No empty .Rs/.Re
[netbsd-mini2440.git] / crypto / dist / ipsec-tools / src / racoon / rfc / draft-ietf-ipsec-nat-t-ike-01.txt
blob6cde830f3bc1b0defd382d59ee4612213c4534d3
1 IP Security Protocol Working Group (IPSEC)       T. Kivinen, M. Stenberg
2 INTERNET-DRAFT                               SSH Communications Security
3 draft-ietf-ipsec-nat-t-ike-01.txt                            A. Huttunen
4 Expires: 23 April 2001                              F-Secure Corporation
5                                                     W. Dixon, B. Swander
6                                                                Microsoft
7                                                                 V. Volpe
8                                                            Cisco Systems
9                                                               L. DiBurro
10                                                          Nortel Networks
11                                                          23 October 2001
15                 Negotiation of NAT-Traversal in the IKE
17 Status of This Memo
19 This document is a submission to the IETF IP Security Protocol
20 (IPSEC) Working Group.  Comments are solicited and should be
21 addressed to the working group mailing list (ipsec@lists.tislabs.com)
22 or to the editor.
24 This document is an Internet-Draft and is in full conformance
25 with all provisions of Section 10 of RFC2026.
27 Internet-Drafts are working documents of the Internet Engineering
28 Task Force (IETF), its areas, and its working groups.  Note that
29 other groups may also distribute working documents as
30 Internet-Drafts.
32 Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six
33 months and may be updated, replaced, or obsoleted by other
34 documents at any time.  It is inappropriate to use Internet-
35 Drafts as reference material or to cite them other than as
36 "work in progress."
38 The list of current Internet-Drafts can be accessed at
39 http://www.ietf.org/ietf/1id-abstracts.txt
41 The list of Internet-Draft Shadow Directories can be accessed at
42 http://www.ietf.org/shadow.html.
44 Abstract
46 This document describes how to detect one or more NATs between IPsec
47 hosts, and how to negotiate the use of UDP encapsulation of the IPsec
48 packets through the NAT boxes in IKE.
58 T. Kivinen, et. al.                                             [page 1]
60 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
62 Table of Contents
64 1.  Introduction  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  2
65 2.  Specification of Requirements   . . . . . . . . . . . . . . . . .  2
66 3.  Phase 1   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  2
67   3.1.  Detecting support of Nat-Traversal  . . . . . . . . . . . . .  3
68   3.2.  Detecting presense of NAT   . . . . . . . . . . . . . . . . .  3
69 4.  Quick Mode  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5
70   4.1.  Negotiation of the NAT-Traversal encapsulation  . . . . . . .  5
71   4.2.  Sending the original source address   . . . . . . . . . . . .  5
72 5.  Security Considerations   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  6
73 6.  Intellectual property rights  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7
74 7.  Acknowledgments   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7
75 8.  References  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  7
76 9.  Authors' Addresses  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  8
80 1.  Introduction
82 This document is split in two parts. The first part describes what is
83 needed in the IKE phase 1 for the NAT-Traversal support. This includes
84 detecting if the other end supports NAT-Traversal, and detecting if
85 there is one or more NAT along the path from host to host.
87 The second part describes how to negotiate the use of UDP encapsulated
88 IPsec packets in the IKE Quick Mode. It also describes how to transmit
89 the original source address to the other end if needed. The original
90 source address can be used to incrementally update the TCP/IP checksums
91 so that they will match after the NAT transform (The NAT cannot do this,
92 because the TCP/IP checksum is inside the UDP encapsulated IPsec
93 packet).
95 The document [Hutt01] describes the details of the UDP encapsulation and
96 the document [Dixon01] provides background information and motivation of
97 the NAT-Traversal in general.
99 2.  Specification of Requirements
101 This document shall use the keywords "MUST", "MUST NOT", "REQUIRED",
102 "SHALL", "SHALL NOT", "SHOULD", "SHOULD NOT", "RECOMMENDED, "MAY", and
103 "OPTIONAL" to describe requirements. They are to be interpreted as
104 described in [RFC-2119] document.
106 3.  Phase 1
108 The detection of the support for the NAT-Traversal and detection of the
109 NAT along the path happens in the IKE [RFC-2409] phase 1.
111 The NAT is supposed to float the IKE UDP port, and recipients MUST be
112 able to process IKE packets whose source port is different than 500.
113 There are cases where the NAT does not have to float the source port
114 (only one (IPsec) host behind the NAT or for the first IPsec host it can
117 T. Kivinen, et. al.                                             [page 2]
119 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
121 keep the port 500, and float only the following IPsec hosts).
