IPSec VPN详解深入浅出简单易懂Word文件下载.docx
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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，发送方向接收方发送一条包含一组或多组策略提议（Raisecom工业路由器中是多组），在策略提议中包括5元组信息：
加密算法——DES；
散列算法——MD5-HMAC；
DH——Diffie-Hellman组-2；
认证方式——预共享；
IKE
SA寿命。
如下是Raisecom中高级选项配置的策略：
（认证方式采用“预共享”方式）
（对于DPD，具体作用不知道，默认是关闭）
下面简要介绍一下上述五元组信息：
（a）协商模式：
可以选择主模式（Main
Mode）或者野蛮模式（Aggressive）。
当选择主模式时，只能使用IP地址作为ID的类型。
当用户端设备的IP地址为动态获取的情况时，需要选择野蛮模式。
IKE野蛮模式相对于主模式来说更加灵活，可以选择根据协商发起端的IP地址或者ID来查找对应的身份验证字，并最终完成协商。
（b）验证方法AH（Authentication
Header）：
身份验证确认通信双方的身份。
目前在IKE提议中，仅可用pre-shared-key（预共享密钥）身份验证方法，使用该验证方法时必须配置身份验证字，并且两端的密钥要完全一致。
（c）加密算法：
包括DES和3DES加密算法；
DES算法采用56bits的密钥进行加密，3DES算法采用112bits的密钥进行加密；
AES128（Advanced
Encryption
Standard，即高级加密标准）采用128bits的密钥进行加密；
AES192（Advanced
Standard，即高级加密标准）采用192bits的密钥进行加密；
AES256（Advanced
Standard，即高级加密标准）采用256bits的密钥进行加密；
一般来说，密钥越长的算法强度越高，受保护数据越难被破解，但消耗的计算资源会更多。
（d）Diffie-Hellman组标识（DH）：
用户可以选择Group
1即768bit
或
Group
2即1024bit。
（e）ISAKMP-SA生存周期：
IKE使用了两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立安全联盟。
第一阶段，通信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道，即ISAKMP安全联盟（ISAKMP
SA）；
第二阶段，用在第一阶段建立的安全通道为IPSec协商安全服务，即为IPSec协商具体的安全联盟，建立IPSec
SA，IPSec
SA用于最终的IP数据安全传送。
ISAKMP-SA生存周期可以设定为60-604800之间的一个整数。
（f）定时发送keepalive报文（不是必须携带）：
IKE通过ISAKMP
SA向对端定时发送KeepAlive报文维护该条ISAKMP
SA的链路状态。
当对端在配置的超时时间内未收到此KeepAlive报文时，如该ISAKMP
SA带有timeout标记，则删除该ISAKMP
SA及由其协商的IPSec
SA；
否则，将其标记为timeout。
如下是抓包获取到的信息（设备为Raisecom工业路由器）：
由上图可知，模式为主模式，载荷类型为SA。
SA的数目和内容详见下图：
将载荷类型SA展开如下：
由下图可知，该SA中携带了三组策略，正好Raisecom中web页面配置的三组策略：
第一组Type
Payload：
Transform（3）#
0展开如下：
SA生存时间为10800；
加密机制为DES；
认证算法为SHA；
认证方法选择PSK（预共享密钥）；
DH为Group
2；
第二组Type
1展开如下：
第三组
Type
2展开如下：
报文中的组顺序和web页面上组顺序不一致，这个无所谓，只要能对上即可，因为实际中只要这三个组能匹配上即可。
消息2：
由响应者（即对端设备）回应，内容基本一样，主要与发起者比较，是否
与发起者的IKE策略匹配，不匹配则进行下一组比较，如果最终都找不到匹配，隧道就停止建立；
（note：
发起者将其所有IKE策略发给接受者，接受者则在自己的策略中寻找与之匹配的策略；
对比顺序从优先级号小的到大的；
默认策略实际就是个模板没作用，如果认证只配置预共享的话，其他参数就会copy默认策略里的）
报文如下：
由上图可知，接受端回应的消息中，匹配了发送端的一条策略，如果有一条匹配，则不需要匹配其他策略。
在消息1和消息2中报错可能出现的原因：
（a）peer路由不通（即，外层的IP地址不通，这里对应的是发送发10.1.1.3和接收方10.1.1.2这两个地址不通，这里配置简单属于直连，而实际大型组网中，中间会有很多其他网元，往往是通过配置动态路由）；
（b）crypto
iskmp
key没有设置（即，没有配置预共享密钥）；
（c）一阶段的策略不匹配（这时需要检查两端设备的策略有不一致地方么）
（3）3&
4消息：
密钥交换过程
消息3：
由发起者（即，隧道建立的发起者）发出，但是在发出消息3之前，有个过程必须要完成，就是Diffie-Hellman算法过程。
Diffie-Hellman算法过程目的：
在消息1和消息2中所协商的算法，它们必须需要一个KEY（即，共享密钥中设置的密码），这个KEY在两个对等体上必须一样，但同时这个KEY不能在链路中传递，因为传递KEY是一个不安全的手段。
所以，该过程的目的是分别在两个对等体间独立地生成一个DH公共值，该公共值有什么作用？
因为两个对等体上都生成该DH公共值后，它们会在接下来的消息3和消息4中传送给对方，打个比方，A收到了B的DH公共值，B收到了A的DH公共值。
