网络层应用

网络层VPN应用

1 引言

1.1 加密技术概述

对称加密：

秘钥：加密与解密使用相同的秘钥。

缺点：秘钥是通信双方协商生成的，生成过程时明文通信，导致秘钥容易泄露。

常用算法：DES、3DES、AES。

非对称加密算法：

使用公私钥加密数据。

公私钥承兑生成、互为加解密关系。

公私钥不能互相推算。

双方交换公钥。

使用对方公钥加密以实现机密性、使用自己的私钥进行签名以实现身份验证。

常见算法：RSA、DH。

完整性算法/hash值算法：MD5、SHA。

一、VPN概述

为了防止信息泄露，可以在总部和分支机构之间搭建一条物理专网连接，但其费用会非常昂贵，此时可以考虑采用VPN的方案进行解决。

VPN(全称：Virtual Private Network)虚拟专用网络

采用隧道技术：隧道两端封装、解封装，用以建立数据通道

1. 在VPN中，专用路由器设置会让它们彼此连接的站点上，并且它们通过公共线路互连。此时，在公共线路，有专门的通信网络无法读取通信的来自外部的内容，如加密建成后，就不必担心的是窃听通信内容

1. VPN常见技术

隧道技术：隧道两端封装、解封装，用以建立数据通道

身份认证：保证接入VPN的操作人员的合法性、有效性

数据认证：数据在网络传输过程中不被非法篡改

加解密技术：保证数据在网络中传输时不被非法获取

密钥管理技术：在不安全的网络中安全地传递密钥

1. VPN封装原理

VPN的基本原理是利用隧道（Tunnel）技术，对传输报文进行封装，利用VPN骨干网建立专用数据传输通道，实现报文的安全传输。

隧道技术使用一种协议封装另外一种协议报文（通常是IP报文），而封装后的报文也可以再次被其他封装协议所封装。

在上图中展示的网络中，如果存在VPN隧道，则数据传输如下图所示。当分支机构员工访问总部服务器时，报文封装过程如下：

二、按VPN的协议分类：

VPN的隧道协议主要有三种，PPTP、L2TP和IPSec，其中PPTP和L2TP协议工作在OSI模型的第二层，又称为二层隧道协议；IPSec是第三层隧道协议。

（1）两端相互访问较频繁，传输的数据为机密数据，且任何用户都能访问对端内网，无需认证时，可采用IPSec方式。

（2）只有一端访问另一端，且访问的用户必须通过用户认证时，可采用L2TP方式

。如果只有一端访问另一端，传输数据为机密数据，且访问的用户必须通过用户认证，可采用L2TP over IPSec方式，安全性更高

（3）GRE over IPSec隧道和IPSec over GRE隧道都可以用来安全的传输数据，两者的区别在于对数据的封装顺序不同。GRE over IPSec在报文封装时，是先GRE封装然后再IPSec封装；IPSec over GRE在报文封装时，是先IPSec封装再GRE封装。

2、按VPN的应用分类：

（1）Access VPN（远程接入VPN）：客户端到网关，使用公网作为骨干网在设备之间传输VPN数据流量；

（2）Intranet VPN（内联网VPN）：网关到网关，通过公司的网络架构连接来自同公司的资源；

（3）Extranet VPN（外联网VPN）：与合作伙伴企业网构成Extranet，将一个公司与另一个公司的资源进行连接。

当前比较流行的VPN技术：SSL VPN、IPSec VPN、GRE+IPSec VPN

PPTP(点对点协议)

PPTP属于点对点应用，比较适合远程的企业用户拨号到企业进行办公等应用，工作在OSI模型的第二层，只适合windows系统。

L2TP(第2等隧道协议)

第2等隧道协议(L2TP)是IETF基于L2F开发的PPTP的后续版本，工作在OSI模型的第二层。

IPSec(三层隧道协议)

第三层隧道协议，也是最常见的协议。当隧道模式使用IPSEC时，其只为通讯提供封装。使用IPSec隧道模式主要是为了与其他不支持IPSec上的L2TP或者PPTP VPN隧道技术的路由器、网关或终端系统之间的互相操作。

SSL VPN

SSL协议提供了数据私密性、端点验证、信息完整性等特性。SSL协议由许多子协议组成，其中两个主要的子协议是握手协议和记录协议（对称加密和非对称加密向结合的方式进行数据的交换）。

典型的SSL VPN应用：Open VPN，这是一个比较好的开源软件。Open VPN允许参与建立VPN的单点使用预设的私钥，第三方证书，或者用户名/密码来进行身份验证。它大量使用了OpenSSL加密库，以及SSLv3/TLSv1协议。OpenVPN能在Linux、xBSD、MacOS上运行。它并不是一个基于Web的VPN软件，也不能与IPSec及其他VPN软件包兼容。

