ipsec学习（1）

ipsec学习

本文信息大都摘自http://blog.csdn.net/tantexian/article/details/43448499供自己学习记录

简介

ipsec （ip security）: 一种三层隧道加密协议。它为Internet上传输的数据提供了高质量的、可互操作的、基于密码学的安全保证。特定的通信方之间在IP层通过加密与数据源认证等方式，提供了以下的安全服务：

• 数据机密性（Confidentiality）：IPsec发送方在通过网络传输包前对包进行加密。
• 数据完整性（Data Integrity）：IPsec接收方对发送方发送来的包进行认证，以确保数据在传输过程中没有被篡改。
• 数据来源认证（Data Authentication）：IPsec在接收端可以认证发送IPsec报文的发送端是否合法。
• 数据来源认证（Data Authentication）：IPsec在接收端可以认证发送IPsec报文的发送端是否合法。

ipsec协议的实现

ipsec协议主要由网络认证协议AH（Authentication Header，认证头）、ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全载荷）、IKE（Internet Key Exchange，因特网密钥交换）和用于网络认证及加密的一些算法来实现其功能。

ipsec提供了两种安全机：认证和加密。

• 认证：使接收方可以确认发送方的真实身份，确认原始数据没有遭到篡改。
• 加密：发送方发送的数据被加密，防止数据被窃听。

AH
AH协议（IP协议号为51）提供数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，它能保护通信免受篡改，但不能防止窃听，适合用于传输非机密数据。AH的工作原理是在每一个数据包上添加一个身份验证报文头，此报文头插在标准IP包头后面，对数据提供完整性保护。可选择的认证算法有MD5（Message Digest）、SHA-1（Secure Hash Algorithm）等。

ESP
ESP协议（IP协议号为50）提供加密、数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能。ESP的工作原理是在每一个数据包的标准IP包头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾。与AH协议不同的是，ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，以保证数据的机密性。常见的加密算法有DES、3DES、AES等。同时，作为可选项，用户可以选择MD5、SHA-1算法保证报文的完整性和真实性。

在实际进行IP通信时，可以根据实际安全需求同时使用这两种协议或选择使用其中的一种。AH和ESP都可以提供认证服务，不过，AH提供的认证服务要强于ESP。同时使用AH和ESP时，设备支持的AH和ESP联合使用的方式为：先对报文进行ESP封装，再对报文进行AH封装，封装之后的报文从内到外依次是原始IP报文、ESP头、AH头和外部IP头。

ipsec 相关概念

1. SA(security association)
   IPsec在两个端点之间提供安全通信，端点被称为IPsec对等体。
   SA是IPsec的基础，也是IPsec的本质。SA是通信对等体间对某些要素的约定，例如，使用哪种协议（AH、ESP还是两者结合使用）、协议的封装模式（传输模式和隧道模式）、加密算法（DES、3DES和AES）、特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等。建立SA的方式有手工配置和IKE自动协商两种。
   SA是单向的，在两个对等体之间的双向通信，最少需要两个SA来分别对两个方向的数据流进行安全保护。同时，如果两个对等体希望同时使用AH和ESP来进行安全通信，则每个对等体都会针对每一种协议来构建一个独立的SA。
   SA由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括SPI（Security Parameter Index，安全参数索引）、目的IP地址、安全协议号（AH或ESP）。
   SPI是用于唯一标识SA的一个32比特数值，它在AH和ESP头中传输。在手工配置SA时，需要手工指定SPI的取值。使用IKE协商产生SA时，SPI将随机生成。
   通过IKE协商建立的SA具有生存周期，手工方式建立的SA永不老化。IKE协商建立的SA的生存周期有两种定义方式：

• 基于时间的生存周期，定义了一个SA从建立到失效的时间；
• 基于流量的生存周期，定义了一个SA允许处理的最大流量。
  生存周期到达指定的时间或指定的流量，SA就会失效。SA失效前，IKE将为IPsec协商建立新的SA，这样，在旧的SA失效前新的SA就已经准备好。在新的SA开始协商而没有协商好之前，继续使用旧的SA保护通信。在新的SA协商好之后，则立即采用新的SA保护通信。

