Hálózatbiztonság

A lap jelenlegi, 2013. szeptember 24., 10:28-kori változata

Miről lesz szó? (Hozzávetőleges tematika)

• Elméleti alapok: hitelesítés, hozzáférésvezérlés stb.
• Elterjedt protokollok működése, hozzájuk kapcsolódó biztonsági problémák, klasszikus támadások
  • ISO/OSI hálózati referenciamodell
  • Fizikai és adatkapcsolati réteg: Ethernet
  • Hálózati réteg: IP, ICMP, ARP
  • Szállítási réteg: TCP, UDP
  • Alkalmazási réteg: DNS, SMTP, FTP, SSL
  • Felderítés (olvasmány), Portscan
  • Tűzfalak
  • NetFlow

[szerkesztés] 1 Mi is a hálózatbiztonság?

Elvárások:

• integrity (integritás): a címzett győződhessen meg arról, hogy az általa vett üzenet megegyezik a feladó által feladott üzenettel (vagyis senki sem módosította azt a továbbítás során).
• authentication (hitelesítés): a kommunikáló felek győződhessenek meg arról, hogy a másik fél valóban az, akinek mondja magát.
• confidentiality ("titkosság", "bizalmasság"): az átvitt üzenetek tartalmát a feladón kívül csak a címzett ismerhesse meg.
  • Ha nem zárható ki az üzenet lehallgatása, ez csak kriptografikus titkosítással biztosítható.
  • Ennél tágabban is értelmezhető a confidentiality: lehet, hogy pusztán az a tény, hogy X üzenetet küldött Y-nak, szintén titok; ill. az is lehet bizalmas, hogy X mikor és hány üzenetet küldött egyáltalán.
• "operational security" (üzembiztonság): rosszindulatú felhasználó ne legyen képes a hálózat erőforrásaival visszaélni, pl. lehetőleg ne legyen képes:
  • üzenetek lehallgatására;
  • lehallgatott üzenetek visszajátszására (ill. ha mégis képes rá, a visszajátszott üzenetek felismerhetőek legyenek);
  • más (létező vagy nem létező) felhasználók/végpontok megszemélyesítésére, a nevükben üzenetek küldésére;
  • arra, hogy másoktól megtagadja a hálózat szolgáltatásait (pl. a véges erőforrások elhasználásával);
  • más felek egymásnak küldött üzenetei tartalmának módosítására, vagy üzenetek eltüntetésére.

Ezek a célok jelenleg általában nem vagy csak a használhatóság rovására, életszerűtlen kompromisszumok árán érhetők el maradéktalanul; azonban a hálózatok tervezőinek, üzemeltetőinek döntései, módszerei megnehezíthetik (vagy éppen megkönnyíthetik) a támadók dolgát.

[szerkesztés] 2 Kitérő: kriptográfiai alapok

Alapfogalmak:

• Plaintext: titkosítás nélküli szöveg vagy adat.
• Ciphertext: titkosított szöveg vagy adat.
• Cipher: titkosítóalgoritmus (a titkosítás valamely konkrét módszere).
• Kód és cipher közötti különbség (noha a hétköznapi nyelvben összemosódik a két fogalom):
  • a kód jelentésekhez rendel valamilyen jelsorozatot, általában egy kódkönyv segítségével
    • (pl. a "hajnalban támadunk"-hoz tartozhat mondjuk az "ARVSA5" kód);
  • a titkosítóalgoritmus egyedi jelekhez vagy jelsorozatokhoz rendel másik jelet vagy jelsorozatot.
  • Számítógépes környezetben a titkosítóalgoritmusok használata általában előnyösebb, mert
    • a kódok leginkább csak szöveg kódolására alkalmasak (titkosítani pedig digitalizált képet, hangot vagy mozgóképet is lehet);
    • a kódok töbnnyire csak véges sok különböző jelentést tudnak kódolni;
    • ügyesen megválasztott titkosítóalgoritmusokat a számítógépek rendkívül gyorsan tudnak futtatni.
• Kulcs: egy titkosítóalgoritmus alkalmazása során felhasznált (általában titkos) adat, amely a plaintexttel együtt meghatározza a ciphertextet.
  • Formálisabban: ciphertext = F(plaintext, kulcs).
• Szimmetrikus kulcsú titkosítás: a titkosítás és a visszafejtés ugyanazzal a kulccsal történik. Formálisabban:
  • ciphertext = F(plaintext, kulcs)
  • plaintext = F'(ciphertext, kulcs)
  • (Bizonyos titkosítások esetében F és F' ugyanaz a függvény, de ennek nem muszáj így lennie.)
  • A ciphertext és a plaintext között adott szimmetrikus kulcs mellett kölcsönösen egyértelmű a leképezés.
• Aszimmetrikus vagy nyilvános kulcsú titkosítás:
  • mindenkinek két kulcsa van: egy nyilvános és egy titkos.
    • Ezeket nem tetszőlegesen választjuk; valamilyen matematikai kapcsolat van közöttük és speciális feltételeknek felelnek meg.
  • Amit az egyikkel titkosítunk, azt a másikkal lehet visszafejteni.
  • A nyilvános kulcsokat elvileg mindenki ismerheti (és kívánatos is, hogy ismerje).
  • Ha valakinek olyan üzenetet akarunk küldeni, amelyet csak ő tud elolvasni, az ő nyilvános kulcsával titkosítjuk; a csak általa ismert titkos kulccsal tudja olvashatóvá tenni.
  • Ha azt akarjuk, hogy bizonyítható legyen, hogy egy üzenetet mi küldtünk, a saját titkos kulcsunkkal titkosítjuk; ha a mi nyilvános kulcsunk segítségével dekódolható, abból következik, hogy a mi titkos kulcsunkkal lett titkosítva, és mivel azt csak mi ismerjük, ebből az is következik, hogy mi küldtük.
  • Nyilván fontos, hogy algoritmuselméleti értelemben nehéz legyen egy adott nyilvános kulcshoz tartozó titkos kulcsot előállítani.

