IPSec

计算机网络

创建时间:2019-09-18 11:28

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IPSec

IPSec：是一组基于网络层的，应用密码学的安全通信协议族。IPSec不是具体指哪个协议，而是一个开放的协议族。
设计目标：是在IPV4和IPV6环境中为网络层流量提供灵活的安全服务。
提供的安全服务：访问控制、机密性、完整性、数据源鉴别、重传攻击保护、不可否认性

IPSec VPN：

是基于IPSec协议族构建的在IP层实现的安全虚拟专用网。通过在数据包中插入一个预定义头部的方式，来保障OSI上层协议数据的安全，主要用于保护TCP、UDP、ICMP和隧道的IP数据包。（VPN只是IPSec协议族的一种应用方式。VPN也不止IPsec协议族一种实现方式，还有二层，四层等VPN实现方式）

IPSec协议族安全体系架构：

IPSec

IKE：定义了安全参数如何协商,以及共享密钥如何建立,但它没有定义的是协商内容。这方面的定义是由”解释域(doi)”文档来进行的
IPSec VPN体系结构主要由AH、ESP和IKE协议套件组成。IPSec通过ESP来保障IP数据传输过程的机密性，使用AH/ESP提供数据完整性、数据源验证和抗报文重放功能。ESP和AH定义了协议和载荷头的格式及所提供的服务，但却没有定义实现以上能力所需具体转码方式，转码方式包括对数据转换方式，如算法、密钥长度等。为简化IPSec的使用和管理，IPSec还可以通过IKE进行自动协商交换密钥、建立和维护安全联盟的服务。具体介绍如下：
- 鉴别头(AH，Authentication Header)：AH是报文头验证协议，主要提供的功能有数据源验证、数据完整性校验和防报文重放功能。然而，AH并不加密所保护的数据报。AH机制为通信提供完整性保护。
- 封装安全载荷(ESP，Encapsulating Security Payload)：ESP是封装安全载荷协议。它除提供AH协议的所有功能外（但其数据完整性校验不包括IP头），还可提供对IP报文的加密功能。ESP机制为通信提供机密性和完整性。
- IKE协议：IKE协议用于自动协商AH和ESP所使用的密码算法。IKE协商的安全参数包括加密与鉴别算法、
  
  加密与鉴别密钥、通信的保护模式(传输或隧道模式)、密钥的生存期等。IKE将这些安全参数构成的集合称为安全关联(SA，security Association)，还负责这些安全参数的刷新。
- ESP机制和AH机制都能为通信提供抗重放(Anti-replay)攻击。

两个数据库：安全策略数据库SPD，安全关联数据库SAD

DOI将所有的IPSec小组的文献捆绑在一起。它可以被认为是所有IPSec安全参数的主数据库。 IKE定义了安全参数如何协商,以及共享密钥如何建立,但它没有定义的是协商内容。这方面的定义是由”解释域(doi)”文档来进行的

两种工作模式：（即IPSec协议封装模式）

传输模式：
- 主要应用场景：经常用于主机和主机之间端到端通信的数据保护
- 分装方式：不改变原有的IP数据包头，在原数据包头后面插入IPSec包头，将原来的数据封装成被保护的数据。
隧道模式：
- 主要应用场景：经常用于私网与私网之间通过公网进行通信，建立安全VPN通道。
- 封装方式：增加新的IP（外网IP）头，其后是IPSec包头，之后再将原来的整个数据包分装（被保护部分）。

通信保护协议：

AH：
- AH提供的安全服务：
  - 无连接数据完整性：通过哈希函数（如MD5、SHA1）产生的校验来保护
  - 数据源认证：通过在计算验证码时加入一个共享密钥来实现
  - 抗重放服务：AH报头中的序列号可以防止重放攻击
  注：AH不提供任何保密性服务：它不加密所保护的数据包，不论是在传输模式下还是隧道模式下，AH提供对数据包的保护时，它保护的是整个IP数据包（易变的字段除外，如IP头中的TTL和TOS（服务类型字段）字段）
ESP：
- ESP提供的安全服务：
  - 除了AH提供的安全服务外（无连接数据完整性、数据源认证、抗重放服务）
  - 数据保密：通过使用密码算法加密IP数据包的相关内容来实现
  - 有限的数据流保护：由隧道模式下的保密服务提供
  注：ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现数据完整性认证

AH和ESP对比：

安全特征	AH	ESP
协议号	51	50
数据完整性校验	支持	支持（不验证IP头）
数据源验证	支持	支持
数据加解密	不支持	支持
抗重放服务	支持	支持
NAT-T（NAT穿越）	不支持	支持

ESP在隧道模式不验证外部IP头，因此ESP在隧道模式下可以在NAT环境中运行。ESP在传输模式下会验证外部IP头部，将导致校验失败。而AH因为提供数据来源确认（源IP地址一旦改变，AH校验失败），所以无法穿越NAT。

IKE协商阶段

IKE是UDP之上的应用层协议，是IPSec的信令协议。

安全联盟（SA）：

定义：SA是通信对等体间对某些要素的约定，通信的双方符合SA约定的内容，就可以建立SA。
SA由三元组来唯一标识，包括：安全参数索引、目的IP地址、安全协议号
产生背景：
- 用IPSec保护一个IP包之前，必须先建立安全联盟（SA）
- IPSec的安全联盟可以通过手工配置的方式建立。但是当网络中节点较多时，手工配置将非常困难，而且难以保证安全性。这时就可以使用IKE（Internet
  Key Exchange）自动进行安全联盟建立与密钥交换的过程。Internet密钥交换（IKE）就用于动态建立SA，代表IPSec对SA进行协商。
用途：
- IKE为IPSec协商生成密钥，供AH/ESP加解密和验证使用。
- 在IPSec通信双方之间，动态地建立安全关联（SA：Security Association），对SA进行管理和维护。
工作过程

