Как устроен VPN под капотом?

VPN (виртуальная частная сеть, Virtual Private Network) — это технология, которая позволяет создать защищённое соединение через небезопасные сети, такие как Интернет.

Вот как это работает по простому:

1. Шифрование данных:

Когда ты используешь VPN, все данные, которые ты отправляешь и получаешь через интернет (например, посещение сайтов, переписка и т.д.), шифруются. Это значит, что если кто-то попытается перехватить твои данные (например, хакеры или провайдер), они не смогут их понять.

2. Изменение IP-адреса:

VPN меняет твой реальный IP-адрес на адрес сервера, через который ты подключаешься. Это помогает скрыть твоё местоположение и делает твою интернет-активность анонимной.

3. Туннелирование:

Вся информация, которую ты отправляешь в интернет, проходит через защищённый «туннель». Этот туннель создаётся между твоим устройством и VPN-сервером. Никто не может заглянуть внутрь этого туннеля, что повышает безопасность.

4. Доступ к заблокированным ресурсам:

Поскольку VPN может поменять твой IP-адрес на адрес сервера в другой стране, ты сможешь заходить на сайты и сервисы, которые недоступны в твоей стране. Например, если сайт заблокирован для твоего региона, через VPN его можно будет открыть, притворившись, что ты находишься в другой стране.

• Как создать свой простой VPN читайте в статье Создаем свой VPN на Python. Ну почти.

Под капотом VPN работают несколько ключевых компонентов и технологий, которые обеспечивают шифрование, аутентификацию и туннелирование данных. Вот основные аспекты работы VPN:

1. Туннелирование (Tunneling)

VPN создает "туннель" между клиентом (вашим устройством) и сервером VPN. Этот туннель — это зашифрованное соединение, по которому данные передаются между клиентом и сервером. Основная задача туннеля — защитить передаваемые данные и скрыть их от третьих лиц.

Туннелирование работает на основе протоколов, которые инкапсулируют данные в пакеты и передают их через публичную сеть. Существует несколько популярных протоколов туннелирования:

• PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol) — один из старейших протоколов, который обеспечивает базовый уровень шифрования, но считается устаревшим и уязвимым.
• L2TP/IPsec (Layer 2 Tunneling Protocol) — более современная комбинация протоколов, которая обеспечивает более высокую безопасность за счёт использования IPsec для шифрования.
• OpenVPN — открытый стандарт, который использует различные методы шифрования (например, TLS) и считается одним из самых надёжных и гибких протоколов.
• IKEv2/IPsec (Internet Key Exchange version 2) — быстрый и безопасный протокол, особенно эффективный для мобильных устройств благодаря поддержке механизма восстановления соединения при смене сети (например, при переключении с Wi-Fi на мобильные данные).
• WireGuard — относительно новый и очень легковесный протокол, который предлагает высокий уровень безопасности и производительности.

1.1. PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol)

Описание: PPTP — один из старейших VPN-протоколов, впервые разработанный Microsoft в 1995 году. Его основная задача — создание туннеля между клиентом и сервером с базовым шифрованием.

Как работает: PPTP использует туннелирование для инкапсуляции пакетов PPP (Point-to-Point Protocol) через IP-соединение. Он использует стандартные механизмы PPP для аутентификации (например, MS-CHAPv2) и обеспечивает шифрование с помощью протокола MPPE (Microsoft Point-to-Point Encryption).

Структура протокола PPTP:

PPTP состоит из нескольких компонентов, но основным для инкапсуляции данных является PPP (Point-to-Point Protocol), который используется для туннелирования данных.

1. PPP-заголовок:

• Флаги (Flag): 1 байт
• Адрес (Address): 1 байт
• Управление (Control): 1 байт
• Протокол (Protocol): 2 байта (определяет тип передаваемых данных, например, IP, IPX и т.д.)

2. PPP-пакет:

• Поле данных (Data): Переменная длина (содержит инкапсулированные данные, например, IP-пакет).
• CRC (Cyclic Redundancy Check): 2-4 байта (контрольная сумма для проверки целостности пакета).

