IPsec 详细讲解和在企业网中的应用案例

IPsec详细讲解和在企业网中的应用案例

一、IPsec的简介

IPsec（IP Security）是IETF 制定的三层隧道加密协议，它为Internet 上传输的数据提供了高质量的、可互操作的、基于密码学的安全保证。特定的通信方之间在IP 层通过加密与数据源认证等方式，提供了以下的安全服务：

① 数据机密性（Confidentiality）：IPsec 发送方在通过网络传输包前对包进行加密。

② 数据完整性（Data Integrity）：IPsec 接收方对发送方发送来的包进行认证，以确保数据在传输过程中没有被篡改。

③ 数据来源认证（Data Authentication）：IPsec 在接收端可以认证发送IPsec 报文的发送端是否合法。

④ 防重放（Anti-Replay）：IPsec 接收方可检测并拒绝接收过时或重复的报文。

IPsec 具有以下优点：

① 支持 IKE（Internet Key Exchange，因特网密钥交换），可实现密钥的自动协商功能，减少了密钥协商的开销。可以通过IKE 建立和维护SA 的服务，简化了IPsec 的使用和管理。

② 所有使用 IP 协议进行数据传输的应用系统和服务都可以使用IPsec，而不必对这些应用系统和服务本身做任何修改。

③ 对数据的加密是以数据包为单位的，而不是以整个数据流为单位，这不仅灵活而且有助于进一步提高IP 数据包的安全性，可以有效防范网络攻击。

二、IPsec的两类协议

IPSec是一个框架性架构，具体由两类协议组成：

1、 AH协议（Authentication Header，使用较少）：可以同时提供数据完整性确认、数据来源确认、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1实现该特性。

2.、ESP协议（Encapsulated Security Payload，使用较广）：可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；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。

为何AH使用较少呢？因为AH无法提供数据加密，所有数据在传输时以明文传输，而ESP提供数据加密；其次AH因为提供数据来源确认（源IP地址一旦改变，AH校验失败），所以无法穿越NAT。当然，IPSec在极端的情况下可以同时使用AH和ESP实现最完整的安全特性，但是此种方案极其少见。

三、IPsec的封装模式

IPSec提供了两种封装模式：传输模式（Transport）的封装和隧道模式（Tunnel）的封装。

1、传输模式（Transport）的封装（AH和ESP的封装）形式，如图1所示：

图1：传输模式的封装形式

2、隧道模式（Tunnel）的封装（AH和ESP的封装）形式，如图2所示：

图2：隧道模式的封装形式

从以上两张图可以看出传输模式和隧道模式的区别：

①传输模式在AH、ESP处理前后IP头部保持不变，主要用于End-to-End（端到端或者PC到PC）的应用场景。

②隧道模式则在AH、ESP处理之后再封装了一个外网IP头，主要用于Site-to-Site（站点到站点或者网关到网关）的应用场景。

以下有个图是对传输模式、隧道模式适用于何种场景的详细说明，如图3所示：

图3：传输模式、隧道模式使用的场景

从上图的对比可以看出：①隧道模式可以适用于任何场景，②传输模式只能适合PC到PC的场景。隧道模式虽然可以适用于任何场景，但是隧道模式需要多一层IP头（通常为20字节长度）开销，所以在PC到PC的场景，建议还是使用传输模式。

为了使大家有个更直观的了解，我们看看图4，分析一下为何在Site-to-Site场景中只能使用隧道模式：

图4：为何在Site-to-Site场景中只能使用隧道模式

如图4所示，如果发起方内网PC发往响应方内网PC的流量满足网关的兴趣流匹配条件，发起方使用传输模式进行封装：

①IPSec会话建立在发起方、响应方两个网关之间。

②由于使用传输模式，所以IP头部并不会有任何变化，IP源地址是192.168.1.2，目的地址是10.1.1.2。

③这个数据包发到互联网后，其命运注定是杯具的，为什么这么讲，就因为其目的地址是10.1.1.2吗？这并不是根源，根源在于互联网并不会维护企业网络的路由，所以丢弃的可能性很大。

④即使数据包没有在互联网中丢弃，并且幸运地抵达了响应方网关，那么我们指望响应方网关进行解密工作吗？凭什么，的确没什么好的凭据，数据包的目的地址是内网PC的10.1.1.2，所以直接转发了事。

⑤最杯具的是响应方内网PC收到数据包了，因为没有参与IPSec会话的协商会议，没有对应的SA，这个数据包无法解密，而被丢弃。

我们从上面五点可以很好的解释了在Site-to-Site情况下为什么不能使用传输模式的原因。并且提出了使用传输模式的充要条件：兴趣流必须完全在发起方、响应方IP地址范围内的流量。比如在图中，发起方IP地址为6.24.1.2，响应方IP地址为2.17.1.2，那么兴趣流可以是源6.24.1.2/32、目的是2.17.1.2/32，协议可以是任意的，倘若数据包的源、目的IP地址稍有不同，对不起，请使用隧道模式。

