基于IPsec的网络安全访问技术.docx

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基于IPsec的网络安全访问技术

基于Ipsec的网络安全访问技术

摘要

随着Internet在社会各个领域的不断推广，尤其是它在金融贸易、公司企业

和政府机关等领域的应用逐渐增多；再加上骇人听闻的“网络黑客”事件时有发

生，使得曾经被我们忽视了的“网络安全”正日益受到业界的关注和重视。

造成

Internet网络不安全局面的原因很多，网络攻击和非法入侵的手段也很多；但是

究其根本原因，都与Internet网络的信息传输方式和运行机制密切相关。

Internet网络所采用的是没有安全保障的TCP/IP协议，其以明文方式传输的信息完全可能被伪造、篡改或偷窥，信息的完整性、机密性和真实性等得不到保证。

IPSec安全协议体系的制定，弥补了现有TCP/IP协议安全性的不足；而基于IPSec的网络安全访问技术则有效地保证了IP网络的安全访问。

这正是本文讨论的焦点。

本文针对网络安全访问技术的发展趋势，对IPv6引入的IP层安全机制---IPsec的体系结构、认证机制、加密机制进行研究。

研究了IPSec网络安全体系的原理，并据此提出并归纳了基于IPSec的三种网络安全访问方案。

【关键字】

网络安全访问，Internet安全体系结构，IPsec，AH，ESP，VPN

Abstract

WiththepopularizationofInternetinmanyfields,especiallysuchasfinance,

commerce,enterpriseandgovernmentorganizations,moreandmoreapplicationof

Internethasbeenadopted.Andweoftenheardsomebadnewsabouthackersand

crackers,whohadbrokenintocomputersandsystemsagain.Sothesecurityofnetworkismoreimportantnowadays,anditisbecomingafocusofInternet.Whyis

Internetsofrangible?

Afteranalyzingmanyeventsofnetworkattacksandinvalid

intrusions,wefoundthatthefrangibilityofInternetisduetoinsecurityintransportof

IPpackets.

Asyouknow,InternetnowadaysbasesonthesuiteofTCP/IPprotocols,whichis

insecurebyitself.ForalltheIPpacketsaretransportedinplaintext,whichcouldbe

sniffedandinterceptedeasily.Inordertoprovidesecurityservicesfortrafficon

Internet,theIPSecprotocolswasofferedbyIPSecWorkingGroupinthelate1990’s.

ThesuiteofIPSeccouldbeappliedinsecurenetworkaccess,whichprovidesintegrity,dataoriginauthentication,confidentialityandothersecurityservicesfortrafficatIPlayer.

IPsec-IPlayersecuritysystemisdrawnintoIPv6.Itssystemarchitecture,authenticationarestudiedinthispaper.AfterstudyingtheSecurityarchitectureforinternet,wesuggestthreemoreeffectivemethod,securenetworkaccessbasedonIPSec.

【KeyWords】

SecureNetworkAccess,Securityarchitectureforinternet,IPsec，AH，ESP，VPN

引言

如今妇孺皆知的Internet是一个全球性的网络，它起源于20世纪60年代末

美国的ARPANET网络。

ARPANET是由美国国防部“高级研究计划署（AdvancedResearchProjectsAgency,ARPA）”领导开发的一个研究项目，其目的就是建立一个分布式的、存活力强的全国性网络系统，保证在发生战争的情况下，整个网络不会因为局部地区的打击受损而瘫痪。

最早的ARPANET主要是为了方便大学、军队和国家实验室之间的相互通信而建设的，随着网络规模的不断扩大，原来的ARPANET网络逐渐分割成两个部分：

MILNET（军队网）和ARPANET（名字未变），前者用于军事通信，后者继续作为一种科研工具使用。

到了80年代初，人们为ARPANET引入了一种通信协议标准，它就是TCP/IP

协议（实际上是一个协议族）。

因为TCP/IP能够很好地解决逻辑编址、路由选择、名字服务、错误检查和流量控制等网络互联最为棘手的问题，而且TCP/IP本身也比较简单，实现起来比较容易；所以TCP/IP协议的出现和被引用，极大地促进了ARPANET的发展，愈来愈多的学校、科研机构等接入到了原有的ARPANET网络，这是Internet的雏形。