3. PPTP-заголовок:

• Тип сообщения: 2 байта (например, управляющее сообщение или передача данных).
• Версия: 2 байта (версия PPTP).
• Идентификатор: 4 байта (идентификатор соединения).
• Длина сообщения: 2 байта (длина PPTP-сообщения).
• Поля управления соединением: Переменная длина (используется для управления туннелем).
  

Процесс работы PPTP инкапсулирует данные внутри PPP и передает через туннель, используя GRE (Generic Routing Encapsulation) для инкапсуляции PPP-пакетов.

Проблемы:

• Безопасность: PPTP считается устаревшим и уязвимым. Известны многочисленные уязвимости в шифровании MPPE и механизмах аутентификации, таких как MS-CHAPv2.
• Производительность: Из-за низкого уровня шифрования PPTP часто демонстрирует высокую скорость. Однако это происходит за счет безопасности.

Заключение:

Хотя PPTP прост в настройке и предлагает высокие скорости, его использование крайне не рекомендуется из-за серьезных проблем с безопасностью.

1.2. L2TP/IPsec (Layer 2 Tunneling Protocol)

Описание: L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) сам по себе не обеспечивает шифрования, но часто используется в комбинации с IPsec (Internet Protocol Security) для защиты данных. Эта комбинация значительно улучшает безопасность по сравнению с PPTP.

Как работает:

• L2TP: Отвечает за создание туннеля (инкапсуляцию данных). Он инкапсулирует данные уровня 2 (например, PPP-пакеты) в IP-пакеты для их передачи через интернет.
• IPsec: Используется для шифрования, аутентификации и обеспечения целостности данных. IPsec использует несколько методов шифрования, таких как AES, для защиты данных. Он также обеспечивает аутентификацию с использованием протоколов, таких как IKE (Internet Key Exchange).

Структура протокола L2TP:

L2TP сам по себе не обеспечивает шифрования, он используется для туннелирования. Для обеспечения безопасности чаще всего применяется IPsec.

1. L2TP-заголовок:

• Поле управления: 2 байта (определяет тип сообщения: данные или управление).
• Версия: 1 байт (номер версии L2TP).
• Идентификатор туннеля: 2 байта (идентификатор туннеля).
• Идентификатор сессии: 2 байта (идентификатор сессии внутри туннеля).
• Поле длины: 2 байта (длина пакета L2TP).

2. L2TP-пакет:

• Поле данных: Переменная длина (инкапсулированные данные, например, IP-пакет).
  

Структура IPsec (ESP — Encapsulating Security Payload):

IPsec используется для шифрования и защиты передаваемых данных внутри туннеля. Один из основных компонентов IPsec — это ESP (Encapsulating Security Payload).

1. ESP-заголовок:

• SPI (Security Parameters Index): 4 байта (идентификатор параметров безопасности).
• Номер последовательности: 4 байта (идентификатор пакета для предотвращения повторных атак).
• Шифрованные данные: Переменная длина (зашифрованные данные).
• ESP-трейлер: Переменная длина (используется для выравнивания данных и обеспечения целостности).
  

Преимущества:

• Безопасность: Совмещение L2TP с IPsec делает протокол очень безопасным. IPsec использует современные и надежные алгоритмы шифрования.
• Поддержка: Широко поддерживается большинством операционных систем (Windows, macOS, Linux).

Недостатки:

• Производительность: Из-за двойной инкапсуляции (L2TP + IPsec) протокол может иметь более высокую задержку по сравнению с другими VPN-протоколами.
• Открытие портов: L2TP использует UDP-порт 500, который может быть заблокирован в некоторых сетях, что делает его менее гибким в обходе ограничений.

Заключение:

L2TP/IPsec — хороший выбор для безопасности, но может быть медленным из-за двойной инкапсуляции и может сталкиваться с трудностями в сетях с жесткими ограничениями.

