虛擬專(zhuān)用網(wǎng)概述 IPSec解決方案

一、虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)概述
企業(yè)，組織，商業(yè)等對(duì)專(zhuān)用網(wǎng)有強(qiáng)大的需求，高性能，高速度和高安全性是專(zhuān)用網(wǎng)明顯的優(yōu)勢(shì)。但是物理上架設(shè)專(zhuān)用網(wǎng)價(jià)格不菲，架設(shè)實(shí)施難度大，以上兩方面是虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)需求的最直接的原因。
虛擬專(zhuān)用網(wǎng)virtual private network：指依靠ISP或其他NSP在公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建的專(zhuān)用的安全數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，又因?yàn)椴皇俏锢砩系膶?zhuān)用網(wǎng)，只是邏輯上的，所以被稱(chēng)為虛擬專(zhuān)用網(wǎng)，核心技術(shù)是隧道。
1、虛擬專(zhuān)用網(wǎng)的分類(lèi)
（1）按照業(yè)務(wù)類(lèi)型分類(lèi)：
①Client-LAN XXX（access XXX）
使用Internet遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)，比如出差的員工有遠(yuǎn)程辦公的需求。
②LAN-LAN XXX
為了在不同局域網(wǎng)之間建立安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，比如企業(yè)分支之間或與合作伙伴之間進(jìn)行互聯(lián)。
（2）按照網(wǎng)絡(luò)層次分類(lèi)
應(yīng)用層（SSL XXX）傳輸層（Sangfor XXX）網(wǎng)絡(luò)層（IPSec,GRE等）網(wǎng)絡(luò)接口層（L2F/L2TP，PPTP等）

2、虛擬專(zhuān)用網(wǎng)常用的技術(shù)
（1）隧道技術(shù)
隧道：在公共通信網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建的一條數(shù)據(jù)路徑，可以提供與專(zhuān)用通信線(xiàn)路等同的連接特性。
隧道技術(shù)：指在隧道的兩端通過(guò)封裝以及解封裝技術(shù)在公網(wǎng)上建立一條數(shù)據(jù)通道，使用這條通道對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行傳輸。增加了隧道頭部與新的IP頭部。
常見(jiàn)的隧道技術(shù)有：GRE，L2TP，IPSec,Sangfor,SSL。其中GRE只有簡(jiǎn)單的加密；L2TP只有用戶(hù)身份認(rèn)證，比如CHAP、PAP，不存在加密和驗(yàn)證；而IPSec，Sangfor，SSL都是既支持身份認(rèn)證，也支持加密和校驗(yàn)。
（2）加解密技術(shù)
主流的加密算法分為兩大類(lèi)：對(duì)稱(chēng)加密算法，非對(duì)稱(chēng)加密算法（公鑰加密算法）
常見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)加密算法：IDEA，DES/3DES，RC，AES等
對(duì)稱(chēng)加密算法的缺陷：密鑰傳輸風(fēng)險(xiǎn)，密鑰多，難管理。
非對(duì)稱(chēng)加密算法：加密和解密使用不同的密鑰，分為公鑰加密，私鑰解密，這樣做的好處使得通信雙方無(wú)需進(jìn)行密鑰傳輸。
常見(jiàn)的非對(duì)稱(chēng)加密算法：ECC，RSA，Rabin等
對(duì)稱(chēng)加密與非對(duì)稱(chēng)加密的比較：
安全性上面非對(duì)稱(chēng)加密較高，速度上對(duì)稱(chēng)加密較快，適合加密大塊數(shù)據(jù)，密鑰數(shù)量上非對(duì)稱(chēng)加密較少。
所以后來(lái)人們采取對(duì)稱(chēng)加密算法加密數(shù)據(jù)，非對(duì)稱(chēng)加密算法加密對(duì)稱(chēng)加密算法的密鑰。
（3）完整性與身份驗(yàn)證技術(shù)
數(shù)字簽名就是解決了完整性的問(wèn)題，將原始數(shù)據(jù)通過(guò)哈希算法得到信息摘要hash值，再將hash值用自己私鑰進(jìn)行加密，形成數(shù)字簽名發(fā)送給對(duì)端，接收端同樣將之前加密的數(shù)據(jù)解密得到原始數(shù)據(jù)，進(jìn)程hash運(yùn)算，得到信息摘要，再用公鑰解密接收到的數(shù)字簽名，得到信息摘要，兩者對(duì)比即可，判斷數(shù)據(jù)完整性。
HASH算法的特點(diǎn)：
不等長(zhǎng)輸入，等長(zhǎng)輸出；不可逆性；雪崩效應(yīng)；使用hash算法的值對(duì)同一數(shù)據(jù)是固定的。