[szerkesztés] 2.1 Klasszikus és modern titkosítóalgoritmusok

Klasszikus titkosírás pl. az ABC-eltolás (A helyett D-t írunk, B helyett E-t s.í.t.), vagy saját ABC használata. Itt nem válik el élesen az algoritmus és a kulcs: a titkosított üzenet csak akkor van biztonságban, ha a titkosítás módszerét nem fedjük fel.

A modern titkosítóalgoritmusokat úgy alkotják meg, hogy a titkosított üzeneteket akkor se lehessen a kulcs ismerete nélkül visszafejteni, ha a támadó ismeri az algoritmust. Az algoritmus tehát nyilvános; csak a kulcsot kell titokban tartani. Ha jó az algoritmus, a támadó dolgát nem könnyíti meg az algoritmus ismerete. A támadóról általában feltételezzük, hogy pontosan ismeri azt a titkosítóalgoritmust, amellyel az általa elolvasni kívánt rejtjelezett üzenetet titkosították.

[szerkesztés] 2.2 Mitől jó egy titkosítás?

• A próbálgatásnál (brute force) ne legyen hatékonyabb módszer a kulcs előállítására.
• Várhatóan annyi ideig tartson a kulcs próbálgatásos előállítása a támadónak, hogy mire végez, minden olyan titkos üzenet, amelyhez így hozzáfér, aktualitását veszítse.
  • Méretezési kérdés, milyen erőforrások birtoklását feltételezzük a támadó(k)ról.
  • Egy jó szimmetrikus kulcsú titkosítóval manapság legalább 128 bites kulcsot illik használni;
  • nyilvános kulcsú titkosításnál nagyobb (RSA-nál minimum 2048 bites) kulcshosszra van szükség.
• Létezik elvileg is feltörhetetlen titkosítás (a one-time pad).
  • Itt a kulcs legalább olyan hosszú, mint az üzenet, és minden szakasza csak egyszer hasznosítható.
• Lavina-effektus: két, akár csak egyetlen bitben különböző plaintexthez gyökeresen eltérő ciphertext tartozik.
  • Vagyis: ránézésre lehetetlen megállapítani, hogy két elfogott titkosított üzenet tartalma hasonló.
• Teljesség: a ciphertext minden bitje a plaintext minden bitjétől függ.
• Hatékonyság: a kulcs birtokában a titkosítás és a visszafejtés is legyen gyors és kicsi memóriaigényű.

[szerkesztés] 2.3 Blokktitkosító, folyamtitkosító

• A blokktitkosítók fix méretű blokkokat képeznek le egymásra.
  • Ha a plaintext hossza nem osztható a blokkmérettel, ki kell egészíteni valahogyan.
  • Általában blokkszinten adott a lavina-effektus és a teljesség.
• A folyamtitkosító bitenként vagy bájtonként titkosít.
  • Kulcsfolyamra van szükség hozzá.
    • Hosszú kulcs használata nehézkes; gyakori cél rövid kulcsból hosszú kulcsfolyamot generálni.

[szerkesztés] 2.4 Hash (kivonat)

Cél: olyan rövid (96-512 bites) számot előállítani egy üzenetből, amelyre teljesül, hogy

• algoritmuselméleti értelemben nehéz az üzenetet úgy módosítani, hogy a hash értéke ne változzon.
• Nehéz adott H hash-hez olyan üzenetet találni, amelyre a hash-függvény a H értéket adja.
• A véletlen ütközések esélye rendkívül csekély.

[szerkesztés] 2.5 Néhány konkrét titkosító- és kivonatképző algoritmus

(Csak nagyon röviden.)

[szerkesztés] 2.5.1 Vernam-kód

• Egyfajta one-time pad, vagyis folyamtitkosító.
• Az amerikai hadsereg számára fejlesztette 1917-ben Gilbert Vernam.
• Lényege: a kommunikáló feleknek rendelkezésére áll egy titkos, véletlen bitekből álló bitsorozat, amelyet kulcsként használhatnak.
• Üzeneteiket valahogyan bitekké alakítják, és rendre hozzáadják az üzenetek bitjeihez a kulcs-bitsorozat bitjeit.
  • (Mod2 összeadással, vagyis 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0.)
• A visszafejtés ugyanígy történik: ugyanazt a kulcs-bitfolyamot ugyanúgy hozzá kell adni a bejövő ciphertexthez, és visszakapjuk a plaintextet.
• Shannon 1949-ben bizonyította be, hogy a Vernam-kód feltörhetetlen.
• Nehézség: nagyon nagy kulcs kell, amit előre meg kell osztani egymással és folyamatosan titokban kell tartani.

[szerkesztés] 2.5.2 DES

• 1976-os USA szabvány ("Digital Encryption Standard").
• Blokktitkosító, 64 bites blokkokkal, 56 bites kulccsal.
• Mára nem megfelelő; viszonylag olcsó hardverrel is mindössze órák (vagy legfeljebb napok) alatt feltörthető.
• Kísérlet a feljavítására: 3DES.
  • Háromszor egymás után alkalmazza a DES-t, többféle kulccsal.
  • Az effektív kulcshossz így 80-168 bit aszerint, hány különböző kulcsot használunk és milyen módon.
  • Egyelőre megfelelő biztonságot nyújt, de lassú.