1.3. OpenVPN

Описание: OpenVPN — это открытый VPN-протокол, который использует OpenSSL для шифрования и может работать через различные порты, включая TCP и UDP. Он считается одним из самых гибких и безопасных протоколов.

Как работает:

• Шифрование: OpenVPN использует OpenSSL-библиотеку для шифрования данных, поддерживающую различные алгоритмы, такие как AES, Blowfish и другие. Также OpenVPN поддерживает шифрование TLS для обеспечения безопасности.
• Туннелирование: OpenVPN может использовать как протоколы TCP, так и UDP для передачи данных, что делает его универсальным в различных сетевых средах.
• Аутентификация: OpenVPN поддерживает различные методы аутентификации, включая сертификаты X.509, пары ключей и двухфакторную аутентификацию.

Структура OpenVPN:

OpenVPN использует протоколы SSL/TLS для шифрования и обмена ключами. В основе OpenVPN лежат пакеты TLS и инкапсуляция данных с помощью UDP или TCP.

1. TLS-заголовок (используется для аутентификации и обмена ключами):

• Тип сообщения: 1 байт (например, Handshake, Application Data).
• Версия: 2 байта (определяет версию TLS).
• Длина: 2 байта (длина сообщения).
• Данные: Переменная длина (зашифрованные данные или ключи).
  

2. OpenVPN-заголовок:

• Magic Number: 4 байта (определяет, что это пакет OpenVPN).
• Версия: 1 байт (версия OpenVPN).
• ID сессии: 4 байта (идентификатор сессии).
• Поле данных: Переменная длина (инкапсулированные данные, такие как IP-пакет или пользовательские данные).
  

Преимущества:

• Гибкость: OpenVPN может работать через любые порты и использовать как TCP, так и UDP, что делает его отличным выбором для обхода сетевых ограничений и файрволов.
• Безопасность: Использует современные алгоритмы шифрования и поддерживает динамическое обновление ключей.
• Открытый стандарт: Поскольку OpenVPN — это открытый проект, его код можно проверять и улучшать сообществом, что повышает доверие к его безопасности.

Недостатки:

• Настройка: В отличие от некоторых других VPN-протоколов, OpenVPN требует более сложной настройки как для клиента, так и для сервера.
• Производительность: Может быть более медленным, если используется с TCP, однако при использовании UDP демонстрирует высокую скорость.

Заключение:

OpenVPN является одним из лучших вариантов для VPN-соединений благодаря своей гибкости и безопасности. Подходит для различных платформ и сетевых условий.

1.4. IKEv2/IPsec (Internet Key Exchange version 2)

Описание: IKEv2 — это протокол обмена ключами (Key Exchange), который используется для установки безопасного соединения между клиентом и сервером. В сочетании с IPsec он обеспечивает высокую скорость и надежное шифрование.

Как работает:

• IKEv2: Используется для обмена ключами и установления защищенного IPsec-туннеля. Он поддерживает механизмы пересогласования сессии при изменении сетевых условий.
• IPsec: Шифрует данные, передаваемые через соединение. IKEv2/IPsec поддерживает современные и безопасные алгоритмы шифрования, такие как AES.

Структура IKEv2 (Internet Key Exchange version 2):

IKEv2 — это протокол для обмена ключами и управления IPsec-туннелями. Он может быть представлен как набор сообщений, передаваемых между узлами.

1. IKE-заголовок:

• Initiator SPI: 8 байт (идентификатор инициатора).
• Responder SPI: 8 байт (идентификатор ответчика).
• Версия: 1 байт (номер версии IKE).
• Тип обмена: 1 байт (тип сообщения, например, запрос на установку соединения).
• Флаги: 1 байт (определяет, например, необходимость аутентификации).
• Номер сообщения: 4 байта (идентификатор сообщения).
• Поле данных: Переменная длина (содержит полезные данные или ключи).
  

IPsec (ESP) заголовок:

Использует такой же формат, как в L2TP/IPsec (описан выше).

