IPSec简介（Internet Protocol Security）

IPSec简介（Internet Protocol Security）

起源
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：
    数据来源验证：接收方验证发送方身份是否合法。
    数据加密：发送方对数据进行加密，以密文的形式在Internet上传送，接收方对接收的加密数据进行解密后处理或直接转发。
    数据完整性：接收方对接收的数据进行验证，以判定报文是否被篡改。
    抗重放：接收方拒绝旧的或重复的数据包，防止恶意用户通过重复发送捕获到的数据包所进行的攻击。

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。
建立IPSec SA有两种方式：

手工方式和IKE方式。二者的主要差异如表所示。
手工和IKE方式的差异

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协议
    AH仅支持认证功能，不支持加密功能。AH在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头，如封装模式所示。AH对数据包和认证密钥进行Hash计算，接收方收到带有计算结果的数据包后，执行同样的Hash计算并与原计算结果比较，传输过程中对数据的任何更改将使计算结果无效，这样就提供了数据来源认证和数据完整性校验。AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。
    ESP协议
    ESP支持认证和加密功能。ESP在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Trailer和ESP Auth data），如封装模式所示。与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护，除非IP头被封装在ESP内部（采用隧道模式）。
AH和ESP协议的简单比较如表所示。
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。

AH报文头字段含义

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1所示。

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所示。
隧道模式下报文封装

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：
    从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始IP数据包进行验证和加密。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。
    从性能来讲，隧道模式因为有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。
    从场景来讲，传输模式主要应用于两台主机或一台主机和一台VPN网关之间通信；隧道模式主要应用于两台VPN网关之间或一台主机与一台VPN网关之间的通信。
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1所示，数据发送方和接收方使用相同的密钥进行加密、解密。
图1 加密和解密的过程

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）国密算法（SM4）。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2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、国密算法SM3（Senior Middle 3）。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：
    带外共享密钥
    在发送、接收设备上手工配置静态的加密、验证密钥。双方通过带外共享的方式（例如通过电话或邮件方式）保证密钥一致性。这种方式的缺点是安全性低，可扩展性差，在点到多点组网中配置密钥的工作量成倍增加。另外，为提升网络安全性需要周期性修改密钥，这种方式下也很难实施。
    使用一个安全的密钥分发协议
    通过IKE协议自动协商密钥。IKE采用DH（Diffie-Hellman）算法在不安全的网络上安全地分发密钥。这种方式配置简单，可扩展性好，特别是在大型动态的网络环境下此优点更加突出。同时，通信双方通过交换密钥交换材料来计算共享的密钥，即使第三方截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，也无法计算出真正的密钥，这样极大地提高了安全性。
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1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：
    身份认证
    身份认证确认通信双方的身份（对等体的IP地址或名称），包括预共享密钥PSK（pre-shared key）认证、数字证书RSA（rsa-signature）认证和数字信封认证。
        在预共享密钥认证中，通信双方采用共享的密钥对报文进行Hash计算，判断双方的计算结果是否相同。如果相同，则认证通过；否则认证失败。
        当有1个对等体对应多个对等体时，需要为每个对等体配置预共享的密钥。该方法在小型网络中容易建立，但安全性较低。
        在数字证书认证中，通信双方使用CA证书进行数字证书合法性验证，双方各有自己的公钥（网络上传输）和私钥（自己持有）。发送方对原始报文进行Hash计算，并用自己的私钥对报文计算结果进行加密，生成数字签名。接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，并对报文进行Hash计算，判断计算结果与解密后的结果是否相同。如果相同，则认证通过；否则认证失败。
        使用数字证书安全性高，但需要CA来颁发数字证书，适合在大型网络中使用。
        在数字信封认证中，发送方首先随机产生一个对称密钥，使用接收方的公钥对此对称密钥进行加密（被公钥加密的对称密钥称为数字信封），发送方用对称密钥加密报文，同时用自己的私钥生成数字签名。接收方用自己的私钥解密数字信封得到对称密钥，再用对称密钥解密报文，同时根据发送方的公钥对数字签名进行解密，验证发送方的数字签名是否正确。如果正确，则认证通过；否则认证失败。
        数字信封认证用于设备需要符合国家密码管理局要求时使用，此认证方法只能在IKEv1的主模式协商过程中支持。
    IKE支持的认证算法有：MD5、SHA1、SHA2-256、SHA2-384、SHA2-512、SM3。

    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。
    IKE支持的加密算法有：DES、3DES、AES-128、AES-192、AES-256和SM4。
    DH
    DH是一种公共密钥交换方法，它用于产生密钥材料，并通过ISAKMP消息在发送和接收设备之间进行密钥材料交换。然后，两端设备各自计算出完全相同的对称密钥。该对称密钥用于计算加密和验证的密钥。在任何时候，通信双方都不交换真正的密钥。DH密钥交换是IKE的精髓所在。
    PFS
    完善的前向安全性PFS（Perfect Forward Secrecy）通过执行一次额外的DH交换，确保即使IKE SA中使用的密钥被泄露，IPSec SA中使用的密钥也不会受到损害。
    MD5和SHA1认证算法不安全，建议使用SHA2-256、SHA2-384、SHA2-512、SM3算法。
    DES和3DES加密算法不安全，建议使用AES或SM算法。

IKE版本
IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本。IKEv2与IKEv1相比有以下优点：
    简化了安全联盟的协商过程，提高了协商效率。
    IKEv1使用两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立IPSec SA：第一阶段，通信双方协商和建立IKE本身使用的安全通道，建立一个IKE SA；第二阶段，利用这个已通过了认证和安全保护的安全通道，建立一对IPSec SA。IKEv2则简化了协商过程，在一次协商中可直接生成IPSec的密钥并建立IPSec SA。IKEv1和IKEv2的具体协商过程请分别参见IKEv1协商安全联盟的过程和IKEv2协商安全联盟的过程。
    修复了多处公认的密码学方面的安全漏洞，提高了安全性能。
    加入对EAP（Extensible Authentication Protocol）身份认证方式的支持，提高了认证方式的灵活性和可扩展性。
    EAP是一种支持多种认证方法的认证协议，可扩展性是其最大的优点，即若想加入新的认证方式，可以像组件一样加入，而不用变动原来的认证体系。当前EAP认证已经广泛应用于拨号接入网络中。

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