[szerkesztés] 2.5.3 AES

• Lánykori nevén Rijndael.
• A DES-t váltó szabvány (2001-ben fogadták el).
• 128 bites blokkokat titkosít 128, 192 vagy 256 bites kulccsal.
• Gyors és egyelőre elegendően biztonságos.

[szerkesztés] 2.5.4 RSA

Az egyik legelterjedtebb nyilvános kulcsú titkosítóalgoritmus.

• Rivest, Shamir és Adleman nevéhez fűződik, holott egy Clifford Cocks nevű brit már 1973-ban kitalálta - de a britek titkosították és nem használták fel.
• Rivest, Shamir és Adleman néhány évvel később publikálta saját, lényegében azonos algoritmusát.
• Feltörésének nehézsége azon alapul, hogy bizonyos számelméleti problémákra (mint pl. nagy egészek prímtényezős felbontására) nem ismertek gyors módszerek.
  • De: ez nem jelenti azt, hogy nincsenek is ilyenek.
• Az elliptikus görbéken alapuló titkosítás jobbnak számít.
  • Kisebb kulcshosszt igényel az RSA-nál és gyorsabb is.

[szerkesztés] 2.5.5 RC4

• Folyamtitkosító.
• 1987-ben dolgozta ki Rivest; 1994-ben szivárgott ki a leírása.
• Előnye, hogy nagyon egyszerű és gyors.
• Széles körben elterjedt.
• Ésszel kell használni, mert különben nem ad jó eredményt.
  • Az RC4 helytelen használata tette sebezhetővé pl. a WEP szabványt (részletesebben később).

[szerkesztés] 2.5.6 MD5

• 1990-ben megjelent hash algoritmus.
• Széles körben elterjedt.
• 128 bites hasht állít elő.
• 2005-ben hibát találtak benne: aránylag könnyű ütközést generálni (másik olyan üzenetet találni, amelyhez ugyanaz a hash tartozik). 2007-re reálissá vált a hibán alapuló támadás indítása.
  • Emiatt új kriptográfiai rendszerekben nem szabad használni.
• Érdekesség: a Flame kémprogram egyes részeit egy olyan hamis CA-val (l. később) írták alá, amely látszólag a Microsofté volt; ezt szintén az MD5 gyengesége tette lehetővé.

[szerkesztés] 2.5.7 SHA-1

• 1993-ban publikált hash algoritmus.
• Széles körben elterjedt.
• 160 bites hasht állít elő.
• Biztonságosnak számít.
• Vetélytársai: RIPEMD-160 (OpenPGP), Tiger (ez 192 bites; főleg fájlcserélők használják).

[szerkesztés] 2.6 Kriptográfiai támadások

Az alapján, hogy milyen információk birtokában van a támadó, ill. mire van lehetősége, a következő nagyobb csoportokba sorolhatók az általa egy kriptográfiai rendszer ellen végrehajtható támadások:

• ciphertext-only attack (csak a titkosított szöveg birtokában végrehajtott támadás). Ilyenre akkor kerül sor, ha a támadó csak egy (vagy több) titkosított üzenetnek van a birtokában, és azok tartalmáról semmilyen ismerettel nem rendelkezik. Egyszerűbb (tehát nem modern) titkosítások esetében statisztikai analízis segítségével jó eredmények érhetők el. A modern titkosítókkal szemben elvárás, hogy egy ilyen támadás nagyjából annyira nehéz legyen, mint az összes lehetséges kulcs végigpróbálgatása.
• known plaintext attack (a titkosított szöveg birtokában végrehajtott támadás, ha a támadó sejti vagy tudja, mit tartalmazhat az üzenet). Példák:
  • Elfogott titkosított időjárás- vagy helyzetjelentés hadszíntéren. Az üzenet tartalmából sokminden sejthető (helynevek, személynevek).
  • Hitelkártya-adatok átvitele az Interneten. Sejthető, hogy van az üzenetben egy kb. 10-15 betűből álló név és kb. 20 számjegy.
    • Egy jó titkosítóalgoritmus esetében a nyílt szöveg bizonyos részeinek vagy akár egészének ismerete sem teszi lehetővé a kulcs egyszerű rekonstruálását (és így további titkosított üzenetek visszafejtését).
• chosen plaintext attack (a támadó képes az általa választott nyílt szöveg titkosíttatására). Példák:
  • Digitálisan aláírt email. A partnerünk, amikor válaszol nekünk, idézi a saját levelünket és azt -- saját üzenete részeként -- titkosítja a saját titkos kulcsával.
  • Merevlemez-titkosítás. Ha egy támadó ellop egy működő notebookot, amelynek a merevlemeze titkosítva van, megkísérelheti úgy feltörtni a titkosítást, hogy ismert tartalmú fájlokat ment el rá.
    • Egy jó titkosítóalgoritmus esetében ez a fajta támadás sem elegendő a kulcs visszafejtéséhez (tehát a fenti esetben sem vagyunk sokkal közelebb a levelezőpartner titkos kulcsának megszerzéséhez).

[szerkesztés] 3 Tanúsítványok

L. az SSL-ről szóló szócikket.

[szerkesztés] 4 Jelszó-alapú hitelesítés

• Ha egy szolgáltatást csak nevesített felhasználóknak akarunk nyújtani, valahogyan meg kell tudnunk, ki próbálja igénybe venni a szolgáltatást.
  • A hitelesítés és a hozzáférésvezérlés két különböző dolog: lehet, hogy egy szolgáltatást bárki használhat, csak tudnunk kell, kicsoda (pl. bankszámlát akárki nyithat, de többnyire csak névvel).

