 IP 封包承載，則此欄位登錄該資料的分段號碼。

²  通訊協定（Protocol）：表示封包所承載資料是屬於何種通訊協定，譬如 TCP、UDP、或 ICMP 等等。

²  來源位址（Source Address）：封包的來源位址。

²  目的位址（Destination Address）：封包的目的位址。

基本上，選擇那些欄位計算 ICV，是由雙方協議的 SA 來決定，我們將 IPv4 的封包標頭顯示於圖 12-12，其中有底色的欄位表示有可能被選取的機會。如果沒有被選取的欄位，在計算 ICV 時都會被設定為零。

 

圖 10-10-1  IPv4 標頭可參與計算 ICV欄位（有陰影部份）

我們用兩個簡單的範例，說明選擇那些欄位計算 ICV，可能會對 AH 認證能力產生影響。一者將總長度欄位加入計算，倘若傳輸當中封包所承載資料遭受替換，雖然攻擊者也可以修改總長度欄位的內容，來蒙騙接收者；但接收端還是可以由 ICV 計算出認證封包長度是否被變更，如此一來，表示 IPSec AH 不但可以保護封包標頭，也可認證整個 IP 封包，此即稱為『非連接導向的完整性』功能。另一者，倘若將來源位址加入 ICV 計算，則可以避免中間人攻擊，其原因是中間人將封包接收後，再發送新的封包給接收端，則新的封包的來源位址勢必遭受變更，接收端便可依此驗證出該封包的正確性，此即稱為『資料來源認證』功能。

10-3-2 IPSec AH操作模式

IPSec AH 協定有：傳輸模式與通道模式等兩種操作，說明如下：

（A）AH 傳輸模式

AH 傳輸模式是將認證標頭放置於 IP 封包標頭與傳輸層協定（TCP、UDP 或其他協定）的標頭之間，有 IPv4 與 IPv6 兩種不同封包格式。圖 10-11 (a) 為原 IPv4 封包，經過 AH 傳輸模式包裝後的格式如圖 10-11 (b)所示，IP 標頭的長度可以由 20 Bytes 到 60 Bytes 之間，之所以不定長度是因為有可能在標頭後面加入選項（Options）資料，如果沒有選項資料，則 IP 標頭長度為 20 Bytes。

 

圖 10-11  IPv4 的AH 傳輸模式包裝

基本上，原來 IPv4 封包標頭是不用修改的，只要將 AH 標頭加入即可，但因原 IP 封包所承載的協定已變成 AH 協定，而非原來的協定，因此還是需要將 IP 標頭內的『協定』（Protocol）欄位內容設定為 51（AH 協定），並將原來的值置於 AH 標頭的『Next Header』欄位上。譬如，原來 IP 封包所承載的是 TCP 協定（Protocol=5）， 經過 AH 傳輸模式包裝後，IP 標頭上的 Protocol 欄位便成為 51（AH 協定），而 AH 標頭上的 Next Header 欄位則需設定為 5（TCP 協定，如圖 10-8 (b) 所示）。

（B）AH 通道模式

所謂『通道模式』（Tunnel Mode），即是隱藏原來的 IP 標頭，而另外製作一個新的封包標頭，並且利用 AH 標頭保護原來的 IP 標頭。圖 10-12 為 IPv4 與 IPv6 AH 通道模式的封包包裝，新的封包標頭稱之為『外部標頭』（Outer Header）；而原來封包標頭稱之為『內部標頭』（Inner Header）。基本上，外部標頭的封裝格式與原 IP 標頭一樣，但它的目的位址與來源位址，可能和內部標頭不同，不相同的原因是該 AH 通道所扮演的角色有所不同（連接主機或安全閘門，容後介紹）。外部標頭的內容也可以被所經過的路由器修改，譬如 TTL 或標頭檢查碼等欄位。

 

圖 10-12 IPv4 與 IPv6 AH 通道模式的封裝格式

 

翻轉工作室：粘添壽

 

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