Công nghệ mạng riêng ảo VPN: Các giao thức đường hầm và bảo mật - Chương 3

Tài liệu tham khảo ngành viễn thông Công nghệ mạng riêng ảo VPN: Các giao thức đường hầm và bảo mật

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG MẠNG VPN

Một VPN bao gồm hai thành phần chính đó là: tuyến kết nối đến Internet được sung cấp bởi ISP và phần mềm cũng như phần cứng để bảo mật dữ liệu bằng cách mã hoá trước khi truyền ra mạng Internet Các chức năng của VPN

được thực hiện bởi các bộ định tuyến, tường lửa và các phần cứng, phần mềm

Trong chương này, ta sẽ xem xét tới các thành phần của mạng VPN và một

số vấn đề liên quan đến việc xây dựng mạng VPN như việc kết nối đến ISP, các

bộ định tuyến, tường lửa, và các thiết bị phần cứng khác, các sản phẩm phần mềm cần thiết cho mạng VPN

3.1 Thành phần cơ bản của một VPN

Cấu trúc phần cứng chính của VPN bao gồm: Máy chủ VPN (VPN servers), máy khách VPN (VPN clients) và một số thiết bị phần cứng khác như:

Bộ định tuyến VPN (VPN routers), cổng kết nối VPN (VPN Gateways) và bộ tập trung (Concentrator)

3.1.1 Máy chủ VPN

Nhìn chung, Máy chủ VPN là thiết bị mạng dành riêng để chạy phần mềm máy chủ (Software servers) Dựa vào những yêu cầu của công ty, mà một mạng VPN có thể có một hay nhiều máy chủ Bởi vì mỗi máy chủ VPN phải cung cấp dịch vụ cho các máy khách (VPN client) ở xa cũng như các máy khách cục bộ, đồng thời các máy chủ luôn luôn sãn sàng thực hiện những yêu cầu truy nhập từ các máy khách

Những chức năng chính của máy chủ VPN bao gồm:

- Tiếp nhận những yêu cầu kết nối vào mạng VPN

- Dàn xếp các yêu cầu và các thông số kết nối vào mạng như là: cơ chế của các quá trình bảo mật hay các quá trình xác lập

- Thực hiện các quá trình xác lập hay quá trình bảo mật cho các máy khách VPN

- Tiếp nhận các dữ liệu từ máy khách và chuyển dữ liệu yêu cầu về máy khách

- Máy chủ VPN hoạt động như là một điểm cuối trong đường ngầm kết nối trong VPN Điểm cuối còn lại được xác lập bởi người dùng cuối cùng

Máy chủ VPN phải được hỗ trợ hai hoặc nhiều hơn hai Card đáp ứng mạng Một hoặc nhiều hơn một cạc đáp ứng được sử dụng để kết nối chúng tới mạng mở rộng (Intranet) của công ty, trong khi Card còn lại kết nối chúng tới mạng Internet

Một máy chủ VPN cũng có thể hoạt động như là một cổng kết nối

(Gateway) hay như một bộ định tuyến (Router) trong trưòng hợp số yêu cầu hoặc số người dùng trong mạng nhỏ (Nhỏ hơn 20) Trong trường hợp máy chủ VPN phải hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn, mà vẫn hoạt động như một cổng kết nối hoặc một bộ định tuyến thì máy chủ VPN sẽ bị chạy chậm hơn, và gặp khó khăn trong vấn đề bảo mật thông tin cũng như bảo mật dữ liệu lưu trữ trong máy chủ

3.1.2 Máy khách VPN

Máy khách VPN là thiết bị ở xa hay cục bộ, khởi đầu cho một kết nối tới máy chủ VPN và đăng nhập vào mạng từ xa, sau khi chúng được phép xác lập tới điểm cuối ở xa trên mạng Chỉ sau khi đăng nhập thành công thì máy khách VPN và máy chủ VPN mới có thể truyền thông được với nhau Nhìn chung, một máy khách VPN có thể được dựa trên phần mềm Tuy nhiên, nó cũng có thể là một thiết bị phần cứng dành riêng

Với nhu cầu ngày càng tăng về số lượng nhân viên làm việc di động trong một công ty thì những người dùng này (những máy khách VPN) bắt buộc phải

có hồ sơ cập nhật vị trí Những người dùng này có thể sử dụng VPN để kết nối đến mạng cục bộ của công ty

