MACsec, IPsec czy szyfrowanie w warstwie optycznej? Porównanie dla sieci operatorskich i firmowych

Wszystkie trzy warstwy szyfrują tym samym algorytmem AES-256. Różnią się tym, co dokładnie ukrywają, ile przepustowości zabierają i jakie opóźnienie wprowadzają. Rozpiętość jest większa, niż sugeruje pozorne podobieństwo, bo sięga od nanosekund i zera narzutu w warstwie optycznej do kilkuset mikrosekund i wyraźnej utraty przepustowości przy IPsec.

Wybór nie jest kwestią preferencji ani poziomu bezpieczeństwa. Jest konsekwencją tego, jaką trasę chronisz, jakie masz wymagania wobec opóźnień i gdzie przebiega granica zaufania w Twojej sieci. Poniżej porównanie trzech warstw wraz z trzema scenariuszami wdrożeniowymi i oceną gotowości postkwantowej każdej z nich.

Zakres ochrony na jednej trasie

IPsec chroni całą trasę, ale dane są jawne wewnątrz obu routerów brzegowych. MACsec chroni każdy przeskok osobno, więc w każdym węźle ramka jest odszyfrowywana i szyfrowana ponownie. Szyfrowanie w warstwie pierwszej obejmuje tylko tor optyczny, za to bez narzutu i bez odsłaniania metadanych.

Trzy warstwy, trzy różne zakresy ochrony

Warstwa pierwsza: szyfrowanie optyczne, OTNSec

Szyfrowanie w warstwie fizycznej działa na poziomie ramki OTN, przed wysłaniem sygnału w światłowód. Ładunek ramki jest szyfrowany w stosunku jeden do jednego, bez dodawania bajtów. Dane uwierzytelniające mieszczą się w zarezerwowanych polach nagłówka OTN, a wymiana kluczy korzysta z kanału pomocniczego, który i tak jest częścią ramki. Konsekwencją jest pełna przezroczystość protokołowa. Szyfrowaniu podlega wszystko, co przez tor przechodzi, niezależnie od tego, czy to Ethernet, Fibre Channel, OTN czy coś innego. Dla obserwatora podsłuchującego włókno nie widać ani adresów, ani wzorców ruchu. W materiałach branżowych określa się to mianem czarnego włókna. Ograniczenie jest równie wyraźne, bo rozwiązanie wymaga dedykowanego sprzętu po obu stronach łącza i działa punkt-punkt. Nie da się go rozciągnąć na trasę, gdzie pośrodku stoi urządzenie innego dostawcy.

Warstwa druga: MACsec

MACsec to standard IEEE 802.1AE, szyfrujący ramki Ethernet między sąsiadującymi urządzeniami. Narzut wynosi około 32 bajtów na ramkę, na który składają się nagłówek SecTAG i wartość kontrolna integralności ICV. Szyfrowanie jest realizowane sprzętowo, stąd niskie opóźnienie. Zakres ochrony to pojedynczy odcinek łącza, czyli przeskok. Gdy dane przechodzą przez kilka urządzeń warstwy drugiej, każde z nich deszyfruje ramkę i szyfruje ją ponownie, więc wewnątrz każdego urządzenia po drodze dane istnieją w postaci jawnej. Nagłówki MAC pozostają widoczne, bo są potrzebne do przełączania ramek.

Warstwa trzecia: IPsec

IPsec chroni pakiety IP od końca do końca. Urządzenia pośredniczące nie mają możliwości ich odszyfrowania, co czyni go podstawą rozwiązań VPN i jedyną sensowną opcją, gdy ruch przechodzi przez infrastrukturę, której nie kontrolujesz. Ceną jest złożoność i wydajność. Przetwarzanie odbywa się często programowo, narzut nagłówków jest wyraźnie większy niż przy MACsec, a opóźnienie rośnie o rząd lub dwa rzędy wielkości. W trybie tunelowym zewnętrzne nagłówki IP pozostają widoczne.

Porównanie

Algorytm szyfrujący jest we wszystkich trzech przypadkach ten sam, zwykle AES-256. Różnica w bezpieczeństwie nie wynika więc z siły szyfru, lecz z tego, jak dużą część komunikacji dana warstwa zasłania i na jakim odcinku.

Dwa wiersze zasługują na komentarz. Zakres ochrony metadanych bywa pomijany w porównaniach, a w analizie ryzyka waży często więcej niż sama poufność treści. Szyfrowanie w warstwie pierwszej ukrywa również wzorce ruchu, bo obserwator nie wie, kto z kim się komunikuje ani kiedy natężenie rośnie. MACsec i IPsec pozostawiają odpowiednio adresy MAC i zewnętrzne adresy IP, z których da się odtworzyć topologię i aktywność. Zasięg ochrony decyduje o tym, gdzie dane istnieją w postaci jawnej. Przy MACsec każde urządzenie pośredniczące warstwy drugiej odszyfrowuje ramkę i szyfruje ją ponownie, więc jeśli model zagrożeń obejmuje te urządzenia, MACsec nie jest odpowiedzią.

