安全防御 --- IPSec理论（01）

IPSec

1、概述：

是IETF（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议，在IP层通过数据来源认证、数据加密、数据完整性和抗重放功能来保证通信双方Internet上传输数据的安全性。

IPSec安全服务

• 机密性
• 完整性
• 数据源鉴别
• 重传保护
• 不可否认性

2、IPSec三个重要协议

IPSec通过AH（认证头）和ESP（封装安全载荷）这两个安全协议实现IP数据报的安全传输

（1）AH --- 认证头协议

提供数据源认证、数据完整性校验和报文防重放功能。

功能：（完整性、可用性）

• 鉴别算法

（2）ESP --- 封装安全载荷协议

提供了除了AH认证头协议的所有功能外，还可以对IP报文净荷进行加密。ESP没有对IP头的内容进行保护。

功能：（完整性、机密性、可用性）

• 加密算法
• 鉴别算法

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PS：AH和ESP可以单独使用，也可以同时使用。AH和ESP同时使用时，报文会先进行ESP封装，再进行AH封装；IPsec解封装时，先进行AH解封装，再进行ESP解封装。

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（3）IKE --- 密钥管理与分发协议

IKE协议是一种基于UDP的应用层协议，它主要用于SA协商和密钥管理。协商出对等体间数据安全传输需要的认证算法、加密算法和对应的秘钥。

协商管理（IEK可动态管理IPSec架构的所有构件）：

• 协商工作方式以及工作模式（AH ESP）
• 协商加密和鉴别算法
• 密钥参数的协商 --- 密钥产生算法、密钥有效期、密钥分发者身份认证、密钥长度、认证算法

3、IPSec架构

解释域（DOI）：将算法与密钥联动起来

4、两种工作模式

（1）传输模式

• 使用场景：私网数据通过公网传输，异种网络之间通过其他网络传输

通信问题已经解决，需解决安全问题

• 封装结构

（2）隧道模式

• 使用场景：专线，隧道已做，本身路由可达

通信问题和安全问题都需要解决

• 封装结构

附：既有安全问题和通信问题的场景：

• ipsec隧道模式
• 其他隧道协议 + ipsec传输模式

5、AH

协议号51

（1）安全服务

• 数据源认证 --- 通过计算验证码时加入一个共享秘钥来实现，和ospf认证类似
• 数据抗重放 --- AH包中的序列号
• 数据完整性 --- hash算法，校验hash值实现

无机密性，未使用加密算法

（2）传输模式

（3）隧道模式

（4）AH头部结构

做认证时，对于易变值是不做认证的，IP包中的TTL和TOS是不参与认证的

SPI：决定了数据传输进哪条通道

6、ESP

协议号50

（1）安全服务

• 数据完整性
• 数据源认证
• 数据抗重放
• 数据机密性
• 数据流保护

（2）传输模式

（3）隧道模式

（4）ESP头部结构

7、SA --- 安全联盟

（1）概述：

定义了IPSec通信对等体间将使用哪种摘要和加密算法、什么样的秘钥进行数据的安全传输和转换。

（2）安全标识：安全参数索引  目的IP地址  安全协议号

（3）生成SA：两种方式

• 手工配置：较为复杂，所有信息手工配置，永不老化
• IKE动态协商：相对简单，通信对端体之间协商IKE参数，IKE协议自动协商来创建和维护SA，具有生存周期

附：生存周期：1. 基于时间；2. 基于流量

8、IKE

（1）什么是IKE？

IKE协议 是建立在Internet安全联盟和秘钥管理协议ISAMP定义的框架，提供了一套在不安全网络上安全地分发秘钥、验证身份、建立IPSec安全联盟的过程，简化了IPSec 的管理和使用。

（2）IKE用途

1. 为ipsec通信双方，动态的建立安全联盟SA，对SA进行管理与维护
2. 为ipsec生成密钥，提供AH/ESP加解密和验证使用

（3）两个阶段

<1> 阶段一：密钥产生算法、密钥分发者身份认证

• 主模式：安全
• 野蛮模式：快，但是不安全（相对主模式）

都不影响安全传输

<2> 阶段二：协商封装协议，对数据进行加密

• 快速模式：快

（4）IKE工作过程

IKE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：通信各方彼此之间需要建立一个已通过身份验证和安全保护的通道，交换建立一个iskmp安全联盟（iskmp sa）

• 主模式
• 野蛮模式

第二阶段：用已经建立的安全联盟iskmp sa（ike sa）的安全通道为ipsec协商安全服务，建立ipsec sa，产生用于数据加密的密钥

9、IKE工作流程分析

（1）IKE SA

• 主模式

6个包交互，默认使用IP地址作为身份标识，默认传递自己的接口地址作为身份标识，对方的公网地址作为对端身份标识去检查

安全提议：加密算法、hash算法、身份认证方式、密钥交换算法、密钥有效期
PS：IP地址无法修改

Ci：标识cookie信息；
SAi：表述协商的安全策略参数；
SAr：对方协商参数的确认；
Cr：对方cookie信息的确认；
Xi，Yi是交换的公钥信息，Ni是随机数；
ID是身份信息，hash是验证信息；

存在问题：只能使用IP地址进行身份标识，NAT环境不适用；厂商进行修改后，会导致不兼容问题

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• 野蛮模式

PS：X，Y是进行交互的公钥。Ni和Nr是随机数。（随机数保持活性）

野蛮虽然是三个包但是安全性没问题，ID设置灵活性很高，有助于不同厂商ipsec对接。nat也会破坏IP地址导致ip作为身份信息不可靠。

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模式对比

模式	主模式	野蛮模式
信息交互	交互6个消息	交互3个消息
身份ID	以IP地址作为身份ID，自动生成本端身份ID和对端身份ID	可以多种形式（IP，字符串等）手动或自动生成本端和对端身份ID
域共享秘钥	只能基于IP地址来确定域共享秘钥	基于ID信息（主机名和IP地址）来确定域共享秘钥
安全性	较高。前4个信息明文传输，最后2个信息加密传输，保护了对端身份	较低。前2个消息明文传输，最后1个消息加密，不保护对端身份
速度	较慢	较快

（2）IPSec SA --- 快速模式

安全参数：封装协议、模式、加密算法、hash算法与认证、密钥有效期