Đặc trưng của máy khách VPN gồm:

- Những người làm việc ở xa sử dụng mạng Internet hoặc mạng công cộng để kết nối đến tài nguyên của công ty từ nhà

- Những người dùng di động sử dụng máy tính xách tay để kết nối vào mạng cục bộ của công ty thông qua mạng công cộng, để có thể truy cập vào hòm thư điện tử hoặc các nguồn tài nguyên trong mạng mở rộng

- Những người quản trị mạng từ xa, họ dùng mạng công cộng trung gian, như là mạng Internet, để kết nối tới những site ở xa để quản

lý, giám sát, sửa chữa hoặc cài đặt dịch vụ hay các thiết bị

Internet

Bộ tập trung truy cập của ISP

Máy chủ

Bộ định tuyến

Máy chủ

Bộ định tuyến

Mạng riêng

được bảo vệ Máy khách di động được bảo vệMạng riêng

Máy khách tại nhà

Hình 3.1: Đặc trưng của máy khách VPN

3.1.3 Bộ định tuyến VPN

Trong trường hợp thiết lập một mạng VPN nhỏ, thì máy chủ VPN có thể đảm nhiệm luôn vai trò của bộ định tuyến Tuy nhiên, trong thực tế thì cách thiết lập đó không hiệu quả trong trường hợp mạng VPN lớn - mạng phải đáp ứng một

số lượng lớn các yêu cầu Trong trường hợp này, sử dụng bộ định tuyến VPN riêng là cần thiết Nhìn chung, bộ định tuyến là điểm cuối của một mạng riêng trừ khi nó được đặt sau “bức tường lửa” (Firewall) Vai trò của bộ định tuyến VPN là tạo kết nối từ xa có thể đạt được trong mạng cục bộ Do vậy, bộ định tuyến là thiết bị chịu trách nhiệm chính trong việc tìm tất cả những đường đi có thể, để đến được nơi đến trong mạng, và chọn ra đường đi ngắn nhất có thể, cũng giống như trong mạng truyền thống

Mặc dù những bộ định tuyến thông thường cũng có thể sử dụng được trong mạng VPN, nhưng theo khuyến nghị của các chuyên gia thì sử dụng bộ định tuyến VPN là khả quan hơn Bộ định tuyến VPN ngoài chức năng định tuyến còn thêm các chức năng bảo mật và đảm bảo mức chất lượng dịch vụ (QoS) trên

đường truyền Ví dụ như bộ định tuyến truy nhập modun 1750 của Cisco được

sử dụng rất phổ biến

3.1.4 Bộ tập trung VPN (VPN Concentrators)

Giống như Hub là thiết bị được sử dụng trong mạng truyền thống, bộ tập trung VPN (VPN concentrators) được sử dụng để thiết lập một mạng VPN truy cập từ xa có kích thước nhỏ Ngoài việc làm tăng công suất và số lượng của VPN, thiết bị này còn cung cấp khả năng thực hiện cao và năng lực bảo mật cũng như năng lực xác thực cao Ví dụ như bộ tập trung sêri 3000 và 5000 của Cisco hay bộ tập trung VPN của Altiga là các bộ tập trung được sử dụng khá phổ biến

3.1.5 Cổng kết nối VPN

Cổng kết nối IP là thiết bị biên dịch những giao thức không phải là giao thức IP sang giao thức IP và ngược lại Như vậy, những cổng kết nối này cho phép một mạng riêng hỗ trợ chuyển tiếp dựa trên giao thức IP Những thiết bị này có thể là những thiết bị mạng dành riêng, nhưng cũng có thể là giải pháp dựa trên phần mềm Với thiết bị phần cứng, cổng kết nối IP nói chung được thiết lập ở biên của mạng cục bộ của công ty Còn là giải pháp dựa trên phần mềm, thì cổng kết nối IP được cài đặt trên mỗi máy chủ và được sử dụng để chuyển đổi các lưu lượng từ giao thức không phải là giao thức IP sang giao thức IP và ngược lại Ví dụ như phần mềm Novell’s Border Manager

Các cổng kết nối VPN là các cổng kết nối bảo mật (Security gateway) được đặt giữa mạng công cộng và mạng riêng nhằm nhăn chặn xâm nhập trái phép vào mạng riêng Cổng kết nối VPN có thể cung cấp những khả năng tạo đường hầm và mã hoá dữ liệu riêng trước khi được chuyển đến mạng công cộng

3.2 Các vấn đề cần chú ý khi thiết kế VPN

Để thiết kế một VPN hữu dụng, cần phải nắm vững những thông số của mạng và những yêu cầu đối với VPN sắp được thiết kế, chẳng hạn:

- Số lượng site? số lượng người dùng ở mỗi site?

