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\chapter{Einleitung} \label{cpt:introduction}
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Die Menge der noch verfügbaren IPv4-Adressen neigt sich dem Ende zu.
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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}.
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Das entspricht etwa der Hälfte der nutzbaren Host-Adressen eines \texttt{/8}-Blocks.
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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}.
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Vor diesem Hintergrund findet die Verwendung von IPv6 eine zunehmende Verbreitung als Nachfolger von IPv4:
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Immer mehr Internetdienste können über IPv6 erreicht werden, und auch die Internetanbieter stellen ihren Kunden IPv6-fähige Internetanschlüsse zur Verfügung.
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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}.
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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}.
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Auch das Netz der Abteilung Informatik an der Hochschule Hannover ist Vorreiter in der Erprobung von IPv6: Seit Anfang 2015 ist das Netz schon über IPv6 an das Internet angebunden.
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Damit ist die Voraussetzung gegeben, um Netzwerkgeräte für IPv6 zu konfigurieren und bestehende Netzwerkdienste auch über IPv6 anzubieten.
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Mitarbeitern und Studenten der Abteilung Informatik steht ein VPN-Dienst zur Ver\-fü\-gung, um Zugang in das Netz der Abteilung aus dem Internet heraus zu erhalten.
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Bisher ist dieser Dienst nur über IPv4 erreichbar und ermöglicht den Zugang in das Abteilungsnetz ausschließlich über IPv4.
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\newpage
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Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein neuer, IPv6-fähiger VPN-Dienst konzipiert werden, der die Idee des bisherigen IPv4-VPN-Dienst aufgreift.
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Dafür wird zunächst die Netzarchitektur der Abteilung Informatik inklusive dem Firewallkonzept vorgestellt.
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Anschließend werden alle Rahmenbedingungen und Anforderungen erfasst, die bei der Konzeption des neuen VPN-Dienst berücksichtigt werden sollen.
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In der darauf folgenden Konzeptphase werden zunächst grundlegende, lösungsunabhängige Entscheidungen getroffen, auf Basis derer dann eine technischen Lösung ausgewählt wird.
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\todo{Danach geht es weiter mit der Planung der konkreten Lösung, der Installation und der Dokumentation.}
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\chapter{Netzarchitektur der Abteilung Informatik} \label{cpt:netarchitecture}
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Das Netz der Abteilung Informatik wird durch eine Firewall vom Netz der Hochschule Hannover und dem Internet getrennt.
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An der Firewall sind zwei lokale Netze angeschlossen: Die \textit{Demilitarisierte Zone} (DMZ) und das interne Abteilungsnetz, welches durch einen zentralen Switch in mehrere \textit{virtuelle Netze} (VLANs) unterteilt wird.
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Zusätzlich sind die Netze des Netzwerklabors und des IT-Sicherheitslabors über je einen eigenen Router an den Switch angeschlossen.
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Eine Skizze der Netztopologie mit den für diese Arbeit relevanten Teilen ist in Abbildung~\ref{fig:topology_simple} zu sehen.
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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% Trim, da diese Grafik als PDF auf DIN A4 vorliegt.
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\frame{\includegraphics[trim=75 540 75 75,clip,width=\textwidth]{img/Netzwerktopologie_simpelv2_with_addresses.pdf}}
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\caption{Skizze der Netztopologie der Abteilung Informatik}
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\label{fig:topology_simple}
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\end{figure}
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\section{Firewallkonzept} \label{sct:firewall}
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Die im Netz der Abteilung Informatik verwendeten LANs und VLANs werden im Firewallkonzept als verschiedene Sicherheitszonen betrachtet.
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Im Rahmen dieser Arbeit sind die folgenden Zonen relevant:
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\paragraph{Internet}
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Das \enquote{Internet} bezeichnet den Bereich außerhalb des Netzes der Abteilung Informatik.
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Diese Zone umfasst neben dem Internet auch das Netz der Hochschule Hannover.
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Verbindungen in das Internet sind aus allen Zonen außer der DMZ erlaubt.
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Verbindungen aus dem Internet werden nur zu Diensten in der DMZ (wie zum Beispiel VPN), sowie zu dem SSH-Dienst im Mitarbeiter-Netz zugelassen.
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\paragraph{DMZ}
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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.
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Verbindungen in die DMZ zu Diensten wie VPN sind aus allen anderen Zonen heraus erlaubt.
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Verbindungen aus der DMZ in alle anderen Zonen sind verboten, um im Fall eines Sicherheitsvorfalls Angriffe auf alle anderen Zonen zu verhindern.
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Eine Ausnahme für dieses Verbot sind Verbindungen vom VPN-Dienst, die in das Mitarbeiter-Netz aufgebaut werden dürfen.
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\paragraph{Mitarbeiter-Netz}
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Die Rechner aller Mitarbeiter der Abteilung Informatik sind an dieses Netz angeschlossen.
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Verbindungen in das Mitarbeiter-Netz aus dem Pool-PC-Netz und den Labor-Netzen sind erlaubt.
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Außerdem sind Verbindungen von dem VPN-Dienst aus der DMZ in das Mitarbeiter-Netz erlaubt.
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Verbindungen aus dem Mitarbeiter-Netz sind in alle anderen Zonen erlaubt.
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\paragraph{Pool-PC-Netz}
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Enthält die Rechner aus allen Poolräumen.
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Verbindungen in das Pool-PC-Netz sind aus dem Mitarbeiter-Netz und den Labor-Netzen erlaubt.
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Verbindungen aus dem Pool-PC-Netz sind in alle anderen Zonen erlaubt.
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\paragraph{Labor-Netze}
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Das Netzwerklabor und das Labor für IT-Sicherheit werden für diese Arbeit unter der Zone \enquote{Labor-Netze} zusammengefasst.
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Verbindungen aus den Labornetzen heraus sind in alle anderen Zonen erlaubt.
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Verbindungen in die Labornetze sind aus dem Mitarbeiter-Netz und aus dem Pool-PC-Netz heraus erlaubt.
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Ein Überblick der erlaubten Verbindungen zwischen den Sicherheitszonen ist in Tabelle~\ref{tab:firewall_zone_access} skizziert.
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\begin{table}[ht]
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\centering
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\caption{Überblick über erlaubte Verbindungen zwischen Sicherheitszonen}
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\begin{tabular}{ *{6}{|l}| }
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\hline
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& \multicolumn{5}{c|}{\dots in die Zone \dots} \\
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Aus der Zone \dots & Internet & DMZ & Mitarbeiter & Pool-PC-Netz & Labor-Netze \\
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\hline
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Internet & --- & erlaubt & verboten & verboten & verboten \\
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DMZ & verboten & --- & verboten & verboten & verboten \\
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Mitarbeiter & erlaubt & erlaubt & --- & erlaubt & erlaubt \\
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Pool-PC-Netz & erlaubt & erlaubt & erlaubt & --- & erlaubt \\
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Labor-Netze & erlaubt & erlaubt & erlaubt & erlaubt & --- \\
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\hline
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\end{tabular}
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\label{tab:firewall_zone_access}
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\end{table}
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\chapter{Auswahl der VPN-Software} \label{cpt:choosing_vpn_software}
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Das Umfeld, in dem der VPN-Dienst errichtet werden soll, wurde im vorherigen Kapitel bereits vorgestellt.
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In diesem Kapitel wird die Software ausgesucht, mit der der VPN-Dienst umgesetzt werden soll.
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Dazu werden zunächst die Anforderungen ermittelt und analysiert.
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Im Anschluss werden dann passende Softwarekandidaten vorgestellt und für die Auswahl der in dieser Arbeit zu verwendenden Software gegenübergestellt.
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\section{Anforderungsanalyse} \label{sct:requirements}
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In diesem Abschnitt werden alle Anforderungen und Rahmenbedingungen vorgestellt, die bei der Konzeption des neuen VPN-Dienst berücksichtigt werden müssen.
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Es handelt sich hier um Vorgaben, die im persönlichen Gespräch mit dem Auftraggeber und Erstprüfer dieser Arbeit ermittelt wurden.
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\begin{enumerate}[label=Anf\arabic*]
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\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.