Преимущества:

• Скорость: IKEv2/IPsec очень быстрое решение благодаря эффективному управлению туннелями и минимальной задержке.
• Поддержка мобильных устройств: IKEv2 поддерживает механизм MOBIKE (IKEv2 Mobility and Multihoming Protocol), который позволяет соединению автоматически восстанавливаться при смене сетей, например, при переключении с Wi-Fi на мобильные данные.
• Безопасность: Протокол предлагает современные методы шифрования и защиты данных.

Недостатки:

• Блокировка портов: Как и L2TP/IPsec, IKEv2 использует UDP-порт 500, который может быть заблокирован в некоторых сетях.
• Ограниченные платформы: Хотя IKEv2/IPsec поддерживается большинством современных операционных систем, его гибкость ниже, чем у OpenVPN.

Заключение:

IKEv2/IPsec — отличный выбор для мобильных устройств благодаря своей скорости и способности восстанавливать соединение при смене сетей. Также это один из самых безопасных протоколов.

1.5. WireGuard

Описание: WireGuard — относительно новый VPN-протокол, который создан с целью быть простым, быстрым и легковесным. Он использует современные криптографические алгоритмы и имеет небольшую кодовую базу, что делает его высокоэффективным и безопасным.

Как работает:

• Шифрование: WireGuard использует современные криптографические примитивы, такие как ChaCha20 для шифрования и Poly1305 для аутентификации данных.
• Туннелирование: Все данные передаются через UDP, что обеспечивает высокую скорость и низкую задержку. WireGuard также использует статические ключи для аутентификации, что упрощает процесс установления соединения.

Структура WireGuard:

WireGuard спроектирован так, чтобы быть минималистичным и легковесным. В основе WireGuard лежат современные криптографические примитивы, такие как ChaCha20 для шифрования.

1. WireGuard-заголовок:

• Message Type: 1 байт (определяет тип сообщения, например, Handshake Initiation, Data Transfer).
• Receiver Index: 4 байта (идентификатор получателя).
• Nonce: 12 байт (одноразовое значение для предотвращения повторных атак).
• Поле данных: Переменная длина (зашифрованные данные).
  

2. WireGuard-пакет данных:

• Поле данных: Переменная длина (инкапсулированные данные, такие как IP-пакет).
  

Преимущества:

• Производительность: WireGuard демонстрирует очень высокие скорости за счет минималистичного дизайна и работы через UDP.
• Простота: Сравнительно небольшая кодовая база (~4000 строк кода) делает его легко проверяемым и менее подверженным уязвимостям.
• Безопасность: Использование современных криптографических методов обеспечивает высокую степень безопасности.

Недостатки:

• Юность: Как относительно новый протокол, WireGuard пока не так широко поддерживается и не имеет столь долгой истории использования, как другие протоколы (например, OpenVPN или IPsec).
• Управление ключами: WireGuard использует статические ключи для аутентификации, что может быть менее гибким в некоторых сценариях.

Заключение:

WireGuard предлагает отличное сочетание скорости, безопасности и простоты. Это перспективный протокол, который набирает популярность, хотя он еще не так широко поддерживается, как более старые решения.

Выводы по протоколам:

• PPTP: Устарел и небезопасен, рекомендуется избегать.
• L2TP/IPsec: Безопасный, но медленный и может сталкиваться с блокировкой портов.
• OpenVPN: Очень гибкий и безопасный, но требует более сложной настройки.
• IKEv2/IPsec: Быстрый и надежный, особенно для мобильных устройств.
• WireGuard: Новый, легковесный и быстрый, но пока не так широко поддерживается.

2. Шифрование (Encryption)

Шифрование — это ключевой элемент VPN, который защищает передаваемые данные от перехвата третьими лицами. Существует несколько популярных алгоритмов шифрования, которые используются в VPN:

• AES (Advanced Encryption Standard) — один из самых популярных стандартов шифрования, который обеспечивает как высокую безопасность, так и производительность. Обычно используется с ключами длиной 128, 192 или 256 бит.
• ChaCha20 — современный алгоритм шифрования, который часто используется в мобильных устройствах благодаря своей эффективности на устройствах с низкой вычислительной мощностью.
• RSA — асимметричный алгоритм шифрования, который используется для обмена ключами шифрования и аутентификации.
• HMAC (Hash-based Message Authentication Code) — используется для обеспечения целостности данных и проверки их подлинности.

