学习IPSec笔记总结（一）---------IPSec的基础知识

IPSecVPN(Internet Protocl Security):是一组基于网络层的，应用密码学的安全通信协议族。与TCP/IP协议簇一样，IPSec不是指具体的哪个协议，而是一个开放的协议簇。

IPSec协议的设计目标：是在IPV4和IPV6环境中为网络层流量提供灵活的安全服务（综合了密码技术，和协议安全机制）

IPSec V皮N:是基于IPSec协议簇构建的在IP层实现的数据安全虚拟专用网。通过在数据包中插入一个预定义头部的方式，来保障OSI上层协议数据的安全，主要用于保护TCP,UDP,ICMP和隧道的IP数据包（如：GRE over IPSec后面会有文章介绍在思科设备上的配置方法）。V皮N只是IPSec协议簇的一种应用方式，V皮N也不知IPSec一种实现方式，还有2层（数据链路层），第四层（传输层）等实现方式

IPSec提供的服务：

数据完整性（Confidentiality）、数据机密性(Integrity)、数据源鉴别(Authentication)、

重传攻击保护(Anti-replay)、不可否认性(Non-repudiation)

IPSec协议簇安全体系框架

注：其中的加密算法、鉴别算法、解释域和密钥管理都是IKE进行协商。

加密算法：

        DES算法：56位加密算法

         3DES：168位加密算法

密钥交换算法：

        DH（Diffie-Hellman密钥协议）

         RSA（不对称密钥算法）

验证算法：

         MD5（消息摘要）

         SHA-1(安全哈希算法)

IKE（internet Key Exchange）

         用于验证IPSec的对端体，协商IKE SA和IPSec SA的安全策略，验证加密材料的建立。

SA（Security Association）

        两个通信实体经协商建立起来的一种协定，规定了通信实体将如何利用安全服务来实现安全的通讯。

IKE定义了安全参数如何协商,以及共享密钥如何建立,但它没有定义的是协商内容。这方面的定义是由"解释域(doi)"文档来进行的

IPSec V皮N体系结构主要由AH、ESP和IKE协议套件组成。

IPSec通过ESP来保障IP数据传输过程的机密性，使用AH/ESP提供数据完整性、数据源验证和抗报文重放功能。

ESP和AH定义了协议和载荷头的格式及所提供的服务，但却没有定义实现以上能力所需具体转码方式，转码方式包括对数据转换方式，如算法、密钥长度等。

为简化IPSec的使用和管理，IPSec还可以通过IKE进行自动协商交换密钥、建立和维护安全联盟的服务。具体介绍如下：

AH协议：AH是报文头验证协议，主要提供的功能有数据源验证、数据完整性校验和防报文重放功能。然而，AH并不加密所保护的数据报。

ESP协议：ESP是封装安全载荷协议。它除提供AH协议的所有功能外（但其数据完整性校验不包括IP头），还可提供对IP报文的加密功能。

IKE协议：IKE协议用于自动协商AH和ESP所使用的密码算法。

1.IPSec协议定义了两种通信保护机制：封装安全载荷(ESP，Encapsulating Security Payload)和鉴别头(AH，Authentication Header)。其中ESP机制为通信提供机密性和完整性；AH机制为通信提供完整性保护。ESP机制和AH机制都能为通信提供抗重放(Anti-replay)攻击。

2.IPSec协议可以设置成在两种工作模式下运行：一种是隧道(tunnel)模式，另一种是传输(transport)模式。

3. IPSec协议使用IKE协议实现安全协议的自动安全参数协商。IKE协商的安全参数包括加密与鉴别算法、 加密与鉴别密钥、通信的保护模式(传输或隧道模式)、密钥的生存期等。IKE将这些安全参数构成的集合称为安全关联(SA，security Association)，还负责这些安全参数的刷新。

4.两个数据库：安全策略数据库SPD，安全关联数据库SAD 5.DOI将所有的IPSec小组的文献捆绑在一起。它可以被认为是所有IPSec安全参数的主数据库。 IKE定义了安全参数如何协商,以及共享密钥如何建立,但它没有定义的是协商内容。这方面的定义是由"解释域(doi)"文档来进行的

再说IPSec两种工作模式之前，先说明他们的“作用范围”

