IPsec安全框架

IPsec 网络安全体系

前言：
IPsec是网络层的安全框架，不同于应用层等框架，IPSec安全服务包括访问控制、数据源认证、无连 接数据完整性、抗重播、数据机密性和有限的通信流量机密性。

网络安全体系

网络安全是通过多层次的保护实现的，衍生出来的常用方式如下：

1. 防火墙
2. 信息加密
3. 数字签名
4. PKI技术与认证
5. IPsec安全体系

这里只简单提一下各种方案，这其中每一项都复杂无比，然后重点说一下IPsec安全体系。

信息加密就是使用加密算法，重新组织信息，常用的加密算法分为两类：对称加密和非对称加密。区别是对称加密的加解密秘钥相同，非对称加密的加解密秘钥不同。

对称加密算法比较

名称	秘钥长度	运算速度	安全性	资源消耗
DES	56位	较快	低	中
3DES	112位或者168位	慢	中	高
AES	128位,192位，256位	快	高	低

非对称加密算法比较

名称	成熟度	安全性	运算速度	资源消耗
RSA	高	高	慢	高
DSA	高	高	慢	只能用于数字签名
ECC	低	高	快	低

对称与非对称加密的比较

名称	秘钥管理	安全性	运算速度
对称算法	比较难,不适合互联网,一般用于内部系统	中	快好几个数量级(软件加解密速度至少快100倍,每秒可以加解密数M比特数据),适合大数据量的加解密处理
非对称算法	密钥容易管理	高	慢,适合小数据量加解密或数据签名

数字签名是通过私钥加密要发送信息的摘要，来保证信息的完整性和没被篡改。

下面我们重点说一下IPsec安全体系。

IPsec安全框架

IPsec既然是一个安全框架，自然就不是只有一个协议，IPsec包含三个部分的协议和算法：

1. 认证头协议（AH协议）
2. 封装安全负载协议（ESP协议）
3. 秘钥管理协议（IKE协议）
4. 各类加密和认证算法

认证头协议（AH）：IPsec 体系结构中的一种主要协议，它为IP 数据包提供无连接完整性与数据源认证，并提供保护以避免重播情况。AH 尽可能为IP头和上层协议数据提供足够多的认证。

IPsec 封装安全负载（ESP）：IPsec 体系结构中的一种主要协议。ESP 加密需要保护的数据并且在IPsec ESP 的数据部分进行数据的完整性校验，以此来保证机密性和完整性。ESP 提供了与AH 相同的安全服务并提供了一种保密性（加密）服务，ESP 与AH 各自提供的认证根本区别在于它们的覆盖范围。

密钥管理协议（IKE）：一种混合型协议，由Internet 安全联盟（SA）和密钥管理协议（ISAKMP）这两种密钥交换协议组成。IKE 用于协商AH 和ESP所使用的密码算法，并将算法所需的必备密钥放到恰当位置。

IPsec支持两种模式：传输模式和隧道模式。借助于隧道模式，经常被用于做vpn。

1.传输模式与隧道模式

隧道（tunnel）模式：用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。通常，隧道模式应用在两个安全网关之间的通讯。

传输（transport）模式：只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被放置在原IP包头后面。通常，传输模式应用在两台主机之间的通讯，或一台主机和一个安全网关之间的通讯。

传输模式与隧道模式的封装结构如下图：

2.认证与加密算法

（1）. 认证算法

认证算法的实现主要是通过杂凑函数。杂凑函数是一种能够接受任意长的消息输入，并产生固定长度输出的算法，该输出称为消息摘要。IPsec对等体计算摘要，如果两个摘要是相同的，则表示报文是完整未经篡改的。IPsec使用两种认证算法：

• MD5：MD5通过输入任意长度的消息，产生128bit的消息摘要。

• SHA-1：SHA-1通过输入长度小于2的64次方bit的消息，产生160bit的消息摘要。

MD5算法的计算速度比SHA-1算法快，而SHA-1算法的安全强度比MD5算法高。

（2）. 加密算法

加密算法实现主要通过对称密钥系统，它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。目前设备的IPsec实现三种加密算法：