当A、B都收到了对方的该公共值后，问题就好解决了。
因为有一个公式在数学中被论证成立，那么现在借助公式，就可以在两个对等体上生成一个只有它们两个对等体知道的相同的KEY，该公式为：
发起者密钥=（Xb）amod
p
=
（Xa）bmod
p=响应者密钥
note：
这个密钥不是最终算法中使用的KEY，但两个对等体通过该KEY材料来生成另外三个密钥，分别是：
SKEYID_d——此密钥被用于计算后续IPSec密钥资源；
SKEYID_a——此密钥被用于提供后续IKE消息的数据完整性以及认证；
SKEYID_e——此密钥被用于对后续IKE消息进行加密；
所以，由发起者发起的第三条消息主要是向对等体发送自己的DH公共值和Nonce随机数；
实际报文如下：
由上述报文可知，发送方开始向接收方发送自己的DH公共值以及随机数；
对端收到后，可以根据“消息1&
消息2”中协商的DH算法，以及发送端在消息3中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥；
消息4：
同消息3，告知发送端自己的DH公共值和Nonce随机数；
报文如下：
由上述报文可知，接受方开始向发送方发送自己的DH公共值以及随机数；
消息2”中协商的DH算法，以及接受端在消息4中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥；
（3）5&
6消息：
用于双方彼此验证。
由“于消息1&
消息2”的算法，以及“消息3&
消息4”生成的三个KEY，所以在后续的“消息5&
消息6”就能被加密传送，这个过程是受SKEYID_e加密保护的。
预共享密钥的作用：
为了正确生成密钥，每一个对等体必须找到与对方相对应的预共享密钥，当有许多对等体连接时，每一对对等体两端都需要配置预共享密钥，每一对等体都必须使用ISAKMP分组的源IP来查找与其对等体对应的预共享密钥（此时，由于ID还没到，彼此先用HASH来彼此验证对方）HASH认证成分——SKEYID_a、cookieA、cookieB、preshare_key、SA
payload、转换集和策略。
消息5：
由发起者向响应者发送，主要是为了验证对端自己就是自己想要与之通信的对端。
这可以通过预共享、数字签名、加密临时值来实现。
消息6：
由响应者向发起者发送，主要目的和第五条一样：
在消息5和消息6中报错可能出现的原因：
（1）crypto
key设置错了；
（即，两端的预共享密钥值设置的不一样）
（五）
第二阶段：
第2阶段用三个消息来完成，目标是协商IPSec
SA，而且只有一种模式，快速模式（Quick
Mode），快速模式的协商是受第1阶段建立的IKE
SA保护的。
对应设备上需要配置的参数（以R202i-VM为例）
（1）1&
发送IPSec
SA的属性，协商IPSec
SA
发起者会在第一条消息中发送IPSec
SA的转换属性。
其中包含：
HASH、IPSec
策略提议、Nonce可可选的DH以及身份ID。
（a）HASH：
是用于给接受方作为完整性检验的，用于再次认证对等体（必须）HASH的成分和5-6阶段一样；
（b）IPSec策略提议：
其中包括了安全协议（AH、ESP或AH-ESP）、SPI、散列算法、模式（隧道模式或传输模式）、IPSec
SA生命周期（必选）；
（c）Nonce：
用于防重放攻击，还被用作密码生成的材料，仅当启用PFS时用到；
（d）ID：
描述IPSec
SA是哪些地址、协议和端口建立的，即感兴趣流中的IP地址；
（e）PFS（利用DH交换，可选）：
用了PFS后，就会在第二阶段重新DH出一个数据加密KEY，这个KEY和以前IKE协商出来的KEY没有任何关系，然后由这个新KEY来加密数据，只有到这个IPSec
SA的生命周期后，会再次DH出新的KEY，这样，安全性就提高了（普通IPSec
SA过期或密钥超时时，重新生成的数据加密密钥还是根据第一阶段DH出来的SKEYID_d衍生出来的），PFS启用后，数据加密部分使用的密钥就没有了衍生的过程。
（f）DH：
重新协商IPSec
SA时使用的密钥（正常情况下，IPSec阶段使用的密钥都是由SKEYID_d衍生而来的，密钥之间都有一定的关系，就算IPSec
SA超时，新的KEY还是和SKEYID_d有一定的关系）。
以上数据均被加密处理；
基于以上，第二阶段有几个概念需要理清：
（a）封装模式：
包括传输模式（Transport）和隧道模式（Tunnel）。
传输模式：
不使用新的IP头部，IP头部中的源/目的IP为通信的两个实点（当通信点等于加密点时，使用传输模式）；
隧道模式：
需要封装一个新的IP头部，新的IP头部中源/目的IP为中间的VPN网
关设备地址（当通信点不等于加密点时使用隧道模式）；
二者比较：
从安全性来讲，隧道模式优于传输模式，隧道模式可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密以及可以使用IPSec对等体的IP地址来隐藏客户机的IP地址；
从性能来讲，隧道模式比传输模式占用更多带宽，一个额外的IP头；
因此，到底使用哪种模式需要按照实际的应用场景进行权衡。
（b）安全联盟生存周期：
所有在安全策略视图下没有单独配置生存周期的安全联盟，都采用全局生存周期。
IKE（因特网密钥交换协议）为IPSec协商建立安全联盟（SA）时，采用本地设置的和对端提议的生存周期中较小的一个（即，当两端配置的生存周期不一致时，那么就用最小的那个值）。
安全联盟生存周期的输入范围：
30～604800；
所以，两端设备配置的生存周期不一致不会导致隧道无法建立。
（c）采用的安全协议：
安全提议中需要选择所采用的安全协议，用于为IP数据包提供安全。
目前可选的安全协议
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