Cisco ❀ IPsec原理与加密算法

IPSEC VPN-internet protocol security virtual private networks

IPSEC是一种加密的框架，不是加密协议，规定了加密的步骤、流程

1、IPSEC的性质：

1. 私密性：使用对称加密算法和非对称加密算法
2. 完整性：使用Hash散列函数

源认证：数字签名、Hmac（密钥化Hash）-共享密钥，对发送数包的源进行认证，pre-share-认证对端是经过授权的
不可否认性：数字证书（引入了信任第三方）

一、加密算法：
对称加密算法：DES（56bit）、3DES（168bit）、AES（128，192，256bit）
– 块加密：将数据分为固定大小，例如DES使用8字节
– 电子密码本
– 加密块链接
– 流加密：逐bit进行加密
非对称加密算法：RSA（主流）、DH（ipsec）、EC（手机 PDA等移动设备）、RC 2/3/4/6–对网页流加密（高度集支持软件，加密位数较低，密钥长度512~4096）

二、Hash函数：认证算法
函数特点：

1. 不可逆性
2. 雪崩效应
3. 不等长输入，等长输出
4. 冲突避免（尽量使用SHA-1）
   MD5（128bit）、SHA（160bit）

数字签名：将数据使用hash认证算法计算得到hash值使用非对称算法中私钥加密
数字证书：由可信的第三方颁发（CA机构），内容包含了用户的对称加密算法，公钥，公司名，地址
为了保证数据传输的安全性：传递的报文包括密文，密钥包—公钥加密、数字签名—私钥加密、数字证书

三、IPsec VPN：使用ipsec来实现远程接入的一种VPN技术
IPsec VPN星型拓扑：需要两次加密
一个分支站点的数据要抵达另一个分支站点，首先需要加密数据送往中心，数据在中心站点第一次被解密，查看路由判断出隧道，然后再中心站点被第二次加密，并且送往目的站点，目的站点收到数据后，再进行第二次解密，由于数据被两次加解密，所以大大增加了延时

IPsec：使用了三种协议：IKE、ESP、AH

1. IKE：互联网密钥交互协议
2. ESP：封装安全负载协议
3. AH：认证头部

IPsec VPN模式：tunnel（隧道模式）、transport（传输模式）

1. 隧道模式：通信点不等于加密点
   IP公网头部+ESP+IP头部+DATA
2. 传输模式：通信点等于加密点
   IP头部+ESP+DATA，只对数据加密，不能再公网内传递
   Site-to-site VPN：隧道模式
   Remote-access VPN：远程拨号VPN，隧道模式

四、ESP-加密安全负载协议：基于IP协议封装, 协议号为50，源于IPV6中，支持加密和认证。可以保证数据的私密性、完整性和源认证
1、ESP头部：包含了三个字端
2、SPI：安全参数索引，一般为4个字节，SPI使用玩真的SA（安全关联）的标记，通过接收到报文中的SPI级到了该报文使用什么样的算法进行安全加密、认证（通过查看本地具有相同的SPI的SA内容，IKE就能过保障一方出向的SPI等于对方入向的SPI）
3、S.N：安全序列号，进行简单的重复性检测，防止重放攻击（插入相同的密文），序列号加1
4、IV：初始化向量，固定8字节，再块加密的加密块链接中与初始化的明文报文进行异或运算（保证了相同的明文产生不优的密文）
5、ESP尾部：包含了padding、padding length、next-header（从原始的IP头部中协议字端复制而来）
6、ESP认证字端：ESP数据与随机值进行hash运算所得到的hash值—hmac

发送数据ESP的处理过程：
增加ESP头部和ESP尾部
加密（针对DATA数据和ESP尾部进行加密）
认证（针对ESP头部和已经加密的数据进行hash运算）
重算CRC

五、AH-认证头部：只认证不加密，并且认证之后的hash值仍存在认证字段中，AH基于IP封装，封装协议号为51，会对IP头部进行认证。
存在两个问题：

1. 不加密，不能保证数据的私密性
2. 对IP头部进行认证，不支持NAT

SPD：安全策略数据库，就是流量选择器----对流量进行加密的标记：
（1）加密
（2）旁路（正常转发，默认）
（3）过滤
SADB：安全关联 数据库，所以支持的SA信息存放的位置

六、IKE：互联网密钥交互协议：分为3部分：

1. ISAMKP协议（双方认证）
2. 认证（仅限于远程接入VPN并且在使用域共享密钥方式进行源认证时使用）
3. IPsec策略协商

IKE第一阶段：使用了6个报文
第1，2报文，
第3，4报文，明文发送，传递DH算法的公钥，随机产生一些值，双方交互运算，得到公共的信息，从而计算出来的三个相同的Skey-id
Skey-id d—衍生出来的IPsec中对称加密算法的密钥
Skey-id a—衍生出来IPsec的随机值（用于hmac）
skey-id e—衍生出来ISAMKP中的对称加密算法的密钥

