IPsec 網絡安全體系
前言：
IPsec是網絡層的安全框架，不同於應用層等框架，IPSec安全服務包括訪問控制、數據源認證、無連 接數據完整性、抗重播、數據機密性和有限的通信流量機密性。
網絡安全體系
網絡安全是通過多層次的保護實現的，衍生出來的常用方式如下：
- 防火牆
- 信息加密
- 數字簽名
- PKI技術與認證
- IPsec安全體系
這里只簡單提一下各種方案，這其中每一項都復雜無比，然后重點說一下IPsec安全體系。
信息加密就是使用加密算法，重新組織信息，常用的加密算法分為兩類：對稱加密和非對稱加密。區別是對稱加密的加解密秘鑰相同，非對稱加密的加解密秘鑰不同。
對稱加密算法比較
| 名稱 | 秘鑰長度 | 運算速度 | 安全性 | 資源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| DES | 56位 | 較快 | 低 | 中 |
| 3DES | 112位或者168位 | 慢 | 中 | 高 |
| AES | 128位,192位，256位 | 快 | 高 | 低 |
非對稱加密算法比較
| 名稱 | 成熟度 | 安全性 | 運算速度 | 資源消耗 |
|---|---|---|---|---|
| RSA | 高 | 高 | 慢 | 高 |
| DSA | 高 | 高 | 慢 | 只能用於數字簽名 |
| ECC | 低 | 高 | 快 | 低 |
對稱與非對稱加密的比較
| 名稱 | 秘鑰管理 | 安全性 | 運算速度 |
|---|---|---|---|
| 對稱算法 | 比較難,不適合互聯網,一般用於內部系統 | 中 | 快好幾個數量級(軟件加解密速度至少快100倍,每秒可以加解密數M比特數據),適合大數據量的加解密處理 |
| 非對稱算法 | 密鑰容易管理 | 高 | 慢,適合小數據量加解密或數據簽名 |
數字簽名是通過私鑰加密要發送信息的摘要，來保證信息的完整性和沒被篡改。
下面我們重點說一下IPsec安全體系。
IPsec安全框架
IPsec既然是一個安全框架，自然就不是只有一個協議，IPsec包含三個部分的協議和算法：
- 認證頭協議（AH協議）
- 封裝安全負載協議（ESP協議）
- 秘鑰管理協議（IKE協議）
- 各類加密和認證算法
認證頭協議（AH）：IPsec 體系結構中的一種主要協議，它為IP 數據包提供無連接完整性與數據源認證，並提供保護以避免重播情況。AH 盡可能為IP頭和上層協議數據提供足夠多的認證。
IPsec 封裝安全負載（ESP）：IPsec 體系結構中的一種主要協議。ESP 加密需要保護的數據並且在IPsec ESP 的數據部分進行數據的完整性校驗，以此來保證機密性和完整性。ESP 提供了與AH 相同的安全服務並提供了一種保密性（加密）服務，ESP 與AH 各自提供的認證根本區別在於它們的覆蓋范圍。
密鑰管理協議（IKE）：一種混合型協議，由Internet 安全聯盟（SA）和密鑰管理協議（ISAKMP）這兩種密鑰交換協議組成。IKE 用於協商AH 和ESP所使用的密碼算法，並將算法所需的必備密鑰放到恰當位置。
IPsec支持兩種模式：傳輸模式和隧道模式。借助於隧道模式，經常被用於做vpn。
1.傳輸模式與隧道模式
隧道（tunnel）模式：用戶的整個IP數據包被用來計算AH或ESP頭，AH或ESP頭以及ESP加密的用戶數據被封裝在一個新的IP數據包中。通常，隧道模式應用在兩個安全網關之間的通訊。
傳輸（transport）模式：只是傳輸層數據被用來計算AH或ESP頭，AH或ESP頭以及ESP加密的用戶數據被放置在原IP包頭后面。通常，傳輸模式應用在兩台主機之間的通訊，或一台主機和一個安全網關之間的通訊。
傳輸模式與隧道模式的封裝結構如下圖：
2.認證與加密算法
（1）. 認證算法
認證算法的實現主要是通過雜湊函數。雜湊函數是一種能夠接受任意長的消息輸入，並產生固定長度輸出的算法，該輸出稱為消息摘要。IPsec對等體計算摘要，如果兩個摘要是相同的，則表示報文是完整未經篡改的。IPsec使用兩種認證算法：
-
MD5：MD5通過輸入任意長度的消息，產生128bit的消息摘要。