但是存在一個(gè)問(wèn)題，公鑰的真實(shí)性怎么得到保障，畢竟公鑰是公開(kāi)，傳輸過(guò)程中，可以被篡改。所以引出CA機(jī)構(gòu)這一概念。接收端使用CA的公鑰解密發(fā)送方發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)字證書(shū)中的簽名，得到摘要信息，然后再對(duì)證書(shū)進(jìn)行hash運(yùn)算，得到另外一個(gè)簽名，也就是摘要信息，對(duì)比兩者，如果一致，就說(shuō)明證書(shū)的CA機(jī)構(gòu)頒發(fā)的。
而PKI就是規(guī)定可信的CA以及CA的工作流程。
PKI（公開(kāi)密鑰體系，Public Key Infrastructure）是一種遵循標(biāo)準(zhǔn)的利用非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)為電子商務(wù)的開(kāi)展提供一套安全基礎(chǔ)平臺(tái)的技術(shù)和規(guī)范。
PKI就是利用公鑰理論和技術(shù)建立的提供安全服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。用戶(hù)可利用PKI平臺(tái)提供的服務(wù)進(jìn)行安全的電子交易、通信和互聯(lián)網(wǎng)上的各種活動(dòng)。
PKI 技術(shù)采用證書(shū)管理公鑰，通過(guò)第三方的可信任機(jī)構(gòu)——CA認(rèn)證中心把用戶(hù)的公鑰和用戶(hù)的其他標(biāo)識(shí)信息捆綁在一起放在用戶(hù)證書(shū)中，在互聯(lián)網(wǎng)上驗(yàn)證用戶(hù)的身份。
目前，通用的辦法是采用建立在PKI基礎(chǔ)之上的數(shù)字證書(shū)，通過(guò)把要傳輸?shù)臄?shù)字信息進(jìn)行加密和簽名，保證信息傳輸?shù)臋C(jī)密性、真實(shí)性、完整性和不可否認(rèn)性，從而保證信息的安全傳輸。
CA中心：即證書(shū)授權(quán)中心certificate authority，作為電子商務(wù)部交易中受信任的第三方，具有不可否認(rèn)性。
CA中心的作用：簽發(fā)證書(shū)，規(guī)定證書(shū)的有效期和通過(guò)發(fā)布證書(shū)廢除列表CRL確保必要時(shí)可以廢除證書(shū)，以及對(duì)證書(shū)和密鑰進(jìn)行管理。為每個(gè)使用公鑰的用戶(hù)發(fā)放一個(gè)數(shù)字證書(shū)，數(shù)字證書(shū)的作用則是標(biāo)明證書(shū)中列出的用戶(hù)合法擁有證書(shū)中列出的公鑰，使用CA的私鑰對(duì)證書(shū)進(jìn)行簽名。數(shù)字簽名使得攻擊者不能偽造和篡改證書(shū)。
數(shù)字證書(shū)是一般包含：
用戶(hù)身份信息 用戶(hù)公鑰信息 身份驗(yàn)證機(jī)構(gòu)數(shù)字簽名的數(shù)據(jù)
從證書(shū)用途來(lái)看，數(shù)字證書(shū)可分為簽名證書(shū)和加密證書(shū)。
簽名證書(shū)：主要用于對(duì)用戶(hù)信息進(jìn)行簽名，以保證信息的真實(shí)性和不可否認(rèn)性。
加密證書(shū)：主要用于對(duì)用戶(hù)傳送的信息進(jìn)行加密，以保證信息的機(jī)密性和完整性。

二、IPSec解決方案
1、IPSec協(xié)議族安全框架
IPSec 簡(jiǎn)介
IPSec（Internet Protocol Security）：是一組基于網(wǎng)絡(luò)層的，應(yīng)用密碼學(xué)的安全通信協(xié)議族。IPSec不是具體指哪個(gè)協(xié)議，而是一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議族。
IPSec協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)：是在IPV4和IPV6環(huán)境中為網(wǎng)絡(luò)層流量提供靈活的安全服務(wù)。
IPSec XXX：是基于IPSec協(xié)議族構(gòu)建的在IP層實(shí)現(xiàn)的安全虛擬專(zhuān)用網(wǎng)。通過(guò)在數(shù)據(jù)包中插入一個(gè)預(yù)定義頭部的方式，來(lái)保障OSI上層協(xié)議數(shù)據(jù)的安全，主要用于保護(hù)TCP、UDP、ICMP和隧道的IP數(shù)據(jù)包。
IPSec提供的安全服務(wù)：機(jī)密性，完整性，數(shù)據(jù)源認(rèn)證，重傳攻擊保護(hù)（依靠序列號(hào)單向遞增），不可否認(rèn)性。
IPSec協(xié)議族安全框架：
IPSec協(xié)議族

2、IPSec工作模式
（1）傳輸模式
傳輸模式transport mode，主要應(yīng)用于主機(jī)和主機(jī)之間的端到端通信的數(shù)據(jù)保護(hù)。封裝方式：不改變?cè)械腎P報(bào)頭，在原數(shù)據(jù)報(bào)頭后面插入IPSec報(bào)頭，將原來(lái)的數(shù)據(jù)封裝成被保護(hù)的數(shù)據(jù)。
需要兩臺(tái)PC配置公網(wǎng)地址，所以這種模式使用并不多，我們所學(xué)的XXX是站點(diǎn)到站點(diǎn)或出差與總部之間，而這種主機(jī)到主機(jī)不屬于以上兩種。
（2）隧道模式
隧道模式tunnel mode，經(jīng)常用于私網(wǎng)與私網(wǎng)之間通過(guò)公網(wǎng)進(jìn)行通信，建立安全XXX隧道。
與傳輸模式不同，在隧道模式下，原始IP分組被封裝成一個(gè)新的IP報(bào)文，在內(nèi)部報(bào)頭以及外部報(bào)頭之間插入一個(gè)IPSec報(bào)頭，原IP地址被當(dāng)作有效載荷的一部分收到IPSec的保護(hù)。另外，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)加密，還可以隱藏原數(shù)據(jù)包中的IP地址，這樣更有利于保護(hù)端到端通信中數(shù)據(jù)的安全性。
封裝方式：增加新的IP頭，其后是ipsec報(bào)頭，之后再將原來(lái)的整個(gè)數(shù)據(jù)包封裝。
3、IPSec通信協(xié)議
AH和ESP是IPSec的兩個(gè)主要協(xié)議。
認(rèn)證頭（AH , Authentication Header）協(xié)議為IP通信提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)和防重放保證。
封裝安全載荷（ESP, Encapsulating Security Payload）為IP通信提供完整性檢驗(yàn)、認(rèn)證、加密和防重放保證。
AH和ESP可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。 在實(shí)際的組網(wǎng)中,ESP協(xié)議使用較多。IPSec通過(guò)AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload）這兩個(gè)安全協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)的安全性（eg:私有性、完整性、真實(shí)性和防重放等）
（1）AH協(xié)議
AH（authentication header認(rèn)證報(bào)頭）
AH提供的安全服務(wù)：
①無(wú)連接數(shù)據(jù)完整性，通過(guò)哈希函數(shù)產(chǎn)生的校驗(yàn)來(lái)保證；
②數(shù)據(jù)源認(rèn)證，通過(guò)在計(jì)算驗(yàn)證碼時(shí)加一個(gè)共享秘鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)；
③抗重放服務(wù)，AH報(bào)頭中的序列號(hào)可以防止重放攻擊。
AH不提供任何保密性服務(wù)，不加密所保護(hù)的數(shù)據(jù)包。不論是傳輸模式，還是隧道模式，AH提供對(duì)數(shù)據(jù)包的保護(hù)時(shí)，保護(hù)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包。
AH分配到的協(xié)議號(hào)是51。也就是說(shuō)，使用AH協(xié)議進(jìn)行安全保護(hù)的IPv4數(shù)據(jù)報(bào)文的IP頭部中協(xié)議字段將是51，表明IP頭之后是一個(gè)AH頭。AH頭比ESP頭簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗鼪](méi)有提供機(jī)密性。由于不需要填充和一個(gè)填充長(zhǎng)度指示器，因此也不存在尾部字段。
下一頭部：8bit，標(biāo)識(shí)認(rèn)證頭后面的下一個(gè)負(fù)載類(lèi)型
負(fù)載長(zhǎng)度：8bit，表示以3bit為單位的AH頭部長(zhǎng)度減2，默認(rèn)為4
保留字段：16bit；
安全參數(shù)索引：32bit，用于表示有相同IP地址和相同安全協(xié)議的不同SA；
序列號(hào)：32bit，用于防止重放攻擊，SA建立之初為0；
認(rèn)證數(shù)據(jù)：由SA初始化時(shí)指定的算法來(lái)計(jì)算。
<1>AH在傳輸模式下封裝
上面說(shuō)的認(rèn)證頭的認(rèn)證數(shù)據(jù)就是AH認(rèn)證頭摘要。
<2>AH在隧道模式下封裝
（2）ESP協(xié)議
ESP（encapsulating security payload）封裝安全有效載荷
ESP提供的安全服務(wù)：無(wú)連接數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)據(jù)源認(rèn)證，抗重放服務(wù)，數(shù)據(jù)加密，有限的數(shù)據(jù)流保護(hù)。
保密服務(wù)通過(guò)使用密碼算法加密 IP 數(shù)據(jù)包的相關(guān)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)流保密由隧道模式下的保密服務(wù)提供。
ESP通常使用DES、3DES、AES等對(duì)稱(chēng)加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，使用MD5或SHA1來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證。
ESP同樣被當(dāng)作一種IP協(xié)議對(duì)待，緊貼在ESP頭前的IP頭，以協(xié)議號(hào)50標(biāo)志ESP頭，ESP之前的IP頭中的協(xié)議字段將是50，以表明IP頭之后是一個(gè)ESP頭。
并且，ESP不僅具備ESP頭，還有一個(gè)包含有用信息的ESP尾。
在隧道模式中，ESP保護(hù)整個(gè)IP包，整個(gè)原始IP包將會(huì)以ESP載荷的方式加入新建的數(shù)據(jù)包，同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)隧道起點(diǎn)和終點(diǎn)等參數(shù)，建立一個(gè)隧道IP頭，作為這個(gè)數(shù)據(jù)包的新IP頭，ESP頭夾在隧道IP頭和原始IP包之間，并點(diǎn)綴ESP尾。
而ESP提供加密服務(wù)，所以原始IP包和ESP尾以密文的形式出現(xiàn)。
ESP在驗(yàn)證過(guò)程中，只對(duì)ESP頭部、原始數(shù)據(jù)包IP包頭、原始數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；只對(duì)原始的整個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，而不加密驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
認(rèn)證數(shù)據(jù)：一個(gè)變長(zhǎng)字段，也叫Integrity Check Value，由SA初始化時(shí)指定的算法來(lái)極端。長(zhǎng)度=整數(shù)倍32位比特
填充頭部：8比特，給出前面填充字段的長(zhǎng)度，置0時(shí)表示沒(méi)有填充
下一頭部：8比特，標(biāo)識(shí)認(rèn)證頭后面的下一個(gè)負(fù)載類(lèi)型
填充字段：8比特，大多數(shù)加密加密算法要求輸入數(shù)據(jù)包含整數(shù)各分組，因此需要填充
負(fù)載數(shù)據(jù)：包含由下一頭部字段給出的變長(zhǎng)數(shù)據(jù)
序列號(hào)：32比特，一個(gè)單項(xiàng)遞增的計(jì)數(shù)器，用于防止重放攻擊，SA建立之初初始化為0，序列號(hào)不允許重復(fù)
SPI：32比特，用于標(biāo)識(shí)有相同IP地址和相同安全協(xié)議的不同SA。由SA的創(chuàng)建者定義，只有邏輯意義。
<1>ESP在傳輸模式下封裝
ESP對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，但是不會(huì)加密IP頭，否則中途轉(zhuǎn)發(fā)路由器怎么查看IP頭，會(huì)把加密的數(shù)據(jù)放置IP數(shù)據(jù)段，然后對(duì)IPSec頭，也就是這里的ESP頭以及ESP尾和新的IP數(shù)據(jù)段一起進(jìn)行哈希運(yùn)算校驗(yàn)完整性，hash值放在ESP認(rèn)證字段里。ESP尾部的作用無(wú)非就是填充的意思，因?yàn)閿?shù)據(jù)加密有最小單位，不足需要填充。
<2>ESP在隧道模式下封裝

