[ike][ipsec] child sa rekey机制的细节分析

子标题：ipsec rekey是否会导致丢包

author: classic_tong

前言

什么叫rekey。

rekey是指ipsec的通信两端定期更换加密信道秘钥的机制。

为了安全性考虑，随着秘钥使用时间的延迟，对称秘钥被破解的可能性会逐渐增大。所以，定期更换

对称秘钥，是保证ipsec安全性的必要手段。

我们知道key有两个key，IKE sa的key和child sa（ipsec sa）的key。所以rekey也有两个，ike rekey

和child rekey。

这里只讨论child sa的rekey。

所有内容，都来自这里：https://tools.ietf.org/html/rfc7296#section-2.8

 

一 概念

rekey是指，一旦满足rekey条件（soft条件）时，会向另一端发送一个CREATE_CHILD_SA请求消息，另一个端回复

一个CREATE_CHILD_SA响应消息。从而协商出一个新的sa的过程。

这个时候，旧的SA并没有被删除，一旦瞒住删除条件（hard条件）时，旧的SA会被满足条件的一段，通过INFORMATION条件触发删除。

 

rekey的触发条件分三种，时间触发，报数触发，字节数触发。其中各又被分为soft和hard两种条件。用来分别触发上边的描述。

例如：设置了时间触发为100秒。就是指child sa在协商建立之后的100秒，会启动rekey流程。

在这个例子里，已strongswan的实现为例，hard = 100秒 + random秒。soft = hard × 90%

也就是在soft秒的时候，一端会建立新的sa。到hard秒的时候会删掉旧的sa。

报数与字节数同理，soft永远会先于hard条件到达。

 

这里。请注意这个时间差（hard - soft），这是rekey机制的一个潜在的条件。在这个时间段内，必须做好两件事情，才能保证

rekey过程的平滑，也就是ESP包不丢失。

第一件事情是完成两端的新SA的建立。

第二件事情是两端都完成流量从旧SA到新SA的切换。

 

在ikev2中，以上触发条件是在ipsec的两端本地设置的。彼此不协商。谁先到底条件，谁就会发起rekey。

在ikev1中，以上条件是协商处理的。我们只讨论ikev2.

 

二 流程

rekey的常规流程逻辑是不会导致丢包的，利用下图，做详情讲解：

 

 该图的左边是首先发生rekey的一方，右边是ipsec链接的另一方。

1. 左边到达rekey的soft触发条件。

2. 左边发送新建sa的请求消息。

3. 右边收到消息后，开始在本地创建新的SA。

4. 右边发送新建sa的响应消息。但是这里有一个条件就是在发送这个包之前，必须保证本地的新SA已经完全就绪，并且随时可用。

　　在这之后，右边必须仍旧使用旧的SA发送ESP消息。

5. 左边收到响应消息后，在本地完成新SA的创建过程。

　　新的SA建立好之后，右边将切换使用新的SA给对端发送ESP消息。

6. 右边收到的新SA发送过来的消息之后，并且解密成功。这个时候说明左边的新SA已经就绪了。

　　于是右边将流量从旧的SA切换到新的SA上面去。

7. 右边可以使用新的SA发送ESP消息了。

至此，新的SA已经完成了建立和切换的过程，并且不会导致丢包。

8. 左边到达rekey的hard条件

9. 左边发送删除旧SA的请求。

10，右边回应删除旧SA的请求。

至此，rekey过程完成。

 

需要特别说明的是，又可以在rekey期间，左边并没有需要发给对方的ESP报文时。它会发一个假的过去，触发对方切换SA。

或者，当右边没有收到任何新SA的ESP报文，但是却收到了旧SA的删除请求时，它也会进行SA的切换。（也就是说没有收到图中的5，直接收到了9）

 

总结一下，这里边两个关键的逻辑在4和6上面。

只要是正确的ipsec实现，4上面都不会有问题。所以在6的一些特殊情况下，会导致rekey期间的丢包。

比如，hard减去soft的时间过短，短到左边的sa创建流程没有及时完成，便触发了右边的流量切换。

 

三 多出来的SA

第一小节中random的作用是为了防止两端同时rekey的出现。

例如我们一般在配置两边的ipsec隧道时，通常会采用相同的配置，如rekey time=3600秒。

这个时候如果没有random时间，两边会同时发起rekey。

 

同时发起rekey的情况下，两侧的新建sa都会成功，这个时候会出现三个SA。

每一端都会各自独立检测这个场景，然后发现同时rekey的出现。然后会由发起的人来删除nonce比较小的那个一个SA。

以此到达删除重复sa的目的。

 

四 其他

RFC里，读到一句话，也不知道什么情况下会出现TS和算法会和就的SA不同。

Note that, when rekeying, the new Child SA SHOULD NOT have different Traffic Selectors and algorithms than the old one.