Die Menge der noch verfügbaren IPv4-Adressen neigt sich dem Ende zu.
Laut Angaben des RIPE NCC\footnote{RIPE Network Coordination Centre} vom Juni 2018 sind noch ungefähr 8,63 Millionen IPv4-Adressen verfügbar\footnote{\url{https://www.ripe.net/publications/ipv6-info-centre/about-ipv6/ipv4-exhaustion/ipv4-available-pool-graph}, abgerufen am 03.06.2018}.
Das entspricht etwa der Hälfte der nutzbaren Host-Adressen eines \texttt{/8}-Blocks.
Betrachtet man die Vergabegeschwindigkeit von IPv4-Adressen aus den letzten drei Jahren, so könnte man den Zeitpunkt der Erschöpfung von IPv4-Adressen zwischen 2019 und 2021 vermuten\footnote{\url{https://ipv4.potaroo.net/}, abgerufen am 03.06.2018}.
Immer mehr Internetdienste können über IPv6 erreicht werden, und auch die Internetanbieter stellen ihren Kunden IPv6-fähige Internetanschlüsse zur Verfügung.
Der Anteil von Suchanfragen, die über IPv6 an Google gestellt wurden, hat von 5,84\% am 1. Januar 2015 auf 21,11\% am 1. Juni 2018 zugenommen\footnote{\url{https://www.google.com/intl/en/ipv6/statistics.html}, abgerufen am 03.06.2018}.
Am AMS-IX\footnote{Amsterdam Internet Exchange}, dem Internet-Austauschpunkt in Amsterdam, hat sich der Durchfluss von IPv6-Verkehr in den letzten 12 Monaten im Durchschnitt von etwa 55~Gbit/s im August 2017 auf etwa 85~Gbit/s im Mai 2018 gesteigert\footnote{\url{https://ams-ix.net/technical/statistics/sflow-stats/ipv6-traffic},\\abgerufen am 03.06.2018}.
Beschäftigten und Studierenden der Abteilung Informatik steht ein VPN-Dienst zur Verfügung, um Zugang in das Netz der Abteilung aus dem Internet heraus zu erhalten.
Der genaue Arbeitsauftrag dahinter wird in Kapitel~\ref{cpt:the_task} erläutert.
Dort werden alle Anforderungen und Rahmenbedingungen erfasst, die bei der Konzeption des neuen VPN-Dienst berücksichtigt werden müssen.
Im Anschluss wird die zukünftige Umgebung des VPN-Dienstes in Kapitel~\ref{cpt:netarchitecture} vorgestellt: Die Netzarchitektur der Abteilung Informatik inklusive Firewallkonzept.
Auf Basis der daraus gewonnenen Informationen werden dann in Kapitel~\ref{cpt:service_concept} Konzepte für den VPN-Dienst und dessen Benutzerverwaltung abgeleitet.
Im Anschluss wird in Kapitel~\ref{cpt:implement_ca} die Benutzerverwaltung umgesetzt und dann in Kapitel~\ref{cpt:implement_vpn_server} der VPN-Dienst installiert und konfiguriert.
In Kapitel~\ref{cpt:conclusion} werden die Ergebnisse und gewonnen Erkenntnisse dieser Arbeit bewertet und Ideen für weiterführende Arbeiten aufgeführt.
Die Abteilung Informatik betreibt einen VPN-Dienst auf Basis von OpenVPN, der von Beschäftigten und Studierenden benutzt werden kann, um über das Internet auf das Netz der Abteilung Informatik zuzugreifen.
Die Verschlüsselung des VPN-Datenverkehrs vor dessen Übertragung über ein physisches Netz ist ebenfalls ein Grund, weshalb ein VPN ein privates Netz ist.
Verschickt ein VPN-Teilnehmer ein Datenpaket über das VPN an einen anderen VPN-Teilnehmer, so wird das Paket vom Sender in ein neues Datenpaket gekapselt und über das physische Netz an den anderen VPN-Teilnehmer verschickt.
Dadurch ist mit einem VPN eine logische direkte Verbindung zwischen zwei VPN-Teilnehmern möglich, obwohl der eigentliche Datenverkehr durch das physische Netz geleitet wird.
Der Auftrag dieser Arbeit ist die Konzeption und Umsetzung eines neuen VPN-Dienstes, der sowohl über IPv4 und IPv6 erreichbar ist und den Zugriff auf das Abteilungsnetz über diese beiden Protokolle ermöglicht.
Dieser neue VPN-Dienst soll den alten VPN-Dienst ablösen.
Dafür wird vorausgesetzt, dass der neue VPN-Dienst den Zugang zu allen IPv4-Netzen der Abteilung Informatik ermöglicht, die bisher über den alten VPN-Dienst erreichbar sind.
Zusätzlich soll der neue VPN-Dienst den Zugang zu allen IPv6-Netzen der Abteilung Informatik ermöglichen, die logisch zu den zuvor genannten IPv4-Netzen gehören.
Teil des Auftrags ist die Erstellung eine Konzepts für die Verwaltung der VPN-Benutzer, sowie die Erstellung eines Konzepts für den Betrieb des neuen VPN-Dienstes.
In diesem Abschnitt werden alle Anforderungen und Rahmenbedingungen vorgestellt, die bei der Konzeption des neuen VPN-Dienst berücksichtigt werden müssen.
Es handelt sich hier um Vorgaben, die im persönlichen Gespräch mit dem Auftraggeber und Erstprüfer dieser Arbeit ermittelt wurden.
\begin{enumerate}[label=Anf\arabic*]
\item\label{req:dualstack}\textbf{Dual-Stack-Betrieb:} Der VPN-Dienst soll aus dem Internet über IPv4 und IPv6 erreichbar sein und auch innerhalb des VPN diese beiden Protokolle anbieten.
\item\label{req:routing}\textbf{VPN-interner Datenverkehr:} Nur die internen Netzbereiche der Abteilung Informatik sollen für Benutzer über das VPN erreichbar sein.
Das betrifft alle Sicherheitszonen außer dem Internet.
\item\label{req:traffic}\textbf{VPN-externer Datenverkehr:} Die Kommunikation zwischen VPN-Client und VPN-Server soll authentisiert und vertraulich stattfinden.
\item\label{req:users}\textbf{Benutzer:} Der VPN-Dienst soll nur von autorisierten Beschäftigten und Studierenden aus der Abteilung Informatik benutzt werden können.
\item\label{req:serveros}\textbf{Betrieb des VPN-Servers:} Die Serverkomponente des VPN-Dienst soll auf einer aktuellen Version von Debian (9 oder höher) betrieben werden.
\item\label{req:clientos}\textbf{Betrieb der VPN-Clients:} Die VPN-Clientsoftware soll für aktuelle Versionen gängiger Betriebssysteme zur Verfügung stehen.
Darunter fallen Microsoft Windows 10 (Version~1709 oder höher), Apple MAC OS (ab Version~10.13) und Linux-Distributionen (ab Kernel Version~3.10).
\item\label{req:logging}\textbf{Betriebsprotokoll:} In Bezug auf die \textit{Datenschutzgrundverordnung} (DSGVO) soll der VPN-Dienst im Regelbetrieb keine personenbezogenen Daten protokollieren.
An der Firewall sind zwei lokale Netze angeschlossen: (1) Die \textit{Demilitarisierte Zone} (DMZ) und (2) das interne Abteilungsnetz, welches durch einen zentralen Switch in mehrere \textit{virtuelle Netze} (VLANs) unterteilt wird.
Von der Abteilung Informatik betriebenen Server stellen in diesem Netz Dienste zur Verfügung, die sowohl innerhalb der Abteilung als auch über das Internet erreichbar sind.
Verbindungen in die DMZ zu Diensten wie VPN sind aus allen anderen Zonen heraus erlaubt.
Verbindungen aus der DMZ in alle anderen Zonen sind verboten, um im Fall eines Sicherheitsvorfalls Angriffe auf alle anderen Zonen zu verhindern.
Eine Ausnahme für dieses Verbot sind Verbindungen vom VPN-Dienst, die in das Mitarbeiter-Netz aufgebaut werden dürfen.
In diesem Abschnitt soll aus dem Arbeitsauftrag aus Kapitel~\ref{cpt:the_task} ein konkretes Vorhaben entstehen.
Dafür wird in diesem Kapitel das Konzept für den VPN-Dienst und das Konzept für die Benutzerverwaltung anhand der in Kapitel~\ref{cpt:the_task} ermittelten Anforderungen und Rahmenbedingungen erstellt.
Um VPN-Benutzern einen Zugang zum Netz der Abteilung Informatik zu ermöglichen, muss ein Zugangspunkt im Netz der Abteilung geschaffen werden, der für die VPN-Benutzer über das Internet erreichbar ist.
Deshalb wird das VPN in Client-Server-Architektur aufgebaut, wobei der VPN-Server die Rolle des Zugangspunkts einnimmt.
Das Betriebssystem für den VPN-Server ist Debian 9 (\ref{req:serveros}).