Hogyan állapítsuk meg, ki a felhasználó?

• Kézenfekvő, egyszerű megoldás: felhasználónév+jelszó.
  • A jelszó önmagában kevés: hozzáférésvezérléshez elegendő, hitelesítéshez viszont csak akkor, ha az üzemeltető osztja ki a garantáltan egyedi jelszavakat a felhasználóknak.
  • Ha a felhasználó magának választhatja a jelszót, akkor a jelszó egyedisége nem garantált, tehát kell egy egyedi azonosító is; ez a felhasználónév.
  • Aki egy adott {felhasználónév, jelszó} párost ismer, arról általában elhisszük, hogy az a személy, akihez az adott felhasználónév tartozik.
    • A hozzáférésvezérlés szempontjából ez persze nem feltétlenül elegendő: lehet, hogy csak adott helyről vagy adott időablakban engedjük hozzáférni a szolgáltatáshoz.

Nehézségek a jelszó-alapú hitelesítésnél:

• A jelszavak a hálózaton lehallgathatók lehetnek. Lehetséges megoldások:
  • titkosított protokoll használata;
  • egyszer használatos jelszavak (OTP, one-time password) használata.
    • Ezzel vigyázzunk; ha a támadó képes karakterenként lehallgatni a jelszót, az utolsó karakter felhasználó általi leütése előtt próbálgatásos támadást indíthat az utolsó karakter kitalálására.
  • Challenge-response ("kihívás-válasz") alapú hitelesítés.
    • Lényege: a jelszót nem utaztatjuk a hálózaton; a hitelesítő a jelszóra vonatkozó, kriptográfián alapuló "találós kérdést" ad fel a kliensnek, amely a jelszó birtokában tud rá helyesen válaszolni.
      • Ez a viszonthitelesítést is lehetővé teszi: megoldható, hogy csak az tudjon érvényes találós kérdést feltenni, aki maga is ismeri a jelszót.
      • Egyszerű példa: "itt van ez a véletlenszerűen generált sztring; fűzd össze a jelszóval és képezz belőle hash-t, majd a hash-t küldd vissza".
    • Hátrány: sok challenge-response protokoll plaintext jelszó tárolását igényli.
• Márpedig ha a jelszavakat titkosítás nélkül tároljuk a szerveren, onnan egy menetben ellopható az összes.
  • Ráadásul az emberek gyakran ugyanazt a jelszót több helyen is használják.
  • Lehetséges megoldások:
    • Jelszavak "titkosított" tárolása.
      • A sima titkosítás nem sokkal jobb, mint a plaintext, hiszen a hitelesítéshez dekódolni kell a titkosított jelszót, ha pedig a hitelesítő képes erre, akkor még mindig ellopható az összes jelszó.
      • A jelszó helyett csak egy hash-t tárolunk.
        • Gond: két azonos jelszó hash-e is meg fog egyezni;
        • ha valaki már egy csomó szótári szó hash-ét meghatározta, a tőlünk ellopott hash-ek között jó eséllyel talál olyat, amelyhez ismer jelszót.
        • Jobb "megsózni" jelszót hash-elés előtt: kiegészíteni egy véletlen sztringgel, és azzal együtt hash-elni, majd a hash mellett ezt a sztringet is tárolni.
• A hash-elt jelszótárolás és a kihívás-válasz alapú hitelesítés elvileg ötvözhető; így működik pl. az NTLMv2.

[szerkesztés] 4.1 Ajánlott irodalom

• Your Top 20 Most Common Passwords -- 32 millió kiszivárgott jelszó vizsgálata.
• Hogyan választanak jelszót az emberek?
• John the Ripper -- Az egyik legelterjedtebb szótáralapú jelszótörő (képes a szótár szavait szabályok segítségével átírni, kombinálni, és az így nyert szavakkal is próbálkozni).
• egy cikk arról, mennyire könnyű "biztonságos" jelszót kitalálni, és cáfolata.
• An Illustrated Guide to Cryptographic Hashes -- Jó, tömör és szemléletes cikk a kriptográfiában használt hash-ekről.
• Amazon EC2 enables brute-force attacks on the cheap -- Az Amazon felhőjén néhány dollárért másodpercenként 400.000 jelszót próbálhatunk egy hash-re illeszteni.
• http://www.troyhunt.com/search/label/Passwords -- Jó cikksorozat a jelszavakról általában.
• The only secure password is the one you can’t remember
• webképregény arról, hogyan válasszunk nehezen feltörhető, de könnyen megjegyezhető jelszót, és cáfolata (konklúzió: használjunk véletlenszerű jelszavakat és ezeket tároljuk tikosítva úgy, hogy egyetlen erős jelszót kelljen csak megjegyezni ahhoz, hogy hozzájuk férhessünk).
• webképregény arról, hogyan lehet visszaélni azzal, hogy az emberek sok helyen ugyanazt a jelszót használják.
• webképregény arról, mennyire mindegy lehet, milyen erős titkosítást használunk - fizikai erőszakkal általában nem nehéz a jelszavak birtokába jutni.
• Tömör, bár kissé felületes cikk arról, mennyire gyorsan törhetők a hosszú jelszavak is, próbálgatással is (az adatok helyességét nem ellenőriztem -- emellett számomra nem volt nyilvánvaló, milyen hasht feltételez, ami a másodpercenként végrehajtható próbálkozások száma szempontjából nem mindegy).

