IPSec协议

内容提要

Motivation(IP协议的安全缺陷、虚拟专用网）

IPSec概述（协议流程、SPD、SAD）

数据封装（IPSec:AH、IPSec:ESP)

安全参数协商（ISAKMP、IKE）

一、Motivation

1.1IP协议的安全缺陷

IP协议可能遭受欺骗攻击：伪造源IP地址

缺乏保密性和数据完整性保护

1.2虚拟专用网

二、IPSec概述

2.1IPSec安全服务：保密性、数据完整性、访问控制、数据源认证

2.2IPSec:根据安全策略对IP数据报进行安全处理

安全策略：针对安全需求给出的一系列解决方案，它决定了对什么样的通信实施安全保护以及何种安全保护。

安全处理：加密、消息认证码、重新封装

2.3IPSec的处理过程分为协商和数据交互两个阶段：

协商阶段：通信双方互相认证对方身份，并根据安全策略协商使用的加密、认证算法，生成共享的会话密钥。

数据交互阶段：通信双方利用协商好的算法和密钥对数据进行安全处理。

协商阶段：互联网密钥交换协议（IKE)

数据交互阶段：认证首部（AH）、封装安全载荷（ESP）

2.4应用IPSec，查询SAD

1.存在有效SA

根据对应参数，将数据报封装（加密、验证、添加IPSec头、IP头），然后送出

2.尚未建立SA

触发IKE协商，协商成功则走第1步，否则丢弃数据报

3.存在SA但无效

请求协商新的SA，协商成功则走第1步，否则丢弃数据报

进入处理：

收到一个数据报后，首先查询SAD。如果存在有效SA，则查询为该数据报提供的安全保护是否与安全策略要求相符。如果相符，则将还原后的数据报交给相应的高层协议模块处理或者转发；如果不相符，则丢弃该报文。

如果没有建立SA或者SA无效，则直接丢弃数据报，不会重新协商SA。

2.5安全策略（SP)

安全策略是针对安全需求给出的一系列解决方案，决定了对什么样的通信实施安全保护以及提供何种安全保护

安全策略通常以安全策略库（SPD）的形式表现，其中每条记录是一条安全策略。

SPD一般保存在一个策略服务器中，为域中的所有节点（主机和路由器）维护策略库。各节点可以将策略库复制到本地，也可以通过LDAP动态获取策略。

SPD

对于外出数据报，必须先检索SPD，确定对其应提供的安全服务。

对于进入数据报，IPSec引擎也检索SPD，判断为其提供的安全保护是否和策略规定的安全保护相符。

安全策略描述：对通信特性的描述、对保护方法的描述

SPD：通信特性描述

目的IP、源IP、名字、传输层协议、源、目的端口、数据敏感等级

以上对通信特性的描述称为：选择符

SPD：对保护方法的描述

每一份数据报，三种处理方式：丢弃、绕过、应用IPSec

如何应用IPSec?安全关联（SA）

2.6、IPSec:安全关联（SA）

2.6.1安全策略与安全关联的关系：

安全关联用于实现安全策略，是安全策略的具体化和实例化，详细定义了对一个数据报的具体处理方式。

如果安全策略是应用IPSec进行保护，则必须指向一个SA或者SA束。

6.2安全关联（SA）

6.2.1 SA是两个IPSec实体（主机或者路由器)之间的一个单工“连接”，用于规定保护数据报安全的具体安全协议、密码算法、密钥以及密钥的生存期。

SA是单向的，要么对数据报进行“进入（接收到的）“保护，要么对数据报进行”外出“（发送出去的）保护

6.2.2 每个SA用一个三元组来标识

其中，SPI：4字节的串，协商SA时指定，IPSec报文中包含SPI

其中，目的IP地址：单播、广播或者多播地址，可以为终端用户系统、防火墙或者路由器

序号计数器：32bit，用于产生AH或ESP头的序号

抗重放窗口：32bit，用于确定进入的AH或者ESP包是否为重放

密码算法及密钥：消息验证码计算算法及密钥、加密算法及密钥、初始化向量IV

安全关联的生存期：是一个时间间隔，超过这一间隔后，应建立一个新的SA或者终止通信。生存期可以用时间或者当前SA处理过的字节数为单位来计数

6.2.3IPSec协议模式

传输模式：提供对高层协议数据的保护

隧道模式：提供对整个IP报文的保护

6.3安全关联管理

安全关联管理的任务：创建SA,删除SA

手工方式：由管理员根据安全策略来维护，容易出错

自动方式：IKE，动态，适用于规模较大的情况

七、IPSec的封装：AH

7.1AH提供的安全服务

数据完整性：消息验证码

数据源发认证：消息验证码

抗重放性攻击：序列号

7.2AH的特点

不对传输的数据提供保密性，密码学运算开销小，两种工作模式：传输模式和隧道模式

7.3传输模式

如果要在两台主机之间以AH协议保护传输的数据，需要先在两台主机设置密钥，假设主机A的密钥为Key(A)，主机B的密钥为Key(B)。因为AH协议使用对称加密，因此通信双方还需要对方的密钥。

AH：发送端报文封装

主机A的IPSec引擎会对要发送的数据包进行处理，在原有的IP头和高层协议（如TCP）头部之间插入一个AH头部。AH头部包含了原来IP报文的完整性校验值（ICV)，封装好之后发给主机B。

