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10.3. Virtual Private Network

Ein Virtual Private Network (kurz VPN genannt) ermöglicht zwei verschiedene lokale Netze über das Internet mittels eines Tunnels zu verbinden. Zur Wahrung der Vertraulichkeit ist der Tunnel normalerweise verschlüsselt. VPNs werden häufig dazu benutzt, einen entfernten Rechner in ein lokales Firmennetz zu integrieren.
Etliche Hilfsprogramme bieten diese Funktionalität. OpenVPN ist eine auf SSL/TLS basierende effiziente Lösung, die einfach eingesetzt und verwaltet werden kann. Eine andere Möglichkeit, um den IP-Verkehr zwischen zwei Rechnern zu verschlüsseln, ist IPsec; diese Verschlüsselung erfolgt transparent; das heißt, dass Anwendungen das VPN nutzen können, ohne dass sie angepasst werden müssen. Auch SSH kann ein VPN bereitstellen, ebenso Microsofts PPTP-Protokoll. Es gibt noch weitere Lösungen, die aber außerhalb des Schwerpunktes dieses Buches liegen.

10.3.1. OpenVPN

OpenVPN ist eine Software zum Anlegen virtueller privater Netze. Um es einzurichten, legen Sie virtuelle Netzwerkschnittstellen auf dem VPN-Server und den Clients an. tun (für Tunnel auf IP-Ebene) und tap (für Tunnel auf Ethernet-Ebene) werden unterstützt. In der Praxis werden meistens tun-Schnittstellen verwendet, außer wenn die VPN-Clients durch eine Ethernet-Brücke in das lokale Netz des Servers integriert werden sollen.
OpenVPN nutzt OpenSSL für die gesamte SSL/TLS-Kryptographie und die damit zusammenhängenden Leistungsmerkmale (Vertraulichkeit, Authentifizierung, Integrität, Nichtabstreitbarkeit). Es kann entweder mit einem geteilten privaten Schlüssel oder mithilfe eines (auf Public-Key-Verschluesselung basierenden) X.509-Zertifikats benutzt werden. Die zweite Konfiguration ist eindeutig vorzuziehen, da sie angesichts einer wachsenden Zahl wechselnder Benutzer des VPN größere Flexibilität ermöglicht.

