IPSec基础知识

IPSec基础知识

IPSec (Internet 协议安全)是一个工业标准网络安全协议，为IP 网络通信提供透明的安全服务，保护TCP/IP 通信免遭窃听和篡改，可以有效抵御网络攻击，同时保持易用性。

IPSec通过在IPSec对等体间建立双向安全联盟，形成一个安全互通的IPSec隧道，来实现Internet 上数据的安全传输。

IPSec特性

1.访问控制：通信对等体认证机制，对于通信的对等体进行认证，从而完成访问控制功能。

2.无连接的完整性、数据来源验证：通过报文认证，防止传输过程中数据被篡改，确保发出数据和接收数据的一致性。IPSec利用Hash函数为每个数据包产生–个加密校验和，接收方在打开包前先计算校验和，若包遭篡改导致校验和不相符，数据包即被丢弃。验证数据源，以保证数据来自真实的发送者(IP报文头内的源地址)。

3.防重放：通过AH或者ESP的防重放窗口结合认证，来抵御重放攻击。确保每个IP包的唯一性，保证信息万一被截取复制后，不能再被重新利用、重新传输回目的地址。该特性可以防止攻击者截取破译信息后，再用相同的信息包冒取非法访问权。

4.机密性（加密）：通过ESP的加密功能以及ESP协议的报文填充功能来完成。在传输前，对数据进行加密，可以保证在传输过程中，即使数据包遭截取，信息也无法被读出。该特性在IPSec中为可选项，与IPSec策略的具体设置相关。

IPSec组成部分

IPSec包括认证头协议AH(AuthenticationHeader)、封装安全载荷协议ESP(Encapsulating Security Payload)、因特网密钥交换协议IKE (Internet Key Exchange)，用于保护主机与主机之间、主机与网关之间、网关与网关之间的一-个或多个数据流。

其中，AH和ESP这两个安全协议用于提供安全服务，IKE协议用于密钥交换。

IPSec对等体

IPSec用于在协商发起方和响应方这两个端点之间提供安全的IP通信，通信的两个端点被称为IPSec对等体。其中，端点可以是网关路由器，也可以是主机。

IPSec隧道

IPSec为对等体间建立IPSec隧道来提供对数据流的安全保护。一对IPSec对等体间可以存在多条IPSec隧道，针对不同的数据流各选择一条隧道对其进行保护，例如有的数据流只需要认证、有的需要认证和加密。

IPSec对数据的加密是以数据包为单位，而不是以整个数据流为单位。发送方对要保护的数据包进行加密封装，在Internet上传输，接收方采用相同的参数对报文认证、解封
装，以得到原始数据。

安全联盟（Security Association）

定义：安全联盟是要建立IPSec隧道的通信双方对隧道参数的约定，包括隧道两端的IP地址、隧道采用的验证方式、验证算法、验证密钥、加密算法、加密密钥、共享密钥以及生存周期等一系列参数。

安全联盟由一个三元组来唯一标识：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。

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。对等体间需要通过手工配置或IKE协议协商匹配的参数才能建立起安全联盟。

单向性：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。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。

AH安全协议

• AH是一种基于IP的传输层协议，协议号为51。
• 只能支持认证 ，不支持加密 。
• 对整个头部进行认证。

AH对数据包和认证密钥进行Hash计算，接收方收到带有计算结果的数据包后，执行同样的Hash计算并与原计算结果比较，传输过程中对数据的任何更改将使计算结果无效，这样就提供了数据来源认证和数据完整性校验。AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。

AH包结构

AH报文头字段含义：

字段	长度	含义
下一头部	8比特	标识AH报文头后面的负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）或ESP协议的编号；隧道模式下，是IP协议或ESP协议的编号。注意：当AH与ESP协议同时使用时，AH报文头的下一头部为ESP报文头。
负载长度	8比特	表示以32比特为单位的AH报文头长度减2，缺省为4。
保留字段	16比特	保留将来使用，缺省为0。
SPI	32比特	IPSec安全参数索引，用于标识有相同IP地址和相同安全协议的不同IPSec安全联盟。
序列号	32比特	是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
认证数据	一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。	该字段包含数据完整性校验值 ICV（Integrity Check Value），用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法有MD5、SHA1、SHA2、SM3。

ESP安全协议

ESP支持加密和认证。

ESP是一种基于IP的传输层协议，协议号为50。其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护。

ESP包结构

字段	长度	含义
SPI	32比特	IPSec安全参数索引，用于标识有相同IP地址和相同安全协议的不同IPSec安全联盟。
序列号	32比特	是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
负载数据	—	包含由下一头部字段给出的变长数据。
填充字段	—	用于增加ESP报文头的位数。填充字段的长度与负载数据的长度和算法有关。当待加密报文的明文长度不是加密算法所要求的块长度时，需要进行填充补齐。
填充长度	8比特	给出前面填充字段的长度，置0时表示没有填充。
下一头部	8比特	标识ESP报文头后面的下一个负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）的编号；隧道模式下，是IP协议的编号。
认证数据	一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。	该字段包含数据完整性校验值ICV，用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法与AH的相同。ESP的验证功能是可选的，如果启动了数据包验证，会在加密数据的尾部添加一个ICV数值。

AH和ESP比较

安全特性	AH	ESP
协议号	51	50
数据完整性校验	支持（验证整个IP报文）	支持（不验证IP头）
数据源验证	支持	支持
数据加密	不支持	支持
防报文重放攻击	支持	支持
IPSec NAT-T（NAT穿越）	不支持	支持

封装模式

传输模式

传输模式只为高层协议提供安全服务。这种模式常应用在需要保护的两台主机之间的端到端连接，而不是多台主机的两个网关之间的数据流。

隧道模式

隧道模式适于转发设备对保护流量进行封装处理的场景，建议应用于两个安全网关之间的通讯。传输模式适于主机到主机、主机到网关对保护流量进行封装处理的场景。

传输模式和隧道模式的区别在于：

• 从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。
• 从性能来讲，隧道模式因为有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。

当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式。