IPSecVPN详解深入浅出简单易懂.docx

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IPSecVPN详解深入浅出简单易懂

IPSecVPN详解

1.IPSec概述

IPSec（ipsecurity）是一种开放标准的框架结构，特定的通信方之间在IP层通过加密和数据摘要（hash）等手段，来保证数据包在Internet网上传输时的私密性（confidentiality）、完整性（dataintegrity）和真实性（originauthentication）。

IPSec只能工作在IP层，要求乘客协议和承载协议都是IP协议

1.1.通过加密保证数据的私密性

★私密性：

防止信息泄漏给XX的个人

★通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性

1.2.对数据进行hash运算来保证完整性

★完整性：

数据没有被非法篡改

★通过对数据进行hash运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性

对数据和密钥一起进行hash运算

★攻击者篡改数据后，可以根据修改后的数据生成新的摘要，以此掩盖自己的攻击行为。

★通过把数据和密钥一起进行hash运算，可以有效抵御上述攻击。

DH算法的基本原理

1.3.通过身份认证保证数据的真实性

★真实性：

数据确实是由特定的对端发出

★通过身份认证可以保证数据的真实性。

常用的身份认证方式包括：

             Pre-sharedkey，预共享密钥

             RSASignature，数字签名

1.3.1.预共享密钥

预共享密钥，是指通信双方在配置时手工输入相同的密钥。

1.3.2.数字证书

★RSA密钥对，一个是可以向大家公开的公钥，另一个是只有自己知道的私钥。

★用公钥加密过的数据只有对应的私钥才能解开，反之亦然。

★数字证书中存储了公钥，以及用户名等身份信息。

2.IPSec框架结构

2.1.IPSec安全协议

IPSec安全协议描述了如何利用加密和hash来保护数据安全

★AH（AuthenticationHeader）网络认证协议,只能进行数据摘要（hash），不能实现数据加密

ah-md5-hmac、ah-sha-hmac

★ESP（EncapsulatingSecurityPayload）封装安全载荷协议,能够进行数据加密和数据摘要（hash） 

esp-des、esp-3des、esp-md5-hmac、esp-sha-hmac

2.2.IPSec封装模式

IPSec支持两种封装模式：

传输模式和隧道模式

◆传输模式：

不改变原有的IP包头，通常用于主机与主机之间。

◆隧道模式：

增加新的IP头，通常用于私网与私网之间通过公网进行通信。

3.IPSec与NAT

3.1.AH模式

AH模式无法与NAT一起运行，因为AH对包括IP地址在内的整个IP包进行hash运算，而NAT会改变IP地址，从而破坏AH的hash值。

3.2.ESP模式

◆只进行地址映射时，ESP可与NAT一起工作。

◆进行端口映射时，需要修改端口，而ESP已经对端口号进行了加密和/或hash，所以将无法进行。

◆启用IPSecNAT穿越后，会在ESP头前增加一个UDP头，就可以进行端口映射。

4.IPSec安全通道协商过程

◆需要保护的流量流经路由器，触发路由器启动相关的协商过程。

◆启动IKE（Internetkeyexchange,密钥管理协议）阶段1，对通信双方进行身份认证，并在两端之间建立一条安全的通道。

◆启动IKE阶段2，在上述安全通道上协商IPSec参数。

◆按协商好的IPSec参数对数据流进行加密、hash等保护。

4.1.IKE密钥交换协议

Internet密钥交换（IKE）解决了在不安全的网络环境（如Internet）中安全地建立或更新共享密钥的问题。

IKE是非常通用的协议，不仅可为IPsec协商安全关联，而且可以为SNMPv3、RIPv2、OSPFv2等任何要求保密的协议协商安全参数。

一、IKE的作用当应用环境的规模较小时，可以用手工配置SA；当应用环境规模较大、参与的节点位置不固定时，IKE可自动地为参与通信的实体协商SA，并对安全关联库（SAD）维护，保障通信安全。

二、IKE的机制IKE属于一种混合型协议，由Internet安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）和两种密钥交换协议OAKLEY与SKEME组成。

IKE创建在由ISAKMP定义的框架上，沿用了OAKLEY的密钥交换模式以及SKEME的共享和密钥更新技术，还定义了它自己的两种密钥交换方式。

IKE使用了两个阶段的ISAKMP：

第一阶段，协商创建一个通信信道（IKESA），并对该信道进行验证，为双方进一步的IKE通信提供机密性、消息完整性以及消息源验证服务；

第二阶段，使用已建立的IKESA建立IPsecSA。

 IKE共定义了5种交换。

阶段1有两种模式的交换：

对身份进行保护的“主模式”交换以及根据基本ISAKMP文档制订的“野蛮模式”交换。

阶段2交换使用“快速模式”交换。

IKE自己定义了两种交换：

1为通信各方间协商一个新的Diffie-Hellman组类型的“新组模式”交换；2在IKE通信双方间传送错误及状态消息的ISAKMP信息交换。

1．主模式交换主模式交换提供了身份保护机制，经过三个步骤，共交换了六条消息。

三个步骤分别是策略协商交换、Diffie-Hellman共享值、nonce交换以及身份验证交换（如图2所示）。

2．野蛮模式交换野蛮模式交换也分为三个步骤，但只交换三条消息：

头两条消息协商策略，交换Diffie-Hellman公开值必需的辅助数据以及身份信息；第二条消息认证响应方；第三条消息认证发起方，并为发起方提供在场的证据（如图3所示）。

