IPSec VPN原理(上)

VPN

Virtual Private Network：虚拟专用网络，通过对报文进行加密，建立一条逻辑上的虚拟专线，宏观上看，就像一条建立在位于几个不同地方的企业/个人等间的专有通信线路，但并不需要真正的铺设物理线路

优点

VPN是一种建立在实际网络基础上的一种功能性网络，它在克服了专线昂贵的费用、公网的弱安全性的同时保证了经公网传输信息的完整性、真实性和私有性

专线：运营商网络中一般通过MPLS VPN实现专线。企业可以通过租赁运营商的专线来实现不同地区企业内网的互访。专线可以看成时实际直连在一起的网络，而普通VPN则是逻辑上直连，实际上只是将加密报文放到公网传输

分类

site to site VPN

站点到站点的VPN：网关与网关(根据厂家、使用场景不同又称为：L2L、S2S、lan to lan、site to site)

IPSec、GRE、GRE over IPSec、DSVPN、MPLS NPN都属于站点到站点到站点的VPN

实际应用场景中：企业总公司与分公司间的VPN就属于site to site VPN

point to site VPN

点(客户端client)到站点的VPN、远程拨号访问：主机与网关

SSLVPN(可以限定登录用户对内网资源的访问权限)、IPSec、PPTP、L2TP+IPSec

实际应用场景中：远程办公人员通过账号密码(通过专门的VPN软件)登陆公司的VPN访问企业内部资源

VPN使用的安全框架

目前VPN主要有两种安全框架：IPSec安全标准框架(最为常见)、SSL传输层安全性

IPSec

IPSec不是一个单独的协议，它给出了应用于IP层上层网络数据安全的一套体系结构

IPSec的组成部分

AH(Authentication Header)：认证头

ESP(Encapsulating Security Payload)：封装安全载荷

IKE(Internet Key Exchange)：因特网密钥交换协议

以及一些用于网络认证及加密的算法等

AH和ESP用于提供安全服务，IKE用于密钥交换

IPSec提供的安全机制

IPSec提供两种安全机制：认证、加密

认证

认证的目的在于：防止消息在传递过程中被篡改并确认发送方的身份

完整性、可用性

加密

加密的目的自于：通过对数据进行加密，防止数据在传输过程中被监听

机密性

IPSec安全机制的实现

IPSec中

AH协议定义了认证的应用方法，提供数据源认证和完整性认证；

ESP协议定义了加密和可选认证的应用方法，提供数据可靠性

AH协议

AH协议只能提供数据源认证、数据完整性校验与防报文重放的功能，不提供加密的功能

AH协议(IP协议号为51)

原理

通过在每一个数据包中标准IP头后添加一个身份验证报文头，对数据提供完整性保护

可选的认证算法有：MD5(Message Digest)、SHA一系列(128 256等)等。

认证算法优劣(都为Hash算法)：MD5算法的计算速度较快，但其抗碰撞性低，已不安全；SHA速度略慢，但SHA-256目前很安全

ESP协议

ESP协议不但可以提供数据加密功能，也可以提供数据源认证、数据完整性校验和防重放功能

ESP协议(IP协议号50)

原理

在每一个数据包的标准IP头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾

ESP将需要保护的用户数据进行加密后封装到IP报文中，保证数据的机密性(AH无此功能)

认证算法有：MD5、SHA等等

加密算法有：DES、3DES、AES(其中AES的安全性最高，3DES其次)

ESP与AH的区别与联系

只有ESP可以提供加密属性，但AH与ESP都可以提供认证服务，不过，AH提供的认证服务强于ESP。

所以可以采用 AH+ESP 的联合使用方法

先对报文进行ESP封装，再对报文进行AH封装，封装后的报文由内而外依次是：原始IP报文、ESP头、AH头、外部IP头

IPSec工作模式

IPSec有两种工作模式：Tunnel(隧道)模式、Transport(传输)模式

图片来源于网络

传输模式

只用传输层数据计算AH或ESP认证头，AH或ESP头、被ESP加密的数据放置在原IP包头后面(不对实际想建立连接的两个内网地址进行加密)

由于不对实际IP包头进行加密，所以单独传输模式应用较少(不安全)，一般只在企业内部使用或配合其他VPN使用(适合于 point to site)

隧道模式

用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP认证头，AH或ESP认证头与ESP加密的用户数据封装在一个新的IP数据包中(实际想通信的两个内网IP地址也会被加密封装在一个新的IP数据包中)，最终再在外部打上公网IP，保证了安全性(适合于site to site)

SA——安全联盟(安全关联)

IPSec的两个端点被称为IPSec对等体(peer)，要想在两个对等体间实现数据的安全传输，就要在这两个对等体间建立安全关联SA

SA(Security Association)，SA是IPSec的基础，也是IPSec的本质。

SA种类

IKE协商两种SA：IKE SA(双向SA)、IPSec SA(单向SA)

SA组成

SA由三元组唯一标识：安全索引—SPI、目的IP地址、使用的协议

SPI(Security Parameter Index)：唯一标识SA的32比特数值(手动配置SA需要手动配置SPI、通过IKE协商随机生成)

SA作用

SA用于在对等体间约定要使用哪些因素：使用哪种协议(AH、ESP、AH+ESP)、协议的封装模式(传输模式、隧道模式)、加密算法(DES、3DES、AES等等)、共享密钥的交互(不会直接发送共享密钥，通过DH算法实现交互一些细节来计算出)、密钥的生存周期等等

SA特点

单向(IPSec SA单向)

要想在两个对等体间建立双向通信，最少需要建立两个SA，对两个方向(去方向与回方向)的数据流进行保护

且如果使用AH+ESP的认证方式，则对等体间必须针对每个协议建立一的独立的SA

具有生存周期

生存周期到达指定时间/流量时，SA就会失效，SA在失效前，IKE将为IPSec协商建立新的SA，防止SA失效后影响通信

SA是具有生存周期的，且只对通过IKE协商建立的SA有效(手工方式建立的SA永不老化)

IKE协商建立的SA的生存周期有两种定义方式：

1：基于时间的生存周期：定义了一个SA从建立到失效的时间

2：基于流量的生存周期：定义了一个SA允许处理的最大流量

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