IPSec下隧道模式和传输模式的装包与拆包

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隧道模式下的ESP协议运作过程

装包过程

对原始IP报文的处理：

1. 添加ESP尾部
   1. Padding：加密算法是块加密的话，就需要填充
   2. Pad length：补上填充长度
   3. Next header:用于标明原报文的协议类型，IPv4 or IPv6。
2. 对ESP尾部和原始IP数据报文进行加密：由SA给出加密算法和密钥。
3. 插入新的ESP头：SPI和一个Seq#，与加密数据部分构成认证部分"enchilada"。
4. 插入ESP MAc到数据报尾部：完整性的度量结果，对认证部分"enchilada"做消息摘要，得到一个32位整数倍的完整性度量值。完整性度量算法和验证密钥由SA给出。
5. 生成新的IP数据报头。新IP地址路由器和安全网关解释。协议类型50，封装ESP。
   

拆包过程

1. 接受IP报文，解析报头，确定协议类型50为ESP报文。
2. 解析ESP header，通过SPI确定数据报文以及所对应的SA，得到安全规范。
3. 计算"enchilada"部分摘要和尾部摘要进行比对，验证数据的完整性
4. 检查序列号Seq#保证数据的“新鲜”，防止重放攻击。
5. 根据SA提供的加密算法和密钥，解密数据，得到原IP报文和ESP tailer。
6. 根据ESPtrailer的填充长度信息，找出填充字段的长度，删除得到原始IP报文。
7. 最后根据原IP报文的目的地址进行转发。

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传输模式下的ESP协议运作过程-装包和拆包

与隧道模式不同，传输模式下的ESP报文只对IP数据报的有效载荷进行加密。以下对IPSec传输模式装包拆包进行阐述。

装包过程

1. 在原 IP 报文末尾添加尾部信息(ESP trailer)。
   尾部包含三部分。分别是 Padding，Pad length, Next header。各部分的作用如下：

• Padding: 由于加密算法可能是块加密算法，如果最后一个块长度不够时，需要进行填充，填充数据就是Padding 的内容。
• Pad length: 标识填充数据的长度，方便解析。
• Next header：用来表明被加密的数据报文类型，如TCP = 6。

2. 封装密文。
   将原 IP 数据报中的原 TCP 报文和第一步得到的尾部信息作为一个整体进行加密封装得到密文。具体的加密算法和密钥由 SA 给出。
3. 添加 ESP 头。
   第 2 步得到的密文头部需要添加一个 ESP 头，ESP 头由 SPI 和 Seq# 两部分组成。其中 SPI 为安全参数索引，用于关联 IPSec 数据和 SA；而 Seq# 则是用于保证数据报的唯一性，作为数据包的标识。
4. 认证部分。
   密文和第 3 步的 ESP header 合起来称为 “enchilada”, 构成认证部分。
5. 附件完整性度量结果 (ICV)
   对认证部分做摘要，得到一个 32 位整数倍的 ICV，附在认证部分之后。 ICV 摘要算法和验证密钥由 SA给出。
6. 将原始 IP 数据报头的协议号改为 50，得到新的 IP 数据头，表明该数据包为 ESP 协议的报文，然后将该 IP 报文头添加到第5步的结果之前构成传输模式下的 IPSec 报文。

装包的示意图如下：

拆包过程

1. 接收方收到 IP 报文，判断报文的协议类型，如果是 50， 则表明该数据包被封装为一个 ESP 包。下一步按照解析ESP的规则，对 ESP 包进行解析。
2. 首先查看 ESP header 部分。获取 ESP头部的 SPI 安全参数索引号，通过该索引号查询 SAD （安全关连数据库）得到该数据报文对应的SA。并检查 Seq# 字段判断报文是否“新鲜”，防止重放攻击。
3. 解析 SA 数据。获得对应的 IPSec 模式以及相关的安全规范。若 IPSec 模式为传输模式，则按下述方式解包。
4. 根据 SA 中的摘要算法和验证密钥计算认证部分 “enchilada” 的摘要值。与附在 IP 报文最后的完整性度量值 ICV 进行对比，二者相同则数据完整。
5. 根据 SA 指定的加密算法和密钥，解密密文段，得到原来的 TCP 报文和 ESP 尾部信息。
6. 根据 ESP trailer 的填充长度信息，找到填充字段的长度，删除填充字段得到原来的 TCP 报文。
7. 根据 TCP 报文头的信息将报文交付给传输层。