123 Recipients MUST reply back to the source address from the packet. This
124 also means that when the original responder is doing rekeying, or
125 sending notifications etc. to the original initiator it MUST send the
126 packets from the same set of port and IP numbers that was used when the
127 IKE SA was originally created (i.e the source and destination port and
128 IP numbers must be same).
130 For example the initiator sends packet having source and destination
131 port 500, the NAT changes that to such packet which have source port
132 12312 and destination port 500, the responder must be able to process
133 the packet whose source address is that 12312 and it must reply back
134 with packet whose source address is 500 and destination address 12312,
135 the NAT will then translate this packet to have source address 500 and
136 destination address 500.
138 3.1.  Detecting support of Nat-Traversal
140 The NAT-Traversal capability of the remote host is determined by an
141 exchange of vendor strings; in Phase 1 two first messages, the vendor id
142 payload for this specification of NAT-Traversal (MD5 hash of "draft-
143 ietf-ipsec-nat-t-ike-00" - ["4485152d 18b6bbcd 0be8a846 9579ddcc"]) MUST
144 be sent if supported (and it MUST be received by both sides) for the
145 NAT-Traversal probe to continue.
147 3.2.  Detecting presense of NAT
149 The purpose of the NAT-D payload is twofold, It not only detects the
150 presence of NAT between two IKE peers, it also detects where the NAT is.
151 The location of the NAT device is important in that the keepalives need
152 to initiate from the peer "behind" the NAT.
154 To detect the NAT between the two hosts, we need to detect if the IP
155 address or the port changes along the path. This is done by sending the
156 hashes of IP address and port of both source and destination addresses
157 from each end to another. When both ends calculate those hashes and get
158 same result they know there is no NAT between. If the hashes do not
159 match, somebody translated the address or port between, meaning we need
160 to do NAT-Traversal to get IPsec packet through.
162 If the sender of the packet does not know his own IP address (in case of
163 multiple interfaces, and implementation don't know which is used to
164 route the packet out), he can include multiple local hashes to the
165 packet (as separate NAT-D payloads). In this case the NAT is detected if
166 and only if none of the hashes match.
168 The hashes are sent as a series of NAT-D (NAT discovery) payloads.  Each
169 payload contains one hash, so in case of multiple hashes, multiple NAT-D
170 payloads are sent. In normal case there is only two NAT-D payloads.
172 The NAT-D payloads are included in the third and fourth packet in the
173 main mode and second and third packet in the aggressive mode.
176 T. Kivinen, et. al.                                             [page 3]
178 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
180 The format of the NAT-D packet is
182       1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
183      +---------------+---------------+---------------+---------------+
184      | Next Payload  |    RESERVED   |        Payload length         |
185      +---------------+---------------+---------------+---------------+
186      ~               HASH of the address and port                    ~
187      +---------------+---------------+---------------+---------------+
189 The payload type for the NAT discovery payload is 130 (XXX CHANGE).
191 The HASH is calculated as follows:
193         HASH = HASH(CKY-I | CKY-R | IP | Port)
195 using the negotiated HASH algorithm. All data inside the HASH is in the
196 network byte-order. The IP is 4 octets for the IPv4 address and 16
197 octets for the IPv6 address. The port number is encoded as 2 octet
198 number in network byte-order. The first NAT-D payload contains the
199 remote ends IP address and port (i.e the destination address of the UDP
200 packet). The rest of the NAT-D payloads contain possible local end IP
201 addresses and ports (i.e all possible source addresses of the UDP
202 packet).
204 If there is no NAT between then the first NAT-D payload should match one
205 of the local NAT-D packet (i.e the local NAT-D payloads this host is
206 sending out), and the one of the other NAT-D payloads must match the
207 remote ends IP address and port. If the first check fails (i.e first
208 NAT-D payload does not match any of the local IP addresses and ports),
209 then it means that there is dynamic NAT between, and this end should
210 start sending keepalives as defined in the [Hutt01].
212 The CKY-I and CKY-R are the initiator and responder cookies, and they
213 are added to the hash to make precomputation attacks for the IP address
214 and port impossible.