10.3.1.1. Konfigurieren des OpenVPN-Servers

Nachdem nun alle Zertifikate erstellt sind (folgen Sie den Anweisungen in Abschnitt 10.2.2, „Public-Key-Infrastrultur: easy-rsa), müssen sie an die passenden Stellen kopiert werden: Der öffentliche Schlüssel des Ursprungszertifikats (pki/ca.crt) wird auf allen Rechnern (sowohl Server als auch Clients) als /etc/ssl/certs/Falcot_CA.crt gespeichert. Das Zertifikat des Servers wird nur auf dem Server installiert (pki/issued/vpn.falcot.com.crt geht nach /etc/ssl/vpn.falcot.com.crt und pki/private/vpn.falcot.com.key geht nach /etc/ssl/private/vpn.falcot.com.key mit eingeschränkten Berechtigungen, sodass nur der Administrator sie lesen kann), während die entsprechenden Diffie-Hellman-Parameter (pki/dh.pem) nach /etc/openvpn/dh.pem installiert werden. Die Client-Zertifikate werden in ähnlicher Weise auf den entsprechenden VPN-Clients installiert.
By default, the OpenVPN initialization script tries starting all virtual private network servers defined in /etc/openvpn/server/*.conf. Setting up a VPN server is therefore a matter of storing a corresponding configuration file in this directory. A good starting point is /usr/share/doc/openvpn/examples/sample-config-files/server.conf, which leads to a rather standard server. Of course, some parameters need to be adapted: ca, cert, key and dh need to describe the selected locations (respectively, /etc/ssl/certs/Falcot_CA.crt, /etc/ssl/vpn.falcot.com.crt, /etc/ssl/private/vpn.falcot.com.key and /etc/openvpn/dh.pem). The server 10.8.0.0 255.255.255.0 directive defines the subnet to be used by the VPN; the server uses the first IP address in that range (10.8.0.1) and the rest of the addresses are allocated to clients.
Wenn OpenVPN mit dieser Konfiguration gestartet wird, so wird die Schnittstelle des virtuellen Netzwerks erstellt, gewöhnlich unter dem Namen tun0. Jedoch werden Firewalls häufig zur gleichen Zeit wie die echten Netzwerkschnittstellen konfiguriert, also vor dem Start von OpenVPN. Ein bewährtes Verfahren besteht deshalb darin, eine dauerhafte Schnittstelle für das virtuelle Netzwerk einzurichten und OpenVPN so zu konfigurieren, dass es dann diese bereits bestehende Schnittstelle benutzt. Dies macht es auch möglich, einen Namen für diese Schnittstelle auszuwählen. Zu diesem Zweck erstellt der Befehl openvpn --mktun --dev vpn --dev-type tun eine Schnittstelle des virtuellen Netzwerks namens vpn und des Typs tun; dieser Befehl kann leicht in das Konfigurationsskript der Firewall integriert werden oder in eine up-Anweisung der Datei /etc/network/interfaces oder eine udev-Regel kann ans Ende angehängt werden. Die OpenVPN-Konfigurationsdatei muss ebenfalls in entsprechender Weise mit den Anweisungen dev vpn und dev-type tun aktualisiert werden.
Ohne weitere Maßnahmen können VPN-Clients nur den Server selbst über die Adresse 10.8.0.1 erreichen. Um den Clients Zugang zum lokalen Netzwerk (192.168.0.0/24) zu gewähren, muss die Anweisung push route 192.168.0.0 255.255.255.0 zur OpenVPN-Konfiguration hinzugefügt werden, so dass VPN-Clients automatisch eine Netzwerkroute erhalten, die ihnen sagt, dass dieses Netzwerk über das VPN zu erreichen ist. Darüberhinaus müssen Rechner im lokalen Netzwerk ebenfalls darüber informiert werden, dass der Weg zum VPN über den VPN-Server verläuft (dies funktioniert automatisch, wenn der VPN-Server auf dem Gateway installiert ist). Alternativ kann der VPN-Server auch IP-Masquerading unterstützen, so dass von den VPN-Clients kommende Verbindungen so aussehen, als kämen sie stattdessen vom VPN-Server (siehe Abschnitt 10.1, „Gateway“).

10.3.1.2. Konfigurieren des OpenVPN-Clients

Setting up an OpenVPN client requires creating a configuration file in /etc/openvpn/client/. A standard configuration can be obtained by using /usr/share/doc/openvpn/examples/sample-config-files/client.conf as a starting point. The remote vpn.falcot.com 1194 directive describes the address and port of the OpenVPN server; the ca, cert and key also need to be adapted to describe the locations of the key files.
If the VPN should not be started automatically on boot, set the AUTOSTART directive to none in the /etc/default/openvpn file. Starting or stopping a given VPN connection is always possible with the commands systemctl start openvpn-client@name and systemctl stop openvpn-client@name (where the connection name matches the one defined in /etc/openvpn/client/name.conf). The same is true for the server.
The network-manager-openvpn(-gnome) package contains an extension to Network Manager (see Abschnitt 8.2.5, „Automatische Netzwerkkonfigurierung für mobile Benutzer“) that allows managing OpenVPN virtual private networks. This allows every user to configure OpenVPN connections graphically and to control them from the network management icon.

