华为IPsec vpn源随着Internet的发展，越来越多的企业直接通过Internet进行互联，但由于IP协议未考虑安全性，而且Internet上有大量的不可靠用户和网络设备，所以用户业务数据要穿越这些未知网络，根本无法保证数据的安全性，数据易被伪造、篡改或窃取。因此，迫切需要一种兼容IP协议的通用的网络安全方案。 为了解决上述问题，IPSec（Internet Protocol Security）应运而生。IPSec是对IP的安全性补充，其工作在IP层，为IP网络通信提供透明的安全服务。 定义IPSec是IETF（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议。它并不是一个单独的协议，而是一系列为IP网络提供安全性的协议和服务的集合，包括认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两个安全协议、密钥交换和用于验证及加密的一些算法等。 通过这些协议，在两个设备之间建立一条IPSec隧道。数据通过IPSec隧道进行转发，实现保护数据的安全性。 受益IPSec通过加密与验证等方式，从以下几个方面保障了用户业务数据在Internet中的安全传输：
IPSec协议框架安全联盟安全联盟SA（Security Association）是通信对等体间对某些要素的协定，它描述了对等体间如何利用安全服务（例如加密）进行安全的通信。这些要素包括对等体间使用何种安全协议、需要保护的数据流特征、对等体间传输的数据的封装模式、协议采用的加密和验证算法，以及用于数据安全转换、传输的密钥和SA的生存周期等。 IPSec安全传输数据的前提是在IPSec对等体（即运行IPSec协议的两个端点）之间成功建立安全联盟。IPSec安全联盟简称IPSec SA，由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括安全参数索引SPI（Security Parameter Index）、目的IP地址和使用的安全协议号（AH或ESP）。其中，SPI是为唯一标识SA而生成的一个32位比特的数值，它被封装在AH和ESP头中。 IPSec SA是单向的逻辑连接，通常成对建立（Inbound和Outbound）。因此两个IPSec对等体之间的双向通信，最少需要建立一对IPSec SA形成一个安全互通的IPSec隧道，分别对两个方向的数据流进行安全保护，如图22-13所示。 另外，IPSec SA的个数还与安全协议相关。如果只使用AH或ESP来保护两个对等体之间的流量，则对等体之间就有两个SA，每个方向上一个。如果对等体同时使用了AH和ESP，那么对等体之间就需要四个SA，每个方向上两个，分别对应AH和ESP。 安全协议IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两种IP传输层协议来提供认证或加密等安全服务。
AH和ESP协议的简单比较如表22-6所示。 表22-6 AH协议与ESP协议比较
从表中可以看出两个协议各有优缺点，在安全性要求较高的场景中可以考虑联合使用AH协议和ESP协议。 报文头结构AH报文头结构 AH报文头结构如图22-14所示；AH报文头字段含义如表22-7所示。 表22-7 AH报文头字段含义
ESP报文头结构 ESP报文头结构如图22-15所示；ESP报文头字段含义如表22-8所示。 表22-8 ESP报文头字段含义
封装模式封装模式是指将AH或ESP相关的字段插入到原始IP报文中，以实现对报文的认证和加密，封装模式有传输模式和隧道模式两种。 传输模式在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。由于传输模式未添加额外的IP头，所以原始报文中的IP地址在加密后报文的IP头中可见。以TCP报文为例，原始报文经过传输模式封装后，报文格式如图22-16所示。 传输模式下，与AH协议相比，ESP协议的完整性验证范围不包括IP头，无法保证IP头的安全。 隧道模式在隧道模式下，AH头或ESP头被插到原始IP头之前，另外生成一个新的报文头放到AH头或ESP头之前，保护IP头和负载。以TCP报文为例，原始报文经隧道模式封装后的报文结构如图22-17所示。 隧道模式下，与AH协议相比，ESP协议的完整性验证范围不包括新IP头，无法保证新IP头的安全。 传输模式和隧道模式比较传输模式和隧道模式的区别在于：
