IPSEC实现分析.docx

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IPSEC实现分析

IPSec实现分析

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引言

1.1编写目的

编写该文档的目的是为了更好地理IPSec模块。

为了能更好地理解IPSec，本详细设计报告描述了IPSec介绍、数据结构、IPSec策略匹配、SA的查找&安全路由的安装、发包和收包过程和IPSecIKE。

1.2编写背景

无

1.3预期读者和阅读建议

本文档的预期读者包括网关安全模块开发人员。

开发人员应重点理解函数实现和数据结构之间的关系。

1.4文档约定

IPSecInternetProtocolSecurity

SASecurityAssociation（安全联盟）

SPISecurityparameterindex（安全参数索引）

AHAuthenticationHeader（认证头）

ESPEncapsulatingSecurityPayload（加密安全载荷）

IKEInternetKeyExchange

HMACKeyed-hashMessageAuthenticationCode

1.5参考资料

RFC2401《SecurityArchitecturefortheInternetProtocol》

RFC2402《IPAuthenticationHeader》

RFC2406《IPEncapsulatingSecurityPayload（ESP）》

RFC2407《TheInternetIPSecurityDomainofInterpretationforISAKMP》

RFC2408《InternetSecurityAssociationandKeyManagementProtocol（ISAKMP）》

RFC2409《TheInternetKeyExchange（IKE）》

RFC3947《NegotiationofNAT-TraversalintheIKE》

RFC3948《UDPEncapsulationofIPsecESPPackets》

2详细设计

2.1IPSec介绍

IPSEC（InternetProtocolSecurity）是IETF指定的一个IP层安全框架协议。

它提供了在未提供保护的网络环境中传输敏感数据的保护。

它定义了IP数据包格式和相关基础结构，以便为网络通信提供端对端、加强的身份验证、完整性、防重放和保密性等。

IPSec到底是如何起作用的呢？

为了更直观的理解IPSecVPN，图2-1到图2-3说明了：

当两个机构通信的重要内容不想被中间人截获到，可以采用的方法。

图2-1是最原始的方法，两个机构直接通过Internet进行通信，但是这样的话，很容易遭受中间黑客的截获和对内容的篡改，而两边都无法知道，很可能会造成重要损失。

图2-2，两边的机构通过架设自己的专用网络进行通信，这样的话，黑客不修改物理的连接是无法接触到两边的通信内容的，所以比较安全，但是这样的方式会耗费巨大的投资。

图2-3，通过架设虚拟的VPN通道就可以使得：

1.黑客能截获到报文，但也无法得知内容；2.即便是修改了内容，但两边机构是能检测到报文有无修改。

图2-1普通通信方式

图2-2架设专用网络

图2-3开辟虚拟通道

当然VPN有多种，本文着重从IPSecVPN的角度介绍IPSec的原理及实现。

IPSec通过两种协议来实现对IP数据包的保护，分别是AH和ESP（下文介绍）。

IPSec既可以保护一个完整的IP载荷，也可以保护某个IP载荷的上层协议（例如TCP）。

这两种方式的保护取决于两种不同的‘模式’来提供的，如图2-4。

图2-4两种模式

传输模式用来保护上层协议，而隧道模式则用来保护整个IP报文。

两种协议均能使用两种模式进行数据传输。

IPSec提供以下的安全特性：

●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。

●数据完整性（DataIntegrity）：

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。

●数据来源认证（DataAuthentication）：

IPsec在接收端可以认证发送IPsec报文的发送端是否合法。

●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。

2.1.1封装协议ESP

ESP（EncapsulatingSecurityPayload）属于IPSec的一种协议，可用于确保IP数据包的机密性（未被别人看过）、数据的完整性以及对数据源的身份验证。

ESP的协议号是50，ESP的协议头的格式如图2-5所示。

图2-5ESP头

SPI是用于唯一标识SA的一个32比特数值，它在AH和ESP头中传输。

在手工配置SA时，需要手工指定SPI的取值。

使用IKE协商产生SA时，SPI将随机生成。

SequenceNumber是单调递增的数值，用来防止重放攻击。

PayloadData可变长度，实际要传输的数据。

Padding填充数据，以字节为单位，为了保证数据的对齐。

Padlength填充长度

NextHeader下一个头的协议号

AuthenticationData可变长度，认证数据

ESP同时提供了机密性以及完整性，所以在其SA中必须同时定义两套算法—用来确保机密性的算法叫作一个cipher（加密器），而负责完整性的算法叫作authenticator（验证器）。