Trzy scenariusze wdrożeniowe

Scenariusz pierwszy: operator sieci

ISP z własną siecią szkieletową, łącza o przepustowości 100G i wyżej, trasy biegnące przez tereny, nad którymi operator nie ma pełnej kontroli fizycznej. Rekomendacja to warstwa pierwsza. Uzasadnienie ma trzy filary. Po pierwsze, przy przepustowości 100G i wyżej każdy procent utraconej przepustowości przekłada się bezpośrednio na pojemność handlową łącza, więc zerowy narzut przestaje być detalem technicznym, a staje się pozycją przychodową. Po drugie, operator przenosi ruch wielu klientów, często w różnych protokołach, a szyfrowanie przezroczyste protokołowo obsługuje wszystko bez rozróżniania, podczas gdy MACsec wymagałby, żeby cały ruch był ethernetowy. Po trzecie, głównym wektorem zagrożenia jest tu fizyczny dostęp do włókna poza węzłami. Metody podsłuchu obejmują zarówno wpięcie rozdzielacza, jak i przechwycenie sygnału przez odpowiednio wygięte włókno, gdzie wystarczy ułamek procenta mocy optycznej, by odczytać transmisję. Szyfrowanie w warstwie pierwszej chroni dokładnie ten odcinek. MACsec pozostaje sensownym uzupełnieniem na stykach z klientami biznesowymi, gdzie ruch jest ethernetowy, a wymagania dotyczą pojedynczego łącza dostępowego.

Scenariusz drugi: bank i dwa centra danych

Instytucja finansowa z dwoma ośrodkami przetwarzania, replikacja synchroniczna między nimi, dystans kilkanaście do kilkudziesięciu kilometrów, dzierżawione ciemne włókno. Rekomendacja to warstwa pierwsza, z IPsec jako warstwą uzupełniającą dla wybranych aplikacji. Replikacja synchroniczna jest tu czynnikiem rozstrzygającym. Każda mikrosekunda opóźnienia na trasie wydłuża czas potwierdzenia zapisu, a przy replikacji synchronicznej ten czas przekłada się bezpośrednio na wydajność systemów transakcyjnych. Opóźnienie rzędu setek mikrosekund, charakterystyczne dla IPsec, jest w tym scenariuszu nie do zaakceptowania jako jedyne zabezpieczenie trasy. Drugim czynnikiem jest przepustowość, bo replikacja środowisk produkcyjnych generuje ruch, przy którym ubytek przepustowości rzędu kilkunastu procent oznacza konieczność dokupienia pojemności. Trzecim jest wymóg regulacyjny. Wymagania dotyczące ochrony danych w tranzycie są zwykle spełnione przez szyfrowanie AES-256 niezależnie od warstwy, ale audytorzy pytają również o to, czy dane istnieją gdzieś w postaci jawnej między ośrodkami. Przy szyfrowaniu w warstwie pierwszej odpowiedź brzmi nie, bez zastrzeżeń. IPsec pozostaje przydatny dla pojedynczych aplikacji o podwyższonych wymaganiach, gdzie ochrona od końca do końca musi obejmować również wnętrze obu ośrodków. To uzupełnienie, nie alternatywa.

Scenariusz trzeci: jednostka samorządu terytorialnego

Sieć miejska łącząca urząd, szkoły, jednostki podległe i monitoring. Ruch mieszany, dystanse kilku do kilkunastu kilometrów, budżet ograniczony, infrastruktura często własna. Rekomendacja to MACsec jako warstwa podstawowa, warstwa pierwsza na wybranych odcinkach krytycznych. To jedyny z trzech scenariuszy, w którym MACsec wypada najlepiej, i warto zrozumieć dlaczego. Koszt wejścia jest wyraźnie niższy, bo MACsec obsługuje wiele przełączników dostępowych i agregacyjnych w standardzie, bez konieczności zakupu dedykowanych urządzeń szyfrujących. Przy sieci z kilkudziesięcioma węzłami różnica w nakładach inwestycyjnych jest istotna. Ruch jest w całości ethernetowy, więc ograniczenie MACsec do jednego protokołu nie stanowi problemu. Wymagania wobec opóźnień są łagodne, bo kilka mikrosekund na odcinku nie ma znaczenia dla systemów dziedzinowych, poczty czy monitoringu wizyjnego. Pozostaje kwestia odcinków, gdzie ruch przechodzi przez obszary poza kontrolą jednostki, na przykład trasa dzierżawiona od operatora lub przebiegająca przez teren prywatny. Tam warto rozważyć szyfrowanie w warstwie pierwszej na tym konkretnym odcinku, nie w całej sieci. Osobna uwaga dotyczy zgodności. Wymogi wynikające z przepisów o ochronie danych osobowych oraz z krajowego systemu cyberbezpieczeństwa mówią o adekwatnych środkach technicznych, nie wskazując konkretnej warstwy. MACsec wdrożony konsekwentnie na wszystkich łączach spełnia te wymagania, pod warunkiem udokumentowania analizy ryzyka, która uzasadnia wybór.