Der Server wird an das DMZ-Netz der Abteilung Informatik angeschlossen, weil Server in diesem Netz Dienste anbieten können, die im Internet erreichbar sind.
Damit nur Benutzer den VPN-Zugang benutzen können, die als Beschäftigte oder Studierende zur Abteilung Informatik gehören (\ref{req:users}), müssen sich VPN-Benutzer gegenüber dem VPN-Server authentisieren.
Bevor das passiert, muss sich der VPN-Server gegenüber dem VPN-Benutzer authentisieren. Damit wird sichergestellt, dass die Authentisierung nur gegenüber dem VPN-Server der Abteilung Informatik durchgeführt wird.
Die Authentisierung des VPN-Servers gegenüber der VPN-Clients soll mit X.509-Public-Key-Zertifikaten durchgeführt werden.
Die Details zur Authentisierung von Benutzern und der Verwaltung autorisierter Benutzer werden in Kapitel~\ref{sct:user_concept} behandelt.
\item Angabe von Benutzername und Passwort für einen durch OpenVPN verwendeten HTTP- oder SOCKS-Proxy
\end{itemize}
Somit muss entschieden werden, ob die Authentisierung von VPN-Benutzern über Zertifikate oder über Zugangsdaten in Form von Benutzername und Passwort durchgeführt werden soll.
Die Verwendung von Zugangsdaten zur Authentisierung bietet dem Benutzer einen hohen Komfort:
Die Eingabe einer Kombination aus Benutzername und Passwort erfordert keine individuellen Konfigurationen am OpenVPN-Client.
Zusätzlich ist denkbar, dass bereits existierende Zugangsdaten - wie zum Beispiel das Hochschulkonto des Benutzers - zur Authentisierung verwendet werden könnten.
Eine Benutzerverwaltung auf dieser Form der Authentisierung erfordert nur wenige Handgriffe durch den Systemadministrator, da eine Liste berechtigter VPN-Benutzer auf Basis aktuell zur Verfügung stehender Verzeichnisdienste automatisch generiert werden könnte.
Alternativ wäre auch die manuelle Pflege einer Whitelist von Benutzerkonten denkbar, die in einem bestehenden Verzeichnisdienst bereits existieren.
Ein weiterer Vorteil bestünde darin, dass man sich auf den Aktivitätsstatus der Benutzerkonten in bestehenden Verzeichnisdiensten verlassen kann, um Benutzer auszuschließen, die nicht mehr als Beschäftigte oder Studierende zur Hochschule Hannover gehören.
Ein VPN-Dienst, der Benutzer über eingegebene Zugangsdaten authentisiert kann zu einem Ziel für einen Brute-Force-Angriff werden.
Kompromittierte Zugangsdaten können in diesem Fall mindestens für den Missbrauch des VPN-Dienst verwendet werden.
Zusätzlich ist je nach konkreter Implementierung denkbar, dass kompromittierte Zugangsdaten auch für den Missbrauch anderer Systeme verwendet werden können, für die diese Zugangsdaten gültig sind.
Das Schadenspotential umfasst in diesem Fall zusätzlich zu über den VPN-Zugang begangene Straftaten auch das Ausspähen von persönlichen Daten, die über die kompromittierten Zugangsdaten zugänglich sind.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, dass Zugangsdaten zum Zweck der Benutzerauthentisierung durch OpenVPN-Client und -Server, sowie zusätzlich auf dem Server eingebundene Authentisierungsprogramme verarbeitet und übertragen werden müssen.
Die involvierten Programme erhöhen die Menge des Quellcodes, der aufgrund seiner Position als Angriffsfläche keine Schwachstellen enthalten darf.
Da die Abwesenheit von Schwachstellen in Quellcode nicht garantiert werden kann, ergibt sich der Verwendung von Zugangsdaten zur Benutzerauthentisierung ein erhöhtes Bedrohungsrisiko.
Die Authentisierung von Benutzern anhand von Zertifikaten erfordert den Aufbau und die Verwaltung einer \textit{Public-Key-Infrastructure} (PKI) und bringt somit erst einmal eine Reihe Nachteile mit sich:
Für die Benutzer ergibt sich ein zusätzlicher Aufwand durch das regelmäßige Beantragen von neuen Zertifikaten, sowie die Notwendigkeit der Anpassung der OpenVPN-Clientkonfiguration.
Auch für den Systemadministrator ergibt sich dieser zusätzliche Aufwand in Bezug auf die regelmäßige Erneuerung des Serverzertifikats und der \textit{Certificate Revocation List} (CRL).
Zusätzlich ist der Systemadministrator mit der Betreuung der \textit{Zertifizierungsstelle} (CA) beschäftigt, nimmt die Zertifikatsanträge der Benutzer entgegen, prüft diese und stellt Benutzerzertifikate aus.
Auch das Stehlen von privaten Schlüsseln kann einem Angreifer weniger attraktiv gemacht werden, wenn man den privaten Schlüssel nur in verschlüsselter Form ablegt.
Sollte ein privater Schlüssel dennoch kompromittiert werden, besteht jederzeit die Möglichkeit, diesen durch eine Ergänzung der CRL von der CA unbrauchbar zu machen.
Zusätzlich gilt, dass ein kompromittierter Schlüssel lediglich zur Benutzung des VPN-Dienst berechtigt.
Dadurch reduziert sich der potentielle Schaden, den ein Angreifer mit einem kompromittierten Schlüssel anrichten könnte, da der Angreifer lediglich den VPN-Dienst im Namen des Besitzers des kompromittierten Schlüssels benutzen könnte.
Würde man VPN-Benutzer über ihr Hochschulkonto authentisieren, so hätte ein Angreifer mit einem kompromittierten Hochschulkonto beispielsweise Zugriff auf E-Mails, das Homelaufwerk oder Prüfungsergebnisse des Kontobesitzers.
Insgesamt bringt die Authentisierung von Benutzern mit Zertifikaten im Vergleich zur Authentisierung auf Basis von Zugangsdaten einen höheren Arbeitsaufwand mit sich.
Dafür besteht ein reduziertes Bedrohungsrisiko bei kompromittierten privaten Schlüsseln als im Vergleich zu kompromittierten Zugangsdaten, welche gegebenenfalls für weitere Dienste gültig sein können.
Außerdem ist die Angriffsfläche beim Einsatz von Zertifikaten geringer, da kein zusätzlicher Code in das System integriert wird, durch das Zugangsdaten verarbeitet würden.
Anhand der Anforderungen~\ref{req:dualstack} bis \ref{req:finance} aus Kapitel~\ref{par:requirements} werden vorhandene Programme ermittelt, die sich als Kandidat zur Umsetzung des VPN-Dienstes eignen.
Aufgrund des finanziellen Rahmens (\ref{req:finance}) kommt nur kostenfreie Software in Frage, deren Serverkomponente mit aktuellem Debian (\ref{req:serveros}) kompatibel ist.
Die Vorgabe von vertraulicher und authentisierter Kommunikation zwischen VPN-Client und VPN-Server (\ref{req:traffic}) impliziert, dass in der gesuchten Software Algorithmen zum Verschlüsseln und Signieren von Daten verwendet werden.
Jedermann kann öffentlich lesbaren Quellcode auf mögliche Sicherheitslücken untersuchen; dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit bestehende Sicherheitslücken zu finden.
Außerdem kann vermutet werden, dass gefundene und behobene Sicherheitslücken besser kommuniziert werden, da alle Änderungen am Quellcode ohnehin sichtbar sind.
Das wirkt sich auch auf Reaktionszeiten der Software-Distributoren aus: Entsprechend aktualisierte Softwarepakete stehen in der Regel zeitnah bereit und können sofort installiert werden.
Weiterhin soll die gesuchte Software IPv4 und IPv6 unterstützen (\ref{req:dualstack}), die Routingtabellen der VPN-Clients (\ref{req:routing}) anpassen können und in Bezug auf Protokollierung (\ref{req:logging}) konfigurierbar sein.
Ausgangspunkt für die Suche nach passender VPN-Software ist die Wahl der Serverkomponente: Sie soll quelloffen sein und auf einem Server mit aktuellem Debian eingesetzt werden können.
Deshalb sind die Debian-Paketquellen die erste Anlaufstelle für die Suche.
Durch die Nutzung der Paketquellen ist das Installieren von Sicherheitsaktualisierungen über den Debian-Paketmanager möglich.
Arbeitsschritte wie das Anpassen und Kompilieren des Quellcodes, sowie Tests und das Packen der Software werden von den Verwaltern der Debian-Pakete ausgeführt.
Um den Wartungsaufwand des VPN-Servers zu reduzieren, kann die Installation von Updates durch den Debian-Paketmanager automatisiert werden \cite[][Kapitel 6.7 und 6.8]{book:debian}.
Somit muss der Systemadministrator lediglich Upgrades zur nächsthöheren Debian-Version durchführen, da dabei Anpassungen an der Systemkonfiguration notwendig werden.
Im Folgenden werden mögliche Software-Kandidaten aus den Debian-Paketquellen vorgestellt.
