Hálózatbiztonság
Miről lesz szó? (Hozzávetőleges tematika)
- Elméleti alapok: hitelesítés, hozzáférésvezérlés stb.
- Elterjedt protokollok működése, hozzájuk kapcsolódó biztonsági problémák, klasszikus támadások
Tartalomjegyzék |
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.
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.
- a kód jelentésekhez rendel valamilyen jelsorozatot, általában egy kódkönyv segítségével
- 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.
- mindenkinek két kulcsa van: egy nyilvános és egy titkos.
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.
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.
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.
- Kulcsfolyamra van szükség hozzá.
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.
2.5 Néhány konkrét titkosító- és kivonatképző algoritmus
(Csak nagyon röviden.)
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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).
3 Tanúsítványok
L. az SSL-ről szóló szócikket.
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 felhasnzálóknak.
- 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.
- 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.
- 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.
- Jelszavak "titkosított" tárolása.
- A hash-elt jelszótárolás és a kihívás-válasz alapú hitelesítés elvileg ötvözhető; így működik pl. az NTLMv2.
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).
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?
- Csomag (keret) kézbesítését, integritását?
- 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).
- Garantál megbízhatóságot?
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.
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:
- "Preamble" (a fizikai réteg sajátosságain alapul; könnyen észlelhető "keret eleje"-jelzés, 8 byte). A két végpont óráinak (órajelének) szinkronizálást is segíti.
- Célcím (6 byte);
- Forráscím (6 byte);
- Hálózati rétegbeli protokoll azonosítója (2 byte; pl. IP, IPX, Decnet stb.);
- Adatok (max. 1500 byte);
- Ellenőrző összeg (CRC, 4 byte).
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.
- Szintén nyilvántartja, melyik MAC-port párost mikor "tanulta meg"; a hosszú ideig inaktív MAC-eket kidobálja a táblából.
- 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).
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?
- Redundancia (ha valamelyik link, esetleg valamelyik switch kiesik, ne essen szét a hálózat).
- 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.
- Közepes számú, gyakran változtatott hamis üzenettel megakadályozható konzisztens állapot kialakulása.
- 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.
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.
- Megoldás: "trunk port". Négybájtos fejléc-kiegészítés (VLAN tag) az Ethernet-keret elején, amelyből 12 bit a VLAN-azonosító (hányas számú VLANba szól a keret).
- 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.
- a port "jellege" (gyártónként változik a terminológia és a megközelítés):
- 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.
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.
- 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:
- 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.