清默网络--IPSec VPN机制详解

霸王龙小分队

一．摘要
        IPSec VPN是基于VPN技术和加密学的一项应用较广泛的技术。建立隧道，并对传输的数据进行加密，对内容进行验证，对源进行认证。IPSEC VPN不是一个单独的协议，它包括：AH 协议，ESP协议，IKE协议以及用以加密和认证的一些算法。

        二．论文背景
        IP数据包本身不具有任何的安全性，不能保证数据的机密性，数据的完整性，以及数据源的确认。IPSec提供了标准，健壮且包含广泛的机 制来保证IP以上层的安全。因为IPSec安全，经济，便利，可靠，可用，组网灵活，良好的可拓展性，所以IPSec VPN 在实际应用中非常广泛。
        三．IPSec VPN 的结构

        （一）．VPN技术
        虚拟专用网络（Virtual Private Network ，简称VPN)指的是在公用网络上建立专用网络的技术。之所以称为虚拟网，主要是因为整个VPN网络的任意两个节点之间的连接并没有传统专网所需的端到端 的物理链路，而是架构在公用网络服务商所提供的网络平台，如Internet之上的逻辑网络，用户数据在逻辑链路中传输。它涵盖了跨共享网络或公共网络的 封装、加密和身份验证链接的专用网络的扩展。VPN主要采用了隧道技术、加解密技术、密钥管理技术和使用者与设备身份认证技术。
        VPN可以按工作在TCP/IP的哪一层那分类：如数据链路层的VPN：PPTP,L2TP等，网络层的VPN：IPSec,GRE。

        （二）．加密与认证技术
        1.加密技术
        加密技术主要是对发送的数据信息进行加密，让截取到信息的人无法得知真正地数据，加密技术一般分为
        1古典密码学，如置换和代替，最出名的莫过于凯撒大帝密码。
        2对称密码加密如DES,3DES,AES等。
        3不对称密码加密如RSA等
        2.密钥交换
        DH算法能根据双方的已知信息生成相同的密钥。这样就避免了密钥在网络上传输时被窃听的可能性。
        3.数据完整性
        完整性主要是保证数据在传输的过程中没有被别人更改，常用的如MD5，SHA。
        4.对源的认证
        对发送数据的一方进行认证
        常用的有PRE-SHARE, RSA数字签名，数字证书。

        （三）．IPSEC VPN的两种模式
        1.传输模式
        在源IP头部后加上IPSEC头部，用于端到端的场合。

        

                               
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        2.隧道模式
        在源IP头部前加上新的IP头部和IPSEC头部，用于网关到网关的场合。

        

                               
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        （四）．IPSEC协议中的AH与ESP
        1.AH (Authentication Header)身份认证头部

        

                               
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        特点：1.只能对数据进行认证，不提供数据加密功能。
                2.对整个IP数据包进行认证，包括IP头部。
                3.不能穿越NAT，所以只能用于端到端的场合。

        2.ESP(Encapsulating Security Payload)封装安全负载

        

                               
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        特点：1.不对头部进行认证，提供数据加密的功能
                2.只对IP包头后面的数据进行认证，不对IP头部认证。
                3.能穿越NAT。

        （五）．IPSEC SA（SecurityAssociation）安全关联
        为正确封装及提取IPSec数据包，有必要采取一套专门的方案，将安全服务／密钥与要保护的通信数据联系到一起；同时要将远程通信实体与 要交换密钥的IPSec数据传输联系到一起。换言之，要解决如何保护通信数据、保护什么样的通信数据以及由谁来实行保护的问题。这样的构建方案称为安全关 联
        SA是两个应用IPsec实体（主机、路由器）间的一个单向逻辑连接，决定保护什么、如何保护以及谁来保护通信数据。它规定了用来保护数 据包安全的IPsec协议、转换方式、密钥以及密钥的有效存在时间等等。SA是单向的，要么对数据包进行“进入”保护，要么进行“外出”保护。具体采用什 么方式，要由三方面的因素决定：第一个是安全参数索引（SPI），该索引存在于IPSec协议头内；第二个是IPSec协议值；第三个是要向其应用SA的 目标地址。通常，SA是以成对的形式存在的，每个朝一个方向。既可人工创建它，亦可采用动态创建方式。SA驻留在安全关联数据库（SAD）内。
        SA提供的安全服务取决于所选的安全协议（AH或ESP）、SA模式、SA作用的两端点和安全协议所要求的服务。

