SSL VPN 伺服器 OpenVPN 的安全設定考量
沈慧宇 服務單位 建國科技大學 電腦與通訊工程系 [email protected] 黃文傑 服務單位 建國科技大學 電腦與通訊工程系 [email protected] 莊展源 建國科技大學 電腦與通訊工程系 [email protected] 摘要 —本文是針對 SSL VPN 的開放原始 碼伺服器軟體 OpenVPN 的設定中，提出一安 全 設 計 的 方 式 ， 特 別 是 使 用 者 端 偽 造 MAC address 所造成的阻絕服務攻擊，記憶體將因此 完全耗盡，不僅導致 OpenVPN 伺服器無法運 作，甚至可能使得整個作業系統必須重新開機， 我們所提出的方法中會利用到 IP address 與 MAC address 結合對照關係表，如果違反這種對 照關係表，不僅立即中斷連線，而且，用戶端的 憑證也會被註銷，因此可以防止進一步的阻絕服 務攻擊。 關鍵詞 - 阻絕服務、憑證、註銷一、 簡介
網際網路的資料傳輸雖然提供了極大的方 便性，但是卻沒有辦法保證資料傳輸的安全性。 早期為了解決這一個問題，大部分都轉向 ISP (Internet Service Provider) 業者租用專線 (leased line)，將安全性需求較高的資料傳輸線路獨立於 網際網路之外，但是，租用專線的費用高昂，一 般業者可能無法負擔，因此，VPN (Virtual Private Network) 的技術就因應而生。 VPN 原理主要包括建立通道 (tunneling)、加 密傳輸 (encryption) 與認證功能 (authentication) 等三種技術，建立通道可以解決使用者端與伺服 器端的路由問題，即使非 IP (Internet Protocol) 的封包資料一樣可以在網際網路上傳輸，例如 AppleTalk 或 NetBIOS 等通訊協定; 加密傳輸 可 以 將 明 文 (plain text) 轉 換 成 密 文 (cipher text)，因此可以防止重要資料被洩漏; 認證功能 則可以判定重要資料是否已被修改，換言之，加 密傳輸可以避免被不當讀取，認證功能則可以避 免被不當寫入。目前網際網路上最主要的 VPN 技術大部 份是以 IPSec (IP Security) [1]為主，IPSec 是作用 在網路層 (Network Layer) 的通訊協定，它包括 二種工作模式―傳輸模式與通道模式，每一種模 式 都 包 含 二 種 通 訊 協 定 AH (Authenticated Header)[2] 與 ESP (Encapsulated Security Payload)[3]。IPSec 可以提供完整的 VPN 功 能，但是卻隱含許多缺點，第一，由於網路層的 通訊協定功能是包含在作業系統內，因此，IPSec 的設計方式是依作業系統而定，換句話說， Windows 與 Linux 他們支援 IPSec 的方式將有 所不同; 第二，AH 通訊協定所認證封包資料的 範圍包括來源IP 位址與目的 IP 位址，這樣的機 制將使得 IPSec 無法通過防火牆，因為目前一般 的 防 火 牆 都 具 有 NAT (Network Address Translation)的功能，而 NAT 勢必一定會更改來 源IP 位址與目的 IP 位址; 第三，IPSec VPN 的 設定頗為複雜，這將使得 IPSec VPN 的應用不 容易推廣。由於這三種缺點考量，本文所要探討 的 VPN 安全設計將以 SSL VPN (Secure Socket Layer)為主，而不是 IPSec VPN。 有別於 IPSec VPN 是作用在網路層，SSL
VPN 則 是 完 全 作 用 在 應 用 層 (Application