IKE经过两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立安全联盟：
- 第一阶段交换：通信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道，此阶段的交换建立了一个ISAKMP安全联盟，即ISAKMP SA（也可称为IKE SA）。第一阶段交换有两种协商模式
  - 主动式协商：默认使用IP地址作为身份标识，默认是传递自己的出口地址做身份标识，
```
   校验对端的公网IP做对端身份标识。（自动生成双方身份ID）
```
  - 野蛮时协商：可以使用用户名或IP等作为双方身份标识，即可以手动配置身份ID
  两种模式对比：
  
  | | 主动模式 | 野蛮模式 |
  | :——–: | :———————————————————-: | :———————————————————-: |
  | 消息交互 | 交互6个消息 | 交互3个消息 |
  | 身份ID | 以IP地址作为身份ID，自动生成本端身份ID和对端身份ID | 可以以多种形式（IP，字符串等）手动或自动的生成本端和对端的身份ID |
  | 域共享密钥 | 只能基于IP地址来确定预共享密钥 | 基于ID信息（主机名和IP地址）来确定预共享密钥。 |
  | 安全性 | 较高
  前4个消息以明文传输，最后2个消息加密，对对端身份进行了保护 | 较低
  前两个消息以明文传输，最后一个消息进行加密，不保护对端身份 |
  | 速度 | 较慢 | 较快 |

第二阶段协商：用已经建立的安全联盟（IKESA）为IPSec协商安全服务，即为IPSec协商具体的安全联盟，建立IPSec SA，产生真正可以用来加密数据流的密钥，IPSec SA用于最终的IP数据安全传送。

IPSec是在两个端点之间提供安全通信，端点被称为IPSec对等体。IPSec能够允许系统、网络的用户或管理员控制对等体间安全服务的粒度。例如，某个组织的安全策略可能规定来自特定子网的数据流应同时使用AH和ESP进行保护，并使用3DES（Triple Data Encryption Standard）进行加密；另一方面，策略可能规定来自另一个站点的数据流只使用ESP保护，并仅使用DES加密。通过SA（SecurityAssociation），IPSec能够对不同的数据流提供不同级别的安全保护。

安全联盟是IPSec的基础，也是IPSec的本质。SA是通信对等体间对某些要素的约定，例如，使用哪种安全协议、协议的操作模式（传输模式和隧道模式）、加密算法（DES和3DES）、特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等。

安全联盟是单向的，在两个对等体之间的双向通信，最少需要两个安全联盟来分别对两个方向的数据流进行安全保护。入站数据流和出站数据流分别由入站SA和出站SA进行处理。同时，如果希望同时使用AH和ESP来保护对等体间的数据流，则分别需要两个SA，一个用于AH，另一个用于ESP。

安全联盟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、安全协议号（AH 或ESP）。SPI 是为唯一标识SA而生成的一个32 比特的数值，它在IPSec头中传输。

IPSec设备会把SA的相关参数放入SPD（Security Policy Database）里面，SPD里面存放着“什么数据应该进行怎样的处理”这样的消息，在IPSec数据包出站和入站的时候会首先从SPD数据库中查找相关信息并做下一步处理。

可能遇到的问题：

建立隧道后，如果其中一端的设备异常重启，导致SA不一致，会出现什么问题？

另外一端如果之前SA没有释放异常重启的对端又来连接是不会接受新的连接协商的，对端的VPN连接已经断开而我方还处在SA的有效生存期时间内，从而形成了VPN隧道的黑洞。我方不停的发送加密后的VPN数据过去，但对方拒绝接受。

使用DPD可以解决VPN隧道黑洞问题。
协商完成后，数据开始传输。IPSec VPN的数据传输有2个通信模式和2个工作模式，也就是4种数据传输模式。那么在NAT环境下，四种场景都能正常传输数据吗？
- 比较IPSEC VPN的各个模式在NAT情况下的可行性
  1. 由于AH会在进隧道口的时候，将所有IP包进行完整性认证，形成AH认证头摘要，所以一旦在进入隧道后，经过NAT，在接收方计算得到的AH头部就会和发送方发送的AH认证头不一致。导致AH校验失败，数据包被接收方丢弃。
  2. AH协议是根据自己的完整性决定丢弃数据的。但是在网络协议栈的设计中，本身也存在校验机制来检验数据包是否是正确的数据包。
多VPN连接问题总结
1. 隧道协商过程中，IKE规定源和目的端口都必须为UDP 500，在多VPN场景下源端口可能会在防火墙设备NAT后发生变化，从而导致IKE协商失败。
2. 数据传输过程中，由于ESP在工作在网络层，没有传输层头部，从而无法进行NAPT端口复用，导致数据传输失败。
3. NAT-T技术：
  - NAT-T协议运用在IPSec VPN中，在IKE协商和VPN连接时，允许源端口为非UDP 500端口，使用目的端口是UDP4500端口。
  - NAT-T协议为ESP增加了UDP头部，从而解决了数据传输过程经过防火墙后无法进行端口复用的问题

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