AH和ESP對(duì)比
協(xié)議號(hào)AH為51，ESP為50，都支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性校驗(yàn)，只是ESP對(duì)IP頭不驗(yàn)證，都支持源認(rèn)證，ESP支持?jǐn)?shù)據(jù)加解密，AH不支持，都支持抗重放服務(wù)，NAT-T（NAT穿越）AH不支持，ESP支持的。
ESP在隧道模式不驗(yàn)證外部IP頭，因此ESP在隧道模式下可以在NAT環(huán)境中運(yùn)行。
而AH因?yàn)樘峁?shù)據(jù)來(lái)源確認(rèn)（源IP地址一旦改變，AH校驗(yàn)失敗），所以無(wú)法穿越NAT。
4、IPSsc建立階段
（1）IKE協(xié)商階段
安全聯(lián)盟SA
SA security association是通信對(duì)等體間對(duì)某些重要的約定，通信的雙方符合SA約定的內(nèi)容，就可以建立SA。
SA由三元組唯一標(biāo)識(shí)，包括：安全參數(shù)索引SPI，目的IP地址，安全協(xié)議號(hào)。
IPSec是在兩個(gè)端點(diǎn)之間提供安全通信，端點(diǎn)被稱(chēng)為IPSec對(duì)等體。IPSec能夠允許系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)或管理員控制對(duì)等體間安全服務(wù)的粒度。例如，某個(gè)組織的安全策略可能規(guī)定來(lái)自特定子網(wǎng)的數(shù)據(jù)流應(yīng)同時(shí)使用AH和ESP進(jìn)行保護(hù)，并使用3DES（Triple Data Encryption Standard）進(jìn)行加密；另一方面，策略可能規(guī)定來(lái)自另一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)流只使用ESP保護(hù)，并僅使用DES加密。
通過(guò)SA（SecurityAssociation），IPSec能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)流提供不同級(jí)別的安全保護(hù)。安全聯(lián)盟是IPSec的基礎(chǔ)，也是IPSec的本質(zhì)。SA是通信對(duì)等體間對(duì)某些要素的約定，例如，使用哪種安全協(xié)議、協(xié)議的操作模式（傳輸模式和隧道模式）、加密算法（DES和3DES）、特定流中保護(hù)數(shù)據(jù)的共享密鑰以及密鑰的生存周期等。
安全聯(lián)盟是單向的，在兩個(gè)對(duì)等體之間的雙向通信，最少需要兩個(gè)安全聯(lián)盟來(lái)分別對(duì)兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)流進(jìn)行安全保護(hù)。入站數(shù)據(jù)流和出站數(shù)據(jù)流分別由入站SA和出站SA進(jìn)行處理。
IPSec設(shè)備會(huì)把SA的相關(guān)參數(shù)放入SPD（Security Policy Database）里面，SPD里面存放著“什么數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)行怎樣的處理”這樣的消息，在IPSec數(shù)據(jù)包出站和入站的時(shí)候會(huì)首先從SPD數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相關(guān)信息并做下一步處理。