Layer) ，如下圖一所示，OpenVPN 是實作 SSL VPN 的開放原始碼軟體，所以它可以適用於 Windows 與 Linux 二種作業系統，OpenVPN 的加密技術原理是以 SSL[4] 為基礎，它可以提 供共享密鑰或公鑰系統二種加密機制，事實上， 在 加 密 機 制 這 一 方 面 ，OpenVPN 很 類 似 於 SSL，所不同的是 SSL 是以 HTTP (HyperText Transfer Protocol) 網頁存取為單一應用，但是， OpenVPN 則可以適用各種不同的應用層通訊協 定，因此，非常適合運用於網際網路。 圖一 SSL VPN 的 OSI 功能層
二、 系統架構
我們所採用的作業系統是Fedora 10 Linux[5]，伺服器軟體是 OpenVPN 2.0.9[6]，使 用者端作業系統則以 Windows XP 為主。 OpenVPN 包括橋接模式 (bridged mode) 與路 由模式 (routed mode) 二種操作模式，由於本文 所要解決偽造 MAC address 的攻擊方式是以橋 接模式為主，因此，所有使用者端與伺服器端都 要在設定檔內寫入 dev tap 參數 (路由模式則是 寫入 dev tun 參數)，整個 OpenVPN 運作系統架 構如下圖二所示。 圖二 系統架構 在橋接模式下，所有使用者端與伺服器端都 是處在一個虛擬的區域網路，換言之，他們都會 存在同一個虛擬網段，如下圖三所示，所有主機 都可以接收廣播封包，所以，包括Windows 的 網路芳鄰，或甚至非 IP 通訊協定的封包，都可 以提供很方便的應用，而事實上，這也正是本文 希望以橋接模式為討論主軸的原因，然而，如果 駭客出現在此虛擬網段，卻無形中存在被攻擊的 危險。 圖三 橋接模式架構三、系統功能與運作原理
（一）認證程序 由於 SSL 互動程序 (SSL Handshaking) 耗 費很多 CPU 運算資源，為了避免攻擊者產生大 量錯誤的連線請求，導致 OpenVPN 陷入無謂的 運算迴圈，因此，基於安全考量，我們建議在伺 服器端與用戶端的設定檔中各加入以下參數tls-auth dos.txt 0 (OpenVPN 伺服器端)， tls-auth dos.txt 1 (OpenVPN 使用者端)， dos.txt 是一個使用者端與伺服器端所共享 的檔案，所以必須以另外的安全通道 (例如 SSH) 傳送到所有使用者端的主機，他是由以下指令所 產生
openvpn –genkey –secret dos.txt，
配 tls-auth 參數設定，而且，如果不是採用公鑰
的加密系統，而是採用最簡便的共享密鑰加密方 式，則 dos.txt 可以做為雙方的共享密鑰 (shared key) ，其設定方式如下
secret dos.txt (OpenVPN 伺服器端)， secret dos.txt (OpenVPN 使用者端)， 透過 dos.txt 的設計，如果無法通過認證程 序，後續的 SSL 互動程序就不會被執行，如下 圖四所示，進而避免了伺服器端寶貴的運算資 源，所以 tls-auth 參數可以算是 OpenVPN 的一 道防火牆。 圖四 tls-auth 執行流程 （二）平衡負載與容錯 (failover) 設計 由於 OpenVPN 是以一般使用者程序在執 行，而且許多加密與解密過程非常耗費 CPU 運 算，所以，遇到大量連線需求時，OpenVPN 伺 服 器 的 效 能 自 然 大 受 影 響 ， 因 此 我 們 建 議 OpenVPN 伺服器不止建置一台，平常多台伺服 器可以共同分擔網路流量，但是，當某一台 OpenVPN 伺服器當機時，新的連線請求就會切 換到正常運作的OpenVPN 伺服器上。 使用者端的 OpenVPN 設定檔參數寫入如下 remote 120.109.27.71 1194 remote 120.109.27.70 1194 remote 120.109.27.78 1194 remote-random， 上述範例共有三台伺服器參與運作，不同的 使用者會隨機挑選一台OpenVPN 伺服器發出連 線請求，因此，在常態分佈的假設下，伺服器可 以平均負擔不同使用者的網路流量。值得注意的 是，停止運作的OpenVPN 伺服器並不會加入被 挑選的行列，在下圖五中，我們可以發現當 120.109.27.71 斷線後，使用者會自動切換到另一 伺服器 120.109.27.78，新的連線可以重新建立起 來，所以可完成容錯的設計。 圖五 OpenVPN 伺服器切換連線請求 另外，我們也可以透過 iptables 防火牆軟體 來切換挑選適當的伺服器端主機，這樣就可以在 伺服器端控制平衡負載的動作，如下圖六所示， 而不是由使用者端決定是否須要平衡負載與容 錯的設定，只是這一部份的相關設定並不屬於 OpenVPN 的功能，因此，本文未擬贅述其詳細 設定。 圖六 OpenVPN 與前端的防火牆