二、IPsecVPN技术

1. IPsecVPN概述

一组协议的集合

◎是一组基于网络层的应用密码学的安全通信协议簇，是一个开放的协议簇，也考虑长远

性的要求（支持ipv4 和ipv6）

◎保护的是网络层及上层流量，主要保护tcp，udp，idmp等隧道的ip

数据包

◎属于点到点VPN ，可以在2家企业之间建立VPN隧道。

◎定义：指采用IPSec协议来实现远程接入的一种VPN技术，IPSec全称为Internet Protocol Security，在公网上为两个私有网络提供安全通信通道，通过加密通道保证连接的安全——在两个公共网关间提供私密数据封包服务。

（2）IPsecVPN优点：

可以提供安全的访问服务

◎机密性、完整性、数据源鉴别、不可否认性、抵御重放攻击

什么是重放攻击？

重放攻击，web漏洞中称会话重放漏洞，又称重播攻击、回放攻击，是指攻击者发送一个目的主机已接收过的包，来达到欺骗系统的目的，主要用于身份认证过程，破坏认证的正确性。重放攻击可以由发起者，也可以由拦截并重发该数据的敌方进行。攻击者利用网络监听或者其他方式盗取认证凭据，之后再把它重新发给认证服务器

（3）ipsec架构/协议簇

1. 两个工作模式：

◎传输模式

◎隧道模式

1. 两个通信保护协议：

◎AH：只支持鉴别算法（完整性校验）

◎ESP：支持加密和鉴别算法

3.密钥交换管理协议（IKE）：SA（安全联盟）

◎阶段一：主模式，野蛮模式（又称快速模式）

◎阶段二：配置感兴趣流

（4）传输模式

◎应用场景：用于主机之间端到端通信的数据保护

◎封装方式：不会改变原始IP包头，在原始包头后插入IPSec包头

◎AH协议

1.完整性校验（通过哈希函数（MD5、SHA1）产生的校验来保证）

2.不管是传输模式还是隧道模式都会验证整个数据报

◎ESP协议

1.加解密（使用对称加密算法DES、3DES、AES）

2.完整性校验（通过哈希函数（MD5、SHA1）产生的校验来保证）

3.ESP在传输模式下，只对数据进行加密和完整性校验

4.ESP在隧道模式下，是对整个原始报文进行加密和校验

AH在不同模式下的封装：

在传输模式下：

ESP在不同模式下的封装：

传输模式：

（5）隧道模式

◎应用场景：用于私网和私网之间通过公网进行通信，简历VPN通道

AH在不同模式下的封装

在隧道模式下封装： 

ESP在不同模式下的封装

在隧道模式下封装：

（6）AH和ESP对比

区别与联系	AH协议	ESP协议
名字	验证头部协议	封装安全载荷协议
IP协议封装的协议	是	是
IP协议号	51	50
数据完整性校验	√全部	支持但不验证头
SPI	32比特，用于标识有相同IP地址和相同安全协议的不同SA。由SA的创建者定义，只有逻辑意义	ESP头部，32位，语义与AH一致
序列号	32比特，一个单项递增的计数器，用于防止重放攻击，SA建立之初初始化为0，序列号不允许重复	ESP头部，32位，语义与AH一致
认证数据	摘要或者指纹，用于认证，由SA初始化时指定的算法来计算，长度=整数倍32位比特，变长（通信双方必须采用相同的HMAC算法和密钥，认证数据是HMAC算法结果，被称为数据报的完整性校验值ICV，）	ESP验证数据，可选，选择ESP验证服务时使用，语义和AH一致（但具体验证区域不同）
报文格式	AH头部+AH载荷	ESP头部+ESP净荷+ESP尾部（填充、填充长度和下一个头字段）+ESP验证数据（可选）
传输模式	保护IP载荷	保护IP载荷
传输模式验证区域	IP头部+AH头部+TCP/UDP头部+数据（可变字段除外）	ESP头部+ TCP/UDP头部+数据+ESP尾部
传输模式加密区域	无	ESP净荷+ESP尾部
隧道模式	保护整个IP包	保护整个IP包
隧道模式验证区域	新IP头部+AH头部+ IP头部+ TCP/UDP头部+数据（可变字段除外）	ESP头部+IP头部+TCP/UDP头部+数据+ESP尾部
隧道模式加密区域	无	ESP净荷+ESP尾部
算法	验证	验证、加密（至少有一种）
服务	无连接的数据完整性：通过哈希函数产生的校验来保证 数据源身份认证：通过计算校验码时加入一个共享密钥实现 防止重放攻击：AH报头的序列号可以防止重放攻击	除了AH已有的三种服务之外（可选），还提供数据包加密和数据流加密
与NAT的联系	NAT会对IP头进行修改导致AH协议下的IPsec不能穿越NAT	如果是NAT对IP头进行修改，ESP能适用于NAT。但如果NAT为IP地址映射+端口映射（端口改变），则ESP协议下的IPSec都不能适用NAT（考虑