- Lưu lượng mạng do các site phát sinh, biến đổi lưu lượng theo giờ, theo ngày

- Các site có hỗ trợ người dùng từ xa không? Nếu có thì bao nhiêu?

- Loại kết nối đến Internet? Là kết nối thường trực hay kết nối theo yêucầu?

Nếu là kết nói thường trực thì bao lâu kết nối được lưu dự phòng một lần

Nếu là kết nối theo yêu cầu thì bao lâu được yêu cầu? độ tin cậy

cần thiết phải có?

3.2.1 Các vấn đề về mạng và ISP

Do sự phát triển qua nhanh của mạng nên một vấn đề đặt ra về mạng đó là vấn đề định tuyến và bảo mật Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách:

- Thêm phần cứng hoặc phần mềm vào bộ định tuyến để nó

đóng vai trò là một cổng mối bảo mật trong VPN

- Nâng cấp bộ định tuyến hoặc tường lửa để hỗ trợ các chức năng của VPN

- Thay thế bộ định tuyến hay tường lửa bằng thiết bị thuộc thế

hệ mới có nhiều chức năng hơn, tương thích hơn với mạng mới Hiện nay, để đảm bảo chất lượng dịch vụ người ta cố gắng chuyển việc quản lý, hỗ trợ được yêu cầu từ mạng riêng sang ISP Rất nhiều các chức năng

đã được ISP hỗ trợ và khi xây dựng một VPN thì có thể sử dụng nhiều ISP Một

lý do để sử dụng nhiều ISP là phạm vi địa lý có thể của VPN

Mặc dù hiện nay IPv6 đang phát triển chậm nhưng nó chắc chắn sẽ phát triển Do vậy, một vấn đề cần chú ý khi xây dựng VPN là khả năng nâng cấp mạng lên IPv6 trong tương lai

3.2.2 Các vấn đề về bảo mật

VPN có thể cho phép người dùng phân quyền truy cập tới những mạng con, thiết bị hoặc những cơ sơ dữ liệu quan trọng Do đó, quyền truy cập là vấn đề cần quan tâm khi xem xét tới việc bảo mật cho VPN

Một giải pháp phổ biến cho công ty khi muốn chia sẻ một phần thông tin từ VPN của mình cho người dùng Internet, khách hàng hay nhân viên của họ trong khi vẫn bảo mật được những tài nguyên riêng nếu cần, đó là sử dụng vùng giới tuyến DMZ (Demilitarized Zone) DMZ bao gồm có hai tường lửa: Một đặt giữa Internet và tài nguyên muốn chia sẻ, Một đặt giữa tài nguyên muốn chia sẻ và mạng nội bộ bên trong Máy chủ trong DMZ đóng vai trò là nơi lưu giữ thông tin phụ sao cho nếu như nó bị hư hỏng thì giảm thiểu thiệt hại xảy ra Ví dụ, máy chủ Web trong DMZ lưu nhưng bản sao trang Web còn bản chính thì nằm trên máy chủ ở trong mạng nội bộ

Để bảo mật người ta sử dụng mã hoá, trao đổi giao khoá và chứng thực số

Mã hoá là một tiến trình đòi hỏi tính toán và nó thay đổi tuỳ theo giải thuật Với các giải thuật khác nhau cho ta các mức độ bảo mật khác nhau, ta có thể sử dụng các phương thức mã hoá khác nhau để phân quyền truy cập

Khi thiết kế VPN cần quyết định bao lâu thì khoá được chuyển đổi giữa các cổng nối bảo mật Nếu một VPN chỉ có một số lượng nhỏ cổng bảo mật thì chuyển khoá bang tay vẫn là một giải pháp có thể chấp nhận được Tuy nhiên, giải pháp trên không thích hợp khi VPN trải rộng trên một quốc gia hay kgắp toàn cầu Trong trường hợp này thì sử dụng e-mail bảo mật là một giải pháp