-
SHA-1：SHA-1通過輸入長度小於2的64次方bit的消息，產生160bit的消息摘要。
MD5算法的計算速度比SHA-1算法快，而SHA-1算法的安全強度比MD5算法高。
（2）. 加密算法
加密算法實現主要通過對稱密鑰系統，它使用相同的密鑰對數據進行加密和解密。目前設備的IPsec實現三種加密算法：
-
DES（Data Encryption Standard）：使用56bit的密鑰對一個64bit的明文塊進行加密。
-
3DES（Triple DES）：使用三個56bit的DES密鑰（共168bit密鑰）對明文進行加密。
-
AES（Advanced Encryption Standard）：使用128bit、192bit或256bit密鑰長度的AES算法對明文進行加密。
這三個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實現機制復雜，運算速度慢。對於普通的安全要求，DES算法就可以滿足需要。
3.IKE秘鑰交換協議
一種混合型協議，由Internet 安全聯盟（SA）和密鑰管理協議（ISAKMP）這兩種密鑰交換協議組成。
IPSec 在兩個端點之間提供安全通信，兩個端點被稱為IPSec ISAKMP 網關。安全聯盟（簡稱為SA）是IPSec 的基礎，也是IPSec 的本質。SA 是通信對等體間對某些要素的約定，例如使用哪種協議、協議的操作模式、加密算法（DES、3DES、AES-128、AES-192 和AES-256）、特定流中保護數據的共享密鑰以及SA 的生存周期等。
建立安全聯盟的方式有兩種，一種是手工方式（Manual），一種是IKE 自動協商（ISAKMP）方式。
IKE協商AH 和ESP所使用的密碼算法，並將算法所需的必備密鑰放到恰當位置。IKE為IPsec提供了自動協商交換密鑰、建立SA的服務，能夠簡化IPsec的使用和管理，大大簡化IPsec的配置和維護工作。
SA的建立過程包括兩個階段：
第一階段主要有這么幾個工作要做：
- 參數的配置，如參數配置。包括：認證方法，選擇預共享密鑰或數字證書認證。
Diffie-Hellman 組的選擇 - 策略協商。包括：加密算法選擇DES、3DES、AES-128、AES-192 或AES-256。hash 算法選擇MD5 或SHA
- DH 交換。雖然名為“密鑰交換”，但事實上在任何時候，兩台通信主機之間都不會交換真正的密鑰，它們之間交換的只是一些DH 算法生成共享密鑰所需要的基本材料信息。DH 交換，可以是公開的，也可以受保護。在彼此交換過密鑰生成“材料”后，兩端主機可以各自生成出完全一樣的共享“主密鑰”，保護緊接其后的認證過程。
- 認證 。DH 交換需要得到進一步認證，如果認證不成功，通信將無法繼續下去。“主密鑰”結合在第一步中確定的協商算法，對通信實體和通信信道進行認證。在這一步中，整個待認證的實體載荷，包括實體類型、端口號和協議，均由前一步生成的“主密鑰”提供機密性和完整性保證。
第二階段主要的工作如下：
第二階段為快速SA，為數據傳輸而建立的安全聯盟。這一階段協商建立IPsec SA，為數據交換提供IPSec 服務。第二階段協商消息受第一階段SA 保護，任何沒有第一階段SA 保護的消息將被拒收。
-
策略協商，雙方交換保護需求：
- 使用哪種IPSec 協議：AH 或ESP
- 是否使用hash 算法：MD5、SHA 或NULL
- 是否要求加密，若是，選擇加密算法：DES 或3DES、AES-128、NULL、AES-192 或AES-256
在上述三方面達成一致后，將建立起兩個SA，分別用於入站和出站通信。
-
會話密鑰“材料”刷新或交換。在這一步中，將通過DH 交換生成加密IP 數據包的“會話密鑰”。
-
將SA 遞交給IPSec 驅動程序。在第二階段協商過程中，如果響應超時，則自動嘗試重新進行第二階段SA 協商。
4.小結
IPsec作為一個安全框架，提供了2種封裝方式，傳輸模式和隧道模式，根據需要選擇合適的模式進行保護。SA作為IPsec的基礎，可以使用IKE的方式來管理交換秘鑰，協商工作參數。對於IPsec在Linux的實現可以進一步了解。