[szerkesztés] 5 Az adatkapcsolati (és fizikai) réteg; Ethernet

Fogalmak:

• Csomópont: olyan eszköz, amelynek van olyan interfésze, amellyel az adatkapcsolati rétegben kommunikálni tud; például hoszt vagy router.
• Kapcsolat: fizikai összeköttetés két vagy több fizikai interfész között.
• Keret: adatkapcsolati szintű adatcsomag; magasabb rétegbeli protokollok (pl. IP) csomagjait szállít(hat)ja egy kapcsolatnyi távolságra.
  • Általában egy keretre jut egy magasabb szintű adatcsomag, de szükség lehet arra, hogy egy-egy csomagot több keretre bontsunk szét.
• Adatkapcsolati protokoll: meghatározza a keretek formátumát és azt, hogyan kezelik őket ill. a kapcsolatokat a csomópontok.
  • Garantál megbízhatóságot?
    • Csomag (keret) kézbesítését, integritását?
      • Hibadetektálás vagy hibajavítás.
      • Nyugtázás, újraküldés.
    • QoS-t?
    • Az átvitt adatokban?
    • Az infrastruktúrát illetően?
  • Broadcast vagy pont-pont?
    • Hogyan működik a címzés?
    • Közeghozzáférés-vezérlés (MAC: medium access control)? Módszerek:
      • Csatorna-felosztás (pl. frekvenciaosztásos vagy kódosztásos multiplexelés);
      • véletlen hozzáférés (pl. Ethernet)
        • (carrier sensing, collision detection);
      • felváltva adás (pl. Token Ring).
  • Folyamszabályozás: a küldő ne küldjön gyorsabban, mint ahogy a fogadó fel tudja dolgozni.
  • Duplexitás (half duplex, full duplex).

Az adatkapcsolati réteg feladata: adatkeretek szállítása két szomszédos (közvetlenül összekapcsolt) csomópont között. Az adatkapcsolati réteg fölött elhelyezkedő hálózati réteg már egymástól távoli csomópontok között szállít adatcsomagokat; az útvonalon elhelyezkedő csomópontok (routerek) közötti szakaszokon más-más adatkapcsolati rétegbeli protokollt (vagyis hálózati technológiát) is használhatunk. Ideális esetben a hálózati rétegben működő programok semmit sem tudnak (és semmit sem kell, hogy tudjanak) az adatkapcsolati réteg sajátosságairól.

Analógia: ha Budapestről az Orkney-szigetekre akarunk eljutni (mi vagyunk a hálózati adatcsomag analógiája), akkor először eltaxizunk a reptérre (a taxi egy adatkapcsolati és fizikai rétegbeli protokoll); aztán repülővel elmegyünk mondjuk Edinburgh-ba; onnan vonattal Invernessbe; ott autót bérlünk és elautózunk John o' Groats-ig; itt pedig az autóval felhajtunk a kompra, ami autóstul elvisz Burwickbe.

Ez már az Orkney-szigetek egyikén található, vagyis célba értünk. Az utolsó szakaszon enkapszuláció is történt: az egyik adatkapcsolati rétegbeli keretet (az autót, benne a hálózat csomaggal, vagyis velünk) egy az egyben beraktuk egy másik technológiájú adatkapcsolati rétegbeli keretbe (a kompba).

A komp-vonal két végpontja között a belső keret (az autó) változatlan formában utazott; a távoli végpontnál kicsomagoltuk a külső keretből a belsőt, amely folytatta útját, és végül célba juttatta a hálózati csomagot (az utast).

Néhány elterjedt adatkapcsolati rétegbeli protokoll:

• Ethernet (IEEE 802.3*)
• 802.11 WLAN (WiFi);
• Token Ring (ritka);
• FDDI (elavult);
• PPP (Point to Point protocol);
• LAPB (az X.25 adatkapcsolati rétegbeli protokollja);
• DOCSIS (a kábeltévés internetszolgáltatás fizikai és adatkapcsolati rétege);
• HDLC (egy ősprotokoll; a LAPB pl. ennek a leszármazottja);
• ARCnet.

Az adatkapcsolati rétegbeli protokoll megvalósítása általában hardveres, és a hálózati kártyában található.

[szerkesztés] 5.1 Ethernet

"Ethernet, n: a device used to catch the etherbunny."

• Majdnem biztosan a legelterjedtebb adatkapcsolati rétegbeli protokoll (és fizikai közeg).
• Minden csomópontnak (pontosabban: minden hálózati interfésznek) elvileg globálisan egyedi hatbájtos MAC-címe van.
  • Notációk: aa:bb:cc:dd:ee:ff (Unix); AA-BB-CC-DD-EE-FF (Windows); aabb.ccdd.eeff (Cisco).
  • A hardvergyártó állítja be, de ma már szinte mindig átírható szoftverből.
  • A címek strukturálatlanok (nincs pl. a hálózat topológiájából adódó hierarchia).
    • Mindazonáltal az első 24 bit azonosítja a gyártót.
• Broadcast ("üzenetszórásos") elven működik.
  • Minden, az adott szegmensben levő kártya ("adapter") minden keretet megkap; a címzés alapján dönti el, kell-e vele foglalkoznia.
  • Speciális cím: ff:ff:ff:ff:ff:ff (csupa egyes): mindenkinek szóló üzenet.
  • Szoftverből utasítható az adapter arra, hogy a nem neki szóló kereteket is olvassa el ("hallgassa le"): sniffing.
• Szigorúan véve nem Ethernet-specifikus, de ide tartozik: ARP (IP címhez keres MAC-címet).
• Keretformátum kb:
  1. "Preamble" (a fizikai réteg sajátosságain alapul; könnyen észlelhető "keret eleje"-jelzés, 8 byte). A két végpont óráinak (órajelének) szinkronizálást is segíti.
  2. Célcím (6 byte);
  3. Forráscím (6 byte);
  4. Hálózati rétegbeli protokoll azonosítója (2 byte; pl. IP, IPX, Decnet stb.);
  5. Adatok (max. 1500 byte);
  6. Ellenőrző összeg (CRC, 4 byte).