Để dữ liệu được bảo mật cao nhất thì tốt hơn hết là sử dụng hệ thống chuyển khoá tự động Những khoá sử dụng cho mã hoá và xác thực có thể thay đổi theo quy luật: sau một số gói được truyền đi; sau một khoảng thời gian;mỗi khi bắt đầu một phiên làm việc mới hoặc là tổ hợp nhưng quy luật trên Tự đông thay đổi khoá làm tăng khả năng chống lại tấn công, xâm phập trái phép

Khi sử dụng hệ thống quản lý khoá thì cần kèm theo một số cơ chế hồi khoá Điều này đặc biệt hưu ích khi muốn khôi phục lại dữ liệu cũ cùng với khoá cũ trước đó

Chứng thực số hay còn gọi là xác thực tính hợp lệ Trong tiến trìng mã hoá khoá chung có sử dụng một cặp khoá chung để xác thực tính hợp lệ của khoá Những chứng thực này nhằm rằng buộc khoá chung với một số thực thể mạng tên, có thể là nguời dùng hay máy tính nhiều trình duyệt Web sử dụng chứng thực điện tử để đảm bảo truyền hông bảo mật với máy chủ, sử dụng Secure Sockets Layer cho các mục đích thương mại điện tử Một số hệ thống e-mail đưa

ra khả năng mã hoá dựa trên chứng thực điện tử và những công nghệ để phân phối chúng: Chứng thực điện tử CA và cơ sở hạ tầng khóa công cộng (Public Key Infrastructures)

3.3 Quá trình xây dựng

Trước hết ta xét quá trình thiết lập một cuộc trao đổi thông tin trong VPN Một người làm việc ở xa muốn thực hiện kết nối tới mạng công ty và truy nhập vào trang web của công ty bao gồm 4 bước:

Bước 1: Người sử dụng ở xa thực hiện kết nối vào nhà cung cấp dịch vụ Internet của họ như bình thường

Hình 3.2: bước 1

Bước 2: Khi kết nối tới mạng công ty được yêu cầu, người sử dụng khởi đầu một tunnel tới máy chủ bảo mật đích của mạng công ty Máy chủ bảo mật xác thực người sử dụng và tạo kết cuối khác của đường hầm tunnel

Hình 3.3: Bước 2

Bước 3: Sau dó, người sử dụng gửi dữ liệu đã được mã hoá bởi phần mềm VPN xuyên qua đường hầm tunnel được gửi thông qua kết nối của nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP

Hình 3.4: Bước 3

Bước 4: Máy chủ bảo mật đích thu dữ liệu đã mã hoá và thực hiện giải mã Sau đó, máy chủ bảo mật hướng những gói dữ liệu được giải mã tới mạng công

ty Bất cứ thông tin nào được gửi trở lại tới người sử dụng ở xa cũng được mã hoá trước khi được gửi thông qua Internet

Hình 3.5: Bước 4

Hình vẽ dưới đây minh hoạ rằng phần mềm VPN có thể được sử dụng ở bất

kỳ vị trí nào có mạng Internet

Hình 3.6: VPN có thể cung cấp nhiều kết nối Như vậy, một VPN bao gồm hai thành phần chính: tuyến kết nối từ người dùng, các mạng riêng đến Internet do nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP cung cấp và phần cứng cũng như phần mềm để bảo mật dữ liệu băng cách mã hoá trước khi truyền qua Internet

Do vậy, trong phần này ta sẽ đề cập đến những vấn đề liệu quan đến việc xây dựng một VPN như việc kết nối đến ISP, việc sử dụng bộ định tuyến và tường lửa, các thiết bị phần cứng, và các sản phẩm phần mềm

3.3.1 Kết nối với ISP

Tuyến kết nối từ người dùng, mạng riêng tới mạng Internet do ISP cung cấp đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng nên một VPN bởi vì ISP đóng vai trò là người chịu trách nhiệm về đường truyền dữ liệu, duy trì kết nối Kiến trúc mạng như hình vẽ:

LAN LAN LAN

Intranet

Các mạng đường trục tốc độ cao Mạng đường trục

Các điểm

truy xuất mạng

(NAP)