3. Аутентификация (Authentication)

VPN использует различные методы аутентификации для подтверждения подлинности клиента и сервера. Это предотвращает возможность подключения злоумышленников к VPN-серверу. Существует несколько методов аутентификации:

• Sertifikaty X.509 — используются для аутентификации клиента и сервера с помощью цифровых сертификатов.
• Пароль и имя пользователя — стандартный метод аутентификации, который используется в менее защищённых настройках.
• PSK (Pre-Shared Key) — предварительно распределённый ключ, который используется для аутентификации клиента и сервера.
• Двухфакторная аутентификация (2FA) — добавляет дополнительный уровень безопасности, требуя ввода одноразового кода с другого устройства.

4. IPsec (Internet Protocol Security)

IPsec — это набор протоколов, который обеспечивает безопасную передачу данных на сетевом уровне (уровень 3 сетевой модели OSI). IPsec может работать в двух режимах:

• Транспортный режим — шифруются только данные в пакете, но заголовки остаются открытыми. Этот режим чаще используется для внутренней сети.
• Туннельный режим — шифруется весь IP-пакет, включая заголовки. Это наиболее популярный режим для VPN, поскольку он обеспечивает максимальную конфиденциальность.

5. Маршрутизация и NAT (Network Address Translation)

Когда вы подключаетесь к VPN, ваш трафик перенаправляется через VPN-сервер. Сервер может изменить ваш реальный IP-адрес с помощью NAT (маскировка адреса), чтобы сделать вас анонимным в сети. Например, веб-сайты будут видеть IP-адрес VPN-сервера, а не ваш реальный IP-адрес.

Существует два основных типа VPN:

• Site-to-Site VPN — используется для соединения двух частных сетей через Интернет. Это решение часто используется для объединения офисов в одну корпоративную сеть.
• Client-to-Site VPN — это более распространённый вариант, когда отдельный пользователь подключается к частной сети через общедоступную сеть (например, домашний пользователь подключается к корпоративной сети).

6. Политики и управление VPN

Для управления VPN-сессиями используются различные политики и механизмы контроля. Например:

• Политики маршрутизации — определяют, какой трафик должен проходить через VPN, а какой может идти напрямую в интернет.
• Политики шифрования — задают уровни шифрования и аутентификации для различных пользователей и устройств.
• Политики доступа — определяют, какие ресурсы доступны пользователям через VPN.

7. DNS и утечки (DNS Leaks)

Когда вы подключаетесь к VPN, ваш DNS-трафик (запросы, которые определяют IP-адреса веб-сайтов) также должен проходить через VPN-сервер. Однако в некоторых случаях возможны "утечки DNS", когда DNS-запросы обрабатываются через вашего локального провайдера, а не через VPN. Это может раскрыть ваш реальный IP-адрес и местоположение. Многие VPN-сервисы предлагают защиту от утечек DNS.

8. Kill Switch

Механизм "Kill Switch" используется для защиты данных в случае разрыва соединения с VPN. Если VPN-соединение внезапно прерывается, Kill Switch блокирует весь интернет-трафик, чтобы предотвратить утечку данных через незащищённое соединение.

Заключение

VPN работает путём создания безопасного туннеля между вашим устройством и сервером, используя при этом шифрование и аутентификацию для защиты данных. Основными компонентами VPN являются протоколы туннелирования (OpenVPN, L2TP, IKEv2 и др.), методы шифрования (AES, RSA), а также механизмы маршрутизации и NAT.

Если Вам интересно, что еще можно найти на канале QA Helper, прочитайте статью: Вместо оглавления. Что вы найдете на канале QA Helper - справочник тестировщика?

Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить полезную информацию: QA Helper - справочник тестировщика

Пишите в комментариях какой пункт было бы интересно рассмотреть более подробно.