（三）阻絕服務
DoS (Denial of Service) 阻絕服務攻擊最大 的特色是耗盡伺服器端主機的資源，這些資源可 能包括網路頻寬、CPU 運算、記憶體容量、與硬 碟空間等，一旦資源耗盡，伺服器端主機就無法 再提供任何正常的網路連線。在橋接模式的運作 下，攻擊者若是可以通過正確的認證程序 (本文 主要是研究阻絕服務攻擊，並沒有探討攻擊者如 何通過正確的認證程序)，他可以產生大量的網 路封包流量，而且每一個網路封包的來源 MAC address 都是偽造的，這將造成 OpenVPN 忙於 許多無意義的計算，並耗盡所有虛擬記憶體 (因 為 OpenVPN 不是屬於核心程式)。 OpenVPN 伺服器端的設定檔提供了一個很 有用的參數 client-connect detect.sh，detect.sh 是 我們所設計的程式，使用者連線一旦成功建立， client-connect 參數會要求 OpenVPN 立刻執行 detect.sh 程式，在 detect.sh 程式中，IP address 與 MAC address 的比對關係會被建立並做為後 續的比對基礎，若是比對失敗，則中斷使用者端 與伺服器端的連線，並註銷 (revoke) 使用者的 憑證，以中止未來 SSL 互動程序，關於註銷憑 證方面，OpenVPN 軟體已提供註銷使用者的憑 證所需要的相關執行檔案，OpenVPN 可以記錄 哪些使用者的憑證已被註銷，下圖七則表示 detect.sh 的執行流程圖。 另外，我們還須搭配另一伺服器端的設 定參數 learn-address addr.sh，learn-address 主要 是用來驗證使用者端在安全通道中的虛擬 IP address 的正確性，因此，在 addr.sh 程式中，我 們可以決定是否要新增、刪除或修改所學習到的 MAC address 或 IP address，再透過 MAC address 與使用者憑證上 Common Name 的關聯性，可以 進一步判斷出是否某一使用者正產生大量不同 MAC address 的網路封包。 圖七 detect.sh 功能方塊圖
四、討論
本文主要研究OpenVPN 伺服器建置過程中 安全性的設定考量，他們包括認證程序、容錯設 計與阻絕服務的攻擊，我們相信這些設定與討論 將有助於建構更安全穩健的 VPN 伺服器網路 系統。 我們特別希望更進一步說明的是 detect.sh 程式的功能，因為，它的存在作用還可以防範其 他類型的攻擊。 關於偽造MAC address 所造成的阻絕服務攻 擊，OpenVPN 的官方網站 [7] 在目前 2.0.9 最 新版本中已提出一解決方案，他利用一個新的參 數設定 max-routes-per-client 以限制每一用戶端 最大的路由總數 (每一用戶端連線都對應一個 路由表格)，但是，我們認為 detect.sh 不僅可以 偵測出 MAC address 的改變，而且，detect.sh 也 具有認證使用者端網路卡的意義。 事實上，在一般區域網路中，IP address 結 合 MAC address 的比對功能是非常平常且必要 的，因為，攻擊者偽造 MAC address 的目的常 常並不僅止於阻絕服務的攻擊，而且，也正因為 橋接模式的功能就是在模擬區域網路，所以，攻 擊者甚至可以將受駭主機的 MAC address 更改 為區域網路上其他電腦的 MAC address，以攔截其他電腦的網路封包資料，而遂行更進一步的攻 擊。然而，max-routes-per-client 參數設定卻僅能 避免阻絕服務的攻擊。