        传输模式：保护上层协议

        隧道模式：保护整个IP数据包

IPSec工作模式

传输模式：

        应用场景：经常用于主机和主机之间端到端通信数据保护。

         封装方式：不改变原有的IP包头，在原数据包头后面插入IPSec包头，将原来的数据封装成被保护的数据。

Ipsec工作模式即ipsec协议封装模式，主要用于定义在不同工作模式下，数据包交互的封装格式 这里的IPSEC包头就是下面介绍的AH头或者ESP头部 在传输模式下，IPSec协议处理模块会在IP报头和高层协议报头之间插入一个IPSec报头。

在这种模式下，IP报头与原始IP分组中的IP报头是一致的，只是IP报文中的协议字段会被改成IPSec协议的协议号（50或者51) ，并重新计算IP报头校验和。传输模式保护数据包的有效载荷、高层协议，IPSec源端点不会修改IP报头中目的IP地址，原来的IP地址也会保持明文。传输模式只为高层协议提供安全服务。

隧道模式：

       应用场景：经常用于私网与私网之间通过公网进行通信，建立安全VPN通道。

与传输模式不同，在隧道模式下，原始IP分组被封装成一个新的IP报文，在内部报头以及外部报头之间插入一个IPSec报头，原IP地址被当作有效载荷的一部分收到IPSec的保护。另外，通过对数据加密，还可以隐藏原数据包中的IP地址，这样更有利于保护端到端通信中数据的安全性。

IPSec通信协议：

AH（Authentication Header，认证报头）

1、无连接数据完整性：通过哈希函数（如MD5、SHA1）产生的校验来保证；

2、数据源认证：通过在计算验证码时加入一个共享密钥来实现；

3、抗重放服务：AH报头中的序列号可以防止重放攻击。

不论是传输模式还是隧道模式下，AH提供对数据包的保护时，它保护的是整个IP数据包（易变的字段除外，如IP头中的TTL和TOS字段）。

注：AH分配到的协议号是51。也就是说，使用AH协议进行安全保护的IPv4数据报文的IP头部中协议字段将是51，表明IP头之后是一个AH头。AH头比ESP头简单得多，因为它没有提供机密性。由于不需要填充和一个填充长度指示器，因此也不存在尾部字段。另外，也不需要一个初始化向量。

AH Header：

(在传输模式和隧道模式下的封装方式，在下面与ESP的封装方式进行统一对比)

ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全有效载荷）：

1、无连接数据完整性：通过哈希函数（如MD5、SHA1）产生的校验来保证；

2、数据源认证：通过在计算验证码时加入一个共享密钥来实现；

3、抗重放服务：AH报头中的序列号可以防止重放攻击。

4、数据保密

5、有限的数据流保护

注：包含AH提供的服务，并比AH多出两种安全服务。

保密服务通过使用密码算法加密 IP 数据包的相关部分来实现。

数据流保密由隧道模式下的保密服务提供。

ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现数据完整性认证。

注：ESP同样被当作一种IP协议对待，紧贴在ESP头前的IP头，以协议号50标志ESP头，ESP之前的IP头中的协议字段将是50，以表明IP头之后是一个ESP头。 并且，ESP不仅具备ESP头，还有一个包含有用信息的ESP尾。

在隧道模式中，ESP保护整个IP包，整个原始IP包将会以ESP载荷的方式加入新建的数据包，同时，系统根据隧道起点和终点等参数，建立一个隧道IP头，作为这个数据包的新IP头，ESP头夹在隧道IP头和原始IP包之间，并点缀ESP尾。 而ESP提供加密服务，会以原始IP包和ESP尾以密文的形式出现。 ESP在验证过程中，只对ESP头部、原始数据包IP包头、原始数据包数据进行验证；只对原始的整个数据包进行加密，而不加密验证数据。 作为一个IPSec头，ESP头中必然包含一个SPI字段。这个值，和IP头之前的目标地址以及协议结合在一起，用来标识特定的安全联盟。SPI本身是个任意数，可以是使用者自己指定，也可交由一些密钥管理技术自行协商决定。需要注意的是， SPI可以经过了验证，但却无法被加密。这是必不可少的一种做法，因为SPI用于SA的标识，指定了采用的加密算法以及密钥，并用于对包进行解密。如果SPI本身已被加了密，我们会碰到一个非常严重的问题——“先有鸡，还是先有蛋”。

