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IPSec(IP Security)

IP계층(네트워크 계층)을 안전하게 보호하기 위해서 IPSec이라는 보호 기법을 사용합니다. TLS와 같은 안전한 통신 기법만 있으면 되지, 왜 굳이 IPSec이 필요하느냐에 대한 물음을 갖을 수 있습니다. TLS는 TCP 프로토콜만을 보호합니다. 전송 계층에는 TCP뿐만 아니라 UDP도 있지요. TCP뿐만 아니라 UDP, 혹은 더 상위 계층까지 보호하기 위한다면 더 낮은 계층에서 보호하는 것이 효과적이겠죠. 그래서 IP계층에서 데이터를 보호하는 것입니다. 대부분의 네트워크 응용프로그램은 IP 계층을 사용하기도 하니까 IP계층에서 동작하는 보안, 즉, 페킷에 대한 보안을 제공하는 IP Security(IPSec)이 필요합니다.

IP Sec은 그림에서 보는바와 같이 IP계층을 집중적으로 보호합니다.

두가지 모드

IPSec에는 두 가지 모드가 있는데, IP의 내용(payload)만을 보호하느냐, 아니면 헤더까지 모두 보호하느냐에 따라서 전자는 전송 모드(Transport Mode), 후자는 터널 모드(Tunnel Model)라고 합니다.

전송 모드(Transport Mode)

전송모드는 전송 계층와 네트워크 계층 사이에 전달되는 payload를 보호합니다. 중간에 IPSec 계층이 있기 때문에 IPSec헤더가 붙고, 이후에 네트워크 계층에서는 이것이 모두 상위층에서 보낸 데이터(payload)로 취급이 되므로 IP 헤더가 붙고 아래 계층으로 전달되지요. 

전송모드는 host-to-host( end-to-end)간 데이터 보호가 필요할때 사용이 됩니다. 아래는 전송모드의 데이터 전송 흐름을 보여줍니다.

왼쪽 컴퓨터(host)는 IPSec을 적용하여 데이터를 보냅니다. 네트워크를 통해서 오른쪽 컴퓨터로 데이터가 도착합니다. 자, 이 사이에서 다른 사람이 데이터를 가져가도 IPSec에 대한 보호가 이루어져있으므로 볼 수 없고 라우터를 거쳐 두 당사자만 데이터를 보호할 수 있지요. 그래서 종단 간의 보호(End-To-End Protection, E2EP)가 이루어 질 수 있습니다. 

터널 모드(Tunnel Mode)

터널 모드는 IPSec이 IP 헤더를 포함한 IP 계층의 모든 것을 보호합니다. IP 헤더까지 완전히 보호하고 IPSec의 헤더를 추가하였으니 기존의 IP헤더를 볼 수 없기 때문에 새로운 IP 헤더가 추가됩니다. 

이 IPSec 헤더와 새로운 헤더는 누가 추가해줄까요? 바로 호스트, 종단이 아닌 그 중간자가 추가해줍니다. 보통 라우터가 되지요. 

아래는 그 흐름을 보여주는데, 전송모드와는 다르게 호스트 A는 별다른 IPSec의 조취를 취하지 않습니다. 하지만 Router A에서 IPSec을 적용하고 새로운 IP 헤더를 추가합니다. 이 헤더에는 목적지 라우터의 주소가 있어서 Router B로 보냅니다. Router B는 이후에 적절한 조취를 취하고 새로운 IP헤더와 IPSec헤더를 제거한 후 Host B에게 전달합니다. 마치 RouterA, RouterB가 터널 역할을 하는 것 같네요.

터널 모드는 보통 두개의 라우터간, 호스트와 라우터간, 라우터와 호스트간에 사용이 되는데, 즉, 송수신자 양쪽 모두가 호스트가 아닌 경우에 사용됩니다.

두 가지 프로토콜

IPSec은 또 두가지 보안 프로토콜을 제공하는데, 인증에 대해서만 검사하는 인증헤더 프로토콜(AH: Authentication Header Protocol)과 페이로드 전체를 보호하여 기밀성을 제공하는 보안 페이로드 캡슐화(ESP: Encapsulating Security Payload)가 그것들입니다.

AH(Authentication Header)

발신지 호스트를 인증하고 IP패킷의 무결성을 보장합니다. 인증을 위해서 해쉬함수와 대칭키가 사용되어 Message Digest를 생성하고 헤더에 삽입합니다. AH는 인증과 무결성을 보장하지만 비밀은 보장해주지 않습니다.

Next Header : IPSec 다음에 오는 페이로드의 헤더를 말합니다. TCP인지 UDP인지 또는 ICMP인지 의미합니다.

Payload Length : 인증헤더의 길이를 말하며 4바이트 배수가 됩니다. 

Security Parameter Index : 32비트 보안 매개변수 색인(SPI) 필드는 Security Association에 대한 식별자입니다.

Sequence Number : 32비트 순서번호인데 이것은 replay attack을 방지합니다.

Authentication Data: 헤더를 포함하여 전체 페킷에 대한 데이터를 인증 데이터로 만드는데, 이때 IP 헤더의 변경될 수 있는 데이터는 제외하고 인증데이터를 만들게 됩니다. 예를 들어 TTL같은 변경이 될 수 있는 데이터는 인증 데이터를 만들때 포함하지 않습니다. 만들면 AH의 Authentication Data필드에 삽입됩니다.

ESP(Encapsulating Security Payload)

AH가 데이터의 기밀성을 보장할 수 없지만 ESP는 기밀성을 보장할 수 있습니다. 또한 AH가 보장하는 IP패킷의 무결성 등 AH가 제공하는 서비스를 모두 보장할 수 있습니다.

ESP 헤더의 각각 필드는 32비트입니다. 

눈에 익은 필드들이 몇개 보이지요? 대부분은 AH의 필드와 유사합니다. 또 payload를 암호화하고 있네요.

Authentication Data : AH와는 다르게 인증데이터가 IP헤더를 포함하지 않습니다. ESP헤더까지만 인증데이터로 만들고 ESP Trailer에 붙이게 됩니다.

AH와 ESP의 대한 차이는 다음의 표로 간략하게 정리하였습니다.

접근제어가 보장된다는 것을 알기 위해서는 SAD(Security Association Database), SP(Security Parameters) 등의 용어에 대해서 이해해야하는데, 이것은 다음 포스팅에서 설명하도록 하겠습니다.