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\item \label{req:routing} \textbf{VPN-interner Datenverkehr:} Nur die internen Netzbereiche der Abteilung Informatik sollen für Benutzer über das VPN erreichbar sein.
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Das betrifft alle Sicherheitszonen außer dem Internet.
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\item \label{req:traffic} \textbf{VPN-externer Datenverkehr:} Die Kommunikation zwischen VPN-Client und VPN-Server soll authentisiert und vertraulich stattfinden.
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\item \label{req:users} \textbf{Benutzer:} Der VPN-Dienst soll von autorisierten Mitarbeitern und Studenten aus der Abteilung Informatik benutzt werden können.
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Die Benutzer des VPN-Dienst sollen durch die Administratoren des VPN-Dienst einfach verwaltet werden können.
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\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.
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\item \label{req:clientos} \textbf{Betrieb der VPN-Clients:} Die VPN-Clientsoftware soll für aktuelle Versionen gängiger Betriebssysteme zur Verfügung stehen.
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Darunter fallen Microsoft Windows 10 (Version~1709 oder höher), Apple MAC OS (ab Version~10.13) und Linux-Distributionen (ab Kernel Version~3.10).
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\item \label{req:logging} \textbf{Betriebsprotokoll:} Während des Betrieb des VPN-Dienst sollen keine Daten protokolliert werden, die Rückschlüsse auf das Benutzerverhalten zulassen. Im Rahmen einer laufenden Fehlersuche soll es möglich sein, mehr Daten zu protokollieren.
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\item \label{req:finance} \textbf{Finanzieller Rahmen:} Es stehen keine finanziellen Mittel für den Erwerb einer VPN-Lösung zur Verfügung.
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\end{enumerate}
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Anhand der Anforderungen~\ref{req:dualstack} bis \ref{req:finance} werden vorhandene Programme ermittelt, die sich als Kandidat zur Umsetzung des VPN-Dienstes eignen.
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Aufgrund des finanziellen Rahmens (\ref{req:finance}) kommt nur kostenfreie Software in Frage, deren Serverkomponente mit aktuellem Debian (\ref{req:serveros}) kompatibel ist.
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Die Clientkomponenten der gesuchten Software müssen unter den aktuellen Betriebssystemen lauffähig sein (\ref{req:clientos}).
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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.
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Deshalb soll Kerckhoffs' Prinzip bei der Wahl der VPN-Software angewendet werden, indem ausschließlich quelloffene Software berücksichtigt wird.
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Jedermann kann öffentlich lesbaren Quellcode auf mögliche Sicherheitslücken untersuchen; dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit bestehende Sicherheitslücken zu finden.
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Außerdem kann vermutet werden, dass gefundene und behobene Sicherheitslücken besser kommuniziert werden, da alle Änderungen am Quellcode ohnehin sichtbar sind.
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Das wirkt sich auch auf Reaktionszeiten der Software-Distributoren aus: Entsprechend aktualisierte Softwarepakete stehen in der Regel zeitnah bereit und können sofort installiert werden.
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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.
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\section{Kandidaten für VPN-Serversoftware} \label{sct:software_candidates}
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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.
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Deshalb sind die Debian-Paketquellen die erste Anlaufstelle für die Suche.
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Durch die Nutzung der Paketquellen ist das Installieren von Sicherheitsaktualisierungen über den Debian-Paketmanager möglich.
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Arbeitsschritte wie das Anpassen und Kompilieren des Quellcodes, sowie Tests und das Packen der Software werden von den Verwaltern der Debian-Pakete ausgeführt.
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Die Authentizität der Pakete wird anhand von GPG-Signaturen durch den Paketmanager vor der Installation überprüft \cite[][Kapitel 6.5]{book:debian}.
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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}.
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Somit muss der Systemadministrator lediglich Upgrades zur nächsthöheren Debian-Version durchführen, da dabei Anpassungen an der Systemkonfiguration notwendig werden.
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Im Folgenden werden mögliche Software-Kandidaten aus den Debian-Paketquellen vorgestellt.
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\subsection{Strongswan} \label{ssct:strongswan}
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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 lauffähig ist.
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Sie kann verwendet werden, um in Kombination mit IPsec-fähigen Betriebssystem-Kerneln geschützte Verbindungen zwischen zwei oder mehr Computern einzurichten.
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Strongswan wird unter quelloffen der Lizenz GPLv2 verbreitet\footnote{\url{https://wiki.strongswan.org/projects/strongswan/wiki/Contributions},\\ zuletzt abgerufen am 04.09.2018}.
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IPsec ist ein Internetstandard, der kryptografische Sicherheit für IPv4 und IPv6 (sowie darüber übertragenen Daten) bieten soll.
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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}.
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Mit IPsec können Richtlinien definiert werden, ob und wie Datenverkehr von einem Host zu einem anderen Host geschützt werden soll.
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Zum Schutz des Datenverkehrs können die Protokolle AH und ESP benutzt werden, die in den folgenden Absätzen kurz vorgestellt werden.
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Das Protokoll \textit{IP Authentication Header} (AH) ist in \cite[][]{RFC4302} definiert und ermöglicht den Versand von authentisierbaren Paketen an eine Gegenstelle.
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Vor dem Versand wird über den Inhalt der beim Transport unveränderlichen Felder des IP-Pakets eine Prüf\-sum\-me gebildet.
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Die Gegenstelle kann die Prüfsumme des empfangenen Pakets berechnen und mit der im Paket enthaltenen Prüfsumme abgleichen \cite[Siehe][Kapitel 3.3.3]{RFC4302}.
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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.
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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.
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Eine Verschlüsselung der Paketinhalte ist im AH-Protokoll nicht vorgesehen.
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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.
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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}.
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Aktuell empfohlene Algorithmen zum Berechnen der Prüfsumme oder zum Verschlüsseln der Paketinhalte sind in \cite[][]{RFC8221} aufgeführt.
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Durch die Verschlüsselung der Paketinhalte vor dem Transport wird die Vertraulichkeit der übertragenen Inhalte gewährleistet.
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Als Schlüssel wird ein zwischen Sender und Empfänger im Vorfeld ausgehandeltes gemeinsames Geheimnis verwendet.
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Auch die verwendeten Verschlüsselungsalgorithmen müssen zwischen Sender und Empfänger ausgehandelt werden.
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IPsec kann im Transportmodus und im Tunnelmodus betrieben werden.
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Im Transportmodus werden die Inhalte von IP-Paketen in AH- beziehungsweise ESP-Pakete gekapselt.
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Da die Sender- und Empfängeradressen der IP-Pakete hierbei nicht verändert wird, kann dieser Modus nur für direkte Ende-zu-Ende-Kommunikation verwendet werden.
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Im Tunnelmodus werden die IP-Paketen selbst in AH- beziehungsweise ESP-Pakete gekapselt.
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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.
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Somit ist der Tunnelmodus im Prinzip für die Umsetzung eines VPN geeignet.
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Die Protokolle AH und ESP definieren selbst kein Verfahren zum Aushandeln von verwendeten Prüfsummenfunktionen, kryptografischen Algorithmen oder allgemeiner Konfigurationsparameter.
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Auch der Austausch gemeinsamer Geheimnisse beziehungsweise Schlüsselmaterial wird nicht definiert.
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Dafür wird das \textit{Internet Key Exchange Protocol} (IKE) in Version~2 (IKEv2) verwendet.
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An dieser Stelle kommt Strongswan als IKEv2-Dienst zum Einsatz.
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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.
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Dabei werden mit der Gegenstelle Schlüssel- und Konfigurationsparameter ausgehandelt beziehungsweise ausgetauscht, anhand derer Strongswan IPsec-Verbindungen im Kernel des Host-Betriebssystems konfigurieren kann.
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Die Verarbeitung des durch IPsec geschützten Da\-ten\-ver\-kehrs über die Protokolle AH oder ESP wird jedoch direkt im IPsec-Stack des Kernels abgewickelt.
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Dadurch ist der Einsatz von IPsec für lokal ausgeführte Programme transparent.