10.3.2. Virtual Private Network mit SSH

Es gibt eigentlich zwei Methoden, um ein virtuelles privates Netzwerk mit SSH einzurichten. Der historische erfordert eine PPP-Schicht über der SSH-Verbindung. Diese Methode wird in einem HOWTO-Dokument beschrieben:
Die zweite Methode ist neueren Datums und wurde mit OpenSSH 4.3 eingeführt; OpenSSH kann jetzt Schnittstellen des virtuellen Netzwerks (tun*) auf beiden Seiten einer SSH-Verbindung erstellen, und diese virtuellen Schnittstellen können genauso konfiguriert werden, als seien es reale Schnittstellen. Das Tunnelungssystem muss zuvor aktiviert werden, indem PermitTunnel in der Konfigurationsdatei des SSH-Servers (/etc/ssh/sshd_config) auf "yes" gesetzt wird. Bei der Einrichtung der SSH-Verbindung muss die Erstellung eines Tunnels ausdrücklich mit der Option -w any:any verlangt werden (any kann durch die gewünschte tun-Gerätenummer ersetzt werden). DEr Benutzer benötigt Administratorrechte auf beiden Seiten, um das Netzwerkgerät erstellen zu können (mit anderen Worten: die Verbindung muss als Root eingerichtet werden).
Beide Methoden zur Erstellung eines virtuellen privaten Netzwerks über SSH sind recht einfach. Jedoch ist das VPN, das sie bereitstellen, nicht das effizienteste; insbesondere kann es nicht gut mit hohem Datenaufkommen umgehen.
Die Erklärung ist die zweifache Anwendung des TCP-Protokolls, wenn ein TCP/IP-Stack in einer TCP/IP-Verbindung (für SSH) eingekapselt ist; einmal für die SSH-Verbindung und einmal innerhalb des Tunnels. Dies führt zu Problemen, insbesondere wegen der Änderung der Zeitüberschreitungsverzögerungen, durch die sich TCP an Netzwerkbedingungen anpasst. Die folgende Seite beschreibt das Problem genauer:
VPNs über SSH sollten daher auf einmalige Tunnel ohne Leistungseinschränkungen beschränkt werden.

10.3.3. IPsec

IPsec, despite being the standard in IP VPNs, is rather more involved in its implementation. The IPsec engine itself is integrated in the Linux kernel; the required user-space parts, the control and configuration tools, are provided by the libreswan package or the strongswan package. Here we describe briefly the first of these options.
Zuerst installieren wir das Paket libreswan. Konkret enthält die Datei /etc/ipsec.conf jedes Hosts die Parameter für IPsec-Tunnel (oder Security Associations, in der IPsec-Terminologie), mit denen sich der Host befasst. Es gibt viele Konfigurationsbeispiele in /usr/share/doc/libreswan/, aber die Online-Dokumentation von Libreswan enthält weitere Beispiele mit Erläuterungen:
Der IPsec-Dienst kann mit systemctl gesteuert werden; z.B. wird systemctl start ipsec den IPsec-Dienst starten.
Trotz seines Status als Referenz, schränkt die Komplexität der Einrichtung von IPsec seine Verwendung in der Praxis ein. Lösungen auf der Basis von OpenVPN werden im allgemeinen bevorzugt, solange die erforderlichen Tunnel weder zu zahlreich noch zu dynamisch sind.

10.3.4. PPTP

PPTP (für Point-to-Point Tunneling Protocol) verwendet zwei Kommunikationskanäle, einen für die Kontrolldaten und einen für die Nutzdaten; letzterer verwendet das GRE-Protokoll (Generic Routing Encapsulation). Über den Datenaustauschkanal wird dann eine Standard-PPP-Verbindung eingerichtet.

10.3.4.1. Den Client konfigurieren

Das Paket pptp-linux enthält einen leicht zu konfigurierenden PPTP-Client für Linux. Die folgenden Anweisungen sind durch die offizielle Dokumentation angeregt:
Die Falcot-Administratoren haben mehrere Dateien erstellt: /etc/ppp/options.pptp, /etc/ppp/peers/falcot, /etc/ppp/ip-up.d/falcot und /etc/ppp/ip-down.d/falcot.

Beispiel 10.2. Die Datei /etc/ppp/options.pptp

# PPP options fuer eine PPTP connection
lock
noauth
nobsdcomp
nodeflate

Beispiel 10.3. Die Datei /etc/ppp/peers/falcot

# vpn.falcot.com ist der PPTP server
pty "pptp vpn.falcot.com --nolaunchpppd"
# die Verbindung wird dem "vpn" Benutzer zugerechnet
user vpn
remotename pptp
# Verschluesselung wird benuetigt
require-mppe-128
file /etc/ppp/options.pptp
ipparam falcot

Beispiel 10.4. Die Datei /etc/ppp/ip-up.d/falcot

# Create the route to the Falcot network
if [ "$6" = "falcot" ]; then
  # 192.168.0.0/24 is the (remote) Falcot network
  ip route add 192.168.0.0/24 dev $1
fi

Beispiel 10.5. Die Datei /etc/ppp/ip-down.d/falcot

# Delete the route to the Falcot network
if [ "$6" = "falcot" ]; then
  # 192.168.0.0/24 is the (remote) Falcot network
  ip route del 192.168.0.0/24 dev $1
fi

10.3.4.2. Den Server konfigurieren

pptpd ist der PPTP-Server für Linux. Dessen Hauptkonfiguratiosdatei, /etc/pptpd.conf, erfordert nur sehr wenige Änderungen: localip (die lokale IP-Adresse) und remoteip (die entfernte IP-Adresse). Im folgenden Beispiel benutzt der PPTP-Server stets die Adresse 192.168.0.199, und PPTP-Clients erhalten Adressen von 192.168.0.200 bis 192.168.0.250.