2. 封装模式
   IPsec有如下两种工作模式：

• 隧道（tunnel）模式：用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。通常，隧道模式应用在两个安全网关之间的通讯。
• 传输（transport）模式：只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被放置在原IP包头后面。通常，传输模式应用在两台主机之间的通讯，或一台主机和一个安全网关之间的通讯。

不同的安全协议在tunnel和transport模式下的数据封装形式如图1-1所示，data为传输层数据。

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3. 认证算法与加密算法

4. 认证算法
   认证算法的实现主要是通过杂凑函数。杂凑函数是一种能够接受任意长的消息输入，并产生固定长度输出的算法，该输出称为消息摘要。IPsec对等体计算摘要，如果两个摘要是相同的，则表示报文是完整未经篡改的。IPsec使用两种认证算法：

   • MD5：MD5通过输入任意长度的消息，产生128bit的消息摘要。
   • SHA-1：SHA-1通过输入长度小于2的64次方bit的消息，产生160bit的消息摘要。

   MD5算法的计算速度比SHA-1算法快，而SHA-1算法的安全强度比MD5算法高。

5. 加密算法
   加密算法实现主要通过对称密钥系统，它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。目前设备的IPsec实现三种加密算法：

   • DES（Data Encryption Standard）：使用56bit的密钥对一个64bit的明文块进行加密。
   • 3DES（Triple DES）：使用三个56bit的DES密钥（共168bit密钥）对明文进行加密。
   • AES（Advanced Encryption Standard）：使用128bit、192bit或256bit密钥长度的AES算法对明文进行加密。

   这三个加密算法的安全性由高到低依次是：AES、3DES、DES，安全性高的加密算法实现机制复杂，运算速度慢。对于普通的安全要求，DES算法就可以满足需要。

6. 协商方式
   有如下两种协商方式建立SA：

   • 手工方式（manual）配置比较复杂，创建SA所需的全部信息都必须手工配置，而且不支持一些高级特性（例如定时更新密钥），但优点是可以不依赖IKE而单独实现IPsec功能。
   • IKE自动协商（isakmp）方式相对比较简单，只需要配置好IKE协商安全策略的信息，由IKE自动协商来创建和维护SA。

   当与之进行通信的对等体设备数量较少时，或是在小型静态环境中，手工配置SA是可行的。对于中、大型的动态网络环境中，推荐使用IKE协商建立SA。

AH protocol
The Authentication Header protocol provides connectionless integrity, data origin authentication, and an optional anti-replay service.
RFC 4302:
The IP Authentication Header (AH) is used to provide connectionless integrity and data origin authentication for IP datagrams (hereafter referred to as just "integrity") and to provide protection against replays. This latter, optional service may be selected, by the receiver, when a Security Association (SA) is established. (The protocol default requires the sender to increment the sequence number used for anti-replay, but the service is effective only if the receiver checks the sequence number.) However, to make use of the Extended Sequence Number feature in an interoperable fashion, AH does impose a requirement on SA management protocols to be able to negotiate this new feature.

AH provides authentication for as much of the IP header as possible, as well as for next level protocol data. However, some IP header fields may change in transit and the value of these fields, when the packet arrives at the receiver, may not be predictable by the sender. The values of such fields cannot be protected by AH. Thus, the protection provided to the IP header by AH is piecemeal.
AH may be applied alone, in combination with the IP Encapsulating Security Payload (ESP), or in a nested fashion. Security services can be provided between a pair of communicating hosts, between a pair of communicating security gateways, or between a security gateway and a host. ESP may be used to provide the same anti-replay and similar integrity services, and it also provides a confidentiality (encryption) service. The primary difference between the integrity provided by ESP and AH is the extent of the coverage. Specifically, ESP does not protect any IP header fields unless those fields are encapsulated by ESP (e.g., via use of tunnel mode).

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