IPSec之IKEv2协议详解
IKEv2简介
IKEv2介绍：
- 定义在RFC4306 ，更新与 RFC 5996.
- 不兼容IKEv1，IKEv1不支持认证，IKEv2支持认证，EAP。
- 支持NAT穿越。
- IKEv2支持私密性、完整性、源认证。
- 工作在UDP 的 500 /4500端口。NAT-T用的是UDP4500端口。
IKE的安全机制：
-
身份认证
确认通信算双方的身份（对等体的IP地址或者名称），包括：
预共享密钥PSK（pre-shared key）认证。
数字签名RSA（rsa-signature）认证。
-
身份保护
-
DH（Diffie-Hellman）密钥交换算法
-
完善的向前安全性PFS（Perfect Forward Secrecy）
短暂的一次性密钥系统称为“完美向前保密”
在IPSec里，PFS是通过在IPSec SA协商阶段重新进行一个DH交换来实现的。
DH交换算法：
详解IKEv2主模式的协商过程
采用IKEv2协商安全联盟比IKEv1协商过程要简化的多。要建立一对IPSec SA，IKEv1需要经历两个阶段：“主模式＋快速模式”或者“野蛮模式＋快速模式”，前者至少需要交换9条消息，后者也至少需要6条消息。而IKEv2正常情况使用2次交换共4条消息就可以完成一对IPSec SA的建立，如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对IPSec SA只需额外增加1次创建子SA交换，也就是2条消息就可以完成。
IKEv2定义了三种交换：初始交换（Initial Exchanges）、创建子SA交换（Create_Child_SA Exchange）以及通知交换（Informational Exchange）。
在IKEv2中将IKEv1中的主模式和野蛮模式换成了Inital Exchange，将快速模式阶段换成了CRATE_CHILD_SA.
初始交换：
正常情况下，IKEv2通过初始交换就可以完成第一对IPSec SA的协商建立。IKEv2初始交换对应IKEv1的第一阶段，初始交换包含两次交换四条消息。
消息①和②属于第一次交换（称为IKE_SA_INIT交换），以明文方式完成IKE SA的参数协商，包括协商加密和验证算法，交换临时随机数和DH交换。IKE_SA_INIT交换后生成一个共享密钥材料，通过这个共享密钥材料可以衍生出IPSec SA的所有密钥。相当于IKEv1的主模式的第1,3个包。
消息③和④属于第二次交换（称为IKE_AUTH交换），以加密方式完成身份认证、对前两条信息的认证和IPSec SA的参数协商。IKEv2支持RSA签名认证、预共享密钥认证以及扩展认证方法EAP（Extensible Authentication Protocol）。EAP认证是作为附加的IKE_AUTH交换在IKE中实现的，发起者通过在消息3中省去认证载荷来表明需要使用EAP认证。
交换消息
- 2个初始信息
- 2个认证信息
IKEv2报文协商详细过程：
Initiator Responder
-------------------------------------------------------------------
HDR, SAi1, KEi, Ni -->
<-- HDR, SAr1, KEr, Nr, [CERTREQ]
HDR, SK {IDi, [CERT,] [CERTREQ,]
[IDr,] AUTH, SAi2,
TSi, TSr} -->
<-- HDR, SK {IDr, [CERT,] AUTH, SAr2, TSi, TSr}
字段说明：
AUTH Authentication
CERT Certificate，证书
CERTREQ Certificate Request
CP Configuration
D Delete
EAP Extensible Authentication
HDR IKE header (not a payload)，IKE头部
IDi Identification - Initiator
IDr Identification - Responder
KE Key Exchange，发起方提供的密钥交换材料、有限使用最高安全级别的DH组
Ni, Nr Nonce，随机数
N Notify
SA Security Association，安全关联参数
SK Encrypted and Authenticated
TSi Traffic Selector - Initiator
TSr Traffic Selector - Responder
V Vendor ID