因此，有时候人们认为Internet的最早出现应该算是在80年代初。

随着TCP/IP协议在UNIX操作系统中的实现，TCP/IP协议和UNIX系统相

互促进，结果是UNIX操作系统日益流行，TCP/IP协议得到了广泛接受。

同样，

以TCP/IP协议为基础的Internet也得到了飞速发展。

但是，经过了Internet的最

初发展阶段之后，尤其是在越来越多的商业网络接入Internet之后，人们发现

Internet存在严重的的网络安全问题。

这是因为，在Internet发展初期，网络连接的简单性、可行性、开放性和兼容性是网络设计者重点考虑的问题，而网络传输的安全性倒因为时机不成熟而遭到了忽略；更重要的是，很久以来人们认为安全性议题在网络协议栈的低层并不重要，应用安全性的责任仍交给应用层。

因此，

像这样没有IP安全协议体系作保障的Internet网络，其传输过程中的IP数据包

完全可能被伪造、篡改或偷窥，信息的完整性、机密性、真实性和信息发送者的

不可抵赖性得不到保证。

但是，随着Internet在社会生活中的逐渐渗透，Internet

应用的不断丰富，人们对Internet的依赖性将越来越大；许多个人机密信息，如

进行网络上交易的信用卡卡号和密码、个人医疗记录等，商业机密信息，如员工

考核数据、产品研究计划等都需要在Internet上传播，所有这一切都要求Internet

有一个足够安全的网络环境。

可以说，Internet网络安全性问题已经成了Internet继续发展的严重阻碍。

在意识到Internet所使用的TCP/IP协议存在严重的协议安全性之后，IETF

于1993年3月专门成立了一个IPSec工作组，负责开发和制定既适用于现有IPv4网络环境，又适用于下一代IPv6网络环境的Internet层安全机制标准，这就是下面将要重点介绍的IPSec。

Internet安全标准——IPSec

IPSec作为新一代互联网安全标准，最早是由IETF下属的IPSec工作组于成立之初的1993年正式提出的，在此之后的发展过程中，相继推出了一系列的

Drafts草案和RFC文档，如1995年8月发布的RFC1825、RFC1826、RFC1827。

最终，到1998年12月RFC2401、RFC2402、RFC2406、RFC2408、RFC2409

等系列文档的发布，标志着IPSec总体框架已经基本确定。

这对弥补现有Internet

协议安全性的不足、促进Internet网络安全性的提高具有非常重要的意义。

注：

RFC1825是关于IP安全体系结构的RFC文档，其中RFC2401是

RFC1825的替代版本。

RFC1826是关于IP验证头的RFC文档，其中RFC

2402是RFC1826的替代版本。

RFC1827是关于IP封装安全载荷的RFC文

档，其中RFC2406是RFC1827的替代版本。

至于，RFC2408、RFC2409

是有关Internet密钥交换的RFC文档。

2.1什么是IPSec？

IPSec是IETF专门为提高Internet的协议安全性而制定的IP安全标准，实

际上，它是一种协议套件（或者说协议组），可以“无缝”地为IP提供安全特性，如提供访问控制、数据源的身份验证、数据完整性检查以及机密性保证等安全机制，以及提供抗重播攻击服务（anti-replyservice）。