Strongswan\footnote{\url{https://wiki.strongswan.org/projects/strongswan/wiki/IntroductionTostrongSwan},\\zuletzt abgerufen am 18.07.2018} ist eine quelloffene, modular aufgebaute Software, die unter den in \ref{req:serveros} und \ref{req:clientos} genannten Betriebssystemen läuft.
Strongswan wird unter der GPLv2-Lizenz verbreitet\footnote{\url{https://wiki.strongswan.org/projects/strongswan/wiki/Contributions},\\ zuletzt abgerufen am 04.09.2018}.
Das beinhaltet unter anderem Vertraulichkeit übertragener Daten durch den Einsatz von Verschlüsselung, Authentisierung von Paketen durch Prüfung von Prüfsummen, und Schutz vor Replay-Angriffen \cite[Vergleich][Kapitel 2.1]{RFC4301}.
Das Protokoll \textit{IP Authentication Header} (AH) ist in \cite[][]{RFC4302} definiert und ermöglicht den Versand von authentisierbaren Paketen an eine Gegenstelle.
Die Gegenstelle kann die Prüfsumme des empfangenen Pakets berechnen und mit der im Paket enthaltenen Prüfsumme abgleichen \cite[Siehe][Kapitel 3.3.3]{RFC4302}.
Die Funktion zur Berechnung der Prüfsumme wird nicht explizit definiert und kann daher anhand der zur Zeit aktuellen Vorgaben \cite[definiert in][]{RFC8221} gewählt werden.
Abhängig von der gewählten Funktion fließen bereits im Vorfeld ausgehandelte gemeinsame Geheimnisse oder Signaturalgorithmen in die Berechnung der Prüfsumme ein, sodass eine korrekte Prüfsumme ein Paket authentisiert.
Das Protokoll \textit{IP Encapsulating Security Payload} (ESP) ist in \cite[][]{RFC4303} definiert und ermöglicht den Versand von Paketen mit vertraulichen Inhalten an eine Gegenstelle.
Ähnlich wie bei dem AH-Protokoll ist auch im ESP-Protokoll die Authentisierung von Paketen mit einer Prüfsumme vorgesehen \cite[Siehe][Kapitel 2.8]{RFC4303}.
Da die Sender- und Empfängeradressen der IP-Pakete hierbei nicht verändert wird, kann dieser Modus nur für direkte Ende-zu-Ende-Kommunikation verwendet werden.
Im Tunnelmodus werden die IP-Paketen selbst in AH- beziehungsweise ESP-Pakete gekapselt.
Im Anschluss werden die AH- beziehungsweise ESP-Pakete dann in neue IP-Pakete gekapselt, deren Sender- und Empfängeradressen sich von denen des inneren IP-Paketes unterscheiden dürfen.
Die Protokolle AH und ESP definieren selbst kein Verfahren zum Aushandeln von verwendeten Prüfsummenfunktionen, kryptografischen Algorithmen oder allgemeiner Konfigurationsparameter.
Auch der Austausch gemeinsamer Geheimnisse beziehungsweise Schlüsselmaterial wird nicht definiert.
Strongswan implementiert (neben weiteren Protokollen) das Protokoll IKEv2\footnote{Internet Key Exchange Protokoll Version~2, definiert in \cite[][]{RFC7296}} und kann darüber authentisiert und verschlüsselt mit IKEv2-Gegenstellen kommunizieren.
Dabei werden mit der Gegenstelle Schlüssel- und Konfigurationsparameter ausgehandelt beziehungsweise ausgetauscht, anhand derer Strongswan IPsec-Verbindungen im Kernel des Host-Betriebssystems konfigurieren kann.
OpenVPN ist eine quelloffene Software zur Einrichtung von VPNs in Peer-to-Peer oder Client-Server-Architektur \cite[][Abschnitt \enquote{Server Mode}]{man:openvpn}.
Sie läuft unter den in \ref{req:serveros} und \ref{req:clientos} genannten Betriebssystemen und wird unter der GPLv2-Lizenz verbreitet.
OpenVPN verwendet die in der Bibliothek OpenSSL enthaltenen Implementationen von kryptografischen Algorithmen \cite[][Abschnitt \enquote{Introduction}]{man:openvpn}.
OpenVPN unterstützt IPv4 und IPv6 sowohl als Transportprotokoll innerhalb eines VPN, als auch als Hüllenprotokoll zur Kommunikation zwischen OpenVPN-Prozessen.
Die Kommunikation zwischen zwei OpenVPN-Prozessen erfolgt durch den Versand von UDP-Paketen.
Wird UDP durch eine Firewall blockiert, kann man auf TCP ausweichen\cite[][Option \texttt{--proto}]{man:openvpn}.
OpenVPN läuft im Benutzerkontext und unterstützt nach dem Programmstart den Wechsel in einen nicht-privilegierten Benutzerkontext \cite[Siehe][Option \texttt{--user}]{man:openvpn}, um im Fall eines erfolgreichen Angriffs den potentiellen Schaden zu begrenzen.
Die Kommunikation zwischen OpenVPN-Client und -Server enthält zwei Kanäle: Einen Datenkanal und einen Kontrollkanal \cite[][Abschnitt \enquote{TLS Mode Options}]{man:openvpn}.
Über ihn werden Konfigurationsparameter vom Server an den Client übertragen \cite[][Option \texttt{--pull}]{man:openvpn}.
Gleichzeitig senden sich Client und Server \enquote{keepalive}-Nachrichten durch den Kontrollkanal, um die VPN-Sitzung bei Inaktivität auf dem Datenkanal aufrecht zu halten \cite[][Option \texttt{--keepalive}]{man:openvpn}.
Im \enquote{TLS Mode} wird über den Kontrollkanal eine TLS-Sitzung aufgebaut, in der Chiffren und Schlüssel ausgetauscht werden, mit denen der Datenkanal geschützt werden soll.
Dadurch ist die Authentisierung von Client und Server mit X.509-Public-Key-Zertifikaten\footnote{X.509-Public-Key-Zertifikate werden oft als \enquote{SSL-Zertifikate} bezeichnet} möglich.
Zusätzlich kann \textit{Perfect Forward Secrecy} (PFS) durch Einsatz des Diffie-Hellman-Verfahren für den Schlüsselaustausch erreicht werden \cite[Vergleich][Abschnitt \enquote{TLS Mode Options}]{man:openvpn}.
Im \enquote{Static Key Mode} wird beiden Prozessen beim Start ein zuvor geteiltes gemeinsames Geheimnis als Parameter gegeben, mit dem der Datenkanal zwischen den beiden Prozessen symmetrisch verschlüsselt wird \cite[][Option \texttt{--secret}]{man:openvpn}.
Aktuell (am 12.10.2018) befindet sich Wireguard noch in Entwicklung, der Quellcode wird noch als experimentell eingestuft\footnote{Vergleich \url{https://www.wireguard.com/install/}}.
Wireguard wurde als Kernel-Modul für Linux entwickelt, welches einen Umfang von weniger als 4000 Zeilen Code hat \cite[][Abschnitt VII]{wireguard:intro}, wodurch Audits und Reviews erleichtert werden \cite[][Abschnitt VII]{wireguard:intro}.
Im Vergleich zu OpenVPN und IPsec arbeitet Wireguard als Kernel-Modul schneller und effizienter \cite[][Abschnitt VIII]{wireguard:intro}.
Für MacOS, FreeBSD und Windows (Unterstützung für Windows ist noch nicht fertiggestellt) wird mit \texttt{wireguard-go} eine in Go geschriebene Wireguard-Implementation entwickelt.
Eine auf Rust aufbauende Implementation wird unter der Bezeichnung \texttt{wireguard-rs} entwickelt\footnote{Siehe \url{https://www.wireguard.com/xplatform/}}.
Wireguard arbeitet nur auf OSI-Layer~3 und unterstützt IPv4 und IPv6 sowohl zur Kommunikation zwischen zwei Netzwerkteilnehmern, als auch für den Transport durch den Netzwerktunnel \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Die durch Wireguard geschützten IP-Pakete werden in UDP-Paketen gekapselt zwischen den Netzwerkteilnehmern übertragen \cite[][Abschnitt III]{wireguard:intro}.
Durch das periodische Senden von \enquote{Keepalive}-Nachrichten \cite[][Abschnitt VI, Absatz E]{wireguard:intro} können Wireguard-Sitzungen, auch hinter \textit{Network Address Translation} (NAT) \cite[][Abschnitt II]{wireguard:intro}, aufrecht gehalten werden.
Während OpenVPN und IPsec die Konfiguration der zu verwendenden kryptografischen Algorithmen und Parameter erlauben, gibt Wireguard diese fest vor.
Sollten Schwachstellen in der verwendeten Kryptografie vorliegen, so müssen alle Wireguard-Endpunkte mit Sicherheitsaktualisierungen versorgt werden \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Durch diesen Schritt wird Wireguard weniger komplex; Verwundbarkeiten, wie sie bei SSL/TLS häufig aufgetreten sind, werden vermieden \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Ein Netzwerkteilnehmer wird durch seinen öffentlichen Schlüssel eindeutig identifiziert.