IKE第二阶段hmac的随机是双方手工指定的
第5，6报文，使用密文发送 ，将所有的公共信息进行认证
IKE第二阶段：进行IPsec SA协商（该SA对传递的数据进行封装）共三个报文，全部都是加密的
第一个再次进行认证（检测IPsec中的公共信息）
第二个报文发送自己的所有SA策略
第三个报文进行确认IPsec VPN建立完成

七、VPN：虚拟专用网络
1、VPN分类：

二层VPN：FR ATM

三层VPN：GRE IPsec VPN

1. GRE：通用路由封装，无安全性保障
2. MPLS VPN：VPN是在ISP内完成，安全性较高，有QOS保障
3. IPSEC VPN：VPN是在C网络中完成，安全性较高，无QOS保障

IPSEC VPN：IPSEC，对IP数据进行加密或认证，使用IKE协商，使用ESP或者AH封装保证数据传递的安全性

IKE协议中IPSEC中的相关参数分为3个阶段：
– 第1阶段：ISAKMP协商，进行ISAKMP中SA的协商—6个报文
– 第1.5阶段：认证（对使用VPN用户的身份进行检测，是否授权）—3个报文
– 第2阶段：IPSEC SA的协商，协商IPSEC在相关信息（SA安全关联信息）—3个报文
在site-to-site VPN中仅包含了第1和第2阶段
在remote-access VPN中包含了所有的三个阶段

AH协议（Authentication Header，使用较少）：可以同时提供数据完整性确认、数据来源确认、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1实现该特性。----不适用于nat–要对数据来源进行确认

ESP协议（Encapsulated Security Payload，使用较广）：可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现数据完整性。
为何AH使用较少呢？因为AH无法提供数据加密，所有数据在传输时以明文传输，而ESP提供数据加密；其次AH因为提供数据来源确认（源IP地址一旦改变，AH校验失败），所以无法穿越NAT。当然，IPSec在极端的情况下可以同时使用AH和ESP实现最完整的安全特性，但是此种方案极其少见。

八、IPSEC VPN的基本配置：
对端缺省

R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.12.2

使用ACL定义感兴趣流量：

R1(config)#access-list 100 permit ip 172.16.1.0 0.0.0.255 172.16.2.0 0.0.0.255
R2(config)#access-list 100 permit ip 172.16.2.0 0.0.0.255 172.16.1.0 0.0.0.255

定义IKE第一阶段–ISAKMP SA信息：
定义IKE第一阶段，设置为域共享密钥方式进行源认证

R1(config)#crypto isakmp policy 10
R1(config-isakmp)#group 2          //非对称加密算法 DH长度为1024
R1(config-isakmp)#encryption 3des 
R1(config-isakmp)#authentication pre-share 
R1(config-isakmp)#hash md5

定义域共享密钥key值

crypto isakmp key 6 cisco address 12.1.1.2

定义IPSEC SA（使用ESP或AH方式加密认证）：

R1(config)#crypto ipsec transform-set openlab esp-3des esp-md5-hmac 

定义map：

R1(config)#crypto map ccie 10 ipsec-isakmp   //关联IKE第一阶段
% NOTE: This new crypto map will remain disabled until a peer
        and a valid access list have been configured.
R1(config-crypto-map)#set peer 12.1.1.2     
R1(config-crypto-map)#set transform-set openlab   
R1(config-crypto-map)#match address 100
R1(config-crypto-map)#exit

接口调用：

R1(config)#int s1/1
R1(config-if)#crypto map ccie

IPsec VPN为触发方式
查看：

r1#show crypto isakmp sa  //查看第一阶段
IPv4 Crypto ISAKMP SA
dst             src             state          conn-id slot status
23.1.1.2        12.1.1.1        QM_IDLE           1001    0 ACTIVE

只要状态显示QM标示隧道已经建立；

r1#show crypto ipsec sa   //查看IKE第二阶段

九、数据传输安全案例

下面给出上面图片的具体解释：
加密信息：
（1）原始数据
（2）数字签名：
原始数据经过hash运算得到信息摘要再经过alice的私钥签名加密得到数字签名
（3）alice证书：
CA发布，验证alice的公钥是本人发送
将原始数据+数字签名+alice证书–使用alice和bob直接的对称密钥进行加密传送数据

公钥：由CA提供bob的证书，解密证书得到公钥，用公钥加密对称密钥得到密钥信封

数据包=加密信息+密钥信封—公网传递

当bob得到加密信息时会使用bob用自己的私钥解密出对称密钥再使用alice和bob之间的对称密钥进行解密传送的数据，得到
原始信息+数字签名+alice证书
alice证书可以得到alice的公钥
用alice公钥验证数字签名是不是由alice发送
解密数字签名会得到信息摘要，再将得到的原始信息进行hash运算并且与得到的信息摘要进行比较，相同即可使用

公钥用于传递来加密解密 私钥用于自己解密

创作者：Eric· Charles