来自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/50502778
网络安全之IPSec vpn详解
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
IPSec静态隧道工作原理
IPSec VPN分为两个协商阶段，ISAKMP阶段及IPSec阶段，ISAKMP阶段主要是协商两端的保护策略，验证对等体的合法性，产生加密密钥，保护第二阶段IPSec SA的协商。第二阶段IPSec阶段，主要是确定IPSec SA的保护策略，使用AH还是ESP、传输模式还是隧道模式、被保护的数据是什么等等。第二阶段协商的目标就是产生真正用于保护IP数据的IPSec SA。IPSec通信实体双方对于一、二阶段的这些安全策略必须达成一致，否则IPSec协商将无法通过。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
IPSec实现
工作于TCP/IP第三层IP层上网络数据安全地一整套体系结构；包括网络认证协议AH（Authentication Header，认证头）、ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全载荷）、IKE（Internet Key Exchange，因特网密钥交换又称isakmp）和用于网络认证及加密的一些算法等。其中，AH协议和ESP协议用于提供安全服务，IKE协议用于密钥交换。
整个IPSec VPN地实现基本简化为两个SA协商完成
SA（security association）：是两个通信实体经协商建立起来地一种协议，它们决定了用来保护数据包安全地IPsec协议，转码方式，密钥，以及密钥地有效存在时间等等
IKE（isakmp）SA：协商对IKE数据流进行加密以及对对等体进行验证地算法（对密钥地加密和peer地认证）对等体之间只能存在一个
第一阶段：建立ISAKMPSA协商的是以下信息：
1、对等体之间采用何种方式做认证，是预共享密钥还是数字证书。
2、双方使用哪种加密算法（DES、3DES）
3、双方使用哪种HMAC方式，是MD5还是SHA
4、双方使用哪种Diffie-Hellman密钥组
5、使用哪种协商模式（主模式或主动模式）
6、协商SA的生存期
IPSec SA：协商对对等体之间地IP数据流进行加密地算法 对等体之间可以存在多个
第二阶段：建立IPsecSA协商的是以下信息：
1、双方使用哪种封装技术，AH还是ESP
2、双方使用哪种加密算法
3、双方使用哪种HMAC方式，是MD5还是SHA
4、使用哪种传输模式，是隧道模式还是传输模式
5、协商SA的生存期
名词解释：
AH协议（IP协议号为51）：提供数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，它能保护通信免受篡改，但不能防止窃听，适合用于传输非机密数据。AH的工作原理是在每一个数据包上添加一个身份验证报文头，此报文头插在标准IP包头后面，对数据提供完整性保护。可选择的认证算法有MD5（Message Digest）、SHA-1（Secure Hash Algorithm）等。
ESP协议（IP协议号为50）：提供加密、数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能。ESP的工作原理是在每一个数据包的标准IP包头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾。与AH协议不同的是，ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，以保证数据的机密性。常见的加密算法有DES、3DES、AES等。同时，作为可选项，用户可以选择MD5、SHA-1算法保证报文的完整性和真实性。
IPSec有两种工作模式：
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。
安全协议数据封装格式
IKE：
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。
IKE的安全机制
IKE具有一套自保护机制，可以在不安全的网络上安全地认证身份、分发密钥、建立IPsec SA。
1. 数据认证
数据认证有如下两方面的概念：
身份认证：身份认证确认通信双方的身份。支持两种认证方法：预共享密钥（pre-shared-key）认证和基于PKI的数字签名（rsa-signature）认证。
身份保护：身份数据在密钥产生之后加密传送，实现了对身份数据的保护。
2. DH
DH（Diffie-Hellman，交换及密钥分发）算法是一种公共密钥算法。通信双方在不传输密钥的情况下通过交换一些数据，计算出共享的密钥。即使第三者（如黑客）截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，由于其复杂度很高，不足以计算出真正的密钥。所以，DH交换技术可以保证双方能够安全地获得公有信息。
3. PFS
PFS（Perfect Forward Secrecy，完善的前向安全性）特性是一种安全特性，指一个密钥被破解，并不影响其他密钥的安全性，因为这些密钥间没有派生关系。对于IPsec，是通过在IKE阶段2协商中增加一次密钥交换来实现的。PFS特性是由DH算法保障的。
IKE的交换过程
IKE使用了两个阶段为IPsec进行密钥协商并建立SA：
第一阶段，通信各方彼此间建立了一个已通过身份认证和安全保护的通道，即建立一个ISAKMP SA。第一阶段有主模式（Main Mode）和野蛮模式（Aggressive Mode）两种IKE交换方法。
第二阶段，用在第一阶段建立的安全隧道为IPsec协商安全服务，即为IPsec协商具体的SA，建立用于最终的IP数据安全传输的IPsec SA。
图 4 主模式交换过程
如图2-1所示，第一阶段主模式的IKE协商过程中包含三对消息：
l 第一对叫SA交换，是协商确认有关安全策略的过程；
l 第二对消息叫密钥交换，交换Diffie-Hellman公共值和辅助数据（如：随机数），密钥材料在这个阶段产生；
l 最后一对消息是ID信息和认证数据交换，进行身份认证和对整个第一阶段交换内容的认证。
野蛮模式交换与主模式交换的主要差别在于，野蛮模式不提供身份保护，只交换3条消息。在对身份保护要求不高的场合，使用交换报文较少的野蛮模式可以提高协商的速度；在对身份保护要求较高的场合，则应该使用主模式。
IKE在IPsec中的作用
l 因为有了IKE，IPsec很多参数（如：密钥）都可以自动建立，降低了手工配置的复杂度。
l IKE协议中的DH交换过程，每次的计算和产生的结果都是不相关的。每次SA的建立都运行DH交换过程，保证了每个SA所使用的密钥互不相关。
l IPsec使用AH或ESP报文头中的序列号实现防重放。此序列号是一个32比特的值，此数溢出后，为实现防重放，SA需要重新建立，这个过程需要IKE协议的配合。
l 对安全通信的各方身份的认证和管理，将影响到IPsec的部署。IPsec的大规模使用，必须有CA（Certificate Authority，认证中心）或其他集中管理身份数据的机构的参与。
l IKE提供端与端之间动态认证。
IPsec与IKE的关系
图 5 IPsec与IKE的关系图
从图2-2中我们可以看出IKE和IPsec的关系：
l IKE是UDP之上的一个应用层协议，是IPsec的信令协议；
l IKE为IPsec协商建立SA，并把建立的参数及生成的密钥交给IPsec；
l IPsec使用IKE建立的SA对IP报文加密或认证处理。