Dieser öffentliche Schlüssel ist ein Punkt auf der elliptischen Kurve \texttt{Curve25519}, welcher mit 32~Bytes beschrieben wird \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Der Austausch von Sitzungsschlüsseln wird durch das Diffie-Hellman-Verfahren auf elliptischen Kurven durchgeführt, dessen Ergebnisse mit einer Schlüsselableitungsfunktion auf Basis eines HMAC (HKDF) gestreckt werden \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Für die Verschlüsselung des VPN-Verkehrs wird die in \cite{RFC7539} konstruierte \textit{Authenticated Encryption with Associated Data} (AEAD)-Chiffre aus ChaCha20 und Poly1205 verwendet \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Bevor eine Wireguard-Sitzung zwischen zwei Teilnehmern konfiguriert werden kann, müssen die beiden Teilnehmer ihren öffentlichen Schlüssel austauschen.
Dieser Austausch ist mit Absicht nicht durch Wireguard spezifiziert und wird, wie auch bei OpenSSH, den Teilnehmern selbst überlassen \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
Um eine Sitzung mit einem anderen Teilnehmer zu konfigurieren, muss zunächst die eigene Wireguard-Netzwerkschnittstelle konfiguriert werden \cite[Vergleich][Abschnitt II]{wireguard:intro}.
Seit Veröffentlichung des Wireguard-Papers \cite[][]{wireguard:intro} im Frühling 2017 ist im Juli 2018 eine kryptografische Analyse des Wireguard-Protokolls \cite[][]{wireguard:analysis} erschienen.
Aufgrund einer direkten Abhängigkeit zwischen dem Schlüsselaustausch-Protokoll und der ersten Nachricht des darauf folgenden Datentransport-Protokolls, welche den Sitzungsinitiator gegenüber dem anderen Sitzungsteilnehmer authentisiert, würden die Autoren die Sicherheit des Schlüsselaustauschs nicht beweisen können.
Technisch betrachtet sei die Phase des Schlüsselaustauschs dadurch kein 1-RTT, da der andere Teilnehmer erst dann mit der Datenübertragung beginnen könne, nachdem der Sitzungsinitiator sich mit der ersten Datentransport-Nachricht authentisiert habe \cite[][Abschnitt 1, \enquote{Security of WireGuard}]{wireguard:analysis}.
Im weiteren Verlauf wählen die Autoren eine Analysemethode, die eine Trennung von Handshake-Protokoll und Datentransport-Protokolls verlangt, welche die Autoren durch minimale Veränderungen am Wireguard-Protokoll herbeiführen \cite[][Abschnitt 1, \enquote{Our Contributions}]{wireguard:analysis}.
Zusätzlich zeigen die Autoren Aspekte des Wireguard-Protokolls auf, die nicht Teil ihrer Analyse waren und sprechen ihre Empfehlung dafür aus, Wireguard weiteren Analysen zu unterziehen \cite[][Abschnitt 6]{wireguard:analysis}.
Die zuvor vorgestellten VPN-Softwarelösungen OpenVPN und Strongswan werden nun in den folgenden Kategorien miteinander verglichen, um im Anschluss die Software zu ermitteln, mit der das Vorhaben dieser Arbeit umgesetzt wird.
Strongswan kommuniziert mit kompatiblen Gegenstellen über das IKEv2-Protokoll, welches über UDP auf Port~500 (bei stattfindender \textit{Network Address Translation} (NAT) auf Port~4500) übertragen wird.
Der durch IPsec geschützte Datenverkehr lässt sich daran erkennen, dass in den übertragenen IPv4- beziehungsweise IPv6-Paketen das Protokoll AH oder ESP eingetragen ist.
Für die Freigabe von IPsec-Datenverkehr in einer Firewall sind somit mehrere Regeln notwendig, während die Freigabe von OpenVPN-Verkehr über UDP-Port~1194 übersichtlicher ausfällt.
Je nach Plattform stehen unterschiedliche grafische Oberflächen zur Verfügung, welche die Benutzung von OpenVPN zusätzlich erleichtern können: Für Linux kann NetworkManager verwendet werden, unter Windows kann OpenVPN-Gui genutzt werden, und unter Mac OS steht Tunnelblick zur Verfügung.
Strongswan hingegen muss für die Benutzung unter Windows zuvor vom Anwender mit Hilfe einer MinGW\footnote{Minimalist GNU for Windows, siehe \url{http://www.mingw.org}}-W64-Umgebung kompiliert werden \cite{strongswan:onwindows}.
Die Mac-Version kann über \texttt{brew}\footnote{\enquote{The missing package manager for macOS}, siehe \url{https://brew.sh}} bezogen werden \cite{strongswan:onmac}.
Wurde Strongswan auf den jeweiligen Clientbetriebssystemen erfolgreich installiert, so läuft die Konfiguration wie bei OpenVPN auf allen Betriebssystemen nach den selben Prinzipien ab.
Da unter Mac OS und Windows bereits IPsec-Funktionalität durch das Betriebssystem zur Verfügung gestellt wird, wird seitens Strongswan keine grafische Oberfläche entwickelt.
Unter Linux kann NetworkManager als grafische Oberfläche für Strongswan verwendet werden.
In der Kategorie Benutzerfreundlichkeit schneidet OpenVPN durch die Bereitstellung von vorkompilierter Software und die Verfügbarkeit grafischer Oberflächen besser als Strongswan ab.
Der Quellcode von OpenVPN ist inklusive der durch OpenVPN verwendeten Bibliotheken, wie zum Beispiel OpenSSL, öffentlich verfügbar.
Auch der Quellcode von Strongswan ist einschließlich des Quellcode aller durch Strongswan eingesetzten Bibliotheken öffentlich verfügbar.
Die Umsetzung eines VPN auf Basis von IPsec impliziert, dass Code aus dem verwendeten Betriebssystemkernel den durch IPsec geschützten Datenverkehr kryptografisch verarbeitet.
Der Kernel des eingesetzten Betriebssystems gehört somit auch zur Menge der eingesetzten VPN-Software.
Die Verfügbarkeit des Quellcodes des Kernels hängt vom verwendeten Betriebssystem ab und ist somit nicht in jedem Fall garantiert.
Damit wird die Forderung nach ausschließlich quelloffener VPN-Software nicht erfüllt.
Sowohl OpenVPN als auch Strongswan sind für alle in \ref{req:clientos} und \ref{req:serveros} genannten Betriebssysteme verfügbar.
Sollten Sicherheitslücken innerhalb von beiden Softwareprojekten bekannt werden, können diese in vergleichbarer Zeit geschlossen werden und auf Client- und Serverrechnern gleichermaßen installiert werden.
Bei einem auf OpenVPN gestützten VPN ist es möglich, TLS-Chiffren, Hashfunktionen und Verschlüsselungsalgorithmen vorzugeben, die unabhängig vom eingesetzten Betriebssystem durch OpenVPN verwendet werden.
Wie bereits in Kapitel~\ref{ssct:strongswan} erläutert wurde, kann Strongswan nur in Kombination mit dem Betriebssystem-Kernels ein IPsec-VPN aufbauen.
Die in \ref{req:clientos} und \ref{req:serveros} genannten Betriebssysteme enthalten unterschiedliche Kernel, die jeweils eine individuelle Implementierung von IPsec enthalten.
Aus diesem Grund kann nicht garantiert werden, dass die verschiedenen Kernel die aktuellen Empfehlungen \cite[Aktuell aus][]{RFC8221} zeitnah gemeinsam unterstützen.
Insgesamt kann für VPN auf Basis von IPsec nicht garantiert werden, dass ein einheitliches Sicherheitsniveau über die verschiedenen Betriebssysteme aufrecht erhalten werden kann.
Erschwerend kommt hinzu, dass Strongswan auf Windows keine Unterstützung für die Einrichtung virtueller IP-Adressen bietet, welche bei IPsec-VPNs im Tunnelmodus zum Einsatz kommen \cite[][Abschnitt \enquote{Important notes}]{strongswan:onwindows}.
Im Betrieb besteht OpenVPN aus einem Prozess, der über eine Konfigurationsdatei alle für den Betrieb notwendigen Informationen erhält.
Eine Konfigurationsdatei für OpenVPN besteht aus einer Liste von Optionen, die das OpenVPN-Programm als Argumente akzeptiert.
Alle Optionen werden in der Manpage von OpenVPN (nach meiner Meinung) ausführlich und leicht verständlich erklärt und sollten für Einsteiger mit Grundkenntnissen in Bezug auf Netzwerke und Linux kein Hindernis darstellen.
Strongswan ist modular aus einer Sammlung von Programmen aufgebaut, die abhängig von einer Sammlung von Konfigurationsdateien (vorgegebene Beispielszenarien enthalten typischerweise Inhalte für vier verschiedene Konfigurationsdateien) zum Einsatz kommen.
Zusätzlich ist beim Einsatz von Strongswan immer der Kernel des Betriebssystems involviert, da die Verarbeitung des IPsec-Datenverkehrs im Kernel durchgeführt wird.