Gotowość postkwantowa

To pytanie pojawia się dziś w większości postępowań zakupowych i warto odpowiedzieć na nie precyzyjnie, bo krąży wokół niego sporo nieporozumień. Sam szyfr symetryczny nie jest problemem. AES-256 używany we wszystkich trzech warstwach uznaje się za odporny na znane algorytmy kwantowe. Algorytm Grovera skraca efektywną siłę klucza o połowę, co przy 256 bitach wciąż pozostawia poziom bezpieczeństwa odpowiadający 128 bitom, a to margines wystarczający. Problemem jest wymiana kluczy. Mechanizmy oparte na kryptografii asymetrycznej, takie jak Diffiego-Hellmana czy RSA, są podatne na algorytm Shora. To one, nie sam AES, stanowią słaby punkt w perspektywie kryptografii kwantowej. Dotyczy to zarówno IKEv2 w IPsec, jak i protokołu MKA w MACsec.

Scenariusz zbierz teraz, odszyfruj później jest powodem, dla którego sprawa jest pilna już dziś. Przeciwnik może dziś przechwytywać i archiwizować zaszyfrowany ruch, by odszyfrować go za dziesięć czy piętnaście lat. Dla danych o długim okresie wrażliwości, jak dokumentacja medyczna, dane osobowe czy tajemnica przedsiębiorstwa, ryzyko jest realne teraz. Warstwa pierwsza ma tu szczególną właściwość, bo wymiana kluczy odbywa się kanałem pomocniczym w ramce, co otwiera drogę do zasilenia jej kluczem z zewnętrznego źródła. Tym źródłem może być kwantowa dystrybucja klucza, czyli QKD. Klucz jest wtedy generowany przez osobne urządzenie wykorzystujące strumień kwantowy, a jego przechwycenie przez atakującego jest wykrywalne z zasad fizyki, nie z założeń obliczeniowych.

Jak przetestować przed wdrożeniem

Deklaracje producentów dotyczące opóźnień i przepustowości są mierzone w warunkach laboratoryjnych. W Twojej sieci wyniki mogą być inne, więc pilotaż na jednym łączu przed decyzją o skali jest inwestycją, która zwraca się przy pierwszym wykrytym problemie.

Pilotaż warto prowadzić co najmniej dwa tygodnie, by objąć pełny cykl tygodniowy ruchu wraz z weekendem i okresami zwiększonego obciążenia.

Podsumowanie w trzech zdaniach

Jeśli chronisz trasę między dwiema lokalizacjami, które kontrolujesz, i zależy Ci na przepustowości lub opóźnieniu, wybierz warstwę pierwszą. Jeśli budujesz sieć ethernetową z wieloma węzłami przy ograniczonym budżecie, wybierz MACsec. Jeśli ruch przechodzi przez infrastrukturę, której nie kontrolujesz, musisz użyć IPsec, niezależnie od kosztu wydajnościowego. W większości realnych wdrożeń te warstwy się uzupełniają, a nie wykluczają. Szyfrowanie w warstwie pierwszej na trasach szkieletowych plus IPsec dla wybranych aplikacji to układ, który spotykamy najczęściej u klientów z wymaganiami regulacyjnymi.

Źródła:

‍Microchip, In-flight Encryption in Service Provider Networks, porównanie narzutu OTN, MACsec i IPsec, Cho, Sergeev, Post-quantum MACsec in Ethernet Networks, narzut 32 bajtów, opóźnienie 1 do 3 µs, pomiary przepustowości, Automatic Intent-Based Secure Service Creation, arXiv, właściwości szyfrowania w warstwie fizycznej, MACsec i IPsec, Chaotic Encryption for 10-Gb Ethernet Optical Links, arXiv, wpływ IPsec na przepustowość, Multi-Layer Encryption in Optical Fiber Networks, zestawienie opóźnień i zakresu ochrony trzech warstw

FAQ: