陈坚浩：IPSec知识整理：配置参数（端口UDP4500与UDP500）（中间有NAT与没有NAT的区别）、PFS、预共享密钥

陈坚浩：IPSec知识整理：配置参数（端口UDP4500与UDP500）（中间有NAT与没有NAT的区别）、PFS、预共享密钥

IPSec安全联盟SA
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。
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。

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。

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：
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：
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。

封装模式：（传输模式、和隧道模式）
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：一般用于终端与网关设备建立隧道。
隧道模式：一般用于网关设备之间建立隧道。

密钥交换：
（1）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。
（2）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。
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。

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：
（1）身份认证 （包括预共享密钥PSK）
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。
（3）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。
（3）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。
（4）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。

IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本。
IKEv1协商安全联盟的过程（主模式、野蛮模式）
主模式：使用主模式协商，更安全。
野蛮模式：使用野蛮模式协商，理快速速。

采用IKEv1协商安全联盟主要分为两个阶段：第一阶段，通信双方协商和建立IKE协议本身使用的安全通道，即建立一个IKE SA；第二阶段，利用第一阶段已通过认证和安全保护的安全通道，建立一对用于数据安全传输的IPSec安全联盟。
IKEv2协商安全联盟的过程
采用IKEv2协商安全联盟比IKEv1协商过程要简化的多。要建立一对IPSec SA，IKEv1需要经历两个阶段：“主模式＋快速模式”或者“野蛮模式＋快速模式”，前者至少需要交换9条消息，后者也至少需要6条消息。而IKEv2正常情况使用2次交换共4条消息就可以完成一对IPSec SA的建立，如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对IPSec SA只需额外增加1次创建子SA交换，也就是2条消息就可以完成。

IKEv2定义了三种交换：初始交换（Initial Exchanges）、创建子SA交换（Create_Child_SA Exchange）以及通知交换（Informational Exchange）。


建议：
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。


总结
华为USG防火墙：建立ipsec vpn（对等体中间有NAT）的安全策略：
放行UDP500与UDP4500、两个地方的内网间的流量、不需要另外放行ESP服务
http://www.zh-cjh.com/wangluoanquan/3494.html
除了第一次交互（也就是前两个包）使用500端口之外。之后的所以报文抓包显示是ESP,但都使用4500端口进行通信。

华为USG防火墙：建立ipsec vpn（对等体直接，中间没有NAT）的安全策略：
放行UDP500与ESP服务、两个地方的内网间的流量、不需要另外放行UDP4500
http://www.zh-cjh.com/wangluoanquan/3493.html


在IPSec VPN隧道协商时，对UDP目的端口号为500或者4500的报文都认为是IKE协商报文。此外，还需要注意不要限制源端口号。
一般来说对接IKE报文的源端口和目的端口都是500.
如果中间经过nat设备，源端口还会变化的。也有的客户端也可能发送的报文源端口不是500。

UDP 500 是ISAKMP互联网安全关联和钥匙管理协议的服务端口
（UDP 500 是Internet Security Association and Key Management Protocol （ISAKMP）端口号）

UDP 4500是UDP-encapsulated ESP and IKE端口号
如果中间设备有nat的话使用到端口UDP4500

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http://www.zh-cjh.com/wenzhangguilei/1193.html

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