        （六）．IPsec IKE：Internet 密钥交换协议
        IPSEC SA可以手工创建，也可以通过IKE动态创建。IKE是一个混合协议，由ISAKMP,Oakley密钥交换和SKEME组成，它定义了一个适当的密钥交换机制。IKE是一个双阶段，多模式的协议。
        IKE在第一阶段中确认远端对等体的身份，为两个对等体建立一条安全的，需要认证的通道，自此阶段协商认证算法（MD5），生成密钥参数 (DH)，身份认证方法（PRE-SHARE，RSA,或数字签名）。在此阶段有两种模式：主模式（Main Mode）以及主动模式（Aggressive Mode），主模式发送6个数据包，而主动模式发送3个数据包，主模式比主动模式更安全，主动模式比主模式更快速。
        IKE在第二阶段保护数据并俄日IPSEC建立SA，协商封装使用的协议（AH，ESP），加密数据使用的算法 （DES,3DES,AES），需要被保护的IP流量。在此阶段只有一种模式：快速模式(Quick Mode)。当IKE第二阶段结束以后，会建立两条单项的IPSEC SA

        四．IPSEC VPN的工作原理
        数据包输出处理过程:
        (1) 主机(路由器、防火墙) 向通信对等体发送消息,经过应用层协议、传输层、IP 层处理形成IP 数据包;
        (2) IPSec 驱动接受到IP 包后,检查SPD ( IPSec集成于操作系统中的情况) 数据库,查看数据包是否需要保护以及需要受何种保护;
        (3) 如需IPSec 处理,则通过指针在SAD 数据库中找到SA (或SA 束) ;如为空,则通知IKE 进程开始与对方进行安全协商,得到SA ,并填充到SAD 中,与SPD 数据库关联,以便以后查找;
        (4) IPSec 驱动程序使用出站SA 对数据包进行签名(完整性检查) 与加密处理,并将数据包递交给IP 层处理后交给链路层发出;

        数据包输入处理过程:
        (1) 主机(路由器、防火墙) 网络适配器驱动程序收到数据包后交给IPSec 驱动程序;
        (2) IPSec 驱动程序取出SPI ,目标IP 地址,判断出IPSec 通信协议的类型( A H/ ESP) , 进一步查找SAD 数据库,找到相应入站SA (或SA 束) ,并依据SA检查完整性签名或者对数据包解密;
        (3) 根据验证和解密后数据报文的内部IP 地址查询安全策略数据库SPD ,如果安全服务与SPD 项相符,将外部IP 头连同IPSec 头一起剥去,交与IP 层处理。
        (4) 将数据包提交给TCP 驱动程序处理,最后交与应用程序处理。
        以上就是IPSec 的整个工作过程,比较复杂,但对用户来说是透明的,如果是路由器或防火墙,则根据路由表或规则进行IP 包的转发,确保IPSec 和IKE 数据
流不会遭拒绝。

        五．IPsec与GRE
        在功能方面，由于IPSEC VPN虽然很安全，但是不支持多播协议，而GRE VPN支持多播，可以运行使用多播更新的路由协议，但是不能对数据进行加密。GRE over IPsec就是专门解决这个问题的。既可以让总部和分部像一个本地网络一样可以运行路由协议协议，又可以对传输的GRE数据进行加密

goodcowboy

谢谢楼主！