[szerkesztés] 5.1.1 Eszközök (hub, bridge, switch stb.)

• Repeater: két fizikai szegmenst köt össze bit-szinten.
  • Ha az egyik interfészén megjelenik egy bit, azt kiküldi a másik interfészén.
  • Lényegében egy erősítő: a csillapított jel helyett egy szép új jel jelenik meg a másik interfészen.
  • A két fizikai szegmens egyetlen logikai szegmenst (collision domaint) alkot: nem adhat egyszerre két csomópont akkor sem, ha a repeater két oldalán vannak és a címzettjeik is a velük azonos oldalon találhatóak.
  • Ha a repeater különböző fizikai, de azonos adatkapcsolati réteget használó szegmens között van, akkor médiakonverternek is hívják.
• Hub: sokportos repeater.
• Bridge: két fizikai szegmenst köt össze keretek szintjén.
  • Az egyik interfészen bejövő keretet megismétli a másik interfészen.
  • Megtanulja, melyik MAC-címek melyik interfész felé vannak, és csak akkor adja tovább a keretet, ha szükséges (a címzett a másik oldalon van, vagy broadcast keretről van szó).
  • Két különböző, de alapvetően Ethernet-szerű hálózat közé is tehető bridge: pl. vezetékes Ethernet és WiFi vagy Token Ring.
    • Ilyenkor a bridge kénytelen bizonyos mértékű protokoll-átalakítást is végezni, ami nem mindig tud 100%-os lenni (pl. ha az egyik hálózatban van QoS, a másikban pedig nincs).
  • Ha a keretformátum azonos (és csak a fizikai réteg különbözik, pl. 10BASE-T és 100BASE-FX), nem kell protokoll-átalakítás sem.
• Switch: sokportos bridge.
  • A végpontok számára transzparens (a kereteket nem a switchnek, hanem egymásnak címzik).
  • Minden porton csak azokat a kereteket küldi ki, amelyek az adott portra kapcsolt állomások valamelyikének szólnak.
    • A portokhoz nemcsak végpontok, hanem további switchek is csatlakoztathatók; így egy porthoz sok végpont is tartozhat.
    • A switch egy ún. MAC-táblában tartja nyilván, melyik MAC-című állomás melyik portra csatlakozik.
      • Szintén nyilvántartja, melyik MAC-port párost mikor "tanulta meg"; a hosszú ideig inaktív MAC-eket kidobálja a táblából.
        • Lehetséges anomália-észlelés: ha ugyanaz a MAC "egyszerre" van jelen két porton is, a switch gyanakodhat hurokra vagy hamisításra és küldhet riasztást.
    • A táblában nem szereplő MAC-címeknek szóló csomagokat minden porton kénytelen kiküldeni (kivéve azon, amelyiken bejöttek).
    • Természetesen a broadcast kereteket is minden interfészen kiküldi.
    • Ha a cél-MAC azon a porton van, amelyiken a keret bejött, a switch nem továbbítja.
    • Előfordulhat, hogy egy porton egyszerre több keretet is ki kellene küldeni (mert két másik portról is beesett egy-egy erre a portra tartó keret). Emiatt minden porthoz tartozik egy kimenő puffer, amiben a keretek várják, hogy ki lehessen küldeni őket.
      • (Nyilván szintén várni kell, ha ütközés van a kimenő porton.)
  • Olyan hálózatban, amelyben nincs hub, csak switch, sosincs ütközés (mivel csak full duplex pont-pont kapcsolatok léteznek).
  • Mivel a switch kereteket másol (hiszen nem más, mint egy sokportos bridge), kiválóan alkalmas különböző sebességű (és fizikai réteget használó) Ethernet-szegmensek összekapcsolására.
    • Pl. gyakori, hogy egy-egy switchnek van mondjuk 24 100mbites és 4 gigabites portja.
  • A switch könnyedén leválaszthatja a hálózatról a hibás (pl. folyamatosan adó) csomópontokat.
  • Switchelt hálózatban egy kábelszakadás csak egyetlen végpontot érint (a hagyományos busz-topológiájú Ethernetnél az egész hálózat használhatatlanná válik, ha a busz megszakad).

[szerkesztés] 5.2 STP, RSTP, MSTP

(Spanning Tree Protocol, Rapid Spanning Tree Protocol, Multiple Spanning Tree Protocol.)

Forrás: Jákó András: Spanning Tree Protocol, 2004..

Fontos fogalom: collision domain (már volt róla szó). Az Ethernet-hálózatok olyan összefüggő részei, amelyek csak passzív alkatrészeket, repeatereket és/vagy hubokat tartalmaznak, egyetlen collision domaint ("ütközési tartományt") alkotnak.

• Általában szeretnénk, hogy a collision domainek minél kisebbek legyenek.
  • Minél több végpont van ugyanabban a collision domainben, annál valószínűbb, hogy lesz köztük legalább kettő, amelyik egyszerre akar beszélni és így ütközés jön létre.
  • Az ütközés rontja a hatékonyságot (az ütközés résztvevői elhallgatnak, várnak egy kicsit, aztán újra megpróbálnak adni). Minél több az ütközés, az időnek annál kisebb részében továbbít a hálózat hasznos adatot.
  • Egy collision domaint általában switch beiktatásával vágnak fel több collision domainre (legfeljebb annyira, ahány portja a switchnek van).