当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式。 加密和验证IPSec提供了两种安全机制：加密和验证。加密机制保证数据的机密性，防止数据在传输过程中被窃听；验证机制能保证数据真实可靠，防止数据在传输过程中被仿冒和篡改。 加密IPSec采用对称加密算法对数据进行加密和解密。如图22-18所示，数据发送方和接收方使用相同的密钥进行加密、解密。 用于加密和解密的对称密钥可以手工配置，也可以通过IKE协议自动协商生成。 常用的对称加密算法包括：数据加密标准DES（Data Encryption Standard）、3DES（Triple Data Encryption Standard）、先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard）。其中，DES和3DES算法安全性低，存在安全风险，不推荐使用。 验证IPSec的加密功能，无法验证解密后的信息是否是原始发送的信息或完整。IPSec采用HMAC（Keyed-Hash Message Authentication Code）功能，比较完整性校验值ICV进行数据包完整性和真实性验证。 通常情况下，加密和验证通常配合使用。如图22-19所示，在IPSec发送方，加密后的报文通过验证算法和对称密钥生成完整性校验值ICV，IP报文和完整性校验值ICV同时发给对端；在IPSec接收方，使用相同的验证算法和对称密钥对加密报文进行处理，同样得到完整性校验值ICV，然后比较完整性校验值ICV进行数据完整性和真实性验证，验证不通过的报文直接丢弃，验证通过的报文再进行解密。 同加密一样，用于验证的对称密钥也可以手工配置，或者通过IKE协议自动协商生成。 常用的验证算法包括：消息摘要MD5（Message Digest 5）、安全散列算法SHA1（Secure Hash Algorithm 1）、SHA2。其中，MD5、SHA1算法安全性低，存在安全风险，不推荐使用。 密钥交换使用对称密钥进行加密、验证时，如何安全地共享密钥是一个很重要的问题。有两种方法解决这个问题：
IKE协议因特网密钥交换IKE（Internet Key Exchange）协议建立在Internet安全联盟和密钥管理协议ISAKMP定义的框架上，是基于UDP（User Datagram Protocol）的应用层协议。它为IPSec提供了自动协商密钥、建立IPSec安全联盟的服务，能够简化IPSec的配置和维护工作。 IKE与IPSec的关系如图22-20所示，对等体之间建立一个IKE SA完成身份验证和密钥信息交换后，在IKE SA的保护下，根据配置的AH/ESP安全协议等参数协商出一对IPSec SA。此后，对等体间的数据将在IPSec隧道中加密传输。 IKE SA是一个双向的逻辑连接，两个对等体间只建立一个IKE SA。 IKE安全机制 IKE具有一套自保护机制，可以在网络上安全地认证身份、分发密钥、建立IPSec SA：
IKE版本 IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本。IKEv2与IKEv1相比有以下优点：
IPSec基本原理IPSec通过在IPSec对等体间建立双向安全联盟形成一个安全互通的IPSec隧道，并通过定义IPSec保护的数据流将要保护的数据引入该IPSec隧道，然后对流经IPSec隧道的数据通过安全协议进行加密和验证，进而实现在Internet上安全传输指定的数据。 IPSec安全联盟可以手工建立，也可以通过IKEv1或IKEv2协议自动协商建立。本文重点介绍如何定义IPSec保护的数据流、IKE自动协商建立安全联盟的过程。 定义IPSec保护的数据流IPSec是基于定义的感兴趣流触发对特定数据的保护，至于什么样的数据是需要IPSec保护的，可以通过以下两种方式定义。其中IPSec感兴趣流即需要IPSec保护的数据流。
IKEv1协商安全联盟的过程采用IKEv1协商安全联盟主要分为两个阶段：第一阶段，通信双方协商和建立IKE协议本身使用的安全通道，即建立一个IKE SA；第二阶段，利用第一阶段已通过认证和安全保护的安全通道，建立一对用于数据安全传输的IPSec安全联盟。 IKEv1协商阶段1IKEv1协商阶段1的目的是建立IKE SA。IKE SA建立后对等体间的所有ISAKMP消息都将通过加密和验证，这条安全通道可以保证IKEv1第二阶段的协商能够安全进行。 IKEv1协商阶段1支持两种协商模式：主模式（Main Mode）和野蛮模式（Aggressive Mode）。 主模式包含三次双向交换，用到了六条ISAKMP信息，协商过程如图22-21所示。这三次交换分别是：