IKEv2中的消息交换都是以IKE_SA_INIT 和 IKE_AUTH开始的。在IKEv1中称为阶段一。这些初始交换通常是由4个消息组成，在大于一对IPSec SA的建立中，可以增加子SA。
IKEv2的所有通信都是以request/response对组成。
第一对消息（IKE_SA_INIT）进行协商密码算法、交换nonces，和DH算法。生成SKEYSEED，后续的消息使用密钥进行加密和验证。
第二对消息（IKE_AUTH）操作在又IKE_SA_INIT所创建的IKE_SA之上。对前一对消息进行身份验证，交换身份和整数，并建立第一个CHILD_SA，这些消息的一部分是加密和完整的，使用通过IKE_SA_INIT交换建立的密钥来包加密。
初始交换之后所有的消息都是加密传输的。
IKEv2协商过程的第1个包：
第一个包交换的信息如下：
IKE_SA_INIT: Message 1
发起方提供基本的SA（安全关联）参数和密钥交换材料。等同与IKEv1的主模式的第1和第3个包。
Initiator Responder
-------------------------------------------------------------------
HDR, SAi1, KEi, Ni -->
----------------------------------
KEi：发起方提供的密钥交换材料，优先级使用最高安全级别的DH组
发起方发送：HDR包含安全参数索引（SPIs）、版本号和flags。SAi1有效载荷声明了发起方支持的IKE SA加密算法。KE有效载荷是发送方的DH值，Ni为发起方的随机数。
第一个包：Responder SPI的值为0，Flags位的Initiator的值为1，标志位发起方。Message ID的值也为0，该值和下一个会回应方的Message ID值相同。用来标即区分一对request/response消息对。
IKEv2协商过程的第2个包：
第2个包的信息交换如下：
IKE_SA_INIT: Message 2
接收方会一个可以接受的参数，并附带密钥交换内容和证书请求(可选)。等同于IKEv1的主模式的第2和第4个包。
<-- HDR, SAr1, KEr, Nr, [CERTREQ]
------------------------------------------------
SAri:接收方选择的密码学算法
KEr：接收方选择的密钥交换材料
Nr：接收方的随机数
CertReq: 整数请求，可选
回应方：从发起方提供的SAi1负载中选择一个可接受的加密组套件，封装在SAr1中，并发送双方都支持的DH算法的最高级封装在KEr负载中，以及发送回应方的Nr随机值。
在回应方的报文中，SPIi为发起方的SPI,SPIr中填充自己生产的spi。Flags中的Response位置1，表示自己为回应方的报文。Message ID的值同第一个报文的Message ID，为0.
第1个和第2个包交换完成后，每一方都能生成SKEYSEED，所有的密钥都是从这个密钥推导出来的。以后的消息除了消息头都会被加密和完整性保护。加密和完整性保护的密钥都是来自SKEYSEED，分别称为SK_e,用于加密，SK_a,用于认证，做完整性保护。会为每个方向计算单独的SK_a和SK_e。
除了密钥来自DH算法的SK_e和SK_a之外，还会导出另一个两SK_d,用于生成子SA的密钥材料。符号SK{…}表示这些有效载荷已加密使用该方向的SK_e和SK_a保护完整性。
SKEYSEED = prf(Ni | Nr, g^ir)
{SK_d | SK_ai | SK_ar | SK_ei | SK_er | SK_pi | SK_pr }
= prf+ (SKEYSEED, Ni | Nr | SPIi | SPIr )
-------------------------------------------------------
IKE SA; SK_ai and SK_ar used as a key to the integrity protection algorithm for authenticating the component messages of subsequent exchanges;
SK_ei and SK_er used for encrypting (and of course decrypting) all subsequent exchanges;
and SK_pi and SK_pr, which are used when generating an AUTH payload.
The lengths of SK_d, SK_pi,
and SK_pr MUST be the preferred key length of the PRF agreed upon.
