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網絡安全之IPSec vpn詳解
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IPSec靜態隧道工作原理
IPSec VPN分為兩個協商階段，ISAKMP階段及IPSec階段，ISAKMP階段主要是協商兩端的保護策略，驗證對等體的合法性，產生加密密鑰，保護第二階段IPSec SA的協商。第二階段IPSec階段，主要是確定IPSec SA的保護策略，使用AH還是ESP、傳輸模式還是隧道模式、被保護的數據是什么等等。第二階段協商的目標就是產生真正用於保護IP數據的IPSec SA。IPSec通信實體雙方對於一、二階段的這些安全策略必須達成一致，否則IPSec協商將無法通過。
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IPSec實現
工作於TCP/IP第三層IP層上網絡數據安全地一整套體系結構；包括網絡認證協議AH（Authentication Header，認證頭）、ESP（Encapsulating Security Payload，封裝安全載荷）、IKE（Internet Key Exchange，因特網密鑰交換又稱isakmp）和用於網絡認證及加密的一些算法等。其中，AH協議和ESP協議用於提供安全服務，IKE協議用於密鑰交換。
整個IPSec VPN地實現基本簡化為兩個SA協商完成
SA（security association）：是兩個通信實體經協商建立起來地一種協議，它們決定了用來保護數據包安全地IPsec協議，轉碼方式，密鑰，以及密鑰地有效存在時間等等
IKE（isakmp）SA：協商對IKE數據流進行加密以及對對等體進行驗證地算法（對密鑰地加密和peer地認證）對等體之間只能存在一個
第一階段：建立ISAKMPSA協商的是以下信息：
1、對等體之間采用何種方式做認證，是預共享密鑰還是數字證書。
2、雙方使用哪種加密算法（DES、3DES）
3、雙方使用哪種HMAC方式，是MD5還是SHA
4、雙方使用哪種Diffie-Hellman密鑰組
5、使用哪種協商模式（主模式或主動模式）
6、協商SA的生存期
IPSec SA：協商對對等體之間地IP數據流進行加密地算法 對等體之間可以存在多個
第二階段：建立IPsecSA協商的是以下信息：
1、雙方使用哪種封裝技術，AH還是ESP
2、雙方使用哪種加密算法
3、雙方使用哪種HMAC方式，是MD5還是SHA
4、使用哪種傳輸模式，是隧道模式還是傳輸模式
5、協商SA的生存期
名詞解釋：
AH協議（IP協議號為51）：提供數據源認證、數據完整性校驗和防報文重放功能，它能保護通信免受篡改，但不能防止竊聽，適合用於傳輸非機密數據。AH的工作原理是在每一個數據包上添加一個身份驗證報文頭，此報文頭插在標准IP包頭后面，對數據提供完整性保護。可選擇的認證算法有MD5（Message Digest）、SHA-1（Secure Hash Algorithm）等。
ESP協議（IP協議號為50）：提供加密、數據源認證、數據完整性校驗和防報文重放功能。ESP的工作原理是在每一個數據包的標准IP包頭后面添加一個ESP報文頭，並在數據包后面追加一個ESP尾。與AH協議不同的是，ESP將需要保護的用戶數據進行加密后再封裝到IP包中，以保證數據的機密性。常見的加密算法有DES、3DES、AES等。同時，作為可選項，用戶可以選擇MD5、SHA-1算法保證報文的完整性和真實性。
IPSec有兩種工作模式：
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。
安全協議數據封裝格式
IKE：
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。
IKE的安全機制
IKE具有一套自保護機制，可以在不安全的網絡上安全地認證身份、分發密鑰、建立IPsec SA。
1. 數據認證
數據認證有如下兩方面的概念：
身份認證：身份認證確認通信雙方的身份。支持兩種認證方法：預共享密鑰（pre-shared-key）認證和基於PKI的數字簽名（rsa-signature）認證。
身份保護：身份數據在密鑰產生之后加密傳送，實現了對身份數據的保護。
2. DH
DH（Diffie-Hellman，交換及密鑰分發）算法是一種公共密鑰算法。通信雙方在不傳輸密鑰的情況下通過交換一些數據，計算出共享的密鑰。即使第三者（如黑客）截獲了雙方用於計算密鑰的所有交換數據，由於其復雜度很高，不足以計算出真正的密鑰。所以，DH交換技術可以保證雙方能夠安全地獲得公有信息。
3. PFS
PFS（Perfect Forward Secrecy，完善的前向安全性）特性是一種安全特性，指一個密鑰被破解，並不影響其他密鑰的安全性，因為這些密鑰間沒有派生關系。對於IPsec，是通過在IKE階段2協商中增加一次密鑰交換來實現的。PFS特性是由DH算法保障的。
IKE的交換過程
IKE使用了兩個階段為IPsec進行密鑰協商並建立SA：
第一階段，通信各方彼此間建立了一個已通過身份認證和安全保護的通道，即建立一個ISAKMP SA。第一階段有主模式（Main Mode）和野蠻模式（Aggressive Mode）兩種IKE交換方法。
第二階段，用在第一階段建立的安全隧道為IPsec協商安全服務，即為IPsec協商具體的SA，建立用於最終的IP數據安全傳輸的IPsec SA。
圖 4 主模式交換過程
如圖2-1所示，第一階段主模式的IKE協商過程中包含三對消息：
l 第一對叫SA交換，是協商確認有關安全策略的過程；
l 第二對消息叫密鑰交換，交換Diffie-Hellman公共值和輔助數據（如：隨機數），密鑰材料在這個階段產生；
l 最后一對消息是ID信息和認證數據交換，進行身份認證和對整個第一階段交換內容的認證。
野蠻模式交換與主模式交換的主要差別在於，野蠻模式不提供身份保護，只交換3條消息。在對身份保護要求不高的場合，使用交換報文較少的野蠻模式可以提高協商的速度；在對身份保護要求較高的場合，則應該使用主模式。
IKE在IPsec中的作用
l 因為有了IKE，IPsec很多參數（如：密鑰）都可以自動建立，降低了手工配置的復雜度。
l IKE協議中的DH交換過程，每次的計算和產生的結果都是不相關的。每次SA的建立都運行DH交換過程，保證了每個SA所使用的密鑰互不相關。
l IPsec使用AH或ESP報文頭中的序列號實現防重放。此序列號是一個32比特的值，此數溢出后，為實現防重放，SA需要重新建立，這個過程需要IKE協議的配合。
l 對安全通信的各方身份的認證和管理，將影響到IPsec的部署。IPsec的大規模使用，必須有CA（Certificate Authority，認證中心）或其他集中管理身份數據的機構的參與。
l IKE提供端與端之間動態認證。
IPsec與IKE的關系
圖 5 IPsec與IKE的關系圖
從圖2-2中我們可以看出IKE和IPsec的關系：
l IKE是UDP之上的一個應用層協議，是IPsec的信令協議；
l IKE為IPsec協商建立SA，並把建立的參數及生成的密鑰交給IPsec；
l IPsec使用IKE建立的SA對IP報文加密或認證處理。