野蛮模式只用到三条信息，前两条消息①和②用于协商IKE安全提议，交换Diffie-Hellman公共值、必需的辅助信息以及身份信息，并且消息②中还包括响应方发送身份信息供发起方认证，消息③用于响应方认证发起方。IKEv1协商阶段1的协商过程如图22-21所示。 与主模式相比，野蛮模式减少了交换信息的数目，提高了协商的速度，但是没有对身份信息进行加密保护。 IKEv1协商阶段2IKEv1协商阶段2的目的就是建立用来安全传输数据的IPSec SA，并为数据传输衍生出密钥。这一阶段采用快速模式（Quick Mode）。该模式使用IKEv1协商阶段1中生成的密钥对ISAKMP消息的完整性和身份进行验证，并对ISAKMP消息进行加密，故保证了交换的安全性。IKEv1协商阶段2的协商过程如图22-22所示。 IKEv1协商阶段2通过三条ISAKMP消息完成双方IPSec SA的建立：
IKEv2协商安全联盟的过程采用IKEv2协商安全联盟比IKEv1协商过程要简化的多。要建立一对IPSec SA，IKEv1需要经历两个阶段：“主模式＋快速模式”或者“野蛮模式＋快速模式”，前者至少需要交换9条消息，后者也至少需要6条消息。而IKEv2正常情况使用2次交换共4条消息就可以完成一对IPSec SA的建立，如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对IPSec SA只需额外增加1次创建子SA交换，也就是2条消息就可以完成。 IKEv2定义了三种交换：初始交换（Initial Exchanges）、创建子SA交换（Create_Child_SA Exchange）以及通知交换（Informational Exchange）。 初始交换正常情况下，IKEv2通过初始交换就可以完成第一对IPSec SA的协商建立。IKEv2初始交换对应IKEv1的第一阶段，初始交换包含两次交换四条消息，如图22-23所示。 消息①和②属于第一次交换（称为IKE_SA_INIT交换），以明文方式完成IKE SA的参数协商，包括协商加密和验证算法，交换临时随机数和DH交换。IKE_SA_INIT交换后生成一个共享密钥材料，通过这个共享密钥材料可以衍生出IPSec SA的所有密钥。 消息③和④属于第二次交换（称为IKE_AUTH交换），以加密方式完成身份认证、对前两条信息的认证和IPSec SA的参数协商。IKEv2支持RSA签名认证、预共享密钥认证以及扩展认证方法EAP（Extensible Authentication Protocol）。发起者通过在消息3中省去认证载荷来表明需要使用EAP认证。 创建子SA交换当一个IKE SA需要创建多对IPSec SA时，需要使用创建子SA交换来协商多于一对的IPSec SA。另外，创建子SA交换还可以用于IKE SA的重协商。 创建子SA交换包含一个交换两条消息，对应IKEv1协商阶段2，交换的发起者可以是初始交换的协商发起方，也可以是初始交换的协商响应方。创建子SA交换必须在初始交换完成后进行，交换消息由初始交换协商的密钥进行保护。 类似于IKEv1，如果启用PFS，创建子SA交换需要额外进行一次DH交换，生成新的密钥材料。生成密钥材料后，子SA的所有密钥都从这个密钥材料衍生出来。 通知交换运行IKE协商的两端有时会传递一些控制信息，例如错误信息或者通告信息，这些信息在IKEv2中是通过通知交换完成的，如图22-24所示。 通知交换必须在IKE SA保护下进行，也就是说通知交换只能发生在初始交换之后。控制信息可能是IKE SA的，那么通知交换必须由该IKE SA来保护进行；也可能是某子SA的，那么该通知交换必须由生成该子SA的IKE SA来保护进行。 IPSec增强原理GRE over IPSecGRE over IPSec可利用GRE和IPSec的优势，通过GRE将组播、广播和非IP报文封装成普通的IP报文，通过IPSec为封装后的IP报文提供安全地通信，进而可以提供在总部和分支之间安全地传送广播、组播的业务，例如视频会议或动态路由协议消息等。 当网关之间采用GRE over IPSec连接时，先进行GRE封装，再进行IPSec封装。GRE over IPSec使用的封装模式为可以是隧道模式也可以是传输模式。因为隧道模式跟传输模式相比增加了IPSec头，导致报文长度更长，更容易导致分片，所以推荐采用传输模式GRE over IPSec。 图22-25 GRE over IPSec报文封装和隧道协商过程  IPSec封装过程中增加的IP头即源地址为IPSec网关应用IPSec安全策略的接口地址，目的地址即IPSec对等体中应用IPSec安全策略的接口地址。 IPSec需要保护的数据流为从GRE起点到GRE终点的数据流。GRE封装过程中增加的IP头即源地址为GRE隧道的源端地址，目的地址为GRE隧道的目的端地址。
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