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\subsection{OpenVPN} \label{ssct:openvpn}
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OpenVPN ist eine quelloffene Software zur Einrichtung von VPNs in Peer-to-Peer oder Client-Server-Architektur \cite[][Abschnitt \enquote{Server Mode}]{man:openvpn}.
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Sie ist unter den in \ref{req:serveros} und \ref{req:clientos} genannten Betriebssystemen lauffähig und wird quelloffen unter der GPLv2-Lizenz verbreitet.
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OpenVPN ist unterstützt IPv4 und IPv6 sowohl innerhalb eines VPN als auch zur Kommunikation zwischen OpenVPN-Prozessen.
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Als Transportprotokoll kommt UDP zum Einsatz.
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Unter besonderen Umständen kann entgegen der Empfehlungen \cite[][Option \texttt{--proto}]{man:openvpn} auch TCP als Transportprotokoll verwendet werden.
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Des Weiteren läuft es vollständig 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.
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Für die Bereitstellung einer virtuellen Netzwerkkarte als Schnittstelle zum VPN wird ein TUN/TAP-Treiber verwendet.
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Um bestimmten Datenverkehr durch das VPN zu leiten können auf Client und Server Einträge in die Routingtabelle für IPv4 und IPv6 hinzugefügt werden.
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Für lokal ausgeführte Programme entspricht der Einsatz von OpenVPN der Installation einer zusätzlichen Netzwerkkarte im lokalen Rechner - gegebenenfalls müssen die neuen IP-Adressen der virtuellen Netzwerkkarte berücksichtigt werden.
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Die Kommunikation zwischen OpenVPN-Client und -Server enthält zwei Kanäle: Einen Datenkanal und einen Kontrollkanal \cite[][Abschnitt \enquote{TLS Mode Options}]{man:openvpn}.
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Der Kontrollkanal wird zur Kommunikation zwischen zwei OpenVPN-Prozessen verwendet.
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Über ihn werden Konfigurationsparameter übertragen \cite[][Option \texttt{--pull}]{man:openvpn} und überprüft, ob der jeweils andere OpenVPN-Prozess aktiv ist \cite[][Option \texttt{--keepalive}]{man:openvpn}.
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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.
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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.
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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}.
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Außerdem können die zur Verschlüsselung des Datenkanals ausgehandelten Schlüssel während der Sitzung mehrfach erneuert werden.
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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}.
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Alle kryptografische Operationen zur Verarbeitung des VPN-Datenverkehrs, sowie zur Authentisierung werden nur in OpenVPN durchgeführt, welches diese zu großen Teilen an die ebenfalls quelloffene Bibliothek openssl auslagert \cite[][Abschnitt \enquote{Introduction}]{man:openvpn}.
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\subsection{Wireguard}
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Wireguard ist ein Softwareprojekt, mit dem ein geschützter Netzwerktunnel zwischen zwei Netzwerkteilnehmern aufgebaut werden kann.
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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/}}.
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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}.
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Im Vergleich zu OpenVPN und IPsec arbeitet Wireguard als Kernel-Modul schneller und effizienter \cite[][Abschnitt VIII]{wireguard:intro}.
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Für MacOS, FreeBSD und Windows (Unterstützung für Windows ist noch nicht fertiggestellt) wird mit \texttt{wireguard-go} eine in Go geschriebene Wireguard-Implementation entwickelt.
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Eine auf Rust aufbauende Implementation wird unter der Bezeichnung \texttt{wireguard-rs} entwickelt\footnote{Siehe \url{https://www.wireguard.com/xplatform/}}.
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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}.
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Die durch Wireguard geschützten IP-Pakete werden in UDP-Paketen gekapselt zwischen den Netzwerkteilnehmern übertragen \cite[][Abschnitt III]{wireguard:intro}.
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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.
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Während OpenVPN und IPsec die Konfiguration der zu verwendenden kryptografischen Algorithmen und Parameter erlauben, gibt Wireguard diese fest vor.
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Sollten Schwachstellen in der verwendeten Kryptografie vorliegen, so müssen alle Wireguard-Endpunkte mit Sicherheitsaktualisierungen versorgt werden \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
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Durch diesen Schritt wird Wireguard weniger komplex; Verwundbarkeiten, wie sie bei SSL/TLS häufig aufgetreten sind, werden vermieden \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
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Ein Netzwerkteilnehmer wird durch seinen öffentlichen Schlüssel, ein 32~Byte-Punkt auf der elliptischen Kurve \texttt{Curve25519}, eindeutig identifiziert \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
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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}.
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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}.
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Als Hashfunktion kommt BLAKE2s \cite[definiert in][]{blake2s:definition} zum Einsatz \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
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Bevor eine Wireguard-Sitzung zwischen zwei Teilnehmern konfiguriert werden kann, müssen die beiden Teilnehmer ihren öffentlichen Schlüssel austauschen.
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Dieser Austausch ist mit Absicht nicht durch Wireguard spezifiziert und wird, wie auch bei OpenSSH, den Teilnehmern selbst überlassen \cite[][Abschnitt I]{wireguard:intro}.
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Um eine Sitzung mit einem anderen Teilnehmer zu konfigurieren, muss zunächst die eigene Wireguard-Netzwerkschnittstelle konfiguriert werden \cite[Vergleich][Abschnitt II]{wireguard:intro}.
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Dafür wird das Schlüsselpaar des Teilnehmers benötigt, sowie die Angabe, über welchen UDP-Port Wireguard Pakete empfangen und verschicken soll.
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Als nächstes kann die Liste der bekannten Sitzungsteilnehmer mit einem neuen Eintrag versehen werden .
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Der andere Sitzungsteilnehmer wird durch seinen öffentlichen Schlüssel identifiziert.
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Anschließend wird eine Liste von erlaubten IP-Adressen hinzugefügt, die durch den Netzwerktunnel von dem anderen Sitzungsteilnehmer verwendet werden dürfen.
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Optional ist eine Angabe von IP-Adresse und UDP-Port des anderen Sitzungsteilnehmers möglich, damit eine Sitzung direkt aufgebaut werden kann.
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Wird diese Angabe weggelassen, lernt Wireguard diese Informationen aus den empfangenen Paketen des anderen Teilnehmers automatisch.
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Durch diese Flexibilität können Teilnehmer ihre IP-Adresse wechseln, ohne dass die Wireguard-Sitzung dadurch abgebrochen wird.
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Mehr Details zur Benutzung von Wireguard unter Linux können anhand eines Beispiels in \cite[][Abschnitt IV]{wireguard:intro} eingesehen werden.
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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.
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In der Analyse wird auf den Schlüsselaustausch des Protokolls via \textit{One Roundtrip Handshake} (1-RTT) eingegangen.
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Aufgrund einer direkten Abhängigkeit zwischen dem Schlüs\-sel\-austausch-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.
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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}.
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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}.
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Insgesamt kommen die Autoren zu dem Ergebnis, dass im Rahmen ihrer Analyse keine Schwachstellen am Wireguard-Protokoll gefunden wurden, aber eine saubere Trennung zwischen Schlüsselaustausch und Datentransport benötigt wird.
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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}.
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\begin{comment}
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\subsection{tinc}
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\todo{Wenn Zeit übrig ist.}
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\subsection{OpenSSH}
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\todo{Wenn Zeit übrig ist; TCP in TCP ist ein Problem wegen ECN, könnte unter Windows nicht funktionieren?}
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\end{comment}
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\section{Wahl der VPN-Software} \label{sct:choose_vpn_software}
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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 Masterarbeit umgesetzt wird.
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Aufgrund des experimentellen Status von Wireguard wird es für den Aufbau eines produktiv eingesetzten VPN-Servers nicht berücksichtigt.
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\paragraph{Kommunikationsprotokolle}
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OpenVPN kommuniziert über ein eigenes Protokoll auf über UDP (oder in Ausnahmefällen über TCP) auf Port~1194.
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Eine Trennung zwischen Kontrollnachrichten und Datenübertragung erfolgt innerhalb der Software.
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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.
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Der durch IPsec geschützte Datenverkehr lässt sich daran erkennen, dass in den übertragenen IPv4- beziehungsweise IPv6-Paketen das Protokoll AH oder ESP enthalten ist.
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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.
