IPSecVPN详细讲解深入浅出简单易懂.docx
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IPSecVPN详细讲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,以与用户名等身份信息。
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,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的密钥交换模式以与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通信提供性、消息完整性以与消息源验证服务;
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”交换以与根据基本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与状态消息的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交换以与身份验证交换(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与身份信息;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与其特征,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与状态提示消息。
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 Encryption Standard,即高级加密标准)采用192bits的密钥进行加密;AES256(Advanced Encryption 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未收到此KeepAlive报文时,如该ISAKMP SA带有timeout标记,则删除该ISAKMP SA与由其协商的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 Payload:
Transform(3)# 1展开如下:
第三组 Type Payload:
Transform(3)# 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,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与认证;
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公共值以与随机数;
对端收到后,可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法,以与发送端在消息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公共值以与随机数;
对端收到后,可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法,以与接受端在消息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,以与“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 iskmp 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&2消息:
发送IPSec SA的属性,协商IPSec SA
消息1:
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以与身份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与可以使用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有AH(验证报头)和ESP(封装安全有效负载),也可以指定同时使用