ESP作用的方式，如图2-6。

通过加密算法（对称加密DES/3DES/AES）对数据进行加密，然后使用散列函数MD5/SHA-1对报文进行摘要计算，最后把摘要放入ESP校验的部分。

图2-6ESP头的使用

通过加密来实现数据的机密性，保证传输过程中，即便是有人截获报文，也无法得知报文的内容；

通过ESP校验来实现数据的完整性，如果一旦在传输过程中对内容进行篡改，则校验不通过。

当接收方收到包以后，首先检查序列号（防止重放），其次校验数据完整性，最后解密数据成明文。

2.1.2封装协议AH

AH（AuthenticationHeader）协议，用来向IP通信提供数据完整性和身份验证,同时可以提供抗重播服务。

AH的协议号是51，AH的协议头的格式如图2-7所示。

图2-7AH认证头

NextHeader占8bit，下一个头的协议号；

PayloadLen占8bit，表示AH头的长度，单位是4字节，计算完要减2；

Reserved占16bit，保留

SPI占32bit，安全参数索引，用来定位SA

SequenceNumber占32bit，序列号，用来抗重播攻击

AuthenticationData可变长度，认证数据

AH提供了完整性校验、数据源认证及抗重播攻击的能力，但不提供机密性，传输过程中以明文方式进行。

AH头作用的方式如图2-8所示。

图2-8AH头的使用

跟ESP一样，通过对报文进行散列（MD5/SHA）计算来得到认证数据，有所不同的是加入了HMAC（Keyed-hashedMessageAuthenticationCode，密钥化散列认证代码）的方式。

图2-9所示是普通散列认证方式，第①步是对明文进行散列计算得到一个散列值，并把散列值和明文一起传送给用户B；第②步，当用户B收到信息后，也对明文进行散列计算；第③步，用计算得到的散列值2与散列值1进行比较，如果发现不一样，则丢弃数据包（说明传输过程中，有人改动数据包），如果发现一致，则数据包未被改动。

但这样的方式，中间人可以篡改信息，并同样计算散列值来实现‘改动数据包’的目的。

图2-10所示是HMAC的方式，和图2-9不一样的是，通过加入共享密钥来计算散列值，这样的话，中间人是没有办法改动数据包的。

同时HMAC的方式实现了完整性校验和源认证。

图2-9普通散列认证

图2-10HMAC方式认证

2.1.3IPSec应用场景

IPSecVPN的应用场景分为3种：

1.Site-to-Site（站点到站点或者网关到网关）：

企业内网（若干PC）之间的数据通过这些网关建立的IPSec隧道实现安全互联。

这种方式只能使用隧道模式。

2.End-to-End（端到端或者PC到PC）：

两个PC之间的通信由两个PC之间的IPSec会话保护，而不是网关。

这种方式既可使用传输模式也可使用隧道模式。

3.End-to-Site（端到站点或者PC到网关）：

两个PC之间的通信由网关和异地PC之间的IPSec进行保护。

这种方式只能使用隧道模式。

图2-11应用场景

从上图可以看出来，隧道模式可应用于任何场景，传输模式只适用于端到端的模式；但是隧道模式会多一层IP头的开销，所以当使用端到端的情况，建议使用传输模式。

2.2IPSec实现

2.2.1IPSec大体实现思想

SA（SecurityAssociation）：

安全联盟。

SA是构成IPSec的基础，是两个通信实体协商建立起来的一种协定。

它决定了用来保护IPSec协议的加密算法、认证算法、密钥以及密钥存活时间等内容。

SA由三个元素定义：

安全协议、唯一安全参数索引（securityparameterindex,SPI）和IP目标。

SA是单向的，发送需要一个SA，接收也需要一个SA；SA由手工或者通过IKE自动协商两种方式创建。

IPSec的主要处理流程，如图2-12所示。

图2-12处理流程图（左：

发包右：

收包）

安全策略是用来匹配看哪些流需要进行IPSec的处理，如果匹配上安全策略则进行IPSec处理。

策略的意义在于，可以把想通过IPSec处理的流（感兴趣流）区分出来，其余的不处理。

安全路由，如图2-13所示，以隧道模式（ESP+AH）为例来说明安全路由，其实就是用路由结构体存放一些处理函数（SA），然后每走一层处理一层，这样的话，扩展性会很好。