Beispiel 10.6. Die Datei /etc/pptpd.conf

[..]
# TAG: localip
# TAG: remoteip
#       Specifies the local and remote IP address ranges.
#
#       These options are ignored if delegate option is set.
#
#       Any addresses work as long as the local machine takes care of the
#       routing.  But if you want to use MS-Windows networking, you should
#       use IP addresses out of the LAN address space and use the proxyarp
#       option in the pppd options file, or run bcrelay.
#
#       You can specify single IP addresses seperated by commas or you can
#       specify ranges, or both. For example:
#
#               192.168.0.234,192.168.0.245-249,192.168.0.254
#
#       IMPORTANT RESTRICTIONS:
#
#       1. No spaces are permitted between commas or within addresses.
#
#       2. If you give more IP addresses than the value of connections,
#          it will start at the beginning of the list and go until it
#          gets connections IPs.  Others will be ignored.
#
#       3. No shortcuts in ranges! ie. 234-8 does not mean 234 to 238,
#          you must type 234-238 if you mean this.
#
#       4. If you give a single localIP, that's ok - all local IPs will
#          be set to the given one. You MUST still give at least one remote
#          IP for each simultaneous client.
#
# (Recommended)
#localip 192.168.0.1
#remoteip 192.168.0.234-238,192.168.0.245
# or
#localip 192.168.0.234-238,192.168.0.245
#remoteip 192.168.1.234-238,192.168.1.245
localip 192.168.0.199
remoteip 192.168.0.200-250
Die PPP-Konfiguration des PPTP-Servers erfordert auch einige Änderungen in /etc/ppp/pptpd-options. Die wichtigen Parameter sind der Servername (pptp), der Domainname (falcot.com) und die IP-Adressen für DNS- und WINS-Server.

Beispiel 10.7. Die Datei /etc/ppp/pptpd-options

# Enable connection debugging facilities.
# (see your syslog configuration for where pppd sends to)
#debug

# Name of the local system for authentication purposes
# (must match the second field in /etc/ppp/chap-secrets entries)
name pptpd

# Optional: domain name to use for authentication
## change the domainname to your local domain
domain falcot.com

# Authentication
## these are reasonable defaults for WinXXXX clients
## for the security related settings
auth
refuse-pap
refuse-chap
refuse-mschap
# Require the peer to authenticate itself using MS-CHAPv2 [Microsoft
# Challenge Handshake Authentication Protocol, Version 2] authentication.
require-mschap-v2
# Require MPPE 128-bit encryption
# (note that MPPE requires the use of MSCHAP-V2 during authentication)
require-mppe-128

# Network and Routing
## Fill in your addresses
ms-dns 192.168.0.1
ms-wins 192.168.0.1

## Fill in your netmask
netmask 255.255.255.0

## some defaults
nodefaultroute
proxyarp
lock
Im letzten Schritt wird der vpn-Benutzer (und das dazugehörige Passwort) in der Datei /etc/ppp/chap-secrets registriert. Hier muss statt des Sterns (*) der Servername ausdrücklich angegeben werden. Außerdem identifizieren sich Windows-PPTP-Clients in der Form DOMAIN\\BENUTZER statt nur einen Benutzernamen anzugeben. Dies erklärt, warum die Datei auch den Benutzer FALCOT\\vpn erwähnt. Es ist auch möglich, individuelle IP-Adressen für Benutzer anzugeben; ein Stern in diesem Feld bedeutet, dass dynamisch adressiert werden soll.

Beispiel 10.8. Die Datei /etc/ppp/chap-secrets

# Secrets for authentication using CHAP
# client        server  secret      IP addresses
vpn             pptp    f@Lc3au     *
FALCOT\\vpn     pptp    f@Lc3au     *