Másik fontos fogalom: broadcast domain (szintén volt már róla szó). Az Ethernet-hálózatok olyan összefüggő részei, amelyek switchek vagy bridge-ek segítségével összekapcsolt collision domainekből állnak, egy broadcast domain ("üzenetszórási tartományt") alkotnak.

• Egy broadcast domainen belül az állomások MAC-cím alapján meg tudják egymást címezni; az FF:FF:FF:FF:FF:FF MAC-címre küldött keretek pedig minden állomáshoz eljutnak.
  • Így pl. az ARP segítségével működik az IP is, router nélkül.
• Korábban a szervezetek általában arra törekedtek, hogy az egész hálózatuk lehetőleg egyetlen broadcast domaint alkosson; ez ma már nem annyira jellemző.
• A törekvés okai:
  • Lehetőleg ne kelljen route-olni a közvetlenül az Ethernetre épülő protokollokat (pl. IPX).
  • Működjön a Windows Network Neighborhood ("Hálózati Helyek") - kb. a Windows 2000-ig erősen épült az Ethernet broadcastra.
• A nagy broadcast domain hátránya, hogy ha nagy a broadcast-forgalom (pl. mert sok a windowsos munkaállomás), megnő a hálózat terhelése.
  • A broadcastok olyan szegmensekbe is eljutnak, ahol igazából nincs is rájuk szükség -- pl. mert nincs ott Windows.
• Ma a Windows fájlmegosztó/névfeloldó protokollcsaládja már broadcast nélkül is tud jól működni, az IPX pedig lényegében kihalt, így egyre kevesebb a motiváció a nagy, összefüggő broadcast domainek fenntartására.
  • Pl. a BME 152.66.0.0/16-os hálózata is számos routert tartalmaz, és csak az egyes tanszékek belső hálózatai alkotnak egy-egy (vagy némely esetben több) broadcast domaint.

Mi történik, ha egy Ethernetben kör van?

• Ha pl. A, B és C switchek, és van A-B, B-C és C-A kapcsolat, a keretek elvileg az idők végezetéig járnak körbe-körbe.
  • Az Ethernet-keretben nincs TTL mező, mint az IP-ben.
  • Esélytelen nyilvántartani, melyik keretet láttuk már (hogy azt ne küldjük tovább újra).
  • Vagyis nincs semmilyen automatikus mechanizmus a körbe-körbe menő csomagok megállítására.
• Broadcast Storm: amikor egy broadcast (vagy ismeretlen) címre küldött keret vég nélkül kering a hálózatban.
  • Ha több hurok van, többszöröződik is.
• Járulékos gond: mivel az adott forráscímről jövő csomagok esetleg hol az egyik, hol a másik porton jutnak el egy switchbe, a MAC-táblát is folyton frissíteni kell, és az adott MAC-nek szóló keretek, ha épp rosszkor esnek be, esetleg nem a megfelelő irányba mennek ki.

Na de miért lenne hurok (kör) a hálózatban egyáltalán?

1. Redundancia (ha valamelyik link, esetleg valamelyik switch kiesik, ne essen szét a hálózat).
2. Véletlenül (rossz helyre dugunk egy kábelt).

Mivel az Ethernet hurokmentessége nem garantálható, és a hurkok katasztrofális hatásúak, szükség van egy olyan mechanizmusra, amely felismeri és automatikusan kiiktatja őket. Az STP (és továbbfejlesztései) ezt a feladatot oldják meg.

Kapcsolódó szabványok:

• Spanning Tree Algorithm and Protocol: 802.1D-1998, 802.1t-2001
• Rapid Spanning Tree Algorithm and Protocol: 802.1w-2001 (802.1D-2004)
• Multiple Spanning Tree Protocol: 802.1s-2002, 802.1Q-2003

Az STP működését l. Jákó András előadásában (figyelem: sokkal részletesebb, mint amennyire itt most szükséges).

• Az RSTP az STP felgyorsítása.
• Az MSTP több feszítőfát használ, hogy ha ugyanazokon a switcheken több VLAN forgalma bonyolódik le, az egyes VLAN-ok forgalma más-más útvonalakon haladjon (ahol lehet).

Biztonsági vonatkozások

• Hamis BPDU-kkal a feszítőfa-építés folyamata megzavarható:
  • Közepes számú, gyakran változtatott hamis üzenettel megakadályozható konzisztens állapot kialakulása.
    • Főként, ha ezeket a hálózat több pontján egyszerre injektáljuk.
  • Ha egy támadó egyszerre több switchhez is képes csatlakozni (akár több mobil eszközzel, amelyek mondjuk 3G-n vagy wifin kommunikálnak), megpróbálhat egy olyan feszítőfát kikényszeríteni, amelyben minden olyan collision domain között, amelyben jelen van, az ő eszköze a designated bridge (ill. ő a root bridge is); így a collision domainek közti forgalom őrajta halad át, vagyis lehallgathatja, módosíthatja stb.
• Védekezés: a switcheken be kell állítani, hogy melyik portjuk néz másik saját switch felé. A többiről nem fogadnak el BPDU-t (sőt: ha jön, egy időre deaktiválják a portot).
  • Utóbbi, ha nemcsak egy-egy gép lóg egy-egy switchporton, DoS-ra ad lehetőséget: az áldozatot is tartalmazó collision domainből BPDU-kat kezdünk küldeni, így a switch leválasztja a portot, az áldozatnak pedig megszűnik az Internet-kapcsolata.