Zusätzlich enthalten die Konfigurationsdateien durch Schweifklammern abgegrenzte Abschnitte, in denen Konfigurationen für bestimmte Kontexte hinterlegt werden.
Durch diese Konstrukte ist es beispielsweise möglich, Standardwerte für eine logische IPsec-Verbindung zu definieren, diese später als Grundlage für eine andere IPsec-Verbindung zu verwenden und bei Bedarf Teile der zuvor definierten Parameter zu überschreiben.
Die verschiedenen Konfigurationsdateien werden in ihren eigenen Manpages detailliert und technisch erläutert, wobei das zusätzlich notwendige Fachwissen für IPsec für einen Einsteiger (nach Meinung des Autors) ein unbequemes Hindernis darstellen kann.
Dabei hat sich gezeigt, dass OpenVPN in den Kategorien Plattformabhängigkeit, Verfügbarkeit des Quellcode, Komplexität und Benutzerfreundlichkeit im Vergleich zu Strongswan besser abschneidet.
OpenVPN benötigt zur Laufzeit die Bibliothek OpenSSL.
OpenSSL stellt seine Funktionen auch als Kommandozeilenwerkzeug zur Verfügung, mit denen alle Basisfunktionen einer Zertifizierungsstelle wie zum Beispiel die Erzeugung von Schlüsselpaaren und Zertifikatsanträgen, sowie das Ausstellen von Zertifikaten auf Basis von Zertifikatsanträgen möglich ist.
Man kann mit OpenSSL eine \textit{Zertifizierungsstelle} (CA) betreiben.
Diese Vorgehensweise verlangt jedoch Fachwissen und Sorgfalt von den Betreibern der CA und eignet sich aufgrund des hohen Aufwands nur für die Verwaltung weniger Benutzer oder zu Zwecken der Lehre.
Mit der Installation von OpenVPN wird die Installation der Software \enquote{EasyRSA} durch den Debian-Paketmanager empfohlen, welches ebenfalls von den OpenVPN-Entwicklern geschrieben wurde.
Dieses Paket enthält eine Sammlung von Shellskripten, welche die Funktionalität von OpenSSL kapseln, um damit einen erleichterten Betrieb einer CA zu ermöglichen.
Die enthaltenen Skripte abstrahieren allgemeine Aufgaben für den Betrieb einer CA.
Das enthält die Erzeugung eines Wurzelzertifikats, das Erzeugen von Zertifikatsanträgen, das Ausstellen von Client- oder Serverzertifikaten auf Basis von Zertifikatsanträgen und das Erzeugen einer \textit{Certificate Revocation List}(CRL).
Dabei ist es durch Anpassen von Konfigurationsdateien möglich, eine CA ganz nach den eigenen Bedürfnissen zu betreiben und Einfluss auf Parameter wie zum Beispiel Schlüssellängen, Laufzeiten von Zertifikaten oder verwendete kryptografische Algorithmen zu nehmen.
Aufgrund der Vorteile von EasyRSA in Bezug auf einfachere Konfiguration und erleichterte Bedienung für CA-Betreiber und Benutzer im Vergleich zur manuellen Umsetzung einer CA, soll EasyRSA für den Aufbau der Zertifizierungsstelle verwendet werden.
Diese Entscheidung wird untermauert von der Tatsache, dass sowohl EasyRSA als auch OpenVPN von den selben Entwicklern weiterentwickelt wird, sodass Kompatibilität zwischen den beiden Softwareprojekten zu erwarten ist.
Die Notwendigkeit zum selbstständigen Entwickeln von Skripten zum Erreichen eines ähnlichen Funktionsumfangs ergibt sich somit nicht.
Die heute (01.10.2018) über GitHub\footnote{\url{https://github.com/OpenVPN/easy-rsa/releases/tag/v3.0.5}} beziehbare Version von EasyRSA trägt die Nummer 3.0.5.
EasyRSA wurde in Version~3 von Grund auf neu geschrieben und verfügt über ein im Vergleich zu EasyRSA Version~2 vereinfachtem Benutzerinterface, welches nun von einem einzigen Kommandozeilenbefehl zur Verfügung gestellt wird.
Zusätzlich hinzugekommen sind neue Features wie etwa die Unterstützung des \textit{Elliptische-Kurven-Kryptosystems} (EKK), Unterstützung von UTF-8 oder die Verwendung von AES256 zum Verschlüsseln von privaten Schlüsseln\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/easy-rsa/blob/v3.0.5/ChangeLog}}.
Aufgrund des Installationsprozess und den in EasyRSA Version~3.0.5 enthaltenen Vorteilen wird entschieden, dass EasyRSA Version~3.0.5 zum Aufbau der CA für den VPN-Dienst eingesetzt wird.
OpenVPN unterstützt die Verwendung von Zertifikaten mit Schlüsseln auf Basis der EKK ab Version~2.4.0\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/README.ec}} vom Dezember 2016 \footnote{Siehe \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/releases/tag/v2.4.0}}.
Die Unterstützung von Zertifikaten mit RSA-Schlüsseln ist jedoch schon in Version~1.2.0 vorhanden gewesen\footnote{Vergleich \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/blob/v2.4.6/ChangeLog}}, und existiert somit spätestens seit Mai 2002.
Zertifikate auf Basis des RSA-Kryptosystems wurden im OpenVPN-Umfeld also mindestens 14 Jahre länger erprobt als Zertifikate auf Basis von EKK.
Die daraus resultierenden Erfahrungswerte sind für die Auswahl des Kryptosystems der VPN-CA ausschlaggebend, da die Zertifikate für den VPN-Dienst, abhängig von ihrem Verwendungszweck, für Zeiträume von 5 bis 20 Jahren gültig sein sollen.
Sollten die Parameter des Kryptosystems oder das Kryptosystem selbst während des Betriebszeitraums nicht mehr als sicher gelten, so muss eine neue CA aufgebaut werden und die unsichere CA ersetzen.
Tritt dieser Fall ein, so ist er mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden, da neue Betriebsparameter für die CA gewählt werden müssen und alle gültigen Zertifikate der alten CA entsprechend ersetzt werden müssen.
Deshalb ist es geboten das Risiko für diesen Fall zu minimieren.
Aus diesem Grund fällt die Wahl auf RSA, da mit RSA im Vergleich zu EKK mehr Erfahrungswerte vorliegen, die für die langfristige Stabilität von RSA sprechen.
Ein weiterer Grund für die Wahl von RSA liegt darin, dass lediglich die Schlüssellänge als Parameter gewählt werden muss.
Mögliche Fehler bei der Wahl einer elliptischen Kurve, wie sie bei EKK notwendig ist, entfallen bei RSA.
Die Vorteile von EKK sind bei dem Anwendungsfall der CA hingegen nicht relevant:
Die im Vergleich zu RSA geringeren Schlüssellängen bei gleichem Sicherheitsniveau werden nicht zwingend benötigt, da die Schlüssel beider Kryptosysteme auf modernen Computern in mehr als ausreichender Anzahl abgespeichert werden können.
Auch auf die im Vergleich zu RSA effizienteren Verfahren in EKK zum Signieren und Verschlüsseln von Daten kann verzichtet werden, da alle diese Operationen auf modernen Computern in wenigen Sekunden berechnet werden können.
OpenVPN empfiehlt eine Schlüssellänge von mindestens 2048 Bit: \textit{\enquote{OpenVPN will migrate to 'preferred' as default in the future. Please ensure that your keys already comply.}}.
Das Profil \enquote{preferred} ist dabei wie folgt definiert: \textit{\enquote{SHA2 and newer, RSA 2048-bit+, any elliptic curve.}}\cite[Aus][Option \texttt{--tls-cert-profile}]{man:openvpn}.
Das BSI empfiehlt Schlüssellängen von mindestens 3000 Bit für Verwendungen über das Jahr 2023 hinaus \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
Damit die CA für 20 Jahre sicher betrieben werden kann, wird auf Basis dieser Empfehlungen die Schlüssellänge auf 4096 Bit festgelegt.
EasyRSA unterstützt zwei Varianten, um den Inhalt des \texttt{Subject}-Felds eines X.509-Zertifikat zu füllen.
Im Modus \enquote{cn\_only} wird nur der \texttt{Common Name} in das \texttt{Subject}-Feld gesetzt.
Im Modus \enquote{org} wird ein \texttt{Distinguished Name} in dem \texttt{Subject}-Feld abgelegt, der die Felder \texttt{Country}, \texttt{Province}, \texttt{City}, \texttt{Org}, \texttt{OU}, \texttt{email} und \texttt{CN} beinhaltet.
Laut Vorgaben soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse der Benutzer in den Clientzertifikaten abgelegt werden.
Somit muss EasyRSA auf den Modus \enquote{org} eingestellt werden.
Für Clientzertifikate wird festgelegt, dass der volle Name im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird, und die E-Mail-Adresse im Feld \texttt{Email Address}.
