IPSEC原理和模式详解

IPSEC

之前我们讲到TLS,是工作在传输层的安全协议

现在接触的IPSEC是关于IP协议中的一些安全问题的保护。

ip存在的安全问题

• 检查IP数据报内容:数据保密问题

• 伪造IP地址:来源认证问题

• 修改 IP 数据报内容:数据完整性问题

• 重放旧 IP 数据报:序列完整性问题
  用于重放攻击，一种拒绝服务攻击

什么是IPSEC

IPsec 是一组协议，它们一起用于在设备之间建立加密连接。它有助于确保通过公共网络发送的数据安全。IPsec 通常用于设置VPN，它通过加密IP数据包以及验证数据包的来源来工作。

在术语“IPsec”中，“IP”代表“Internet 协议”，“sec”代表“安全”。Internet 协议是 Internet 上使用的主要路由协议；它使用IP 地址指定数据的去向。IPsec 是安全的，因为它在此过程中添加了加密和身份验证。

什么是VPN，什么是IPSEC VPN

虚拟专用网络 (VPN) 是两台或多台计算机之间的加密连接。VPN 连接发生在公共网络上，但通过VPN交换的数据仍然是私有的，因为它是加密的。

VPN 使通过共享网络基础设施（例如公共互联网）安全地访问和交换机密数据成为可能。例如，当员工在远程而不是在办公室工作时，他们经常使用 VPN 访问公司文件和应用程序。

许多 VPN 使用 IPsec 协议套件来建立和运行这些加密连接。但是，并非所有 VPN 都使用 IPsec。VPN 的另一个协议是SSL / TLS，它在OSI 模型中与 IPsec 不同的层运行。（OSI 模型是使Internet工作的过程的抽象表示。）

用户可以通过登录 VPN 应用程序或“客户端”来访问 IPsec VPN。这通常需要用户在他们的设备上安装应用程序。

VPN 登录通常基于密码。虽然通过 VPN 发送的数据是加密的，但如果用户密码被泄露，攻击者可以登录 VPN 并窃取这些加密数据。使用双重身份验证(2FA) 可以增强 IPsec VPN 的安全性，因为单独窃取密码将不再为攻击者提供访问权限。

IPSEC是如何工作的

密钥交换： 加密需要密钥；密钥是一串随机字符，可用于“锁定”（加密）和“解锁”（解密）消息。IPsec 通过连接设备之间的密钥交换设置密钥，以便每个设备都可以解密其他设备的消息。

包头和包尾：通过网络发送的所有数据都被分解成更小的部分，称为数据包。数据包既包含有效负载，即发送的实际数据，也包含标头或有关该数据的信息，以便接收数据包的计算机知道如何处理它们。IPsec 向包含身份验证和加密信息的数据包添加多个标头。IPsec 还添加了尾部，它在每个数据包的有效负载之后而不是之前。

身份验证： IPsec 为每个数据包提供身份验证，就像收藏品上的真实性印章一样。这可确保数据包来自受信任的来源而不是攻击者。

加密： IPsec 加密每个数据包中的有效负载和每个数据包的 IP 标头（除非使用传输模式而不是隧道模式 - 见下文）。这使通过 IPsec 发送的数据保持安全和私密。

传输：加密的 IPsec 数据包使用传输协议通过一个或多个网络到达目的地。在这个阶段，IPsec 流量与常规 IP 流量的不同之处在于它最常使用UDP作为其传输协议，而不是TCP。TCP（传输控制协议）在设备之间建立专用连接并确保所有数据包都到达。UDP，即用户数据报协议，不设置这些专用连接。IPsec 使用 UDP，因为这允许 IPsec 数据包通过防火墙。

