IPSec简介

优点：
1.在网络层进行安全加密，便于公司和公司的信息传输的加密构建VPN
2.密钥协商的开销减少，只需要在公司出口的路由器上配置即可，不需要每个用户都做协商。
3.需要改动的应用程序很少，

缺点：
很难解决“抗抵赖”之类的问题。（A冒充B给对端发送数据）

IPv4 的头

IPSec 体系结构

有两个安全协议ESP协议和AH协议，在协议中涉及到加密算法和鉴别算法，在算法中涉及到密钥问题，故有密钥管理。IPsec 支持不同 的用户使用不同的策略。

IPSec 安全协议

AH：authentication Header 验证头部

• 为IP包，提供数据完整性校验和身份认证功能。
• 验证算法由SA指定。
• 认证的范围是整个包

完整性校验算法：MD5、SHA
身份认证：证书、签名、域共享的密码、

ESP：encapsulation security payload 封装安全负载

• 提供机密性、数据源验证、抗重播以及数据完整性等安全服务
• 加密算法和身份验证方法有SA指定。

机密性：数据加密算法：(MD5、RSA、DES)

IPSec 加密算法

IPSec 密钥管理

SA：security association 安全联盟

• 确保通信双方的密钥和算法一致

ISAKMP：定义了密钥管理框架
IKE 是目前正式确定用于IPsec的密钥交换协议（可以看做是ISAKMP的高版本）

两种模式

两种模式：传输模式和隧道模式

简介：

1. 原始的IP包，是由低层封装高层。
2. 传输模式封装原始的IP包，是在原始的IP报文中新增加了一个IPsec的头，并对tcp头、数据做加密处理。
3. 使用隧道模式封装原始的IP包，是将原始的IP包整体作为需要加密的有效数据部分，直接在外面增加IPsec头，在最外面增加外部IP头。

AH头格式：

SPI：security parameter index 安全参数索引
标识此包使用的算法、密钥进行加密处理。
sequence number：序列号
authentication data（variable）：可变长度的数据验证

封装后的具体的包格式，IPsec的封装部分就是AH的封装部分。

AH的处理过程

对于发送出的包的处理构造AH

• 创建一个外出SA（手工或通过IKE）
• 产生序列号 填充AH头的各字段 计算ICV（integrity check value
  完整性检验值）内容包含：ip头中部分域、AH自身、上层协议数据。
  AH头中的“下一头部”置为原IP报头中的“协议”字段的值，原IP包头的“协议字段置为51（代表AH）”

对于接收到的包的处理

• 分片装配 ，在不同的设备上mtu值不同，需要对接受到的数据分片装配
• 查找SA ，确定加密的算法和相关的密钥信息。 依据：目标IP地址、AH协议、SPI
• 检查序列号 ，看包是否存在重复出现
• ICV检查，完整性检查

ESP协议

SPI：security parameter index 安全参数索引
标识此包使用的算法、密钥进行加密处理。
sequence number：序列号
payload Data（variable）：可变数据的负载部分
authentication data（variable）：可变长度的数据验证
padding（0-255bytes）：填充数据部分
Pad length：填充信息的长度
Next Header：下一个头部信息

ESP协议的处理

对于发送出去的包的处理

• 查找SA
• 加密
• 封装必要的数据，放到payload data 域中，不同的模式，封装数据的范围不同
• 增加必要的padding数据 加密操作
• 验证
• 计算ICV，注意，针对加密后的数据进行计算。

对于接收到的包（inbound Packet）的处理：

• 分片装配
• 查找SA，依据：目标IP地址、ESP协议、SPI
• 检查序列号（可选、针对重放攻击） 使用一个滑动窗口来检查序列号的重放
• ICV检查
  根据SA中指定的算法和密钥、参数，对于被加密部分的数据进行解密
  去掉padding
  重构原始的IP包

安全联盟SA

• SA是单向的（任何人根据SA的信息是无法逆推出，加密算法、密钥、鉴别算法）
• SA是“协议相关”的。AH、ESP不同的协议对应和SA也不同
• 每个SA通过三个参数来标志[SPI、dst（src）、protocol]
  安全参数索引SPI（security Parameters index）：密码密钥的标号
  对方IP地址
  安全协议标识AH or ESP

• SA 与IPsec 系统中实现的两个数据库有关
  安全策略数据库（SPD）
  安全关联数据库（SAD）

  密码和密钥放在这两个数据库中，数据库只有双方知道其他人不知道，在调用的时候通过标号来调用。

R1和R2需要建立IPsec连接，

1. 收发双方需要协商的方式确立安全策略数据库，安全策略中需要指定的身份认证的方法(证书或者是域共享密码)，实现IPsec的过程中，既使用AH协议有用ESP协议，确定协议的切换时间，加密的方式是DES，以及切换加密协议的时间。

2. 确立算法和密钥的数据库，

Internet 密钥交换协议-IKE

IKE协议

• RFC2409 ，是0akley和SKEME协议的一种混合
• 基于ISAKMP框架
• 沿用0akley和SKEME的共享和密钥更新技术

SAKMP：I Internet security association and key management protocol

• RFC 2408
• 定义如何检验安全联盟并初始化密钥

两个阶段的交换

第一阶段：建立ISAKMP SA —— IKE SA

• 双方（例如ISAKMP servers）商定如何保护以后的通讯，通信双方建立一个已经通过身份鉴别和安全保护的通道
• 此SA将用于保护后面的protocol SA的协商过程。

第二阶段：建立起针对其他安全协议的SA —— IPsec SA

• 这个阶段可以建立多个SA
• 此SA将被相应的安全协议用于保护数据或者消息的交换。

IPsec - VPN

IP安全协议：AH、ESP
数据加密标准： DES，3DES
公共密钥密码协议：Diffie-Hellman（DH）
散列算法（完整性）：MD5，SHA-1
公钥加密算法：RSA
Internet密钥交换：IKE
证书授权中心：CA