OpenVPN kann die von der CA ausgestellte \textit{Certificate Revocation List} (CRL) benutzen kann um die Gültigkeit von Clientzertifikaten zu überprüfen.
Da dieses Feature benutzt werden soll, sind Einstellungen in Bezug auf die CRL für diese Arbeit relevant.
Die CRL enthält Informationen über alle von der CA zurückgerufenen Zertifikate und ist nur für einen begrenzten Zeitraum gültig, der anhand der Felder \enquote{Last Update} und \enquote{Next Update} begrenzt wird \cite[][Kapitel 5.1.2]{RFC5280}.
Dabei sollte eine aktualisierte CRL noch vor Erreichen des \enquote{Next Update}-Zeitpunkt der vorherigen CRL durch die CA veröffentlicht werden \cite[][Kapitel 5.1.2.5]{RFC5280}.
Da OpenVPN bei einer abgelaufenen CRL den Dienst verweigert, ist für einen unterbrechungsfreien Betrieb wichtig, dass immer eine gültige CRL zur Verfügung steht.
Grundsätzlich stellt dies kein Problem dar: Sowohl das Ausstellen, als auch das Installieren der CRL auf dem OpenVPN-Server können automatisiert werden.
Um auch bei manueller Installation der CRL einen unterbrechungsfreien Betrieb des VPN-Dienst zu gewährleisten wird für die CRL eine Gültigkeitsdauer von 180 Tagen festgelegt.
Für den Betrieb der Zertifizierungsstelle wird in Absprache mit dem IT-Team eine virtuelle Maschine exklusiv für diesen Zweck erzeugt und im Mitarbeiter-Netz platziert.
Unter Berücksichtigung der Anforderung \ref{req:serveros} aus Kapitel~\ref{par:requirements} wird Debian~9 nach den Vorgaben des IT-Teams auf der virtuellen Maschine installiert.
Durch die Platzierung der CA unterhalb von \texttt{/root} kann nur der Benutzer \texttt{root} die Zertifizierungsstelle benutzen und auf den privaten Schlüssel des Wurzelzertifikats zugreifen.
Lokale Benutzer können über \texttt{sudo} für die Benutzung der CA berechtigt werden.
Zusätzlich können direkte Zugriffsrechte durch die Verwendung von SSH-Schlüsseln für den \texttt{root}-Login verteilt werden.
Gleichzeitig beinhaltet der \texttt{root}-Benutzer eine Warnfunktion: Die Berechtigung für Zugriffe auf die CA impliziert viel Verantwortung und verlangt sorgfältiges Vorgehen bei der Benutzung der CA.
Auch die regelmäßige Kontrolle aller erteilten Berechtigungen und die überlegte Erteilung von Berechtigungen soll zusätzlich motiviert werden.
Neben dem Wurzelzertifikat der CA und der aktuellen CRL benötigen Benutzer eine vorkonfigurierte Version des EasyRSA-Pakets zur Erzeugung von Zertifikatsanträgen.
Um diese Daten zur Verfügung zu stellen, wird auf der virtuellen Maschine der Webserver \texttt{apache2} installiert, welcher ausschließlich das für diesen Zweck erzeugte Verzeichnis \texttt{/public} über HTTP ausliefern soll.
Gleichzeitig signalisieren die Dateirechte, dass die Inhalte unter \texttt{/public} nur durch \texttt{root} verändert werden dürfen und für alle anderen lediglich lesbar zur Verfügung stehen sollen.
Damit der OpenVPN-Server immer Zugriff auf eine aktuelle CRL hat, wird ein Cronjob via \texttt{crontab -e} unter dem Benutzer \texttt{root} eingerichtet, der über die EasyRSA-Skripte eine neue CRL erzeugt und diese anschließend mit den zuvor erläuterten Dateirechten in \texttt{/public} platziert.
Auf dem OpenVPN-Server wird ebenfalls ein Cronjob eingerichtet, der die aktuelle CRL von dem Webserver der CA herunterlädt und in das Konfigurationsverzeichnis von OpenVPN integriert.
Details zur Benutzung der CA sind in dem Dokument \enquote{Dokumentation der Zertifizierungsstelle für den IPv6-VPN-Dienst} im Anhang dieser Arbeit zu finden.
In diesem Kapitel wird gezeigt, wie der Server für den VPN-Dienst installiert und konfiguriert wird. Wie in Kapitel~\ref{par:requirements} bereits geklärt, wird laut Anforderung~\ref{req:serveros} Debian~9 als Betriebssystem verwendet.
Die Konfiguration des Betriebssystems erfolgt dabei nach den Vorgaben des IT-Teams, damit der Dienst ohne zusätzliche Arbeiten als Produktivsystem übernommen werden kann.
Über die vergebenen IPv4- und IPv6-Hostadressen kann der physische Server angesprochen werden, um zum Beispiel für administrative Aufgaben eine SSH-Sitzung zu dem Server aufzubauen.
Um Datenverkehr zwischen den VPN-Clients und dem Netz der Abteilung Informatik routen zu können, wird für IPv4 und IPv6 jeweils ein IP-Adressbereich benötigt, aus dem die VPN-Clients ihre Clientadressen zugewiesen bekommen können.
Für IPv4 wurde das private Netz \texttt{10.2.0.0/16} durch das IT-Team vergeben.
Für IPv6 wurde das Netz \texttt{2001:638:614:1750::/64} vergeben, welches durch die Firewall der Abteilung Informatik an die zuvor vergebene IPv6-Dienstadresse geroutet wird.
Damit VPN-Clients über IPv4 mit dem Abteilungsnetz kommunizieren können, wird der private IPv4-Adressbereich für die VPN-Clients durch den VPN-Server via \textit{Network Address Translation} (NAT) auf die IPv4-Dienstadresse übersetzt.
Durch die Unterscheidung zwischen physischem Server und Dienst bezüglich der vergebenen IP-Adressen kann ein manuelles Failover zwischen zwei identisch konfigurierten Servern (in diesem Beispiel A und B genannt) durchgeführt werden.
Um bei einem Defekt von Server~A ein Failover auf den Server~B durchzuführen, werden zunächst die IP-Dienstadressen auf A deaktiviert.
Anschließend werden die IP-Dienstadressen auf B aktiviert.
Sollte dieses Verfügbarkeitsniveau nicht mehr ausreichen, so muss lediglich ein weiteres IPv6-Netz für VPN-Clients bereitgestellt werden und neue IP-Dienstadressen für einen weiteren VPN-Dienst vergeben werden.
Damit ist ein Parallelbetrieb von zwei OpenVPN-Diensten möglich, die sich in der Konfiguration nur durch ihre IP-Dienstadresse und das verwendete IPv6-Netz für VPN-Clients unterscheiden.
In der OpenVPN-Clientkonfiguration können beide VPN-Dienste eingetragen werden, sodass die Clients bei Ausfall eines Servers automatisch eine Sitzung mit dem zweiten Server aufbauen können.
In Absprache mit dem Erstprüfer dieser Arbeit wurde die folgende Firewall-Richtlinie für den VPN-Server geplant und wird unter Nutzung von \texttt{iptables} umgesetzt.
Diese lokale Richtlinie wird durch die Firewall der Abteilung Informatik ergänzt.
Zuerst werden allgemeine Regeln definiert:
Als Standardverhalten wird festgelegt, dass alle Pakete verworfen werden.
Datenverkehr aus oder in die lokale Loopback-Schnittstelle wird zugelassen.
Datenverkehr mit den Protokollen ICMP und ICMPv6 wird zugelassen.
SSH-Zugriffe auf den Server über TCP-Port~22 werden zugelassen.
UDP-Pakete an den OpenVPN-Dienst auf Port~1194 werden zugelassen.
Vom Server ausgehender Datenverkehr wird grundsätzlich zugelassen, um die Grundfunktionen (beispielsweise: Installieren von Updates, DNS, NTP, \dots) des Betriebssystems zu ermöglichen.
Im Anschluss werden Regeln für die Behandlung des VPN-Datenverkehrs definiert:
Bei IPv4-Verkehr vom VPN-Netz zum Netz der Abteilung Informatik wird via NAT die Absenderadresse auf die IPv4-Dienstadresse übersetzt.
Datenverkehr, der aus dem VPN-Netz wieder in das VPN-Netz geroutet wird, soll verworfen werden.
Datenverkehr aus dem VPN-Netz über TCP oder UDP auf Port~2049 (NFS) wird verworfen.
Jeglicher weiterer Datenverkehr aus dem VPN-Netz heraus ist gestattet.
Alle Details zu Installation und Betrieb des VPN-Servers sind in dem Dokument \enquote{IPv6-VPN Serverdokumentation} im Anhang dieser Arbeit zu finden.
Da auf dem Server neben den Dienstadressen auch die Hostadressen existieren, wird OpenVPN mit \texttt{multihome} angewiesen, eingehende Pakete mit der IP-Adresse zu beantworten, an die diese Pakete gerichtet waren.
In der \textbf{Clientkonfiguration} wird OpenVPN mit \texttt{nobind} angewiesen, den Clientsocket nicht an eine lokale Adresse zu binden. Die Angaben \texttt{port} und \texttt{proto} legen fest, wie der VPN-Server zu erreichen ist.