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\paragraph{Benutzerfreundlichkeit}
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OpenVPN steht für Linux/Unix und Windows bereits kompiliert zur Verfügung.
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Für Mac OS wird OpenVPN durch Tunnelblick kompiliert zur Verfügung gestellt.
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Da OpenVPN auf allen Clientbetriebssystemen verfügbar ist, gelten die selben Prinzipien für die Clientkonfiguration auf allen Betriebssystemen.
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Wird OpenVPN mit X.509-Public-Key-Zer\-ti\-fi\-ka\-ten verwendet, so reicht es aus, diese als Datei im PEM-Format bereitzustellen.
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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.
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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}.
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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}.
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Für Linux/Unix stehen kompilierte Versionen zur Verfügung.
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Wurde Strongswan auf den jeweiligen Clientbetriebssystemen erfolgreich installiert, so läuft die Konfiguration wie bei OpenVPN auf allen Betriebssystemen nach den selben Prinzipien ab.
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Da unter Mac OS und Windows bereits IPsec-Funktionalität durch das Betriebssystem zur Verfügung gestellt wird, wird seitens Strongswan keine grafische Oberfläche entwickelt.
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Unter Linux kann NetworkManager als grafische Oberfläche für Strongswan verwendet werden.
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In der Kategorie Benutzerfreundlichkeit schneidet OpenVPN durch die Bereitstellung von vorkompilierter Software und die Verfügbarkeit grafischer Oberflächen besser als Strongswan ab.
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\paragraph{Verfügbarkeit des Quellcode}
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Der Quellcode von OpenVPN ist inklusive der durch OpenVPN verwendeten Bibliotheken, wie zum Beispiel OpenSSL, öffentlich verfügbar.
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Auch der Quellcode von Strongswan ist einschließlich des Quellcode aller durch Strongswan eingesetzten Bibliotheken öffentlich verfügbar.
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Die Umsetzung eines VPN auf Basis von IPsec impliziert, dass Code aus dem verwendeten Betriebssystemkernel den durch IPsec geschützten Datenverkehr kryptografisch verarbeitet.
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Der Kernel des eingesetzten Betriebssystems gehört somit auch zur Menge der eingesetzten VPN-Software.
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Die Verfügbarkeit des Quellcodes des Kernels hängt vom verwendeten Betriebssystem ab und ist somit nicht in jedem Fall garantiert.
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Damit wird die Forderung nach ausschließlich quelloffener VPN-Software nicht erfüllt.
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\paragraph{Plattformabhängigkeit}
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Sowohl OpenVPN als auch Strongswan sind für alle in \ref{req:clientos} und \ref{req:serveros} genannten Betriebssysteme verfügbar.
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Sollten Sicherheitslücken innerhalb von beiden Softwareprojekten bekannt werden, können diese in vergleichbarer Zeit geschlossen werden und auf Client- und Serverrechnern gleichermaßen installiert werden.
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Bei einem auf OpenVPN gestützten VPN ist es möglich, TLS-Chiffren, Hashfunktionen und Verschlüsselungsalgorithmen vorzugeben, die unabhängig vom eingesetzten Betriebssystem durch OpenVPN verwendet werden.
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Für ein VPN mit Strongswan auf Basis von IPsec sieht die Situation anders aus:
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Wie bereits im vorherigen Abschnitt erläutert wurde, ist Strongswan nicht die einzige VPN-Software, die an der Umsetzung des VPN beteiligt ist.
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Auch der Kernel des eingesetzten Betriebssystems wird zur Umsetzung eines solchen VPN benötigt.
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Die in \ref{req:clientos} und \ref{req:serveros} genannten Betriebssysteme enthalten unterschiedliche Kernel, die jeweils eine individuelle Implementierung von IPsec enthalten.
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Aus diesem Grund kann nicht garantiert werden, dass die verschiedenen Kernel die aktuellen Empfehlungen \cite[Aktuell aus][]{RFC8221} zeitnah gemeinsam unterstützen.
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Ebenso sind unterschiedliche Reaktionszeiten auf auftretende Sicherheitslücken zu erwarten, die einen oder mehrere Kernel betreffen.
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Insgesamt kann für VPN auf Basis von IPsec nicht garantiert werden, dass ein einheitliches Sicherheitsniveau über die verschiedenen Betriebssysteme aufrecht erhalten werden kann.
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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}.
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\paragraph{Komplexität}
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Im Betrieb besteht OpenVPN aus einem laufenden Programm, das über eine Konfigurationsdatei alle für den Betrieb notwendigen Informationen erhält.
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Eine Konfigurationsdatei für OpenVPN besteht aus einer zeilenweisen Auflistung von Optionen, die das OpenVPN-Programm als Argumente akzeptiert.
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Alle Optionen werden in der Manpage von OpenVPN (nach Meinung des Autors) ausführlich und leicht verständlich erklärt und sollten für Einsteiger mit Grundkenntnissen in Bezug auf Netzwerke und Linux kein Hindernis darstellen.
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Strong\-swan 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.
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Zusätzlich ist beim Einsatz von Strongswan immer der Kernel des Betriebssystems involviert, da die Verarbeitung des IPsec-Datenverkehrs im Kernel durchgeführt wird.
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Die Konfigurationsdateien bestehen aus zeilenweisen Auflistungen aus Name-Wert-Paaren.
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Zusätzlich enthalten die Konfigurationsdateien durch Schweifklammern abgegrenzte Abschnitte, in denen Konfigurationen für bestimmte Kontexte hinterlegt werden.
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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.
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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.
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\paragraph{Zusammenfassung und Auswahl}
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In diesem Abschnitt wurden OpenVPN und Strongswan als Lösungen für die Umsetzung eines VPN gegenübergestellt.
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Dabei hat sich gezeigt, dass OpenVPN in den Kategorien Plattformabhängigkeit, Verfügbarkeit des Quellcode, Komplexität und Benutzerfreundlichkeit im Vergleich zu Strongswan besser abschneidet.
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Dadurch ist OpenVPN besser für die Umsetzung eines VPN-Dienst geeignet, der die in Abschnitt~\ref{sct:requirements} genannten Anforderungen erfüllt.
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Somit wird OpenVPN als VPN-Software zur Umsetzung des VPN-Dienst gewählt.
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\chapter{Konzeption der Benutzerverwaltung} \label{cpt:user_concept}
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Nachdem die VPN-Software für das Vorhaben dieser Arbeit ausgewählt wurde, wird ein Konzept zur Verwaltung der VPN-Benutzer benötigt.
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Zielgruppe des Dienstes sind Beschäftigte und Studenten der Abteilung Informatik in der Größenordnung von etwa 50-500~Benutzern.
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Beschäftigte und Studenten sollen im zeitlichen Rahmen Ihrer Tätigkeiten in der Abteilung Informatik über das VPN Zugriff erhalten.
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\section{Methoden zur Benutzerauthentisierung} \label{sct:user_auth_methods}
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OpenVPN ermöglicht die Authentisierung von Benutzern mit den folgenden Methoden:
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\begin{itemize}
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\item Authentisierung mit X.509-Public-Key-Zertifikaten
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\item Angabe von Benutzername und Passwort zur Authentisierung durch ein beliebiges Programm auf dem OpenVPN-Server
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\item Angabe von Benutzername und Passwort für einen durch OpenVPN verwendeten HTTP- oder SOCKS-Proxy
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\end{itemize}
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Somit muss entschieden werden, ob die Authentisierung von VPN-Benutzern über Zertifikate oder über Zugangsdaten in Form von Benutzername und Passwort durchgeführt werden soll.
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\paragraph{Authentisierung mit Zugangsdaten} \label{p:auth_cred}
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Die Verwendung von Zugangsdaten zur Authentisierung bietet dem Benutzer einen hohen Komfort:
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Die Eingabe einer Kombination aus Benutzername und Passwort erfordert keine individuellen Konfigurationen am OpenVPN-Client.
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Zusätzlich ist denkbar, dass bereits existierende Zugangsdaten - wie zum Beispiel das Hochschulkonto des Benutzers - zur Authentisierung verwendet werden könnten.
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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.