此时，AH头中，next hdr=TCP

AH：接收端校验

主机B收到上述报文后，根据AH头部的信息，对数据包进行验证，以确定是否被篡改。

验证过程为：

主机B收到数据之后，根据对应SA的信息生成认证数据，并与认证头部中的认证进行比较

如果匹配，则验证成功

如果不匹配，则认为数据包无效，丢弃该数据包，并在audit log里面记录这个事件。

7.4AH头部格式

next hdr：8-bit字段，指明认证头部后面的一个首部对应的协议类型。

AH len：8-bit字段，指明认证头部的长度，以4个字节为计数单位。

Reserved：16-bit字段，保留为将来用，设置为0。

SPI：32-bit字段，IKE协商SA指定的安全参数索引，三元组用于唯一标识该数据包的SA。

Sequence Number：无符号32-bit、单调递增计数器值，用于防止重放攻击，该字段也是必须的。

Authentication Data:变长字段，必须是32-bit的整数倍，用于存储完整性校验值（ICV)，用于进行数据源发认证和完整性校验。

AH保护数据：发送处理过程

1.查询SA，获取安全参数

2生成序列号

3.计算认证数据

4.构造IPSec报文并发送

AH保护数据：接受处理过程

1.根据<目标地址，安全协议，SPI>在SAD中查找相应的SA，如果没有找到，则丢弃该报文

2.使用滑动窗口机制验证序列号，防止重放攻击

3.验证认证数据，若通过验证，则还原数据并递交给相应的协议模块或者转发，否则丢弃。

7.4AH：隧道模式

在数据包从源主机发到局域网安全网关主机A，A会对该报文进行重新封装，在原IP头前加新IP头+AH头

此AH头中，next hdr=IP----------------判断报文是隧道模式的关键

7.5AH：ICV计算数据

IP头部中，在传输过程中不变的字段或者是在到达接收端其值可预测的字段。

AH头部，包括：Next Header,Rayload Len,Reserved,SPI,Sequence Number,和认证数据（在计算ICV值的时候置为0），及显示的填充字节（如果有的话）。

AH能和NAT一起部属吗？

NAT要修改的部分和AH认为在传输部分（用于计算ICV）冲突，那么接收端就无法通过完整性校验，从而导致数据包丢弃。因此不能一起部署。

7.6应用场景

公司有成都总公司和北京分公司，现在有两个员工分别在香港和纽约出差，为了工作都使用了VPN。

出差两员工通信：采用AH传输模式

出差员工和公司：采用AH隧道模式，员工为起点

两地公司员工通信：采用AH隧道模式

八、ESP

8.1安全服务：保密性，数据完整性，数据源发认证，抗重放攻击

8.2报文格式

8.3隧道模式

在IP头前加新IP头+ESP头，高层协议数据后面加ESP尾

8.4传输模式

在IP头后加ESP头

8.5ESP：发送数据处理过程

1.查询SAD，获取安全参数

2.报文加密

3.生成序号

4.计算认证数据

5.构造IPSec报文并发送

ESP：接收数据处理过程

1.根据<目的IP地址，安全协议，SPI>三元组查询SAD，若找不到有效SA，则丢弃报文

2.使用滑动窗口机制验证序号，防止重放攻击

3.验证认证数据，如果验证失败，则丢弃该报文

4.解密，并将还原后的报文递交给相应的协议模块，解密失败则丢弃该报文

九、安全参数协商

9.1IKE，Internet Key Exchange

IKE功能：协商SA，密钥生成，身份认证

应用层协议 UDP 端口：500

ISAKMP：交换时序和格式

Oakley:优化DH算法

SKEME：快速密钥更新的通用密钥交换技术

9.2ISAKMP

9.2.1协商过程

第一阶段，协商获得ISAKMP SA，用以保护第二阶段的协商过程

第二阶段，协商获取安全协议SA用于保护通信数据

9.2.2两个重要概念：

交换：规定了协议时序（5种协商时序：基本交换，身份保护交换、只有认证的交换、野蛮交换、通知交换）

载荷：规定了协议的语法和语义

9.2.3身份保护交换：

1.发起方发送第一个报文，包括首部和SA，SA是发起方给出的安全关联建议

2.回应方回复一个报文，包括首部和回应方选择的SA

3.发起方发送报文，包括首部、密钥交换信息和随机数

4.回应方响应一个报文，包括首部、密钥交换信息和随机数

5.发起方发送一个报文，包括首部、身份信息和认证信息，数据区受到加密保护

6.回应方回复一个报文，包括首部、身份信息和认证信息，数据区受到加密保护

9.2.4野蛮交换：

1.发起方发送一个报文，包括首部、SA、KE、Nonce和IDii

2.回应方回复一个报文，包括首部、选定的SA、KE、Nonce、IDir、AUTH

3.发起方发送一个报文，包括首部和认证信息，认证信息加密

9.2.5通知交换

用途：在ISAKMP交换过程中，如果某一方发现有差错发生，则用“通知交换”通告通信对端；用于SA管理，比如通知通信对端删除某个SA

通知交换报文用第一协商的安全参数进行保护

9.2.6报文及载荷

首部+数据区（取决于交换类型及报文类型，由载荷构成）

报文首部