被称之为安全路由，后面会详细介绍这方面，所以到这里为止，先有个大体概念。

图2-13安全路由示意图

图2-14所示为IPSEC对于数据包的处理所经过的钩子点，本例中均为隧道模式，由于传输模式只支持点对点，网关上启用IPSEC的情况，基本上用不到传输模式。

数据流经过FORWARDING的时候，会匹配IPSEC安全策略，然后会经过ESP/AH头的处理以及封装外层IP头，封装完后，属于本地发包（正常发包），然后经过LOCAL_OUT->POST_ROUTING发出

当收到IPSEC包的时候，首先收到本地进行处理，验证->解密->除去封装头，然后再放入到收包队列中进行再次收包

这个时候，就是正常的转发包了

图2-14IPSEC处理流程

2.2.2IPSec策略

IPSec策略主要是用来匹配兴趣流（哪些数据包需要进行IPSec的处理）的，当匹配上IPSec策略以后，才会进一步操作，所以IPSec策略是IPSEC处理的基础。

2.2.3数据描述

2.2.2.1安全策略SP

图2-15所示为IPSec策略结构体（安全策略SP）。

其实策略就是用来定义一些条件和操作，当匹配上这些条件的时候，做些什么操作。

有一个元素叫做“选择子”（元素selector），这个选择子就是用来匹配兴趣流（那些流该做IPSEC封装）的东西，所以叫做选择子；

有一个元素叫做“状态模板”（元素xfrm_vec[]），是用来匹配SA（就是当使用IPSEC的时候，如何加密，如何封装等内容）的；

还有一个元素是bundles，这个元素是用来安装安全路由的，这样的话，每次匹配上这个策略后，就不必再去查找bundle，不必再去查找SA了，是为了加速的作用。

图2-15IPSec策略

这个时候，我们可以对着结构体来看IPSEC大体的流程：

图2-16流程（策略角度）

状态选择子（selector）：

从数据流的角度定义‘选择的数据流’，被叫做感兴趣流，其中匹配项有对端地址、本段地址、子网掩码、协议簇等信息；

bundles：

被用来安装安全路由（参考图2-11）；当查找不到绑定的安全路由的时候，就会先用来查找SA，因为如果要创建一个安全路由，需要使用SA作为材料。

SA为其提供一些参数，比如一些处理函数、genid等。

xfrm_vec[]：

这个模板数组用来匹配SA

策略的机构体structxfrm_policy，如下：

structxfrm_policy

{

#ifdefCONFIG_NET_NS

structnet*xp_net;

#endif

structxfrm_policy*next;/*下一个策略addbylxhforipseckernel,201112.13

structhlist_nodebydst;/*按目的地址HASH的链表，加入到全局链表中init_net->xfrm->policy_bydst相关*/

structhlist_nodebyidx;/*按索引号HASH的链表，加入全局链表中init_net->xfrm->policy_byidx*/

structxfrm_policy*child;//addbylxhforipseckernel,201104.13

/*Thislockonlyaffectselementsexceptforentry.*/

rwlock_tlock;

atomic_trefcnt;/*引用次数*/

structtimer_listtimer;/*策略定时器*/

u32priority;/*策略优先级，如果多个匹配，则使用最高优先级的*/

u32index;/*存放policy_byidx的下标*/

structxfrm_selectorselector;/*选择子*/

structxfrm_lifetime_cfglft;/*策略生命期*/

structxfrm_lifetime_curcurlft;//当前的生命期数据

structdst_entry*bundles;/*安全路由链表*/

structxfrm_policy_walk_entrywalk;/*加入init_net->xfrm->policy_all中*/

u8type;

u8action;/*接受/加密/阻塞等*/

u8flags;/*标记*/

u8xfrm_nr;/*有几个模板，对应本结构体中的数组xfrm_vec[]*/

u16family;/*协议簇*/

//addbylxhforipseckernel,201104.13

u32inbound;/*入方向*/

u32outbound;/*出方向*/

u32pol_type;/*策略类型*/

u32pol_id;/*策略id*/

u32isdynamic;/*是否是动态？

*/

chartunnel_name[32];/*隧道名字*/

u32outbound_sa_spi;/*出方向的spi*/

//endaddbylxhforipseckernel,201104.13

structxfrm_sec_ctx*security;/*安全上下文*/

structxfrm_tmplxfrm_vec[XFRM_MAX_DEPTH];/*状态模板*/

structpolicy_entry*policy_entry;//addbylxhforipseckernel,201104.13

//addedbyliangxiaformatchpeergwip,2012.4.11

//隧道模式，保护子网不变，但对端地址改变

//删除原隧道SA引起新隧道不可用

u32peer_ip;