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Alternativ wäre auch die manuelle Pflege einer Whitelist von Benutzerkonten denkbar, die in einem bestehenden Verzeichnisdienst bereits existieren.
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Ein weiterer Vorteil bestünde darin, dass man sich auf den Aktivitätsstatus der Benutzerkonten in bestehenden Verzeichnisdiensten verlassen kann um Benutzer auszuschließen, die keine Mitgliedschaft an der Hochschule Hannover besitzen.
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Die genannten Vorteile ziehen allerdings auch einige Nachteile mit sich, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen:
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Ein VPN-Dienst, der Benutzer über eingegebene Zugangsdaten authentisiert kann zu einem Ziel für einen Brute-Force-Angriff werden.
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Kompromittierte Zugangsdaten können in diesem Fall mindestens für den Missbrauch des VPN-Dienst verwendet werden.
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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.
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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.
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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.
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Die involvierten Programme erhöhen die Menge des Quellcodes, der aufgrund seiner Position als Angriffsfläche keine Schwachstellen enthalten darf.
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Da die Abwesenheit von Schwachstellen in Quellcode nicht garantiert werden kann, ergibt sich der Verwendung von Zugangsdaten zur Benutzerauthentisierung ein erhöhtes Bedrohungsrisiko.
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\paragraph{Authentisierung mit Zertifikaten} \label{p:auth_cert}
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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:
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Für die Benutzer ergibt sich ein zusätzlicher Aufwand durch das regelmäßige Beantragen von neuen Zertifikaten, sowie die Notwendigkeit der Anpassung der OpenVPN-Clientkonfiguration.
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Auch für den Systemadministrator ergibt sich dieser zusätzliche Aufwand in Bezug auf die regelmäßige Erneuerung des Serverzertifikats und der \textit{Certificate Revocation List} (CRL).
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Zusätzlich ist der Systemadministrator mit der Betreuung der \textit{Zertifizierungsstelle} (CA) beschäftigt, nimmt die Zertifikatsanträge der Benutzer entgegen, prüft diese und stellt Benutzerzertifikate aus.
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Der daraus resultierende Aufwand erhöht sich proportional zu der Anzahl der VPN-Benutzer.
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Dennoch gibt es eine Reihe von Vorteilen, die diesen zusätzlichen Aufwand rechtfertigen:
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Zertifikate haben eine klar definierte Laufzeit, die bei Ausstellung des Zertifikates festgelegt wird.
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Aufgrund der Länge der verwendeten Schlüssel ist es mit herkömmlichen Brute-Force-Angriffen nicht in für Angreifer akzeptabler Zeit möglich, diese zu erraten.
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Auch das Stehlen von privaten Schlüsseln kann einem Angreifer weniger attraktiv gemacht werden, wenn man den privaten Schlüssel nur in verschlüsselter Form ablegt.
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Sollte ein privater Schlüssel dennoch kompromittiert werden, besteht jederzeit die Möglichkeit, diesen durch eine Ergänzung der CRL von der CA unbrauchbar zu machen.
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Zusätzlich gilt, dass ein kompromittierter Schlüssel lediglich zur Benutzung des VPN-Dienst berechtigt.
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Dadurch reduziert sich der potentielle Schaden, den ein Angreifer mit einem kompromittierten Schlüssel anrichten könnte.
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Insgesamt bringt die Authentisierung von Benutzern mit Zertifikaten im Vergleich zur Authentisierung auf Basis von Zugangsdaten einen höheren Arbeitsaufwand mit sich.
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Dafür besteht ein reduziertes Bedrohungsrisiko bei kompromittierten privaten Schlüsseln als im Vergleich zu kompromittierten Zugangsdaten, welche gegebenenfalls für weitere Dienste gültig sein können.
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Außerdem ist die Angriffsfläche beim Einsatz von Zertifikaten geringer, da kein zusätzlicher Code in das System integriert wird, durch das Zugangsdaten verarbeitet würden.
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Unter Abwägung dieser Vor- und Nachteile werden im Rahmen dieser Arbeit Zertifikate zur Authentisierung von Benutzern verwendet.
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\section{Zertifikatgestützte Benutzerauthentisierung} \label{sct:ca_concept}
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Die VPN-Software OpenVPN bringt OpenSSL als Abhängigkeit mit.
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OpenSSL stellt eine Menge von Funktionen als Kommandozeilenwerkzeug zur Verfügung, mit denen alle Basisfunktionen einer Zertifizierungsstelle wie zum Beispiel die Erzeugung von Schlüssel\-paaren und Zertifikatsanträgen, sowie das Ausstellen von Zertifikaten auf Basis von Zertifikatsanträgen möglich ist.
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Im Prinzip ist es möglich, durch manuelle Bedienung von OpenSSL eine \textit{Zertifizierungsstelle} (CA) zu betreiben.
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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.
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\subsection{Zertifizierungsstelle mit EasyRSA} \label{ssct:easyrsa_intro}
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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.
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Dieses Paket enthält eine Sammlung von Shellskripten, welche die Funktionalität von OpenSSL kapseln um damit einen erleichterten Betrieb einer CA zu ermöglichen.
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Die enthaltenen Skripte abstrahieren allgemeine Aufgaben für den Betrieb einer CA.
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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).
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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.
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Aufgrund der Vorteile von EasyRSA in Bezug auf vereinfachter Konfiguration und erleichterter Bedienung für CA-Betreiber und Benutzer im Vergleich zur manuellen Umsetzung einer CA wird entschieden, EasyRSA für den Aufbau der Zertifizierungsstelle zu verwenden.
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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.
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Die Notwendigkeit zum selbstständigen Entwickeln von Skripten zum Erreichen eines ähnlichen Funktionsumfangs ergibt sich somit nicht.
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Das über Debian~9 beziehbare Paket enthält EasyRSA in Version~2.3.x.
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Die zum aktuellen Zeitpunkt (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.
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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.
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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}}.
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Die Installation von EasyRSA wird durch das Kopieren sämtlicher Dateien von EasyRSA in ein neues Verzeichnis durchgeführt.
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Eine auf diese Weise eingerichtete CA kann aus diesem Grund nicht durch den Debian-Paketmanager mit Updates versorgt werden.
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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.
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\subsection{Konfiguration von EasyRSA} \label{ssct:easyrsa_config}
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Bevor mit EasyRSA~3.0.5 eine CA aufgebaut werden kann, muss die Konfiguration von EasyRSA an die Bedürfnisse der CA angepasst werden.
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Die anzupassenden Parameter werden in diesem Abschnitt beschrieben und die dazu getroffenen Entscheidungen erläutert.
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\paragraph{Vorgaben}
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Die folgenden Vorgaben für die CA wurden in Absprache mit dem Auftraggeber und Erstprüfer dieser Arbeit festgelegt:
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Das Wurzelzertifikat soll für 20 Jahre gültig sein.
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Ausgestellte Clientzertifikate sollen für Beschäftigte 5 Jahre lang gültig sein, für Studierende 2 Jahre lang.
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Ausgestellte Serverzertifikate sollen 5 Jahre lang gültig sein.
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In den ausgestellten Benutzerzertifikaten soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse des Benutzers abgelegt werden.
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Die Serverzertifikate sollen den \textit{vollqualifizierten Domainnamen} (FQDN) enthalten.
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\paragraph{Auswahl des Kryptosystems}
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EasyRSA unterstützt sowohl RSA-Schlüsselpaare als auch Schlüsselpaare auf Basis der \textit{Elliptische-Kurven-Kryptografie} (EKK).
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Somit stehen RSA und EKK als Kryptosystems zur Auswahl, mit denen die CA aufgebaut werden kann.
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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}}, die im Dezember 2016 veröffentlicht wurde\footnote{Siehe \url{https://github.com/OpenVPN/openvpn/releases/tag/v2.4.0}}.
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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.
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Zertifikate auf Basis des RSA-Kryptosystems wurden im OpenVPN-Umfeld also mindestens 14 Jahre länger erprobt als Zertifikate auf Basis von EKK.
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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.
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Für das gewählte Kryptosystem müssen Parameter wie die gewünschte Schlüs\-sel\-län\-ge und, im Fall von EKK, eine elliptische Kurve gewählt werden.