Das UDP-Protokoll wird verwendet, weil das TCP-Protokoll in Kombination mit stark ausgelasteten Netzwerken oder beim Transport von TCP-Paketen durch den VPN-Tunnel Performanceeinbußen verursachen kann \cite[][Option \texttt{--proto}]{man:openvpn}.
OpenVPN unterstützt den Aufbau eines VPN-Tunnels auf OSI-Layer~2 und OSI-Layer~3.
Im Prinzip könnten beide Tunnelvarianten für den Anwendungsfall dieser Arbeit verwendet werden.
Da im Rahmen dieser Arbeit nur die Erreichbarkeit über IPv4 und IPv6 relevant ist, wird ein VPN-Tunnel auf OSI-Layer~2 nicht benötigt.
Zusätzlich würde ein VPN-Tunnel auf OSI-Layer~2 mehr Bandbreite benötigen: IP-Pakete würden inklusive der dazugehörigen Ethernet-Frames übermittelt.
Aus diesen Gründen fällt die Wahl auf VPN-Tunnel auf OSI-Layer~3 und wird mit der folgenden Anweisung in \textbf{Client- und Serverkonfiguration} eingestellt.
Für das vergebene IPv4-Netz wurde berücksichtigt, dass bis zu 500 VPN-Clients mit IP-Adressen versorgt werden können, indem ein \texttt{/16}-Block vergeben wurde.
Mit \texttt{topology subnet} wird festgelegt, dass die IPv4-Adressvergabe so durchgeführt werden soll, als wären alle VPN-Clients mit dem VPN-Server in einem Subnetz.
Anschließend werden mit \texttt{server} und \texttt{server-ipv6} die IP-Netze festgelegt, die an die VPN-Clients vergeben werden sollen.
In der \textbf{Serverkonfiguration} werden \texttt{push}-Anweisungen eingetragen, über die IPv4- und IPv6-Routen an die VPN-Clients bekannt gegeben werden können.
Ein VPN-Client ist durch die Anweisung \texttt{client} implizit auch mit dem Parameter \texttt{pull} konfiguriert, sodass die vom Server über \texttt{push} bekanntgegebenen Optionen übernommen werden.
Da der Platzhalter \texttt{vpn\_gateway} für IPv6-Routen leider nicht funktioniert, muss hier die IPv6-Adresse des VPN-Servers im VPN direkt als Ziel der Route angegeben werden.
Am 03.06.2018 wurden Hinweise in der Manpage von OpenVPN eingefügt\footnote{\url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/commit/6795a5f3d55f658fc1a28eb9f3b11d1217e3329c}}, in denen vor der Verwendung von Kompression gewarnt wird.
Diese Hinweise sind in der Manpage von OpenVPN in Version~2.4.6 noch nicht enthalten, da diese Version von den Entwicklern bereits am 19.04.2018\footnote{\url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/releases/tag/v2.4.6}} freigegeben wurde.
Zusätzlich wird in der \enquote{Best Current Practice} RFC~7525 zur Deaktivierung der Kompression von TLS geraten \cite[Vergleich][Kapitel 3.3]{RFC7525}.
Auf der DEFCON~26 wurde mit \enquote{VORACLE} ein in diesem Kontext relevanter Angriff auf OpenVPN vorgestellt\footnote{\url{https://media.defcon.org/DEF\%20CON\%2026/DEF\%20CON\%2026\%20presentations/Nafeez/DEFCON-26-Nafeez-Compression-Oracle-attacks-on-VPN-Networks.pdf}}, der auf aktivierter Kompression aufbaut.
Um die in Kapitel~\ref{sct:user_concept} beschriebene Zertifizierungsstelle zur Benutzerauthentisierung zu verwenden und die VPN-Kommunikation nach Anforderung~\ref{req:traffic} aus Kapitel~\ref{par:requirements} abzusichern, wird OpenVPN im TLS-Modus betrieben.
In der \textbf{Clientkonfiguration} wird dafür der Parameter \texttt{tls-client} gesetzt, in der \textbf{Serverkonfiguration} wird analog dazu der Parameter \texttt{tls-server} verwendet.
Anschließend werden in der \textbf{Client- und Serverkonfiguration} über die Parameter \texttt{ca}, \texttt{cert} und \texttt{key} Dateipfade konfiguriert, unter denen das Wurzelzertifikat, das Client- beziehungsweise Serverzertifikat und der dazugehörige private Schlüssel abgelegt sind.
In der \textbf{Serverkonfiguration} werden zusätzlich über die Parameter \texttt{dh} und \texttt{crl-verify} Dateipfade angegeben, unter denen die im Voraus berechneten Parameter für den Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und die aktuelle Kopie der von der CA herausgegebenen CRL abgespeichert sind.
Um zu unterbinden, dass Clientzertifikate zum Betrieb eines OpenVPN-Servers verwendet werden, wird mit dem Parameter \texttt{remote-cert-tls} in der \textbf{Clientkonfiguration} angegeben, dass von der Gegenseite ein Zertifikat mit \enquote{Serverrolle} präsentiert wird:
\begin{lstlisting}
remote-cert-tls server
\end{lstlisting}
Analog dazu wird in der \textbf{Serverkonfiguration} mit dem selben Parameter verlangt, dass VPN-Clients immer ein Zertifikat mit \enquote{Clientrolle} besitzen.
Wie in Kapitel~\ref{ssct:openvpn} bereits erläutert wurde, unterscheidet OpenVPN bei der Kommunikation zwischen zwei OpenVPN-Prozessen zwischen Datenkanal für Nutzdaten und Kontrollkanal für Steuernachrichten.
Während OpenVPN im TLS-Modus über den Kontrollkanal den TLS-Sitzungsaufbau durchführt und den Kontrollkanal anschließend über TLS absichert, wird für den Datenkanal eine separat konfigurierbare, symmetrische Chiffre verwendet.
Das gemeinsame Geheimnis für den Schutz des Datenkanals wird dabei über den durch TLS geschützten Kontrollkanal ausgetauscht.
Mit den in diese Absatz definierten Parametern soll die Kommunikation zwischen Clients und Server unabhängig von den verwendeten Betriebssystemen einheitlich geschützt werden.
Um Konfigurationsprobleme durch abweichende Konfiguration von Client und Server auszuschließen, werden alle folgenden Parameter in \textbf{Client- und Serverkonfiguration} eingetragen.
Diese Chiffre verwendet \textit{Ephemeral Diffie Hellman} (DHE) für den Schlüsselaustausch \cite[][Abschnitt A.5]{RFC5246}, RSA als Signaturalgorithmus zur Authentisierung \cite[][Abschnitt A.5]{RFC5246}, AES-256-GCM für die Verschlüsselung und SHA384 als Funktion für Pseudozufallszahlen für den \textit{Keyed-Hash Message Authentication Code} (HMAC) \cite[][Kapitel 5]{RFC5246}.
Die eng verwandte Chiffre TLS-ECDHE-RSA-WITH-AES-256-GCM-SHA384 setzt PFS mit ECDHE anstelle von DHE um und wird laut BSI für Dienstanbieter empfohlen \cite[][Kapitel 3]{bsi:tls-checkliste}.
\textbf{Anmerkung}: TLS-Chiffren mit Ephemeral-Diffie-Hellman-Verfahren auf Basis von elliptischen Kurven (ECDHE) können im Rahmen dieser Arbeit nicht verwendet werden.
Grund dafür sind Kompatibilitätsprobleme zwischen OpenVPN und OpenSSL~1.1.x auf der Clientseite\footnote{Siehe \url{https://community.openvpn.net/openvpn/ticket/963}}.
OpenVPN verwendet einen HMAC mit einem zuvor ausgetauschtem, gemeinsamen Geheimnis um für Daten- und Kontrollkanal eingehende Datenpakete vor ihrer Verarbeitung zu authentisieren.
Die im HMAC als Quelle für Pseudozufallszahlen verwendete Hashfunktion wird auf SHA-256 festgelegt, weil SHA-1, trotz seiner weiterhin bestehenden theoretischen Eignung zur Verwendung in einem HMAC, laut BSI nicht mehr verwendet werden sollte \cite[][Abschnitt 1.4, Punkt 3]{bsi:tr-02102-1}.
Wird eine Chiffre mit \textit{Authenticated Encryption with Associated Data} (AEAD) gewählt, so wird die Authentisierungsfunktion der Chiffre anstelle der zuvor beschriebenen HMAC-Funktion für den Datenkanal benutzt \cite[][Option \texttt{--auth}]{man:openvpn}.
Um zu verhindern, dass eine veränderte Clientkonfiguration zu einer möglicherweise weniger sicheren VPN-Sitzung führt, wird die Aushandlung der mit \texttt{cipher} konfigurierten Chiffre in der \textbf{Serverkonfiguration} deaktiviert:
Mit \texttt{keepalive} kann in der \textbf{Serverkonfiguration} angegeben werden, in welchem Intervall eine Ping-Nachricht an die Gegenseite geschickt werden soll.