四、IPsec的协商

IPsec的协商实质就是怎样建立起安全联盟（SA），这里有以下两种协商方式建立 SA：

①手工方式（manual）配置比较复杂，创建SA 所需的全部信息都必须手工配置，而且不支持一些高级特性（例如定时更新密钥），但优点是可以不依赖IKE 而单独实现IPsec 功能。

②IKE 自动协商（isakmp）方式相对比较简单，只需要配置好IKE 协商安全策略的信息，由IKE自动协商来创建和维护SA。

我们在这以最常见的IPSec隧道模式为例，解释一下IPSec的协商过程，如图5所示：

图5：IPsec的协商过程

图5描述了由兴趣流触发的IPSec协商流程，原生IPSec并无身份确认等协商过程，在方案上存在诸多缺陷，如无法支持发起方地址动态变化情况下的身份确认、密钥动态更新等。伴随IPSec出现的IKE（Internet Key Exchange）协议专门用来弥补这些不足：

①发起方定义的兴趣流是源192.168.1.0/24目的10.0.0.0/8，所以在接口发送发起方内网PC发给响应方内网PC的数据包，能够得以匹配。

②满足兴趣流条件，在转发接口上检查SA不存在、过期或不可用，都会进行协商，否则使用当前SA对数据包进行处理。

③协商的过程通常分为两个阶段，第一阶段是为第二阶段服务，第二阶段是真正的为兴趣流服务的SA，两个阶段协商的侧重有所不同，第一阶段主要确认双方身份的正确性，第二阶段则是为兴趣流创建一个指定的安全套件，其最显著的结果就是第二阶段中的兴趣流在会话中是密文，除此之外IPSec的中安全性还体现在第二阶段SA永远是单向的，我可以从图6看出，如图6所示：

图6：第二阶段SA的方向

从图6可以发现，在协商第二阶段SA时，SA是分方向性的，发起方到响应方所用SA和响应放到发起方SA都是单独协商的，这样做的好处在于即使某个方向的SA被破解并不会波及到另一个方向的SA，这样就起到了安全性的作用。

五、IPsec的典型应用案例

1、实施环境： H3C防火墙、华为三层交换机，若干PC机

2、实施要求：

现有一家公司总公司在北京，并且在上海和郑州各有一家分公司，现要求总公司和分公司都能够连接到Internet网上，并且总公司和分公司通过使用tunnel技术能够安全通信，而且不影响各公司连接Internet网，具体实施如拓扑图所示。

3、网络拓扑图：

根据实施要求使用绘图工具绘制出网络拓扑图，如图7所示：

图7：网络拓扑图

4、设备实施：

⑴ 交换机SW1的配置

<Quidway>system-view 

Enter system view , return user view with Ctrl+Z. 

[Quidway]sysn

//修改名称

[Quidway]sysname SW1

//创建VLAN 10

[SW1]vlan 10

//把端口eth0/1加入VLAN 10 

[SW1-vlan10]port eth0/1

//创建VLAN 20

[SW1-vlan10]vlan 20

//把端口eth0/2加入VLAN 20

[SW1-vlan20]port eth0/2

//创建VLAN 20

[SW1-vlan20]vlan 30

//把端口eth0/3加入VLAN 30

[SW1-vlan30]port eth0/3

//在VLAN 10接口配置IP地址

[SW1]int vlan 10

//在VLAN 10接口配置IP地址

[SW1-Vlan-interface10]ip add 61.130.130.2 255.255.255.252

[SW1]int vlan 20

//在VLAN 20接口配置IP地址

[SW1-Vlan-interface20]ip add 61.130.130.6 255.255.255.252

[SW1]int vlan 30

//在VLAN 30接口配置IP地址

[SW1-Vlan-interface30]ip add 61.130.130.10 255.255.255.252

⑵ 防火墙FW1的配置

<H3C>system-view 

System View: return to User View with Ctrl+Z.