解密：在通信的另一端，数据包被解密，应用程序（例如浏览器）现在可以使用传递的数据。

两种协议

AH：Authentication Header

• 数据来源认证，
• 消息完整性，以及可选的防重放保护

ESP：Encapsulating Security Payload

• AH提供的所有服务，加上有效载荷机密性。

两种模式

每个协议 AH/ESP 支持两种使用模式：传输和隧道。

• 传输模式（左）：保护数据包有效负载； 数据包端到端传输。

• 隧道模式（右）：保护整个数据包； 数据包通过隧道传输。

IPSEC 模式	原理	加密设备是否等于通信设备	使用条件	举例
传输模式	在原始IP头部和IP负载之间插入一个ESP头部，并且在最后面加上ESP尾部和ESP验证数据部分	加密设备等于通信设备	相互通信的设备IP地址必须在其间的网络可路由	内部网络的主机要安全的访问内部服务器资源。
隧道模式	把原始IP数据包整个封装到一个新的IP数据包中，在新的IP头部和原始IP头部之间插入ESP头部，并且在最后面加上ESP尾部和ESP验证数据部分	加密设备不等于通信设备	相互通信的设备IP地址在其间的网络是不可路由的	一个内部网络的主机要安全穿越internet访问另一个内部网络的资源。如IPSEC vpn

安全关联（security association）

安全关联 (SA) 是一种单向逻辑连接，为它所承载的流量提供安全服务的发送方和接收方。
为了保护两个节点之间的双向通信，需要两个SA。
SA 是特定于协议的，即每个 SA 都与 AH 或 ESP 相关联，但不能同时与两者相关联

SA 由三元组唯一标识：

• 安全参数索引 (SPI)，[一些安全参数的索引]
• 目的地的 IP 地址（单播、多播、广播)
• 安全协议标识符（AH 或 ESP）。

安全关联包含以下信息：

• 用于加密和认证的密钥材料
• 可以使用的算法
• 端点的身份
• 系统使用的其他参数

SA 需要用于身份验证和加密的密钥材料。SA 所需的密钥材料的管理称为密钥管理。Internet 密钥交换 (IKE) 协议自动处理密钥管理。您还可以使用该ipseckey命令手动管理密钥。IPv4 和 IPv6 数据包上的 SA 可以使用自动密钥管理。

IPSEC架构

IKEv2

互联网密钥交换 (RFC 4306)，用于协商 ESP 和/或 AH SA

Internet 密钥交换版本 2 (IKEv2) 是一种基于 IPsec 的隧道协议，它允许 VPN 设备之间的安全 VPN 通信。它定义了 IPsec 安全关联 (SA) 的协商和身份验证过程。IKEv2 生成加密密钥以确保您的设备和您连接的 VPN 服务器之间的安全数据流。

IKEv2 比 OpenVPN 好吗？

IKEv2 协议比 OpenVPN 更快、更稳定，它提供了突破性的自动重新连接功能，提高了安全性和易用性。这意味着即使您的设备从一个互联网源切换到另一个互联网源，它也会自动恢复您的 VPN 连接。

对于有技术头脑的人，IKEv2/IPsec 使用 AES-256-GCM 密码进行加密，再加上 SHA2-384 以确保完整性。这与使用 3072 位 Diffie Hellmann 密钥的完美前向保密 ( PFS ) 相结合。

IKEv2/IPSec 是众多协议中的一个，每一个都建立和扩展了前辈的优势。点对点隧道协议 ( PPTP ) 和第 2 层隧道协议 ( L2TP /IPsec) 等其他 VPN 协议难以平衡速度和安全性，而它们的继任者 OpenVPN 在这两个方面都表现出色。

OpenVPN 是目前可用的最好的 VPN 协议之一，这就是它在 NordVPN 应用程序中发挥不可或缺的作用的原因。但是，IKEv2/IPSec 在某些方面甚至超过了 OpenVPN。这在很大程度上要归功于它的三个定义特征：