 3．快速模式交换快速模式交换通过三条消息建立IPsecSA：

头两条消息协商IPsecSA的各项参数值，并生成IPsec使用的密钥；第二条消息还为响应方提供在场的证据；第三条消息为发起方提供在场的证据（如图4所示）。

4．新组模式交换通信双方通过新组模式交换协商新的Diffie－Hellman组。

新组模式交换属于一种请求/响应交换。

发送方发送提议的组的标识符及其特征，如果响应方能够接收提议，就用完全一样的消息应答（如图5所示）。

 5．ISAKMP信息交换参与IKE通信的双方均能向对方发送错误及状态提示消息。

这实际上并非真正意义上的交换，而只是发送单独一条消息，不需要确认（如图6所示）。

4.2.IKE阶段1

◆协商建立IKE安全通道所使用的参数，包括：

加密算法、Hash算法、DH算法、身份认证方法、存活时间

◆上述IKE参数组合成集合，称为IKEpolicy。

IKE协商就是要在通信双方之间找到相同的policy。

4.3.IKE阶段2

◆双方协商IPSec安全参数，称为变换集transformset，包括：

加密算法、Hash算法、安全协议、封装模式、存活时间

IKE与IPSec安全参数的比较

4.4.IPSecSA

◆IPSecSA（安全关联，SecurityAssociation）：

SA由SPD（securitypolicydatabase）和SAD（SAdatabase）组成。

IPSecSA（安全关联，SecurityAssociation）：

◆SPI（SecurityParameterIndex），由IKE自动分配

◆发送数据包时，会把SPI插入到IPSec头中

◆接收到数据包后，根据SPI值查找SAD和SPD，从而获知解密数据包所需的加解密算法、hash算法等。

◆一个SA只记录单向的参数，所以一个IPSec连接会有两个IPSecSA。

◆使用SPI可以标识路由器与不同对象之间的连接。

◆达到lifetime以后，原有的IPSecSA就会被删除

◆如果正在传输数据，系统会在原SA超时之前自动协商建立新的SA，从而保证数据的传输不会因此而中断。

4.5.IPsecSA示例

5.Ipsecphase1andphase2

（一） IPSec VPN隧道的建立过程分为两个阶段：

第一个阶段：

分为两种模式主模式（Main Mode和野蛮模式（又称主动模式Aggressive） 

第二个阶段：

快速模式（Quick Mode） 区别：

主模式与野蛮模式的区别：

（1）野蛮模式协商比主模式协商更快。

 因为主模式需要交互6个消息，而野蛮模式只需要交互3个消息；

（2）主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。

          因为主模式在“消息5&消息6”中对ID信息进行了加密。

而野蛮模式由于受到交换次数的限制，ID消息在“消息1&消息2”中以明文的方式发送给对端。

即主模式对对端身份进行了保护，而野蛮模式则没有。

（二） 两个阶段分别完成任务：

（1）第一个阶段IKE设置，有三个任务需要完成：

（a）协商一系列算法和参数（这些算法和参数用于保护隧道建立过程中的数据）； 

（b）必须计算出两边使用的加密KEY值，例如，两边使用3DES算法加密，3DES算法则需要一个密码，这个密码两端必须一样，但又不能在链路上传递。

（c）对等体的验证，如何才能知道对端就是我要与之通信的对端。

这里验证有三种方法：

预共享、数字签名和加密临时值。

上面一系列过程都是IKE（Internet 密钥交换协议，大多数厂商都把这个叫做VPNs Gateway）这个协议来实现。

对于第一阶段需要注意以下几点：

（a1）只有remote vpn和easy vpn是积极模式的，其他都是用主模式来协商的； 

（a2）让IKE对等体彼此验证对方并确定会话密钥，这个阶段用DH进行密钥交换，创建完IKE SA后，所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。

（a3）第一阶段帮助在对等体之间创建了一条安全通道，使后面的第二阶段过程协商受到安全保护。

（2）第二阶段：

 协商IPSec SA使用的安全参数，创建IPSec SA（SA可以加密两个对等体之间的数据，这才是真正的需要加密的用户数据），使用AH或ESP来加密IP数据流。

至此IPSec VPN隧道才真正建立起来。

（三） 综上，有如下结论：

第一阶段作用：

对等体之间彼此验证对方，并协商出IKE SA，保护第二阶段中IPSec SA协商过程； 

第二阶段作用：

协商IPSec单向SA，为保护IP数据流而创建； 

（四） 举例验证：

以主模式，AH协议来简单分析一下IPSec VPN链接建立的过程（附带报

文）：

第一个阶段三个任务，分别用6个消息来完成，每两个为一组，这些消息的具体格式取决于使用的对等体认证方法，使用预共享密钥进行验证的主模式（6条）协商过程使用ISAKMP消息格式来传递（基于UDP，端口号为500）。

6条消息如下：

（1）准备工作：

在前2条消息发送之前，发送者和接受者必须先计算出各自的cookie（可以防重放和DOS攻击），这些cookie用于标识每个单独的协商交换消息。

cookie——RFC建议将源目的IP、源目的端口、本地生成的随机数、日期和时间进行散列操作。

Cookie成为留在IKE协商中交换信息的唯一标识，实际上cookie是用来防止DOS攻击的，它把和其他设备建立IPSec所需要的连接信息不是以缓存的形式包存在路由器里，而是把这些信息HASH成个cookie值。

（2）1&2消息：

消息1：

由发送方（协商发起端）发起，携带一些参数，发送方向接