Diese Anweisung sorgt dafür, dass der Server alle 10 Sekunden eine Ping-Nachricht an den Client schickt und nach einem Zeitlimit von 60 Sekunden ohne Erhalt einer Antwort die Sitzung beendet und damit verbundene Ressourcen wieder freigibt.
Gleichzeitig wird die Anweisung über \texttt{push} an den Client übermittelt, sodass dieser ebenfalls alle 10 Sekunden eine Ping-Nachricht an den Server schickt.
Erhält der Client innerhalb von 30 Sekunden keine Antwort auf seine Ping-Nachricht, so startet er sich neu um einen erneuten Sitzungsaufbau zu versuchen.
Um Verbindungsprobleme auf dem Client frühzeitig erkennen zu können, wird die Option \texttt{connect-timeout} in der \textbf{Clientkonfiguration} verwendet, um nach einem Zeitlimit von 20 Sekunden den Sitzungsaufbau abzubrechen.
Damit Client und Server sich bei einem gewollten Sitzungsabbau gegenseitig benachrichtigen, wird die Option \texttt{explicit-exit-notify} verwendet.
In der \textbf{Clientkonfiguration} wird als zusätzlicher Parameter angegeben, wie oft der Versand der Benachrichtigung an den Server probiert werden soll.
In der \textbf{Serverkonfiguration} gibt der zusätzliche Parameter an, ob der Client einen neuen Sitzungsaufbau bei dem selben VPN-Server oder einem anderen VPN-Server probieren soll.
In diesem Fall soll der selbe Server erneut kontaktiert werden.
Zuletzt wird in der \textbf{Serverkonfiguration} eingestellt, dass ein Clientzertifikat für mehr als eine VPN-Sitzung gleichzeitig verwendet werden darf.
Dadurch kann ein Benutzer den VPN-Zugang auf mehreren Geräten gleichzeitig benutzen, falls das notwendig sein sollte.
Auf den Betriebssystemen Linux und Mac OS kann OpenVPN nach seinem Start nicht mehr benötigte Berechtigungen abgeben und im Kontext eines lokalen Benutzers weiterlaufen.
Dies kann in \textbf{Client- und Serverkonfiguration} bewerkstelligt werden.
OpenVPN kann unter diesen Bedingungen nicht auf bestimmte Ressourcen neuen Zugriffe starten.
Dazu gehören beispielsweise private Schlüssel für Zertifikate oder die virtuelle Netzwerkkarte.
Damit Aktionen wie ein Neustart von OpenVPN auch ohne Privilegien funktionieren können, ist es möglich mit \texttt{persist-tun} und \texttt{persist-key} das Handle auf die virtuelle Netzwerkkarte und bereits gelesene Schlüssel im Speicher zu behalten.
Dann kann über die Parameter \texttt{user} und \texttt{group} gesteuert werden, in welchem Kontext OpenVPN mit reduzierten Privilegien betrieben werden soll.
Für die \textbf{Clientkonfiguration} kann es sinnvoll sein, dass OpenVPN das Passwort, mit dem ein privater Schlüssel geschützt wurde, nicht im Speicher behält.
Um den Detailgrad der Protokolle von OpenVPN zu steuern, können in der \textbf{Client- und Serverkonfiguration} die Parameter \texttt{verb} und \texttt{mute} verwendet werden.
Der Parameter \texttt{verb} steuert dabei den Detailgrad der protokollierten Meldungen über einen Bereit von 0 (keine Meldungen) über 1-4 (normale Meldungen), 5 (Für jedes verarbeitete Paket wird ein Buchstabe in das Log geschrieben) bis hin zu 6-11 (Für Fehlersuche in der Entwicklung).
In der \textbf{Serverkonfiguration} kann mit \texttt{status} dafür gesorgt werden, dass OpenVPN regelmäßig eine Liste aller aktiven Sitzungen in die als Parameter angegebene Datei schreibt.
Eine solche Liste ist nützlich um die Auslastung des Servers zu überwachen.
Während des Vergleichs und der Auswahl der VPN-Softwarekandidaten hat sich gezeigt, dass mit OpenVPN eine flexible und - im Vergleich zu IPsec - unkomplizierte und vollständig quelloffene IPv4- und IPv6-VPN-Lösung geboten wird, die auf allen gängigen Client-Betriebssystemen läuft.
Fortgeschrittene Anwender können zusätzlich die kryptografischen Parameter plattformunabhängig festlegen, mit denen die Kommunikation abgesichert wird.
Die Verwaltung von VPN-Benutzern kann dabei unter anderem über X.509-Public-Key-Zertifikate geschehen, und bietet somit einen fairen Kompromiss aus Flexibilität und Sicherheit.
Die Installation und Konfiguration des VPN-Dienst konnte ohne Komplikationen durchgeführt werden und erfüllt alle gegebenen Anforderungen.
Da die Konzeption in enger Absprache mit dem IT-Team der Abteilung Informatik stattgefunden hat und alle im IT-Team gängigen Vorgehensweisen berücksichtigt wurden, steht dem langfristigen Betrieb des in dieser Arbeit erschaffenen VPN-Servers und der dazugehörigen VPN-CA nichts im Weg.
Mit der in dieser Arbeit erschaffenen VPN-Lösung ist der Bedarf der Abteilung Informatik an VPN-Diensten erst einmal gedeckt worden.
Allerdings bedeutet die erfolgreiche Inbetriebnahme eines neuen Produktivsystems keinesfalls, dass nun nichts mehr zu tun sei.
Es lohnt sich jederzeit, die Aktualisierung und Weiterentwicklung eines Dienstes im Auge zu behalten.
Als Motivation dafür seien mögliche Gewinne in den Punkten IT-Sicherheit, Effizienz, Benutzerfreundlichkeit oder schlicht ein reduzierter Aufwand bei Wartung und Pflege des Dienstes genannt.
Während für diesen Dienst OpenVPN ab Version~2.4.0 zum Einsatz kommt, befindet sich mit OpenVPN~3\footnote{\url{https://github.com/OpenVPN/openvpn3}} ein Nachfolger in Entwicklung.
Der OpenVPN~3 Linux-Client\footnote{\url{https://github.com/OpenVPN/openvpn3-linux}} verfolgt einen modularen Ansatz, bei dem die verschiedenen Module nur mit unbedingt notwendigen Privilegien ausgestattet werden sollen.
Die Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen soll über D-Bus ablaufen\footnote{Siehe \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn3-linux/blob/master/README.md}}.
Sollte sich das jedoch ändern, könnte im Rahmen einer neuen Arbeit untersucht werden, welche Verbesserungen OpenVPN~3 mit sich bringt, und ob ein Umstieg von OpenVPN~2.4.0 auf OpenVPN~3 lohnenswert ist.
Sobald Wireguard für den produktiven Einsatz geeignet ist und Clientsoftware für alle benötigten Betriebssysteme zur Verfügung steht, kann in einer neuen Arbeit untersucht werden, ob die sich die Ablösung des VPN-Dienstes aus dieser Arbeit mit einer neuen Lösung auf Basis von Wireguard lohnt.
Die bisherigen Angaben in Bezug auf Effizienz, Wahl der kryptografischen Parameter und Benutzerfreundlichkeit sprechen nach Meinung des Autors stark dafür, dass ein Umstieg von OpenVPN auf Wireguard vorteilhaft sei.
Zusätzlich wäre ein weiteres Einsatzszenario denkbar, das durch die hohe Effizienz und die einfachen Konzepte von Wireguard möglich gemacht wird.
Nach Wissen des Autors ist es Studierenden der Abteilung Informatik nur mit Genehmigung des IT-Teams erlaubt, ihre Privatgeräte - wie zum Beispiel mitgebrachte Laptops - über Ethernet mit dem Netz der Abteilung Informatik zu verbinden.
Bei erteilter Erlaubnis wird die MAC-Adresse des Privatgeräts auf dem DHCP-Server über eine Whitelist freigeschaltet, damit das Privatgerät über DHCP IP-Adressen beziehen kann und sich dadurch mit dem Netz der Abteilung Informatik verbinden kann.
An dieser Stelle könnte eine Lösung auf Basis von Wireguard ansetzen: Anstatt Zugriffsfreigaben auf Basis von MAC-Adressen zu erteilen, könnte ein mit Wireguard ausgestattetes Gateway so konfiguriert werden, dass nur durch Wireguard authentisierter Datenverkehr in das Netz der Abteilung Informatik weitergeleitet wird.
Als positiver Nebeneffekt werden \enquote{Lauschangriffe} auf Layer~2 durch andere Privatgeräte mit Wireguard durch die Verschlüsselung des Netzwerkverkehrs effektiv verhindert.
Da Wireguard-Teilnehmer durch ihren öffentlichen Schlüssel durch das Gateway eindeutig identifiziert werden können, könnte man zusätzlich untersuchen, ob die Umsetzung unterschiedliche Zugriffsrechte für verschiedene Wireguard-Teilnehmer möglich und sinnvoll ist.