Các mạng miền

(Regional nets)

Các ISP

nội hạt

Các mạng

người dùng

(mạng riêng)

NAP NAP

NAP

User

ISP ISP

ISP

`

Mạng miền Mạng miền Mạng miền Mạng miền

Hình 3.7: Kiến trúc mạng của các ISP

a) Khả năng của ISP

Các nhà cung cấp mạng ISP được phân chia theo cấp độ, khả năng, phạm

vi phục vụ của mạng Ta có thể chia ISP làm các nhóm:

Nhóm 1: Nhóm các nhà cung cấp mạng chính, các mạng riêng ảo đóng vai trò là mạng đường trục (do mạng có tốc độ cao và tin cậy…) cho Internet Các ISP thuộc nhóm này là mạng của các quốc gia phát triển có mạng lưới thông tin phát triển hoặc là mạng của các công ty đa quốc gia có thể kể đến như: AT&T, IBM, PSInet…Các mạng này độc lập và kết nối với nhau thông qua nhưng điểm truy cập mạng NAP Không có NAP nào cung cấp các kết nối đến Internet từ một nhà cung cấp trong nhóm đến một mạng công ty hay tới các doanh nghiêp Các NAP chỉ là những điểm đấu nối, chuyển giao lưu lượng giữa các mạng Về tốc độ, các kết nối đến NAP Internet phải được tạo ra với tốc độ tối thiểu là

DS-3 (45Mbit/s)

Nhóm 2: Các công ty mua những kết nối đến Internet từ các nhà cung cấp nhóm 1, rồi sau đó họ lại cung cấp lại cho khách hàng dưới dạng đường dành riêng , cho khách hàng thuê các địa chỉ trang Web, hay bán lại băng thông Nhóm 3: nhóm các ISP hoạt động bên dưới các ISP nhóm 2, đây là những ISP độc lập, có thể ở quy mô nhỏ như chỉ có từ 2 hay 3 khách hàng sử dụng bằng cách quay số, xDSL,… vào các điểm kết nối địa phương POP (point of presence) cho đến hàng trăm khách hàng Những nhà cung cấp này không nắm quyền điều khiển mạng đường trục hay mạng quốc gia của họ

Đa số các ISP thường cung cấp đầy đủ các tuỳ chọn kết nối với các sản phẩm hhỗ trợ băng thông từ 56kbit/s đến tốc độ T3 (44.736 Mbit/s) thâm chí là hơn nữa Một số ISP yêu cầu khách hàng phải mua các thiết bị như bộ định tuyến cà các CSU/DSU, trong khi môt số ISP khác sẽ hỗ trợ và quản lý cho chúng ta

Thông thường cácISP sẽ hỗ trợ khách hàng trong việc cấu hình, lắp đặt, giám sát, chuẩn doán các lỗi thông qua trung tâm điều hành mạng NOC (Network Operation Center) hoạt động thường xuyên 24/24, 7 ngày trong tuần, luôn sẵn sàng phục vụ khách hàng Đa số các ISP đưa ra 3 loại cước cho khách hàng lựa chọn đó là: Cước cài đặt, cước trọn gói, hay cước truy cập mỗi khi chúng ta truy cập đến điểm truy cập

b) Các hợp đồng dịch vụ SLA

Hợp đồng dịch vụ SLA (Service level agreement) là thoả thuận về lớp dịch

vụ mà khách hàng đăng ký với ISP SLA giúp cho thông tin của khách hàng, doanh nghiệp luôn hoạt động, đảm bảo chất lượng với sự cam kết cung cấp của ISP SLA cũng giúp ISP phán đoán, dự báo lưu lượng mạng để từ đó đưa ra các phương án điều khiển, phân luồng lưu lượng chính xác

Khi xem xét đánh giá SLA người ta thường xem xét các thông số: Độ sẵn sàng, thông lượng thật sự (thông lượng hiệu dụng), độ trễ

Độ sẵn sàng của mạng được hiểu là thời gian mạng sẵn sàng phục vụ khách hàng Ta có thể xác định độ sẵn sàng của mạng theo công thức:

24 giờ x Số ngày của tháng - thời gian mạng ngừng hoạt động

24 giờ x Số ngày của tháng

Độ sẵn sàng =