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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.
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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.
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Deshalb ist es geboten das Risiko für diesen Fall zu minimieren.
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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.
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Ein weiterer Grund für die Wahl von RSA liegt darin, dass lediglich die Schlüssellänge als Parameter gewählt werden muss.
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Mögliche Fehler bei der Wahl einer elliptischen Kurve, wie sie bei EKK notwendig ist, entfallen bei RSA.
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Die Vorteile von EKK sind bei dem Anwendungsfall der CA hingegen nicht relevant:
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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.
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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.
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Laut BSI kann RSA über das Jahr 2023 hinaus eingesetzt werden \cite[][Kapitel 3.5, Absatz \enquote{Schlüssellänge} (S.38)]{bsi:tr-02102-1}.
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\paragraph{Festlegen der Schlüssellänge}
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Im nächsten Schritt wird die Länge der RSA-Schlüssel festgelegt, die in allen durch die CA ausgestellten Zertifikaten zum Einsatz kommen soll.
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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.}}.
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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}.
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Das BSI empfiehlt den 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}.
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\paragraph{Metadaten}
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EasyRSA unterstützt zwei Varianten, um den Inhalt des \texttt{Subject}-Felds eines X.509-Zertifikat zu füllen.
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Im Modus \enquote{cn\_only} wird nur der \texttt{Common Name} in das \texttt{Subject}-Feld gesetzt.
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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.
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Laut Vorgaben soll der volle Name und die Hochschul-E-Mail-Adresse der Benutzer in den Clientzertifikaten abgelegt werden.
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Somit muss EasyRSA auf den Modus \enquote{org} eingestellt werden.
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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}.
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Für Serverzertifikate wird festgelegt, dass der \textit{vollqualifizierte Domainname} (FQDN) im Feld \texttt{Common Name} abgelegt wird.
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Das Feld \texttt{Email Address} wird mit der Hochschul-E-Mail-Adresse der für den Server zuständigen Administratoren gefüllt.
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Für alle weiteren Felder werden folgende Vorgaben festgelegt:
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\texttt{Country}: \enquote{DE},
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\texttt{Province}: \enquote{Niedersachsen},
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\texttt{City}: \enquote{Hannover},
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\texttt{Org}: \enquote{Hochschule Hannover},
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\texttt{OU}: \enquote{Abteilung Informatik}.
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\paragraph{Gültigkeitsdauer der CRL}
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OpenVPN kann die von der CA ausgestellte \textit{Certificate Revocation List} (CRL) benutzen kann um die Gültigkeit von Clientzertifikaten zu überprüfen.
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Da dieses Feature benutzt werden soll, sind Einstellungen in Bezug auf die CRL für diese Arbeit relevant.
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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}.
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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}.
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Für EasyRSA kann die Gültigkeitsdauer der CRL in Tagen konfiguriert werden.
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Da OpenVPN bei einer abgelaufenen CRL den Dienst verweigert, ist für einen unterbrechungsfreien Betrieb wichtig, dass eine gültige CRL immer zur Verfügung steht.
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Grund\-sätz\-lich stellt dies kein Problem dar: Sowohl das Ausstellen, als auch das Installieren der CRL auf dem OpenVPN-Server können automatisiert werden.
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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.
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\section{Betriebskonzept für die Zertifizierungsstelle} \label{sct:running_ca}
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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.
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Unter Berücksichtigung der Anforderung \ref{req:serveros} aus Abschnitt~\ref{sct:requirements} wird Debian~9 nach den Vorgaben des IT-Teams auf der virtuellen Maschine installiert.
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Das EasyRSA-Paket wird unterhalb von \texttt{/root} ausgepackt und für den Einsatz als CA für den VPN-Dienst konfiguriert.
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\paragraph{Berechtigungen}
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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.
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Lokale Benutzer können über \texttt{sudo} für die Benutzung der CA berechtigt werden.
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Zusätzlich können direkte Zugriffsrechte durch die Verwendung von SSH-Schlüsseln für den \texttt{root}-Login verteilt werden.
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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.
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Auch die regelmäßige Kontrolle aller erteilten Berechtigungen und die überlegte Erteilung von Berechtigungen soll zusätzlich motiviert werden.
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\paragraph{Öffentliche Daten}
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VPN-Benutzer benötigen bestimmte Dateien, um die CA zu verwenden.
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Neben dem Wurzelzertifikat der CA und der aktuellen CRL benötigen Benutzer eine vorkonfigurierte Version des EasyRSA-Pakets zur Erzeugung von Zertifikatsanträgen.
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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.
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Alle in \texttt{/public} platzierten Dateien und Verzeichnisse gehören dem Benutzer \texttt{root} und der Gruppe \texttt{root}.
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Alle Dateien werden mit den Dateirechten \texttt{444} versehen, Verzeichnisse erhalten die Dateirechte \texttt{555}.
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Dadurch werden Manipulationen durch nicht privilegierte, lokale Benutzer verhindert.
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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.
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Die Veröffentlichung von Konfigurationsdateien und Anleitungen für VPN-Benutzer kann über diesen Webserver ebenfalls stattfinden.
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\paragraph{Aktualisierung der CRL}
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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.
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\chapter{Konzeption des VPN-Servers} \label{cpt:concept_vpn_server}
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In diesem Kapitel wird gezeigt, wie der Server für den VPN-Dienst installiert und konfiguriert wird. Wie in Abschnitt~\ref{sct:requirements} bereits geklärt, wird laut Anforderung \ref{req:serveros} Debian~9 als Betriebssystem verwendet.
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Die Konfiguration des Betriebssystems erfolgt dabei nach den Vorgaben des IT-Teams, damit der Dienst ohne zusätzliche Arbeiten als Produktivsystem übernommen werden kann.
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OpenVPN unterstützt den Aufbau eines VPN-Tunnels auf OSI-Layer~2 und OSI-Layer~3.
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Im Prinzip könnten beide Tunnelvarianten für den Anwendungsfall dieser Arbeit verwendet werden.
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Da im Rahmen dieser Arbeit nur die Erreichbarkeit über IPv4 und IPv6 relevant ist, wird ein VPN-Tunnel auf OSI-Layer~2 nicht benötigt.
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Zusätzlich würde ein VPN-Tunnel auf OSI-Layer~2 mehr Bandbreite benötigen: IP-Pakete würden inklusive der dazugehörigen Ethernet-Frames übermittelt.
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Aus diesen Gründen fällt die Wahl auf VPN-Tunnel auf OSI-Layer~3.
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\paragraph{Netzwerkkonfiguration}
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Da der OpenVPN-Dienst aus dem Internet heraus erreichbar sein soll, wird der Server an das DMZ-Netz angeschlossen.
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Das IT-Team hat dafür insgesamt vier IPv4- und IPv6-Adressen vergeben, um den Server und den darauf existierenden Dienst logisch zu trennen.
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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.
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Über ein weiteres Paar von IP-Dienstadressen wird der eigentliche OpenVPN-Dienst zur Verfügung gestellt.
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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.
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Für IPv4 wurde das private Netz \texttt{10.2.0.0/16} durch das IT-Team vergeben.
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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.
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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.
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\paragraph{Failover}
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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.
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Um bei einem Defekt von Server~A ein Failover auf den Server~B durchzuführen, werden zunächst die IP-Dienstadressen auf A deaktiviert.
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Anschließend werden die IP-Dienstadressen auf B aktiviert.
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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.
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Damit ist ein Parallelbetrieb von zwei OpenVPN-Diensten möglich, die sich in der Konfiguration nur durch ihre IP-Dienst\-adresse und das verwendete IPv6-Netz für VPN-Clients unterscheiden.
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In der OpenVPN-Client\-kon\-fi\-gu\-ra\-tion können beide VPN-Dienste eingetragen werden, sodass die Clients bei Ausfall eines Servers automatisch eine Sitzung mit dem zweiten Server aufbauen können.
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\paragraph{Lokale Firewall}
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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.
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Diese lokale Richtlinie wird durch die Firewall der Abteilung Informatik ergänzt.