216 An example of phase 1 exchange using NAT-Traversal in main mode
217 (authentication with signatures) is:
219          Initiator                       Responder
220         ------------                    ------------
221         HDR, SA, VID                 -->
222                                      <-- HDR, SA, VID
223         HDR, KE, Ni, NAT-D, NAT-D    -->
224                                      <-- HDR, KE, Nr, NAT-D, NAT-D
225         HDR*, IDii, [CERT, ] SIG_I   -->
226                                      <-- HDR*, IDir, [ CERT, ], SIG_R
228 An example of phase 1 exchange using NAT-Traversal in aggressive mode
229 (authentication with signatures) is:
231          Initiator                       Responder
232         ------------                    ------------
235 T. Kivinen, et. al.                                             [page 4]
237 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
239         HDR, SA, KE, Ni, IDii, VID   -->
240                                      <-- HDR, SA, KE, Nr, IDir, [CERT, ],
241                                            VID, NAT-D, NAT-D, SIG_R
242         HDR*, [CERT, ], NAT-D, NAT-D,
243           SIG_I                      -->
245 4.  Quick Mode
247 After the Phase 1 both ends know if there is a NAT present between.  The
248 final decision of using the NAT-Traversal is left to the quick mode. The
249 use of NAT-Traversal is negotiated inside the SA payloads of the quick
250 mode. In the quick mode both ends can also send the original source
251 addresses of the IPsec packets (in case of the transport mode) to the
252 other, end so the other end has possibility to fix the TCP/IP checksum
253 field after the NAT transform.
255 This sending of the original source address is optional, and it is not
256 useful in the UDP-Encapsulated-Tunnel mode, as there is going to be
257 proper IP header inside the UDP-Encapsulated packet. In case of only
258 UDP-Encapsulated-Tunnel mode is negotiation then both ends SHOULD NOT
259 send original source address.
261 It also might be unnecessary in the transport mode if the other end can
262 turn off TCP/IP checksum verification. If the sending end knows (for
263 example from the vendor id payload) that the other end can turn off
264 TCP/IP checksum verification, he MAY leave the original source address
265 payload away. Otherwise he SHOULD send the original source address.
267 4.1.  Negotiation of the NAT-Traversal encapsulation
269 The negoation of the NAT-Traversal happens by adding two new
270 encapsulation modes. These encapsulation modes are:
272 UDP-Encapsulated-Tunnel         61443 (XXX CHANGE)
273 UDP-Encapsulated-Transport      61444 (XXX CHANGE)
275 It is not normally useful to propose both normal tunnel or transport
276 mode and UDP-Encapsulated modes. If there is a NAT box between normal
277 tunnel or transport encapsulations may not work, and if there is no NAT
278 box between, there is no point of wasting bandwidth by adding UDP
279 encapsulation of packets. Because of this initiator SHOULD NOT include
280 both normal tunnel or transport mode and UDP-Encapsulated-Tunnel or UDP-
281 Encapsulated-Transport in its proposals.
283 4.2.  Sending the original source address
285 In case of transport mode both ends SHOULD send the original source
286 address to the other end. For the tunnel mode both ends SHOULD NOT send
287 original source address to the other end.
289 The original source address of packets put to this transport mode IPsec
290 SA is sent to other end using NAT-OA (NAT Original Address) payload.
294 T. Kivinen, et. al.                                             [page 5]
296 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
298 The NAT-OA payloads are sent inside the first and second packets of the
299 quick mode. The initiator SHOULD send the payload if it proposes any
300 UDP-Encapsulated-Transport mode and the responder SHOULD send the
301 payload only if it selected UDP-Encapsulated-Transport mode. I.e it is
302 possible that initiator send the NAT-OA payload, but proposes both UDP-
303 Encapsulated transport and tunnel mode, and then the responder selectes
304 the UDP-Encapsulated tunnel mode and do not send NAT-OA payload back.
306 A peer MUST NOT fail a negotiation if it does not receive a NAT-OA
307 payload if the NAT-OA payload only would contain redundant information.
308 I.e. only the machine(s) that are actually behind the NAT need to send
309 the NAT-OA payload. A machine with a public, non-changing IP address
310 doesn't need to send the NAT-OA payload.
312 The format of the NAT-OA packet is
314       1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
315      +---------------+---------------+---------------+---------------+
316      | Next Payload  |    RESERVED   |        Payload length         |
317      +---------------+---------------+---------------+---------------+
318      |    ID Type    |    RESERVED   |           RESERVED            |
319      +---------------+---------------+---------------+---------------+
320      |         IPv4 (4 octets) or IPv6 address (16 octets)           |
321      +---------------+---------------+---------------+---------------+
323 The payload type for the NAT discovery payload is 131 (XXX CHANGE).
325 The ID type is defined in the [RFC-2407]. Only ID_IPV4_ADDR and
326 ID_IPV6_ADDR types are allowed. The two reserved fields after the ID
327 Type must be zero.
329 An example of quick mode using NAT-OA payloads is:
331          Initiator                       Responder
332         ------------                    ------------
333         HDR*, HASH(1), SA, Ni, [, KE]
334           [, IDci, IDcr ] [, NAT-OA] -->
335                                      <-- HDR*, HASH(2), SA, Nr, [, KE]
336                                           [, IDci, IDcr ] [, NAT-OA]
337         HDR*, HASH(3)
339 5.  Security Considerations
341 Whenever changes to some fundamental parts of a security protocol are
342 proposed, the examination of security implications cannot be skipped.