IKE產(chǎn)生背景
用IPSec保護(hù)一個(gè)IP包之前，必須先建立安全聯(lián)盟（SA）
IPSec的安全聯(lián)盟可以通過(guò)手工配置的方式建立。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，手工配置將非常困難，而且難以保證安全性。這時(shí)就可以使用IKE（Internet Key Exchange）自動(dòng)進(jìn)行安全聯(lián)盟建立與密鑰交換的過(guò)程。Internet密鑰交換（IKE）就用于動(dòng)態(tài)建立SA，代表IPSec對(duì)SA進(jìn)行協(xié)商。
IKE的用途
在IPSec通信雙方之間，動(dòng)態(tài)地建立安全關(guān)聯(lián)（SA：Security Association），對(duì)SA進(jìn)行管理和維護(hù)。

IKE與AH/ESP之間關(guān)系
IKE是UDP之上的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，是IPSec的信令協(xié)議。IKE為IPSec協(xié)商生成密鑰,供AH/ESP加解密和驗(yàn)證使用。AH協(xié)議和ESP協(xié)議有自己的協(xié)議號(hào)，分別是51和50。
IKE的工作過(guò)程
第一階段：通信各方彼此間建立了一個(gè)已通過(guò)身份驗(yàn)證和安全保護(hù)的通道，此階段的交換建立了一個(gè)ISAKMP安全聯(lián)盟，即ISAKMP SA（也可稱(chēng)為IKE SA）。第一階段交換有兩種協(xié)商模式：主模式協(xié)商，野蠻模式協(xié)商。
第二階段：用已經(jīng)建立的安全聯(lián)盟（IKE SA）為IPSec協(xié)商安全服務(wù)，即為IPSec協(xié)商具體的安全聯(lián)盟，建立IPSec SA，產(chǎn)生真正可以用來(lái)加密數(shù)據(jù)流的密鑰，IPSec SA用于最終的IP數(shù)據(jù)安全傳送。
主模式：默認(rèn)使用IP地址作為身份標(biāo)識(shí)，默認(rèn)是傳遞自己的出口地址做身份標(biāo)識(shí)， 校驗(yàn)對(duì)端的公網(wǎng)IP做對(duì)端身份標(biāo)識(shí)。（自動(dòng)生成雙方身份ID）
野蠻模式：可以使用用戶(hù)名或IP等作為雙方身份標(biāo)識(shí)，即可以手動(dòng)配置身份ID
IKE階段1協(xié)商過(guò)程
DH就是一種非對(duì)稱(chēng)加密算法，之前說(shuō)了ESP加密數(shù)據(jù)采用的是對(duì)稱(chēng)加密算法，那么共享密鑰的安全性就很重要，DH就解決了這個(gè)問(wèn)題。
（p/g都是質(zhì)數(shù)）

IKE階段1——主模式協(xié)商

第一次交換（消息1和2）：策略協(xié)商。
在第1個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸過(guò)程中，發(fā)送方發(fā)起一個(gè)包含cookie (記為：Ci ) 和SA負(fù)載（記為：SAi，攜帶協(xié)商IKE SA的各項(xiàng)參數(shù)（5元組），包括IKE的散列類(lèi)型如MD5；加密算法如DES、3DES等；認(rèn)證方法如預(yù)共享、數(shù)字簽名、加密臨時(shí)值等；DH組；SA存活期）的數(shù)據(jù)包用來(lái)協(xié)商參數(shù)。
接收方查看IKE策略消息，在本地尋找與發(fā)送方IP地址匹配的策略，找到后發(fā)回一條消息去響應(yīng)。響應(yīng)者發(fā)送一個(gè)cookie （記為：Cr）和SA負(fù)載（記為：SAr，已經(jīng)挑選的安全參數(shù)）；如果沒(méi)有可以挑選的參數(shù)，響應(yīng)者會(huì)返回一個(gè)負(fù)載拒絕。
第二次交換（消息3和4）：Diffie-Hellman交換。
執(zhí)行DH交換，發(fā)起者和接收者交換偽隨機(jī)數(shù)，如nonce。nonce是計(jì)算共享秘密(用來(lái)生成加密密鑰和認(rèn)證密鑰)所必需的。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，它允許參與者通過(guò)無(wú)擔(dān)保媒體創(chuàng)建秘密值。也就是非對(duì)稱(chēng)的私鑰雙方都有了，之前也說(shuō)了真正加密數(shù)據(jù)的是共享秘鑰，需要靠非對(duì)稱(chēng)算法交互使得預(yù)共享密鑰雙方安全學(xué)習(xí)。

第三次交換（消息5和6）：對(duì)等體驗(yàn)證
ISAKMP/IKE階段1主要任務(wù)就是認(rèn)證，第三次交換即在安全的環(huán)境下進(jìn)行認(rèn)證，前面兩個(gè)步驟四個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸都是為了第三次交換第5和第6個(gè)數(shù)據(jù)包交換的認(rèn)證做鋪墊。第1-2包交換為認(rèn)證準(zhǔn)備好策略（例如：認(rèn)證策略、加密策略和散列函數(shù)等），第3-4包交換為保護(hù)5-6的安全算法提供密鑰資源。
將預(yù)共享密鑰通過(guò)偽隨機(jī)函數(shù)得出一個(gè)值，再將這個(gè)值與非對(duì)稱(chēng)的私鑰再偽隨機(jī)函數(shù)得出三個(gè)值，成為SKEYID，為SKEYID_a,SKEYID_e,SKEYID_d
分別是Ike消息完整性驗(yàn)證密鑰，對(duì)5/6報(bào)文進(jìn)行完整性校驗(yàn)；Ike消息加密密鑰，對(duì)5/6報(bào)文進(jìn)行對(duì)稱(chēng)加密；用于衍生出IPSec報(bào)文加密和驗(yàn)證密鑰，最終這個(gè)密鑰保證IPSec封裝的數(shù)據(jù)報(bào)文的安全性。
前兩個(gè)就完成了對(duì)等體驗(yàn)證。
P.S.