IKEv2协商过程的第3个包：
第3个包的信息如下：
IKE_AUTH: Message 1
创建child SA相关的认证内容和参数（等于与IKEv1的主模式的第5个包和部分快速模式的包）
HDR, SK {IDi, [CERT,] [CERTREQ,]
[IDr,] AUTH, SAi2,
TSi, TSr} -->
-------------------------------------------
SK ：该负载被加密并且完整性保护。
IDi:发起方的身份信息
Cert：发起方的整数，可选
CertReq：发起方的证书请求，可选
IDr：期望的相应方的身份信息，可选
AUTH: 发起方认证数据，没有EAP就没有这个字段，可选
SAi2，发起方Child SA转换集
TSi/TSr: Child SA流量选择器
符号SK{…}表示这些有效载荷已加密使用该方向的SK_e和SK_a保护完整性。
发起方：除了HDR未加密，其余都被加密。IDi是发起方的有效身份载荷，用来证明自己的身份和完整性保护。也可以在CERT中发送整数有效载荷记忆在CertReq有效宰割中的信任列表。如果包含任何CERT有效载荷，必须提供第一个证书，包含用于验证AUTH字段的公钥。
可选的有效负载IDr使发起者能够指定哪个响应者。当在有同一个IP地址的机器上可能有多个身份ID。如果响应者不接受发起方提出的IDr，响应者可能会使用其他一些IDr完成交换。如果发起方不接收相应方提供的IDr，发起方可以关闭这个SA协商。
Tsi，Tsr是流量选择器，可以用来协商双方的感兴趣流。在IKEv2中可以协商，取感兴趣流的交集。但是在IKEv1中不能协商，只能双方互相配置为镜像地址。
发起方使用SAi2负载来协商Child SA，SAi2用来描述CREATE_CHILD_SA的交换参数。
第3个报文中的报文头是明文的，其余都是密文传输。在该报文中的Flags中的Initiator位置1，表示是发起方的报文。Message ID区别于上一对消息，为1。下一个回应的报文的Message ID和这个值相同。其余消息被封装到了Encrypted and Authenticated载荷中。
IEKv2协商过程的第4个包：
第4个包信息如下：
IKE_AUTH: Message 2
创建于child SA相关的认证内容和参数。等同于IKEv1主模式的第6个包和部分快速模式的包。
<-- HDR, SK {IDr, [CERT,] AUTH,
SAr2, TSi, TSr}
----------------------------------------------------------
SK: 负载被加密和完整性保护
IDr：相应方的身份信息
Cert：相应方的证书，可选
AUTH：相应方的认证数据，没有EAP就没有这个字段，可选
SAr2：相应方选择的Child SA转换集
TSi/TSr: Child SA流量选择器，感兴趣流
响应方：使用IDr有效载荷声明其身份，可选发送一个或多个证书（同样这个证书需要有用于验证AUTH的公钥），AUTH：验证第二消息的身份和完整性保护。SAr2字段用于发送创建CREATE_CHILD_SA的提议材料。
创建子SA交换：
当一个IKE SA需要创建多对IPSec SA时，需要使用创建子SA交换来协商多于一对的IPSec SA。另外，创建子SA交换还可以用于IKE SA的重协商。
创建子SA交换包含一个交换两条消息，对应IKEv1协商阶段2，交换的发起者可以是初始交换的协商发起方，也可以是初始交换的协商响应方。创建子SA交换必须在初始交换完成后进行，交换消息由初始交换协商的密钥进行保护。
类似于IKEv1，如果启用PFS，创建子SA交换需要额外进行一次DH交换，生成新的密钥材料。生成密钥材料后，子SA的所有密钥都从这个密钥材料衍生出来。
通知交换：
运行IKE协商的两端有时会传递一些控制信息，例如错误信息或者通告信息，这些信息在IKEv2中是通过通知交换完成的。如下图
通知交换必须在IKE SA保护下进行，也就是说通知交换只能发生在初始交换之后。控制信息可能是IKE SA的，那么通知交换必须由该IKE SA来保护进行；也可能是某子SA的，那么该通知交换必须由生成该子SA的IKE SA来保护进行。
IKEv1和IKEv2的区别
IKEv1与IKEv2的区别：
可比较的角度：
-
IPsec建立过程，报文角度
阶段比较，IKEv1有两个阶段，IKEv2没有阶段。