• DES（Data Encryption Standard）：使用56bit的密钥对一个64bit的明文块进行加密。

• 3DES（Triple DES）：使用三个56bit的DES密钥（共168bit密钥）对明文进行加密。

• AES（Advanced Encryption Standard）：使用128bit、192bit或256bit密钥长度的AES算法对明文进行加密。

这三个加密算法的安全性由高到低依次是：AES、3DES、DES，安全性高的加密算法实现机制复杂，运算速度慢。对于普通的安全要求，DES算法就可以满足需要。

3.IKE秘钥交换协议

一种混合型协议，由Internet 安全联盟（SA）和密钥管理协议（ISAKMP）这两种密钥交换协议组成。

IPSec 在两个端点之间提供安全通信，两个端点被称为IPSec ISAKMP 网关。安全联盟（简称为SA）是IPSec 的基础，也是IPSec 的本质。SA 是通信对等体间对某些要素的约定，例如使用哪种协议、协议的操作模式、加密算法（DES、3DES、AES-128、AES-192 和AES-256）、特定流中保护数据的共享密钥以及SA 的生存周期等。

建立安全联盟的方式有两种，一种是手工方式（Manual），一种是IKE 自动协商（ISAKMP）方式。

IKE协商AH 和ESP所使用的密码算法，并将算法所需的必备密钥放到恰当位置。IKE为IPsec提供了自动协商交换密钥、建立SA的服务，能够简化IPsec的使用和管理，大大简化IPsec的配置和维护工作。

SA的建立过程包括两个阶段：

第一阶段主要有这么几个工作要做：

• 参数的配置，如参数配置。包括：认证方法，选择预共享密钥或数字证书认证。
  Diffie-Hellman 组的选择
• 策略协商。包括：加密算法选择DES、3DES、AES-128、AES-192 或AES-256。hash 算法选择MD5 或SHA
• DH 交换。虽然名为“密钥交换”，但事实上在任何时候，两台通信主机之间都不会交换真正的密钥，它们之间交换的只是一些DH 算法生成共享密钥所需要的基本材料信息。DH 交换，可以是公开的，也可以受保护。在彼此交换过密钥生成“材料”后，两端主机可以各自生成出完全一样的共享“主密钥”，保护紧接其后的认证过程。
• 认证 。DH 交换需要得到进一步认证，如果认证不成功，通信将无法继续下去。“主密钥”结合在第一步中确定的协商算法，对通信实体和通信信道进行认证。在这一步中，整个待认证的实体载荷，包括实体类型、端口号和协议，均由前一步生成的“主密钥”提供机密性和完整性保证。

第二阶段主要的工作如下：

第二阶段为快速SA，为数据传输而建立的安全联盟。这一阶段协商建立IPsec SA，为数据交换提供IPSec 服务。第二阶段协商消息受第一阶段SA 保护，任何没有第一阶段SA 保护的消息将被拒收。

• 策略协商，双方交换保护需求：

  • 使用哪种IPSec 协议：AH 或ESP
  • 是否使用hash 算法：MD5、SHA 或NULL
  • 是否要求加密，若是，选择加密算法：DES 或3DES、AES-128、NULL、AES-192 或AES-256

  在上述三方面达成一致后，将建立起两个SA，分别用于入站和出站通信。

• 会话密钥“材料”刷新或交换。在这一步中，将通过DH 交换生成加密IP 数据包的“会话密钥”。

• 将SA 递交给IPSec 驱动程序。在第二阶段协商过程中，如果响应超时，则自动尝试重新进行第二阶段SA 协商。

4.小结

IPsec作为一个安全框架，提供了2种封装方式，传输模式和隧道模式，根据需要选择合适的模式进行保护。SA作为IPsec的基础，可以使用IKE的方式来管理交换秘钥，协商工作参数。对于IPsec在Linux的实现可以进一步了解。