X、Y是交互的公鑰。Ni和Nr是隨機(jī)數(shù)（Nonce，隨機(jī)數(shù)用以保持活性）

以上傳輸過(guò)程中僅⑤、⑥數(shù)據(jù)為加密
主模式下IKEv1采用3個(gè)步驟6條ISAKMP消息建立IKE SA。下面是以10.0.1.223主動(dòng)發(fā)起IKE協(xié)商為例的整個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成：

第一個(gè)消息由隧道的發(fā)起者發(fā)起,攜帶了如這樣一些參數(shù),如加密機(jī)制-DES,散列機(jī)制-MD5-HMAC,Diffie-Hellman組-2,認(rèn)證機(jī)制-預(yù)共享：
消息2是應(yīng)答方對(duì)發(fā)送方信息的應(yīng)答，當(dāng)應(yīng)答方查找SPD查找到發(fā)送方相關(guān)的策略后，將自己的信息同樣發(fā)送給對(duì)端，當(dāng)然，應(yīng)答方在發(fā)送傳輸集時(shí)將會(huì)生成自己Cookie并添加到數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包信息如下：
當(dāng)完成了第一步驟雙方的策略協(xié)商后，則開(kāi)始進(jìn)行第二步驟DH公共值交換，隨數(shù)據(jù)發(fā)送的還包含輔助隨機(jī)數(shù)，用戶(hù)生成雙方的加密密鑰。消息3的數(shù)據(jù)包信息如下：
應(yīng)答方同樣將本端的DH公共值和Nonce隨機(jī)數(shù)發(fā)送給對(duì)端，通過(guò)消息4傳輸：
第五條消息由發(fā)起者向響應(yīng)者發(fā)送,主要是為了驗(yàn)證對(duì)端就是自己想要與之通信的對(duì)端。這可以通過(guò)預(yù)共享、數(shù)字簽名、加密臨時(shí)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
雙方交換DH公共值后，結(jié)合隨機(jī)數(shù)生成一系列的加密密鑰，用于雙方加密、校驗(yàn)，同時(shí)生成密鑰后，將公共密鑰和本端身份信息等進(jìn)行hash，hash值傳輸給對(duì)端進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)備身份。發(fā)送方通過(guò)消息5發(fā)送給接收方，可以看到載荷類(lèi)型為身份驗(yàn)證載荷，所攜帶的信息經(jīng)過(guò)加密，無(wú)法查看相關(guān)信息。
第六條消息由響應(yīng)者向發(fā)起者發(fā)送，主要目的和第五條一樣。
在這六條消息過(guò)后，也就是驗(yàn)證一旦通過(guò)，就進(jìn)入了IKE第二階段：快速模式。

IKE階段1——野蠻模式協(xié)商

野蠻模式IKE交互過(guò)程
野蠻模式同樣包含三個(gè)步驟，但僅通過(guò)三個(gè)包進(jìn)行傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸如下，從抓包中可以看到野蠻模式標(biāo)識(shí)為Aggressive。
野蠻模式下有三個(gè)交互包，前兩個(gè)數(shù)據(jù)為明文傳輸，僅消息3為加密傳輸。：
1、第一個(gè)交互包發(fā)起方建議SA，發(fā)起DH交換
2、第二個(gè)交互包接收方接受SA
3、第三個(gè)交互包發(fā)起方認(rèn)證接受方