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Zuerst werden allgemeine Regeln definiert:
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Als Standardverhalten wird festgelegt, dass alle Pakete verworfen werden.
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Datenverkehr aus oder in die lokale Loopback-Schnittstelle wird zugelassen.
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Datenverkehr mit den Protokollen ICMP und ICMPv6 wird zugelassen.
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SSH-Zugriffe auf den Server über TCP-Port~22 werden zugelassen.
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UDP-Pakete an den OpenVPN-Dienst auf Port~1194 werden zugelassen.
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Vom Server ausgehender Datenverkehr wird grundsätzlich zugelassen, um die Grundfunktionen (beispielsweise: Installieren von Updates, DNS, NTP, \dots) des Betriebssystems zu ermöglichen.
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Im Anschluss werden Regeln für die Behandlung des VPN-Datenverkehrs definiert:
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Bei IPv4-Verkehr vom VPN-Netz zum Netz der Abteilung Informatik wird via NAT die Absenderadresse auf die IPv4-Dienstadresse übersetzt.
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Datenverkehr, der aus dem VPN-Netz wieder in das VPN-Netz geroutet wird, soll verworfen werden.
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Datenverkehr aus dem VPN-Netz über TCP oder UDP auf Port~2049 (NFS) wird verworfen.
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Jeglicher weiterer Datenverkehr aus dem VPN-Netz heraus ist gestattet.
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\section{Konfiguration von OpenVPN}
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Nach Einrichtung des Servers wird in diesem Schritt die Konfiguration des OpenVPN-Servers im Detail erläutert.
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Nähere Informationen zu den verwendeten Optionen können in \cite[][]{man:openvpn} nachgeschlagen werden.
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\paragraph{Erreichbarkeit des Dienstes}
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Laut Anforderung~\ref{req:dualstack} aus Abschnitt~\ref{sct:requirements} soll der VPN-Dienst über IPv4 und IPv6 aus dem Internet erreichbar sein.
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Als Ausgangspunkt dafür wird der DNS-Name des VPN-Dienst verwendet, der auf die IPv4- und IPv6-Dienst\-adresse zeigt.
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In der \textbf{Serverkonfiguration} reichen die ersten drei Zeilen aus, um über IPv4 und IPv6 auf UDP-Port~1194 den VPN-Dienst anzubieten:
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\begin{lstlisting}
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port 1194
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proto udp
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proto udp6
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multihome
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\end{lstlisting}
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OpenVPN beantwortet damit Anfragen für alle auf dem Server konfigurierten IP-Adres\-sen.
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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.
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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.
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Über \texttt{remote} wird dann der zu verwendende VPN-Server explizit genannt.
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Die Erreichbarkeit über IPv4 und IPv6 ergibt sich aus den im DNS unter \texttt{vpn-test.inform.hs-hannover.de} eingetragenen IP-Adressen.
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\begin{lstlisting}
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nobind
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port 1194
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proto udp
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remote vpn-test.inform.hs-hannover.de 1194
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\end{lstlisting}
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Das UDP-Protokoll 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}.
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Bei Interesse kann eine detaillierte Analyse der Probleme der TCP-in-TCP-Situation in \cite[][]{analysis:tcpintcp} nachgelesen werden.
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\paragraph{IP-Adressen im VPN-Tunnel}
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Die vom IT-Team vergebenen IP-Adressbereiche für VPN-Clients werden durch den OpenVPN-Server an die Clients vergeben.
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In der Konfiguration des Clients sind keine Anweisungen notwendig.
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Die \textbf{Serverkonfiguration} enthält diese Anweisungen:
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\begin{lstlisting}
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topology subnet
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server 10.2.0.0 255.255.0.0
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server-ipv6 2001:638:614:1750::/64
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\end{lstlisting}
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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.
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Anschließend werden mit \texttt{server} und \texttt{server-ipv6} die IP-Netze festgelegt, die an die VPN-Clients vergeben werden sollen.
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\paragraph{Erreichbare Netze im VPN}
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In der \textbf{Serverkonfiguration} werden \texttt{push}-Anweisungen eingetragen, über die IPv4- und IPv6-Routen an die VPN-Clients bekannt gegeben werden können.
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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.
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Zunächst werden alle IPv4-Routen bekanntgegeben:
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\begin{lstlisting}
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push "route 141.71.38.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # DMZ
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push "route 141.71.30.0 255.255.254.0 vpn_gateway" # Inform
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push "route 192.168.99.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # Edu
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push "route 192.168.90.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # NAO
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push "route 192.168.70.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # iDrac
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push "route 10.0.20.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # Cluster
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push "route 10.0.30.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # educloud
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push "route 10.0.40.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # experimental ipv6 network
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push "route 141.71.2.0 255.255.255.0 vpn_gateway" # server network from H-IT for KMS
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\end{lstlisting}
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Der Platzhalter \texttt{vpn\_gateway} wird bei IPv4-Routen durch die IPv4-Adresse des VPN-Servers im VPN ersetzt.
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Dann werden alle IPv6-Routen an die VPN-Clients bekanntgegeben:
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\begin{lstlisting}
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push "route-ipv6 2001:638:614:1780::/64 2001:638:614:1750::1" # DMZ
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push "route-ipv6 2001:638:614:1720::/64 2001:638:614:1750::1" # Inform
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push "route-ipv6 2001:638:614:1721::/64 2001:638:614:1750::1" # Edu
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push "route-ipv6 2001:638:614:1722::/64 2001:638:614:1750::1" # NAO
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push "route-ipv6 2001:638:614:1743::/64 2001:638:614:1750::1" # Cluster
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push "route-ipv6 2001:638:614:1744::/64 2001:638:614:1750::1" # experimental ipv6 network
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\end{lstlisting}
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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.
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\paragraph{Kompression}
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Auf die Kompression des VPN-Datenverkehrs wird aufgrund der in diesem Absatz aufgeführten Punkte verzichtet.
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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.
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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.
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Zusätzlich wird in der \enquote{Best Current Practice} RFC~7525 zur Deaktivierung der Kompression von TLS geraten \cite[Vergleich][Kapitel 3.3]{RFC7525}.
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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.
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\paragraph{Zertifikatgestützte Authentisierung}
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Um die in Kapitel~\ref{cpt:user_concept} konzipierte Zertifizierungsstelle zur Benutzerauthentisierung zu verwenden und die VPN-Kommunikation nach Anforderung~\ref{req:traffic} aus Abschnitt~\ref{sct:requirements} abzusichern, wird OpenVPN im TLS-Modus betrieben.
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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.
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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.
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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.
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\begin{lstlisting}
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ca inform/ca.crt
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cert inform/aither.inform.hs-hannover.de.crt
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key inform/aither.inform.hs-hannover.de.key
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dh inform/dh.pem
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crl-verify inform/crl.pem
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\end{lstlisting}
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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:
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\begin{lstlisting}
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remote-cert-tls server
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\end{lstlisting}
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Analog dazu wird in der \textbf{Serverkonfiguration} mit dem selben Parameter verlangt, dass VPN-Clients immer ein Zertifikat mit \enquote{Clientrolle} besitzen.
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\begin{lstlisting}
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remote-cert-tls client
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\end{lstlisting}
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\paragraph{Kryptografische Parameter}
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Wie in Abschnitt~\ref{ssct:openvpn} bereits erläutert wurde, unterscheidet OpenVPN bei der Kommunikation zwischen zwei OpenVPN-Prozessen zwischen Datenkanal für Nutzdaten und Kontrollkanal für Steuernachrichten.
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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.
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Das gemeinsame Geheimnis für den Schutz des Datenkanals wird dabei über den durch TLS geschützten Kontrollkanal ausgetauscht.
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Mit den in diese Absatz definierten Parametern soll die Kommunikation zwischen Clients und Server unabhängig von den verwendeten Betriebssystemen einheitlich geschützt werden.
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Um Konfigurationsprobleme durch abweichende Konfiguration von Client und Server auszuschließen, werden alle folgenden Parameter in \textbf{Client- und Serverkonfiguration} eingetragen.
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Die TLS-Kommunikation wird nach Empfehlung des BSI über TLS-Version~1.2 oder höher durchgeführt \cite[][Abschnitt 2.3]{bsi:tls-checkliste}.