[H3C]sysname FW1

[FW1]int eth0/0

//由于防火墙原来有管理的IP地址，因此先去掉IP地址

[FW1-Ethernet0/0]undo ip address 

//去掉IP地址后重新再配置IP地址

[FW1-Ethernet0/0]ip address 192.168.1.1 24

[FW1-Ethernet0/0]int eth0/4

[FW1-Ethernet0/4]ip add 61.130.130.1 30

[FW1-Ethernet0/4]quit

//配置默认路由

[FW1]ip route-static 0.0.0.0 0 61.130.130.2

[FW1]firewall zone unt

//进入防火墙不可信区域

[FW1]firewall zone untrust

//把接口eth0/4加入不可信区域

[FW1-zone-untrust]add interface eth0/4

//配置扩展访问控制列表

[FW1]acl number 3000 match-order auto

//创建访问控制列表规则

[FW1-acl-adv-3000]rule 10 permit ip source 192.168.1.0 0.0.0.255 destination 192.168.2.0 0.0.0.255

[FW1-acl-adv-3000]rule 20 deny ip source any destination any

[FW1]acl number 3001 mat

//配置扩展访问控制列表

[FW1]acl number 3001 match-order auto

//创建访问控制列表规则

[FW1-acl-adv-3001]rule 10 permit ip source 192.168.1.0 0.0.0.255 destination 192.168.3.0 0.0.0.255

[FW1-acl-adv-3001]rule 20 deny ip source any destination any

//配置安全提出协议

[FW1]ipsec proposal tran1 //名字可以自己起

//配置采取的封装模式为tunnel

[FW1-ipsec-proposal-tran1]encapsulation-mode tunnel 

//配置协商传输协议

[FW1-ipsec-proposal-tran1]transform esp

//配置传输协议采取的加密算法为md5

[FW1-ipsec-proposal-tran1]esp authentication-algorithm md5

[FW1-ipsec-proposal-tran1]esp encryption-algorithm des

//创建生成IKE，指出IKE的邻居

[FW1]ike peer fw2 //名字可以自取

//指出本地的IP地址

[FW1-ike-peer-fw2]local-address 61.130.130.1 

//指出远端的IP地址

[FW1-ike-peer-fw2]remote-address 61.130.130.5

//定义一个共享密钥

[FW1-ike-peer-fw2]pre-shared-key 123456

//创建安全策略，指出安全策略协商采取的方式

[FW1]ipsec policy policy1 10 isakmp 

//安全应用访问控制列表

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]security acl 3000

//指出安全提议

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]proposal tran1

//指出IKE的邻居

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]ike-p

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]ike-peer fw2

//在接口上应用

[FW1-Ethernet0/4]ipsec policy policy1

//配置通往FW3的提议

[FW1]ipsec proposal tran2

[FW1-ipsec-proposal-tran2]encapsulation-mode tun

//协商封装采取的模式

[FW1-ipsec-proposal-tran2]encapsulation-mode tunnel

[FW1-ipsec-proposal-tran2]tra

//协商传输所用的协议

[FW1-ipsec-proposal-tran2]transform esp

[FW1-ipsec-proposal-tran2]esp aut

//配置传输协议采取的加密算法为md5

[FW1-ipsec-proposal-tran2]esp authentication-algorithm md5

[FW1-ipsec-proposal-tran2]esp encryption-algorithm des

//创建生成IKE

[FW1]ike peer fw3

//指出本地的IP地址

[FW1-ike-peer-fw3]local-address 61.130.130.1 

[FW1-ike-peer-fw3]remote-add

//指出远端的IP地址

[FW1-ike-peer-fw3]remote-address 61.130.130.9

//定义一个共享密钥

[FW1-ike-peer-fw3]pre-shared-key 12345

[FW1-ike-peer-fw3]quit

//创建安全策略，指出安全策略协商采取的方式

[FW1]ipsec policy policy1 20 isakmp 

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]se

//安全应用访问控制列表

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]security acl 3001

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]pro

//指出安全提议

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]proposal tran2

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]ike-p

//指出IKE邻居

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]ike-peer fw3

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]quit

⑶ 防火墙FW2的配置

<H3C>system-view 

System View: return to User View with Ctrl+Z.

[H3C]sysname FW2

[FW2]int eth0/0

[FW2-Ethernet0/0]ip add 192.168.2.1 24

//进入接口匹配值IP地址

[FW2-Ethernet0/0]int eth0/4

[FW2-Ethernet0/4]ip add

[FW2-Ethernet0/4]ip address 61.130.130.5 30

[FW2-Ethernet0/4]quit 

[FW2]ip rout

//配置默认路由

[FW2]ip route-static 0.0.0.0 0 61.130.130.6

[FW2]firewall packet-filter default permit 

[FW2]firewall zone trust 

//把接口eth0/0加入可信区域

[FW2-zone-trust]add interface eth0/0

[FW2-zone-trust]quit

[FW2]firewall zone unt

[FW2]firewall zone untrust 

//把接口eth0/4加入不可信区域

[FW2-zone-untrust]add interface eth0/4

//配置扩展访问控制列表

[FW2]acl number 3000 match-order auto

//创建访问控制列表规则

[FW2-acl-adv-3000]rule 10 permit ip source 192.168.2.0 0.0.0.255 destination 192.168.1.0 0.0.0.255