1.第一條消息：發(fā)起者發(fā)送5元組（主模式中介紹的五種參數(shù)），DH公共值（上文中的X、Y或者DH交換中講到的c），輔助隨機(jī)數(shù)nonce（上文中的Ni或Nr）以及身份資料（IDi和IDr，在此處為設(shè)備上配置域名字符串或用戶(hù)名字符串，也有可能是IP地址）。響應(yīng)者可以選擇接受或者拒絕該建議。
Diffie-Hellman 公開(kāi)值、需要的隨機(jī)數(shù)據(jù)和身份信息也在第一條消息中傳送。
2.第二條消息：如果響應(yīng)者接受發(fā)起者的建議，則回應(yīng)一個(gè)選定的5元組，DH公共值，輔助隨機(jī)數(shù)nonce，身份材料以及一個(gè)“認(rèn)證散列值”。
3.第三條消息：由發(fā)起者發(fā)送一個(gè)“認(rèn)證散列值”，該消息被驗(yàn)證，讓?xiě)?yīng)答方能夠確定其中的散列值是否與計(jì)算得到的散列值相同，進(jìn)而確定消息是否有問(wèn)題。實(shí)際上，這個(gè)消息認(rèn)證發(fā)起者并且證明它是交換的參與者。這個(gè)消息使用前兩個(gè)消息交換的密鑰信息生成的密鑰進(jìn)行加密。
注意: 包含身份信息的消息未被加密, 所以和主模式不同，野蠻模式不提供身份保護(hù)。
消息1數(shù)據(jù)包中包含了SA載荷，即策略協(xié)商信息；密鑰交換載荷和隨機(jī)數(shù)載荷；身份驗(yàn)證載荷。野蠻模式將主模式中需要進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了發(fā)送：
當(dāng)應(yīng)答方接收到發(fā)起方發(fā)送來(lái)的消息1后，通過(guò)自身查看SPD是否存在與發(fā)起方身份匹配的相關(guān)策略，若存在，則利用消息1中信息與自身配置進(jìn)行計(jì)算，生成身份驗(yàn)證hash值后，將自身配置策略信息和hash值傳送給發(fā)起方。對(duì)比消息1和消息2，可以看到消息2中增加了hash載荷。
發(fā)起方接收到應(yīng)答方的策略信息和hash值后，同樣進(jìn)行驗(yàn)證，若匹配，則將自身的hash值用計(jì)算出的密鑰加密后，傳輸給應(yīng)答方。從flag中可以看出此時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了加密。
IKE階段1兩種模式對(duì)比：
主模式消息交互為6個(gè)，而野蠻模式為3個(gè)；
身份ID：主模式使用IP地址作為ID，而野蠻模式可以采用多種形式，比如IP，字符串等；
預(yù)共享密鑰：主模式只能基于IP地址來(lái)確定，野蠻模式基于ID信息確認(rèn)；
安全性：主模式較高，前4個(gè)明文，后兩個(gè)密文，野蠻模式只有前兩個(gè)明文，最后一個(gè)加密但是不會(huì)進(jìn)行身份驗(yàn)證；
速度上主模式較慢，野蠻模式快。

IKE階段2

雙方協(xié)商IPSec安全參數(shù)，稱(chēng)為變換集transform set，包括：加密算法，hash算法，安全協(xié)議，封裝模式，存活時(shí)間。
階段2只有一種信息交換模式——快速模式，它定義了受保護(hù)數(shù)據(jù)連接是如何在兩個(gè)IPSEC對(duì)等體之間構(gòu)成的。
快速模式有兩個(gè)主要的功能：
1.協(xié)商安全參數(shù)來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)連接。
2.周期性的對(duì)數(shù)據(jù)連接更新密鑰信息。
第二階段的效果為協(xié)商出IPSec 單向SA，為保護(hù)IPsec數(shù)據(jù)流而創(chuàng)建。第二階段整個(gè)協(xié)商過(guò)程受第一階段ISAKMP/IKE SA保護(hù)。
另外第二階段所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了加密。

（2）數(shù)據(jù)傳輸階段
數(shù)據(jù)傳輸階段是通過(guò)AH或者ESP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，是建立在網(wǎng)絡(luò)層的。

XXX隧道黑洞
對(duì)端的XXX連接已經(jīng)斷開(kāi)，而我方還處在SA的有效生存時(shí)間內(nèi)，從而形成了隧道黑洞，本端不停發(fā)送加密后的數(shù)據(jù)，但是對(duì)端不接收。
DPD解決XXX隧道黑洞
DPD:死亡對(duì)等體檢測(cè)（Dead Peer Detection），檢查對(duì)端的ISAKMP SA是否存在。當(dāng)VPN隧道異常的時(shí)候，能檢測(cè)到并重新發(fā)起協(xié)商，來(lái)維持VPN隧道。
DPD主要是為了防止標(biāo)準(zhǔn)IPSEC出現(xiàn)“隧道黑洞”。
DPD只對(duì)第一階段生效，如果第一階段本身已經(jīng)超時(shí)斷開(kāi)，則不會(huì)再發(fā)DPD包。
DPD概述
1、 DPD包并不是連續(xù)發(fā)送，而是采用空閑計(jì)時(shí)器機(jī)制。
2、每接收到一個(gè)IPSec加密的包后就重置這個(gè)包對(duì)應(yīng)IKE SA的空閑定時(shí)器；如果空閑定時(shí)器計(jì)時(shí)開(kāi)始到計(jì)時(shí)結(jié)束過(guò)程都沒(méi)有接收到該SA對(duì)應(yīng)的加密包，那么下一次有IP包要被這個(gè)SA加密發(fā)送或接收到加密包之前就需要使用DPD來(lái)檢測(cè)對(duì)方是否存活。
3、DPD檢測(cè)主要靠超時(shí)計(jì)時(shí)器，超時(shí)計(jì)時(shí)器用于判斷是否再次發(fā)起請(qǐng)求，默認(rèn)是發(fā)出5次請(qǐng)求（請(qǐng)求->超時(shí)->請(qǐng)求->超時(shí)->請(qǐng)求->超時(shí)）都沒(méi)有收到任何DPD應(yīng)答就會(huì)刪除SA。

