1、IPSec VPN详解深入浅出简单易懂之欧阳科创编IPSec VPN详解1.时间:2021.02.05创作:欧阳科2.IPSec概述IPSec(ip security)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(data integrity)和真实性(origin authentication)。IPSec只能工作在IP层,要求乘客协议和承载协议都是IP协议2.1.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
2、密文,从而确保数据的私密性2.2.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2.3.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-shared key,预共享密钥 RSA Signature,数字签名2.3.1.预共享密钥预共享密钥,是指通
3、信双方在配置时手工输入相同的密钥。2.3.2.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。3.IPSec框架结构3.1.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 (Authentication Header)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-hmacESP (Encapsulating Security Payload)封装安全载荷协议,能够进行数据加密和数据
4、摘要(hash)esp-des、esp-3des、esp-md5-hmac、esp-sha-hmac3.2.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。4.IPSec与NAT4.1.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。4.2.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ha
5、sh,所以将无法进行。启用IPSec NAT穿越后,会在ESP头前增加一个UDP头,就可以进行端口映射。5.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 (Internet key exchange,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。5.1.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
6、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。I
7、KE使用了两个阶段的ISAKMP:第一阶段,协商创建一个通信信道(IKE SA),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IKE SA建立IPsec SA。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
8、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IPsec SA:头两条消息协商IPsec SA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
9、组模式交换通信双方通过新组模式交换协商新的DiffieHellman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)。5ISAKMP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)。5.2.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IKE policy。IKE协商就是要在通信双方之间找到相同的policy。5.3.IKE
10、阶段2双方协商IPSec安全参数,称为变换集transform set,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5.4.IPSec SAIPSec SA (安全关联,Security Association):SA由SPD (security policy database)和SAD(SA database)组成。IPSec SA (安全关联,Security Association):SPI (Security Parameter Index),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
11、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IPSec SA。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IPSec SA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。5.5.IPsec SA示例6.Ipsec phase1 and phase2(一)IPSecVPN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(MainMode和野蛮模式(又称主动模式Aggressive)第二个阶段:快速模式(QuickMode)
12、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
13、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VPNsGateway)这个协议来实现。对于第一阶段需要注意以下几点:(a1)只有remotevpn和easyvpn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IKESA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
14、的第二阶段过程协商受到安全保护。(2)第二阶段:协商IPSecSA使用的安全参数,创建IPSecSA(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IPSecVPN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IKESA,保护第二阶段中IPSecSA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IPSecVPN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
15、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。cookieRFC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
16、。(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;DHDiffie-Hellman组-2;认证方式预共享;IKESA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(MainMode)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
17、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(AuthenticationHeader):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(AdvancedEncryptionStandard,即
18、高级加密标准)采用128bits的密钥进行加密;AES192(AdvancedEncryptionStandard,即高级加密标准)采用192bits的密钥进行加密;AES256(AdvancedEncryptionStandard,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Group1即768bit或Group2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
19、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(ISAKMPSA);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IPSecSA,IPSecSA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ISAKMPSA向对端定时发送KeepAlive报文维护该条ISAKMPSA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ISAKMPSA带有timeout标记,则删除该ISAKMPSA及由其
20、协商的IPSecSA;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TypePayload: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Group2;第二组TypePayload:Transform(3)#1展开如下:第三组TypePayload:Transform(3)#2
21、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
22、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)cryptoiskmpkey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
23、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)amodp=(
24、Xa)bmodp=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、SK
25、EYID_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;对端收到后,可以根据“消息1&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
26、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、SApayload、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)cryptoiskmpkey设置错了;
27、(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IPSecSA,而且只有一种模式,快速模式(QuickMode),快速模式的协商是受第1阶段建立的IKESA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IPSecSA的属性,协商IPSecSA消息1:发起者会在第一条消息中发送IPSecSA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
28、协议(AH、ESP或AH-ESP)、SPI、散列算法、模式(隧道模式或传输模式)、IPSecSA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IPSecSA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IPSecSA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IPSecSA过期或密钥超时时,重新生成的数据加密密钥还是
29、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IPSecSA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IPSecSA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
30、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:30604800;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AH和ESP(AH-ESP)。安全隧道两端所选择的安全协议必须一致。所以,第二阶段协商不起来,两端协议是否一致是一个排查重点。AH协议:类似于
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