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\begin{lstlisting}
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tls-version-min "1.2"
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\end{lstlisting}
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Aus der Liste der in RFC~7525 empfohlenen Chiffren \cite[][Abschnitt 4.2]{RFC7525} wird die TLS-Chiffre TLS-DHE-RSA-WITH-AES-256-GCM-SHA384 gewählt.
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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}.
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Durch die Verwendung von DHE kann \textit{Perfect Forward Secrecy} (PFS) gewährleistet werden \cite[][Abschnitt F.1.1.2]{RFC5246}.
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Die gewählte Chiffre kann laut BSI \cite[][Kapitel 3]{bsi:tls-checkliste} durch Dienstanbieter optional unterstützt werden.
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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}.
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\textbf{Anmerkung}: TLS-Chiffren mit Ephemeral-Diffie-Hellman-Verfahren auf Basis von elliptischen Kurven (ECDHE) können im Rahmen dieser Arbeit nicht verwendet werden.
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Grund dafür sind Kompatibilitätsprobleme zwischen OpenVPN und OpenSSL~1.1.x auf der Clientseite\footnote{Siehe \url{https://community.openvpn.net/openvpn/ticket/963}}.
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Somit wird die zuvor genannte TLS-Chiffre mit DHE-Verfahren verwendet:
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\begin{lstlisting}
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tls-cipher TLS-DHE-RSA-WITH-AES-256-GCM-SHA384
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\end{lstlisting}
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OpenVPN verwendet einen HMAC mit einem zuvor ausgetauschtem, gemeinsamen Geheimnis um für Daten- und Kontrollkanal eingehende Datenpakete vor ihrer Verarbeitung zu authentisieren.
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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}.
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\begin{lstlisting}
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auth SHA256
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\end{lstlisting}
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Zur Verschlüsselung des Datenkanals kommt AES-256-GCM zum Einsatz.
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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}.
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Das ist bei AES-256-GCM der Fall.
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\begin{lstlisting}
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cipher AES-256-GCM
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\end{lstlisting}
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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:
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\begin{lstlisting}
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ncp-disable
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\end{lstlisting}
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\paragraph{Sitzungsparameter}
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VPN-Client und VPN-Server sollen zeitnah reagieren, wenn eine Sitzung durch Verlust der Internetverbindung abbricht.
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Mit \texttt{keepalive} kann in der \textbf{Serverkonfiguration} angegeben werden, in welchem Intervall eine Ping-Nachricht an die Gegenseite geschickt werden soll.
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Ein zweiter Parameter erlaubt die Definition eines Zeitlimits, nachdem dessen Ablauf eine Sitzung für abgebrochen erklärt wird.
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\begin{lstlisting}
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keepalive 10 30
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\end{lstlisting}
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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.
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Gleichzeitig wird die Anweisung über \texttt{push} an den Client übermittelt, sodass dieser ebenfalls alle 10 Sekunden eine Ping-Nachricht an den Server schickt.
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Erhält der Client innerhalb von 30 Sekunden keine Antwort auf seine Ping-Nachricht, so startet er sich neu um einen erneuten Sitzungsaufbau zu versuchen.
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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.
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\begin{lstlisting}
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connect-timeout 20
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\end{lstlisting}
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Damit Client und Server sich bei einem gewollten Sitzungsabbau gegenseitig benachrichtigen, wird die Option \texttt{explicit-exit-notify} verwendet.
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In der \textbf{Clientkonfiguration} wird als zusätzlicher Parameter angegeben, wie oft der Versand der Benachrichtigung an den Server probiert werden soll.
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\begin{lstlisting}
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|
explicit-exit-notify 3
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\end{lstlisting}
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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.
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In diesem Fall soll der selbe Server erneut kontaktiert werden.
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\begin{lstlisting}
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|
explicit-exit-notify 1
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\end{lstlisting}
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Zuletzt wird in der \textbf{Serverkonfiguration} eingestellt, dass ein Clientzertifikat für mehr als eine VPN-Sitzung gleichzeitig verwendet werden darf.
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Dadurch kann ein Benutzer den VPN-Zugang auf mehreren Geräten gleichzeitig benutzen, falls das notwendig sein sollte.
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\begin{lstlisting}
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|
duplicate-cn
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\end{lstlisting}
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\paragraph{Lokale Sicherheit}
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Auf den Betriebssystemen Linux und Mac OS kann OpenVPN nach seinem Start nicht mehr benötigte Berechtigungen abgeben und im Kontext eines lokalen Benutzers weiterlaufen.
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Dies kann in \textbf{Client- und Serverkonfiguration} bewerkstelligt werden.
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OpenVPN kann unter diesen Bedingungen nicht auf bestimmte Ressourcen neuen Zugriffe starten.
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Dazu gehören beispielsweise private Schlüssel für Zertifikate oder die virtuelle Netzwerkkarte.
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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.
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\begin{lstlisting}
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|
persist-tun
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persist-key
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|
\end{lstlisting}
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Dann kann über die Parameter \texttt{user} und \texttt{group} gesteuert werden, in welchem Kontext OpenVPN mit reduzierten Privilegien betrieben werden soll.
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\begin{lstlisting}
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|
user nobody
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|
group nogroup
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\end{lstlisting}
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Für die \textbf{Clientkonfiguration} kann es sinnvoll sein, dass OpenVPN das Passwort, mit dem ein privater Schlüssel geschützt wurde, nicht im Speicher behält.
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Mit der folgenden Option kann OpenVPN gezwungen werden, ein solches Passwort nicht im Speicher zu halten.
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\begin{lstlisting}
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|
auth-nocache
|
|
\end{lstlisting}
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\paragraph{Protokollierung}
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Um die Gesprächigkeit von OpenVPN zu steuern, können in der \textbf{Client- und Serverkonfiguration} die Parameter \texttt{verb} und \texttt{mute} verwendet werden.
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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).
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Standardmäßig wird der Wert 1 verwendet; der Wert 3 wird für übersichtliche Protokolle mit mehr Informationen empfohlen.
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Der Parameter \texttt{mute} gibt an, wie viele aufeinander folgende Nachrichten aus der selben Kategorie protokolliert werden sollen.
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Damit können aufeinander folgende, ähnliche Nachrichten unterdrückt werden, die sich wiederholen.
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Um einen guten Überblick zu erhalten, werden die folgenden Parameter gewählt:
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\begin{lstlisting}
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verb 3
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mute 5
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\end{lstlisting}
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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.
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Eine solche Liste ist nützlich um die Auslastung des Servers zu überwachen.
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\begin{lstlisting}
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status inform/status.log
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\end{lstlisting}
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\chapter{Fazit}
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Wie ist es gelaufen, gab es Probleme? Wie macht sich OpenVPN als Lösung?
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Gibt es vielleicht Szenarien, in denen sich IPsec doch lohnt?
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Ja - eventuell. Sehr große Enterprise-Umgebungen, in denen die personellen Ressourcen für die korrekte Konfiguration vorhanden sind.
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Da kann man in homogenen Umgebungen sinnvolle IPsec-Konfigurationen auf hunderten oder tausenden Geräte einrichten.
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Der Einsatz von IPsec ist für die Umsetzung eines VPN in das Netzwerk einer Fakultätsabteilung ein Schuss mit einer Kanone auf Spatzen.
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In großen Umgebungen eines Konzerns kann die Situation schon etwas anders aussehen: Sofern die IT-Landschaft in einem Konzern homogen aufgestellt ist, könnten auf IPsec spezialisierte Administratoren über Konfigurationsmanagement wie zum Beispiel das Active Directory von Microsoft eine Steigerung der Netzwerksicherheit erzielen oder Außendienstmitarbeitern einen nahtlosen Anschluss an das Firmennetzwerk bieten.
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\section{Ausblick}
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Es gibt da noch etwas mit dem schönen Namen Wireguard. Mit gewollt geringer Komplexität und einem aktuellen Umfang von etwa 4000 Zeilen Code ist es eine würdige Alternative zu IPsec.
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Auch OpenVPN in Version~3 ist schon in der Beta - das könnte man auch im Auge behalten.
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