-
IKEv1
IKEv1协商安全联盟主要分为两个阶段。
IKEv1阶段1的目的是建立IKE SA，它支持两种协商模式：主模式和野蛮模式。主模式用6条ISAKMP消息完成协商。野蛮模式用3条ISAKMP消息完成协商。野蛮模式的优点是建立IKE SA的速度较快。但是由于野蛮模式密钥交换与身份认证一起进行无法提供身份保护。
IKEv1阶段2的目的就是建立用来传输数据的IPSec SA，通过快速交换模式（3条ISAKMP消息）完成协商。
-
IKEv2
IKEv2简化了安全联盟的协商过程。IKEv2正常情况使用2次交换共4条消息就可以完成一个IKE SA和一对IPSec SA，如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对SA只需额外增加1次交换，也就是2条消息就可以完成。
-
-
载荷角度
AUTH，TSi，TSr，EAP
-
认证方法
IKEv2支持EAP身份认证。IKEv2可以借助认证服务器对远程接入的PC、手机等进行身份认证、分配私网IP地址。IKEv1无法提供此功能，必须借助L2TP来分配私网地址。
-
支持远程接入
L2TP OVER IPSEC---------IKEV1解决方案
-
其他功能
NAT -T DPD
IKE SA的完整性算法支持情况不同。
IKE SA的完整性算法仅IKEv2支持，IKEv1不支持。
-
配置不同
-
DPD中超时重传实现不同。
retry-interval参数仅IKEv1支持。表示发送DPD报文后，如果超过此时间间隔未收到正确的应答报文，DPD记录失败事件1次。当失败事件达到5次时，删除IKE SA和相应的IPSec SA。直到隧道中有流量时，两端重新协商建立IKE SA。
对于IKEv2方式的IPSec SA，超时重传时间间隔从1到64以指数增长的方式增加。在8次尝试后还未收到对端发过来的报文，则认为对端已经下线，删除IKE SA和相应的IPSec SA。
-
IKE SA超时时间手工调整功能支持不同。
IKEv2的IKE SA软超时为硬超时的9/10±一个随机数，所以IKEv2一般不存在两端同时发起重协商的情况，故IKEv2不需要配置软超时时间。
IKEv1与IKEv2的对比：
区别：
- IKEv2：支持DPD，EAP认证方式，NAT-T，支持消息的确认（一端删除sa信息，另一端也会删除），支持自动协商感兴趣流，针对DOS的攻击防护，支持远程用户接入，最少4个包协商速度更快。
- IKEv1：远程用户接入必须结合L2TP、主模式9个包，野蛮模式6个包。不能协商感兴趣流，得互相配置为镜像。
总结：
IKEv1的主要问题：
- 不支持远程用户接入
- 协商建立IPSec SA的时间太长
IKEv2的改进：
- IKEv1是一个混合型协议，其自身的复杂性不可避免地带来一些安全及性能上的缺陷，已经成为目前实现IPSec系统的瓶颈。
- IKEv2协议保留了IKEv1的基本功能，并针对IKEv1研究过程中发现的问题进行修订，同时兼顾简洁性、高效性、安全性和见健壮性的需要，整合了IKEv1的相关文档，由RFC4306单个文档替代。通过核心功能最小化规定，新协议极大提高了不同IPSec VPN系统的互操作性。
IKEv2与IKEv1相比有以下优点：
-
简化了安全联盟的协商过程，提高了协商效率。
IKEv1使用两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立IPSec SA：第一阶段，通信双方协商和建立IKE本身使用的安全通道，建立一个IKE SA；第二阶段，利用这个已通过了认证和安全保护的安全通道，建立一对IPSec SA。IKEv2则简化了协商过程，在一次协商中可直接生成IPSec的密钥并建立IPSec SA。
-
修复了多处公认的密码学方面的安全漏洞，提高了安全性能。
-
加入对EAP（Extensible Authentication Protocol）身份认证方式的支持，提高了认证方式的灵活性和可扩展性。
EAP是一种支持多种认证方法的认证协议，可扩展性是其最大的优点，即若想加入新的认证方式，可以像组件一样加入，而不用变动原来的认证体系。当前EAP认证已经广泛应用于拨号接入网络中。
-
通过EAP协议解决了远程接入用户的认证问题，彻底摆脱了L2TP的牵制。目前IKEv2已经广泛应用于远程接入网络中了。
参考文档：RFC 5996