• 高速吞吐。
• 增强稳定性。
• 自动重新连接

IKEv2/IPSec 的好处

自动重新连接：当您的 VPN 连接中断时，IKEv2/IPsec 提供高效的重新连接功能。
领先的加密算法： IKEv2/IPSec 是一种高级协议，使用高安全性密码进行加密，以提供最大程度的保护。
支持多种设备： IKEv2/IPsec 支持多种设备，包括以前不受支持的智能手机、连接的家居软件和一系列路由器。
稳定性： IKEv2/IPsec 提供增强的稳定性，提供稳定的连接，并允许用户在互联网连接之间切换而不会失去保护。
速度：在许多 VPN 协议难以保持无缝互联网体验的情况下，IKEv2/IPSec 提供高速数据传输，并使使用 VPN 进行浏览成为更快、更愉快的体验。

SPD(Security Policy Database)

将 IP 流量映射到特定策略 [“BYPASS VPN”]

每个 SPD 规则需要两条 ACL 规则，一条定义隧道上的流量，一条定义隧道内的流量。SPD 规则适用的协议对于两个 ACL 规则必须相同，并且与 ACL 规则一起使用的序列号必须是连续的。

SPD Rule	Action	Address	Protocol	Sequence Number
BYPASS	Permit	Public address	Applicable protocol	N
Deny	Tunnel internal address	Applicable protocol	N + 1
PROTECT	Deny	Public address	Applicable protocol	N
Permit	Tunnel internal address	Applicable protocol	N + 1
DISCARD	Deny	Public address	Applicable protocol	N
Deny	Tunnel internal address	Applicable protocol	N + 1

SAD(Security Association Database)

将流量映射到特定配置 - 工作模式（隧道/传输）、加密和/或身份验证等

出站流量处理流程

入站流量处理过程

AH和ESP报文

IPv4包裹

使用AH

报文结构

字段	功能
NextHeader	它是一个 8 位字段，用于标识后面内容的类型。该字段的值是从设置为 51 的 IP 头协议字段集合中选择的，而协议字段中的值将进入 AH 下一个头字段。Tunnel: next = IP (value 4); Transport: else
payloadLength	它是一个 8 位长的字段，包含以 32 位字表示的 AH 头的长度，减去 2。它与 IP 数据包的实际有效负载长度无关。假设如果使用默认选项，则值为 4（三个 32 位固定字加上三个 32 位认证数据字减去两个）。
Reserved	它保留供将来使用。它的长度为 16 位，并设置为零。
SPI	长度为 32 位，和SA三元组一同使用
Sequence number	这个 32 位字段是一个单调递增的计数器，用于重放保护。它是一个可选字段。发送方始终包含此字段，接收方可自行决定是否处理它。开始的序列号被初始化为零。使用 SA 传输的第一个数据包的序列号为 1。序列号不允许重复。

使用ESP

Encapsulating Security Payload (ESP) 协议提供了Authentication Header的所有功能（认证、数据完整性和防重放保护）。这里的区别在于封装安全有效负载 (ESP) 提供了最关键的安全功能，即数据机密性。下面列出了使用封装安全负载 (ESP) 的好处。

1. 通过加密实现数据报的机密性。

2. 使用安全网关的流量机密性。

3. 使用数字证书验证数据来源。

4. 使用序列号机制的反重放服务。

AH和ESP的区别

AH 协议提供了一种仅用于身份验证的机制。AH 提供数据完整性、数据源身份验证和可选的重放保护服务。通过使用由 HMAC-MD5 或 HMAC-SHA 等算法生成的消息摘要来确保数据完整性。通过使用共享密钥创建消息摘要来确保数据源身份验证。重放保护是通过使用带有 AH 标头的序列号字段来提供的。AH 对 IP 标头及其有效负载进行身份验证，但某些可以在传输过程中合法更改的标头字段除外，例如生存时间 (TTL) 字段。

ESP 协议提供数据机密性（加密）和身份验证（数据完整性、数据源身份验证和重放保护）。ESP 可以仅与机密性、仅身份验证或机密性和身份验证一起使用。ESP 提供认证功能时，使用的算法与 AH 相同，但覆盖范围不同。AH 风格的身份验证对整个 IP 数据包进行身份验证，包括外部 IP 标头，而 ESP 身份验证机制仅对 IP 数据包的 IP 数据报部分进行身份验证。