//addedbyliangxia,2012.12.14

s32dev_index;//接口ifindex

};

2.2.2.2安全联盟SA

上文中多次提到的SA，究竟是以什么组织的，现在来揭开神秘的面纱。

SA的结构体图如下图2-17。

图2-17SA的结构体

内核中SA（SecurityAssociation）是用结构体structxfrm_state来定义，各个字段的含义如下：

/*Fulldescriptionofstateoftransformer.*/

structxfrm_state

{

#ifdefCONFIG_NET_NS

structnet*xs_net;

#endif

union{

structhlist_nodegclist;

structhlist_nodebydst;//按照目的地址HASH，与回收重用

};

structhlist_nodebysrc;//按照源地址HASH

structhlist_nodebyspi;//按照SPI值HASH

atomic_trefcnt;//引用计数

spinlock_tlock;//锁

structxfrm_idid;//SA索引，即目的地址，spi和协议号

structxfrm_selectorsel;//状态选择子

u32genid;//生成id

/*Keymanagerbits*/

structxfrm_state_walkkm;//KEY回调管理处理结构参数

/*Parametersofthisstate.*/

struct{

u32reqid;//请求ID

u8mode;//模式:

传输/通道

u8replay_window;//回放窗口

u8aalgo,ealgo,calgo;//认证,加密,压缩算法ID值

u8flags;//标记

u16family;//协议族

xfrm_address_tsaddr;//源地址（出口地址）

intheader_len;//添加的协议头长度,ESP/AH头（+IP头，隧道模式时）

inttrailer_len;//添加的协议尾长度,ESP才有

}props;//SA相关参数结构

structxfrm_lifetime_cfglft;//生命周期

/*Datafortransformer*/

structxfrm_algo*aalg;//hash算法

structxfrm_algo*ealg;//加密算法

structxfrm_algo*calg;//压缩算法

structxfrm_algo_aead*aead;

/*Dataforencapsulator*/

structxfrm_encap_tmpl*encap;//NAT穿越相关信息

/*Dataforcare-ofaddress*/

xfrm_address_t*coaddr;

/*IPCompneedsanIPIPtunnelforhandlinguncompressedpackets*/

structxfrm_state*tunnel;//通道，实际上是另一个SA

/*Ifatunnel,numberofusers+1*/

atomic_ttunnel_users;//通道的使用数

/*Stateforreplaydetection*/

structxfrm_replay_statereplay;//回放检测结构,包含各种序列号掩码等信息

/*Replaydetectionstateatthetimewesentthelastnotification*/

structxfrm_replay_statepreplay;//上次的回放记录值

/*internalflagthatonlyholdsstatefordelayedaeventatthe

*moment

*/

u32xflags;//标志

/*Replaydetectionnotificationsettings*/

u32replay_maxage;//回放最大时间间隔

u32replay_maxdiff;//回放最大差值

/*Replaydetectionnotificationtimer*/

structtimer_listrtimer;//回放检测定时器

/*Statistics*/

structxfrm_statsstats;//统计值

structxfrm_lifetime_curcurlft;//当前生存周期计数器

structtimer_listtimer;//SA定时器

/*Lastusedtime*/

unsignedlonglastused;

/*Referencetodatacommontoalltheinstancesofthis

*transformer.*/

conststructxfrm_type*type;//类型,ESP/AH，处理指针

structxfrm_mode*inner_mode;//函数处理指针

structxfrm_mode*inner_mode_iaf;//

structxfrm_mode*outer_mode;//函数处理指针

/*Securitycontext*/

structxfrm_sec_ctx*security;//安全上下文,加密时使用

/*Privatedataofthistransformer,formatisopaque,

*interpretedbyxfrm_typemethods.*/

void*data;//内部私有数据,将在esp_init_state/ah_init_state中被赋值

};

2.2.2.3安全路由链表

安全路由链表是用来处理IPSEC包，以及发送的时候用的，最大的好处是灵活。

如图2-18和2-19所示。

对于策略的匹配，SA的匹配，都是为了给数据包skb上添加处理指针，以便在发出的时候进行处理。

当是隧道的模式的时候，最后一个dst_entry是通过查找普通路由得到的；而传输模式，则是直接从skb上拷贝就可以得到，因为当经过FORWARDING的时候