在IPSec工作组向IETF提交的RFC2401文档中，详细定义了IPSec的安全

体系结构，明确了IPSec的目的、原理和相关的处理过程，描述了安全联盟

（SecurityAssociations,SA）的定义、工作原理和相关处理过程。

简而言之，IPSec

通过所定义的一整套完善的安全机制，在验证头（AH）和封装安全载荷（ESP）

安全协议的支持下，为IPv4和IPv6网络环境下的IP层流量数据提供各种安全

服务。

注：

跟TCP/IP一样，IPSec实际上是一种协议套件，包含了一系列相关

的安全协议。

该套件内的每一种协议通常都统称为“IPSec”（验证头、封装

安全载荷以及Internet密钥交换等）。

2.2IPSec安全协议体系

IPSec是一个复杂的安全协议体系，它包括各种不同的IPSec组件、各组件

之间的交互过程。

下面将就组成IPSec的各个组件、各组件之间的运作机制等进

行说明。

2.2.1IPSec的体系结构

IPSec协议是IETF的IPSec工作组通过一系列的RFC文档来定义的。

归纳起来，IPSec协议主要包括：

AH（验证头）、ESP（封装安全载荷）、IKE（Internet

密钥交换）、ISAKMP/Oakley以及强制转码类型等相关组件。

这些组件之间的交

互方式如图2-1所示

图2-1IPSec协议的体系结构

事实上，IPSec协议通过以上组件的定义，给出了一个网络层的IP安全框架。

例如，它讨论了IPSec协议的语义，以及IPSec协议套件同TCP/IP协议套件之间如何进行交互沟通的问题。

ESP和AH协议文档，定义了各自的协议、载荷头的格式以及他们所提供的服务。

此外，它们还定义了安全IP数据包的处理规则。

但是，它们没有指定用来实现这些功能的具体转码方式。

其原因是：

只有证明了旧转码方式采用的算法不安全时，才需要定义新的转码方式。

这种在基本协议中不定义转码方式，把基本协议跟转码方式想分离方式，使得协议本身更加灵活。

转码方式定义了如何对数据进行转换，以确保它的安全。

其中包括算法、密

钥大小（以及它们如何演变）、转码程序以及算法专用的任何信息。

对必要的信

息来说，确保它们的唯一性显得尤其重要，只有这样才能使不同的实施方案相互

间能够操作。

让我们用为ESP定义的DES-DBC转码方式为例。

如果没有指

定“初始化矢量（InitializationVector）”的派生方式，两种实施方案最终就会以不同的方式派生出初始化矢量，而且它们将永远不能相互操作。

IKE（Internet密钥交换）和ISAKMP/Oakley，用来为IPSec协议生成密钥。

实际上，IKE的载荷格式非常一般，它可为任何一种协议商拟密钥，并不仅仅限于IPSec的密钥协商。

这是通过将IKE协商的参数同协议本身分隔开来实现的。

协商的参数被归于一个单独的文档内，名为IPSec解释域，或者IPSecDOI。

另外一个尚未成为标准的重要组件是“策略”。

策略是一个非常重要的问题，

因为它决定了应用于IP数据包的安全服务以及如何对数据包进行处理。

与策略

有关的问题分别是“表示”与“实施”。

其中，“表示”负责策略的定义、存储和获取。

IETF目前正在定义策略标准。

“实施”强调的则是策略在实际通信中的应用。

非常重要的一点是，由密钥管理协议建立的密钥必须正确地应用于通信。

同样重要的是，我们必须应用恰当的过滤器和规则。

2.2.2IPSec的实现模式

IPSec协议支持两种实现模式，即传送模式和通道模式。

如果把这两种模式

跟IPSec的两种安全协议ESP和AH想结合，总共可以产生四种不同的组合：

传

送模式中的ESP、传送模式中的AH、通道模式中的ESP和通道模式中的AH。

☆传送模式

在传送模式中，AH和ESP保护的是传送头，它们拦截从传输层到网络层的数据包，并根据具体的配置提供安全保护。

为了更加具体地了解IPSec的传送模式，我们通过一个具体的实例来说明，

如图2-2所示。

为了在主机A和主机B之间提供端到端的安全保障，我们可以

使用ESP的“传送”模式来实现IP数据包的加密；当然，如果只是想对IP数据

包的数据源进行验证，就可以使用AH的“传送”模式。

图2-2实施IPSec传送模式的主机之间的端到端通信

如果没有实施安全保护，传输层（如TCP或UDP）的数据流在通过网络层

（IP层）的时候，IP会在其上增加IP头，然后再传到数据链路层。

如果起用了IPSec传送模式进行安全保护，传输层的数据流就会流经IPSec相关组件，增加相应的ESP头或AH头，或者两者都增加，然后在此基础上，IP再为其增加相应的IP头。