ESP Header

两种模式下，AH和ESP的封装方式对比：

传输模式：

          AH对数据包的封装：

               ESP对数据包的封装：

隧道模式：

                   AH对数据包的封装：

                   ESP对数据包的封装：

AH和ESP对比：

IPSec建立阶段

 

IKE协商阶段

SA（安全联盟）

      定义：是通信对等体间对某些要素的约定，通信的双方符合SA约定的内容，就可以建立SA。

SA由三元组来唯一标识，包括：

      安全参数索引       目的IP地址      安全协议号

IPSec是在两个端点之间提供安全通信，端点被称为IPSec对等体。

IPSec能够允许系统、网络的用户或管理员控制对等体间安全服务的粒度。例如，某个组织的安全策略可能规定来自特定子网的数据流应同时使用AH和ESP进行保护，并使用3DES（Triple Data Encryption Standard）进行加密；另一方面，策略可能规定来自另一个站点的数据流只使用ESP保护，并仅使用DES加密。通过SA（SecurityAssociation），IPSec能够对不同的数据流提供不同级别的安全保护。

安全联盟是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，使用哪种安全协议、协议的操作模式（传输模式和隧道模式）、加密算法（DES和3DES）、特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等。

安全联盟是单向的，在两个对等体之间的双向通信，最少需要两个安全联盟来分别对两个方向的数据流进行安全保护。入站数据流和出站数据流分别由入站SA和出站SA进行处理。同时，如果希望同时使用AH和ESP来保护对等体间的数据流，则分别需要两个SA，一个用于AH，另一个用于ESP。

安全联盟由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括安全参数索引（SPI, Security Parameter Index）、目的IP地址、安全协议号（AH 或ESP）。SPI 是为唯一标识SA而生成的一个32 比特的数值，它在IPSec头中传输。 IPSec设备会把SA的相关参数放入SPD（Security Policy Database）里面，SPD里面存放着“什么数据应该进行怎样的处理”这样的消息，在IPSec数据包出站和入站的时候会首先从SPD数据库中查找相关信息并做下一步处理。

IKE的产生背景：

用IPSec保护一个IP包之前，必须先建立安全联盟（SA）

IPSec的安全联盟可以通过手工配置的方式建立。但是当网络中节点较多时，手工配置将非常困难，而且难以保证安全性。这时就可以使用IKE（Internet Key Exchange）自动进行安全联盟建立与密钥交换的过程。Internet密钥交换（IKE）就用于动态建立SA，代表IPSec对SA进行协商

IKE的用途：

IKE为IPSec协商生成密钥，供AH/ESP加解密和验证使用。

在IPSec通信双方之间，动态地建立安全关联（SA：Security Association），对SA进行管理和维护

IKE是UDP之上的一个应用层协议，是IPSec的信令协议。IKE为IPSec协商生成密钥,供AH/ESP加解密和验证使用。AH协议和ESP协议有自己的协议号，分别是51和50。 SA(Security Association)：是两个IPSec通信实体之间经协商建立起来的一种共同协定，它规定了通信双方使用哪种IPSec协议保护数据安全、应用的算法标识、加密和验证的密钥取值以及密钥的生存周期等等安全属性值。 通过使用安全关联(SA) ， IPSec能够区分对不同的数据流提供的安全服务。

IKE工作过程

KE经过两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立安全联盟：

第一阶段交换：通信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道，此阶段的交换建立了一个ISAKMP安全联盟，即ISAKMP SA（也可称为IKE SA）。 第一阶段交换有两种协商模式：                                    

                           主模式协商    

                           野蛮模式协商

       一般情况下，IKE的主模式适用于两设备的公网IP固定、且要实现设备之间点对点的环境。 对于例如ADSL拨号用户，其获得的公网IP不是固定的，且可能存在NAT设备的情况下，采用野蛮模式做NAT穿越，同时，由于IP不是固定的，用name作为id-type，总部采用模板的方式接收分支的IPSEC 接入。 

第二阶段交换：用已经建立的安全联盟（IKE SA）为IPSec协商安全服务，即为IPSec协商具体的安全联盟，建立IPSec SA，产生真正可以用来加密数据流的密钥，IPSec SA用于最终的IP数据安全传送。

 

下一篇分析：IKE 两种模式的对比和有关IPSec的一些知识补漏。