檢查對(duì)端的ISAKMP SA是否存在。兩種工作模式
（1）周期模式：每隔一段時(shí)間，向?qū)Χ税l(fā)送DPD包探測(cè)對(duì)等體是否仍存在，如果收到回復(fù)則證明正常。如果收不到回復(fù)，則會(huì)每隔2秒發(fā)送一次DPD，如果發(fā)送七次仍收不到回復(fù)，則自動(dòng)清除本地對(duì)應(yīng)的ISAKMP SA和IPSEC SA。
（2）按需模式：這是默認(rèn)模式，當(dāng)通過(guò)IPSEC VPN發(fā)送出流量而又收不到回程的數(shù)據(jù)時(shí)，則發(fā)出DPD探測(cè)包，每隔2秒發(fā)送一次，七次都收不到回應(yīng)則清除本地對(duì)應(yīng)的ISAKMP SA和IPSEC SA。注意，如果IPSEC通道上如果跑的只有單向的UDP流量，則慎用這個(gè)模式，盡管這種情況極少。

五、IPSec XXX應(yīng)用場(chǎng)景

IPSec與NAT技術(shù)的結(jié)合
（1）IPSec和NAT同臺(tái)設(shè)備部署，如果NAT在IPSec前處理數(shù)據(jù)，干擾IPSec流量，解決方案：私網(wǎng)之間流量不做NAT轉(zhuǎn)換
（2）NAT設(shè)備和ipsec XXX不是同一臺(tái)設(shè)備，NAT放置在外網(wǎng)出口，ipsec XXX設(shè)備在內(nèi)網(wǎng)，兩者具有沖突性，導(dǎo)致協(xié)商失敗。解決方案：使用野蠻模式。
IKE總結(jié)：
SANGFOR的IPSec XXX主模式身份ID是默認(rèn)配置的（IP地址），不能修改，在NAT環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)協(xié)商問(wèn)題，所以只能選擇野蠻模式，其他廠(chǎng)商的IPSec XXX主模式身份ID若可以自由配置，在NAT環(huán)境下則可以協(xié)商成功。
NAT下的數(shù)據(jù)傳輸可行性
由于A(yíng)H會(huì)在進(jìn)隧道口的時(shí)候，將所有IP包進(jìn)行完整性認(rèn)證，形成AH認(rèn)證頭摘要，所以一旦在進(jìn)入隧道后，經(jīng)過(guò)NAT，在接收方計(jì)算得到的AH頭部就會(huì)和發(fā)送方發(fā)送的AH認(rèn)證頭不一致。導(dǎo)致AH校驗(yàn)失敗，數(shù)據(jù)包被接收方丟棄。
AH協(xié)議是根據(jù)自己的完整性決定丟棄數(shù)據(jù)的。但是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)中，本身也存在校驗(yàn)機(jī)制來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包是否是正確的數(shù)據(jù)包。

TCP/UDP偽首部校驗(yàn)機(jī)制
偽首部是為了增加校驗(yàn)和的檢錯(cuò)能力，校驗(yàn)12字節(jié)的內(nèi)容，源IP,目的IP共8字節(jié)，保留字節(jié)1字節(jié)，傳輸層協(xié)議號(hào)1字節(jié)，TCP/UDP報(bào)文長(zhǎng)度（報(bào)頭+數(shù)據(jù)）2字節(jié)。
TCP/UDP偽首部——校驗(yàn)和，一致才會(huì)接收。
所以ESP的傳輸模式與NAT不兼容。
所以只有ESP的隧道模式與NAT兼容。
還存在一個(gè)問(wèn)題，在真正數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，如果是多XXX IKE協(xié)商，那么由于ESP的隧道模式下知識(shí)增加了新的IP頭，但是當(dāng)經(jīng)過(guò)防火墻時(shí)候，或者說(shuō)多對(duì)一地址轉(zhuǎn)換的時(shí)候，ESP新加的并沒(méi)有傳輸層的端口號(hào)，實(shí)現(xiàn)不了端口復(fù)用。這樣就會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)綄?duì)端的數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分。

多XXX連接問(wèn)題總結(jié)：
1、隧道協(xié)商過(guò)程中，IKE規(guī)定源和目的端口都必須為UDP 500，在多VPN場(chǎng)景下源端口可能會(huì)在防火墻設(shè)備N(xiāo)AT后發(fā)生變化，從而導(dǎo)致IKE協(xié)商失敗。
2、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由于ESP在工作在網(wǎng)絡(luò)層，沒(méi)有傳輸層頭部，從而無(wú)法進(jìn)行NAPT端口復(fù)用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。

NAT-T技術(shù)
NAT-T用來(lái)解決標(biāo)準(zhǔn)IPSec XXX只能同時(shí)進(jìn)行一個(gè)XXX連接的問(wèn)題，NAT-T允許多個(gè)IPSec XXX同時(shí)連接，出現(xiàn)了NAT-T的技術(shù)。
（1）NAT-T協(xié)議運(yùn)用在IPSec XXX中，在IKE協(xié)商和XXX連接時(shí)，允許源端口為非UDP 500端口，使用目的端口是UDP4500端口。
（2）NAT-T協(xié)議為ESP增加了UDP頭部，從而解決了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程經(jīng)過(guò)防火墻后無(wú)法進(jìn)行端口復(fù)用的問(wèn)題。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SANGFOR SCSA——虚拟专用网与IPSec解决方案的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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