343 Therefore, here are some observations on the effects, and whether or not
344 these effects matter. This section will be expanded further in future
345 versions of this draft.
347 o  IKE probe reveals NAT-Traversal support to everyone. This should not
348    be an issue.
350 o  The value of authentication mechanisms based on IP addresses
353 T. Kivinen, et. al.                                             [page 6]
355 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
357    disappears once NATs are in the picture. That is not necessarily a
358    bad thing (for any real security, other authentication measures than
359    IP addresses should be used). This means that pre-shared-keys
360    authentication cannot be used with the main mode without group shared
361    keys for everybody behind the NAT box, which is huge security risk.
363 o  As the internal address space is only 32 bits, and it is usually very
364    sparce, it might be possible for the attacker to find out the
365    internal address used behind the NAT box by trying all possible IP-
366    addresses and trying to find the matching hash. The port numbers are
367    normally fixed to 500, and the cookies can be extracted from the
368    packet. This limits the hash calculations down to 2^32. If educated
369    guess of use of private address space is done, then the number of
370    hash calculations needed to find out the internal IP address goes
371    down to the 2^24 + 2 * (2^16).
373 o  The NAT-D payloads nor the Vendor ID payloads are not authenticated
374    at all in the main mode nor in the aggressive mode. This means that
375    attacker can remove those payloads, modify them or add them. By
376    removing or adding them the attacker can cause Denial Of Service
377    attacks. By modifying the NAT-D packets the attacker can cause both
378    ends to use UDP-Encapsulated modes instead of directly using tunnel
379    or transport mode, thus wasting some bandwidth.
381 o  The sending of the original source address in the Quick Mode releveas
382    the internal ip address behind the NAT to the other end. In this case
383    we have already authenticated the other end, and sending of the
384    original source address is only needed in transport mode.
386 6.  Intellectual property rights
388 The IETF has been notified of intellectual property rights claimed in
389 regard to some or all of the specification contained in this document.
390 For more information consult the online list of claimed rights.
392 SSH Communications Security Corp has notified the working group of one
393 or more patents or patent applications that may be relevant to this
394 internet-draft. SSH Communications Security Corp has already given a
395 licence for those patents to the IETF. For more information consult the
396 online list of claimed rights.
398 7.  Acknowledgments
400 Thanks to Tatu Ylonen, Santeri Paavolainen, and Joern Sierwald who
401 contributed to the drafts used as base for this document.
403 8.  References
405 [RFC-2409] Harkins D., Carrel D., "The Internet Key Exchange (IKE)",
406 November 1998
408 [RFC-2407] Piper D., "The Internet IP Security Domain Of Interpretation
409 for ISAKMP", November 1998
412 T. Kivinen, et. al.                                             [page 7]
414 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
416 [RFC-2119] Bradner, S., "Key words for use in RFCs to indicate
417 Requirement Levels", March 1997
419 [Hutt01] Huttunen, A. et. al., "UDP Encapsulation of IPsec Packets",
420 draft-ietf-ipsec-udp-encaps-01.txt, October 2001
422 [Dixon01] Dixon, W. et. al., "IPSec over NAT Justification for UDP
423 Encapsulation", draft-ietf-ipsec-udp-encaps-justification-00.txt, June
424 2001
426 9.  Authors' Addresses
428     Tero Kivinen
429     SSH Communications Security Corp
430     Fredrikinkatu 42
431     FIN-00100 HELSINKI
432     Finland
433     E-mail: kivinen@ssh.fi
435     Markus Stenberg
436     SSH Communications Security Corp
437     Fredrikinkatu 42
438     FIN-00100 HELSINKI
439     Finland
440     E-mail: mstenber@ssh.com
442     Ari Huttunen
443     F-Secure Corporation
444     Tammasaarenkatu 7,
445     FIN-00181 HELSINKI
446     Finland
447     E-mail: Ari.Huttunen@F-Secure.com
449     William Dixon
450     Microsoft
451     One Microsoft Way
452     Redmond WA 98052
453     E-mail: wdixon@microsoft.com
455     Brian Swander
456     Microsoft
457     One Microsoft Way
458     Redmond WA 98052
459     E-mail: briansw@microsoft.com
461     Victor Volpe
462     Cisco Systems
463     124 Grove Street
464     Suite 205
465     Franklin, MA 02038
466     E-mail: vvolpe@cisco.com
468     Larry DiBurro
471 T. Kivinen, et. al.                                             [page 8]
473 INTERNET-DRAFT                                          23 October 2001
475     Nortel Networks
476     80 Central Street
477     Boxborough, MA 01719
478     ldiburro@nortelnetworks.com
529 T. Kivinen, et. al.                                             [page 9]