[FW2-acl-adv-3000]rule 20 deny ip source any destination any

//配置安全协商提议

[FW2]ipsec pro

[FW2]ipsec proposal tran1

[FW2-ipsec-proposal-tran1]encapsulation-mode tun

//配置采取封装类型

[FW2-ipsec-proposal-tran1]encapsulation-mode tunnel

[FW2-ipsec-proposal-tran1]transform esp

//配置传输协议采取的加密算法为md5

[FW2-ipsec-proposal-tran1]esp authentication-algorithm md5

[FW2-ipsec-proposal-tran1]esp encryption-algorithm des

//创建IKE

[FW2]ike peer fw1

[FW2-ike-peer-fw1]local-a

//指出本地和远端的IP地址

[FW2-ike-peer-fw1]local-address 61.130.130.5

[FW2-ike-peer-fw1]remote-ad

[FW2-ike-peer-fw1]remote-address 61.130.130.1

//定义一个共享密钥

[FW2-ike-peer-fw1]pre-shared-key 123456

//创建安全策略，指出安全策略协商采取的方式

[FW2]ipsec policy policy1 10 isakmp 

[FW2-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]security acl 3000

[FW2-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]pro

[FW2-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]proposal tran1

//指出IKE邻居

[FW2-ipsec-policy-isakmp-policy1-10]ike-peer fw1

//在接口上应用

[FW2]int eth0/4

[FW2-Ethernet0/4]ipsec po

[FW2-Ethernet0/4]ipsec policy policy1

⑷ 防火墙FW3的配置

<H3C>system-view 

System View: return to User View with Ctrl+Z.

[H3C]sysname FW3

[FW3]int eth0/0

[FW3-Ethernet0/0]

//由于防火墙原来有管理的IP地址，因此先去掉IP地址

[FW3-Ethernet0/0]undo ip add

[FW3-Ethernet0/0]ip add 192.168.3.1 24

[FW3-Ethernet0/0]loopback

//进入接口eth0/4，并配置IP地址

[FW3-Ethernet0/0]int eth0/4

[FW3-Ethernet0/4]ip add 61.130.130.9 30

[FW3-Ethernet0/4]quit

[FW3]ip rout

//配置默认路由

[FW3]ip route-static 0.0.0.0 0 61.130.130.10

//配置扩展访问控制列表

[FW3]acl number 3001 mat

[FW3]acl number 3001 match-order auto

//配置控制列表规则

[FW3-acl-adv-3001]rule 10 permit ip source 192.168.3.0 0.0.0.255 destination 192.168.1.0 0.0.0.255

[FW3-acl-adv-3001]rule 20 deny ip source any destination any

//配置安全协商提议

[FW3]ipsec proposal tran2

[FW3-ipsec-proposal-tran2]encapsulation-mode tun

//安全提议封装模式

[FW3-ipsec-proposal-tran2]encapsulation-mode tunnel 

[FW3-ipsec-proposal-tran2]tran

//安全提议传输协议

[FW3-ipsec-proposal-tran2]transform esp

[FW3-ipsec-proposal-tran2]esp aut

//配置传输协议采取的加密算法为md5

[FW3-ipsec-proposal-tran2]esp authentication-algorithm md5

[FW3-ipsec-proposal-tran2]esp e

[FW3-ipsec-proposal-tran2]esp encryption-algorithm des

//创建IKE

[FW3]ike peer fw3

//指出本地和远端的IP地址

[FW3-ike-peer-fw3]local-address 61.130.130.9

[FW3-ike-peer-fw3]remo

[FW3-ike-peer-fw3]remote-address 61.130.130.1

//定义一个共享密钥

[FW3-ike-peer-fw3]pre-shared-key 1234

[FW3-ike-peer-fw1]quit

//创建安全策略，指出安全策略协商采取的方式

[FW3]ipsec policy policy1 20 isakmp 

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]se

//安全应用访问控制列表

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]security acl 3001

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]pro

//指出安全提议

[FW1-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]proposal tran2

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]ike-p

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]ike-peer fw1

[FW3-ipsec-policy-isakmp-policy1-20]quit

//在接口上应用安全策略

[FW3]int eth0/4

[FW3-Ethernet0/4]ipsec po

[FW3-Ethernet0/4]ipsec policy policy1

5、测试验证：

（1） 查看FW1的安全策略，如下图所示

（2）配置tunnel后在FW1上ping19.168.1.1到192.168.2.1，如下图所示：

（3） 未配置tunnel后在FW1上ping19.168.1.1到192.168.3.1，如下图所示：

（4） 配置tunnel后在FW1上ping19.168.1.1到192.168.3.1，如下所示：