[szerkesztés] 5.3 VLAN

Lényege: több virtuális Ethernet kialakítása ugyanazon a fizikai switch-halmazon.

Vonatkozó szabvány: IEEE802.1Q/802.1p.

• Működés alapja: a switchnek megmondjuk, melyik port hányas számú VLANba tartozik.
• Ha minden port csak egyetlen VLANnak része, ennyi elég is -- feldaraboltuk a switch(ek)et több virtuális switchre.
• De: két switch között miért kelljen két kábel?
  • Megoldás: "trunk port". Négybájtos fejléc-kiegészítés (VLAN tag) az Ethernet-keret elején, amelyből 12 bit a VLAN-azonosító (hányas számú VLANba szól a keret).
    • Vigyázat: a HP például az EtherChannelt (amikor több párhuzamos kábelt egyetlen virtuális kábelként használunk) hívja trunk-nak. A hálózati eszközök gyártóinak terminológiája a feltétlenül szükségesnél lényegesen változatosabb.
  • Jobb oprendszerek is támogatják, így nemcsak két hálózati eszköz között használható, hanem pl. switch és szerver között is -- a szerver pedig több Ethernetnek szolgáltathat egyszerre, egyetlen fizikai hálózati interfészen.
• Switcheken általában portonként beállítható:
  • a port "jellege" (gyártónként változik a terminológia és a megközelítés):
    • access -- csak végpontok vannak rajta. Nincs VLAN tag (és remélhetőleg a bejövő kereteken sem fogadja el). A port általában csak egyetlen VLANnak része (és a bejövő kereteket automatikusan ebbe a VLANba szólónak tekintjük).
    • trunk -- másik hálózati eszköz van rajta. Minden keretet taggel látunk el. Általában több VLANnak része a port, és csak VLAN taggel ellátott kereteket hajlandó fogadni.
    • hybrid -- a port több VLAN része. Külön beállíthatjuk, melyik VLANokba menő forgalmat kell tagelni és melyikeket nem. A bejövő jelöletlen kereteket általában egy meghatározott VLANba szólónak tekintjük.
    • (Előfordulhat egy további típus, aminél VLAN tagelt keretek kapnak további VLAN taget.)
  • a port VLAN-tagságai (melyik VLANokba szóló kereteket kell kiküldeni rajta);
    • ezek közül melyeket tagelve és melyeket tag nélkül;
  • legyen-e "ingress filtering", vagyis eldobja-e azokat a kereteket, amik ezen a porton jönnek be és olyan VLANba szólnak, amelynek a port nem tagja;
  • melyik VLANba szólónak tekintsük a bejövő tag nélküli kereteket.
  • a másik végpont regisztrálhasson-e dinamikusan újabb VLAN-tagságokat.
• Bizonyos switchek képesek MAC-cím vagy egyéb forgalmi jellemző alapján más-más VLANba sorolni az ugyanarról a portról bejövő kereteket.
• Jobb WiFi hozzáférési pontok képesek több SSID-t ("hálózat-azonosítót") is hirdetni, és a végpontok forgalmát saját Ethernet-interfészükön más-más VLANba sorolni aszerint, hogy az adott végpont melyik SSID-ra kapcsolódott.

Biztonsági vonatkozások

Forrás: Cisco.

• A támadó küldhet olyan VLAN taggel ellátott keretet, amely VLANnak a felé néző port nem része.
• A támadó küldhet két VLAN taggel ellátott keretet. Ha ezt a switch olyan porton küldi ki, amelyen a konfiguráció szerint az első tag-re nincs szükség (az adott portnak ez a "natív" VLANja és nem kértünk tagelést), akkor így azon a porton a második VLAN-tagben megadott VLANba szóló keret fog kimenni.
• Ha lehetséges a VLAN-tagságok dinamikus regisztrációja, a támadó egyszerűen beléphet az őt érdeklő VLANokba.

[szerkesztés] 5.4 További támadások switchek ill. switchelt Ethernet ellen

• Switchelt hálózatban nehéz sniffelni (a támadó felé néző porton csak a neki szóló keretek jelennek meg).
  • Ha viszont a támadó elárasztja hamis forrás-MAC-címekkel a switchet, kiszoríthatja a valódi MAC-eket a MAC-táblából és elérheti, hogy a switch a legtöbb keretet broadcastolja. Védekezés:
    • 802.1x -- switchport-szintű autentikáció (viszont így egy switchporton csak egy végpont lóghat).
    • A jobb switchekben korlátozható, hogy egy-egy porthoz legfeljebb hány MAC-cím tartozhat.
  • Kifinomultabb támadó csak egyetlen MAC-et (pl. egy szervert) támad: ha a szerver magától nem nagyon forgalmaz, a switch a támadó portját jegyzi be az adott MAC-hez, és a támadó kapja meg a szervernek szánt csomagokat.
• A switch átengedi (továbbítja) az Ethernet broadcastokat. Ha sok broadcastot küldünk, az egész hálózatot megbéníthatjuk.
  • Jobb switchekben van "broadcast storm protection", ami pl. a gyanúsan nagy rátával üzenetszóró végpontok felé néző portokat kikapcsolja.
• A támadó összekapcsolhat két switchportot úgy, hogy kiszűri a forgalomból az STP működéséhez szükséges BPDU-kat, így a switchek számára észlelhetetlen hurkot hozva létre.
  • A két érintett port közül bármelyiken megjelenő forgalom a végtelenségig fog keringeni és terheli a két érintett switchet.