如图2-3所示。

图2-3没有使用安全保护和使用了传送模式安全保护的IP数据包格式

理解IPSec的传送模式，需要注意两点。

首先，只有在要求端到端的安全保

障的时候，才使用IPSec的传送模式。

因为路由器主要通过检查网络层来作出路

由决定，而且路由器不会、也不应该改变网络层头之外的其它东西。

如果通过路

由器为IP数据包插入传送模式的IPSec头，便违反了这一规则。

其次，在同时使用AH和ESP的时候，合理的次序是很重要的。

首先应该

应用ESP，然后才应用AH。

道理很简单，如果先用AH保护传送的数据包，再

用ESP的话，由AH提供的数据完整性便只能适用于传送载荷，因为ESP头是

在以后增添的。

这并不是我们所期望的结果，因为数据的完整性应以尽可能多的

数据为基础计算出来。

☆通道模式

在更多情况下，终端主机并不支持IPSec，或者说用户嫌麻烦而不愿在终端

主机上应用IPSec。

对此，我们通常采用一个专门的设备来提供数据包的安全保

障，而且该设备并不是数据包的始发点，它只对数据包进行加密保护，并把它传

送到另一个目的地（例如采用VPN来提供安全保障）。

这种情况，我们所采用的就是IPSec的通道模式。

IPSec通道模式的典型应用如图2-4所示。

路由器（或安全网关）为自己转

发的数据包提供安全服务。

图2-4IPSec通道模式的典型应用

路由器（或安全网关）为需要提供安全服务的每个数据包重新进行封装，在

原来数据包的基础上增加了一个IPSec头（主要是ESP头，因为我们一般不使用

AH的“通道”模式）。

如图2-5所示。

图2-5IPSec通道模式下的IP数据包格式

可以看到IPSec通道模式下的IP数据包有两个IP头，一个内部头和一个外

部头。

其中，内部IP头有始发点的主机创建；而外部IP头，则由提供安全服务

的那个设备（路由器或安全网关）根据具体情况来创建。

这样经过IPSec通道模式安全处理的数据包，在到达通道的另一端时（比如

图3-4中，数据包经过安全处理后从RA到达RB），再按照要求去掉外部IP头，

然后把数据包起始点创建的数据包原原本本地传送到目的地。

这里讨论的只是IPSec通道模式的最简单情况。

其实，IPSec同时为ESP和

AH定义了通道模式，而且支持嵌套通道。

2.2.3安全联盟

安全联盟（SecurityAssociation，IPSec术语，常简称为SA）是构成IPSec

的基础。

SA是两个通信实体经协商建立起来的一种协定。

它们决定了用来保护

数据包安全的IPSec协议、转码方式、密钥以及密钥的有效存活时间等等。

任何

IPSec实施方案始终会构建一个SA数据库（SADB），由它来维护IPSec协议用来保障数据包安全的SA记录。

首先，SA是单向的，换言之，它的设计非常简化。

如果两个主机（比如A

和B）正在通过ESP进行安全通信，那么主机A就需要有一个SA，即SA（out），

用来处理外发的数据包；另外还需要有一个不同的SA，即SA（in），用来处理

进入的数据包。

主机A的SA（out）和主机B的SA（in）将共享相同的加密参

数（比如密钥）。

类似地，主机A的SA（in）和主机B的SA（out）也会共享同

样的加密参数。

由于SA是单向的，所以针对外发和进入处理使用的SA，分别

需要维护一张单独的（数据）表。

其次，SA是“与协议相关”的。

每种协议都有一个SA。

如果主机A和B

同时通过AH和ESP进行安全通信，那么每个主机都会针对每一种协议来构建

一个独立的SA。

最后，SA需要与安全策略相联系，联合使用。

策略是IPSec结构中非常重

要的一个组件。

它定义了两个实体之间的安全通信特性；定义了在什么模式下使

用什么协议；还定义了如何对待IP数据包。

所有的安全策略都保存在“安全策

略数据库（SPD）”中，SA通过与SPD的交互，来实现IP数据包的封装处理。

☆安全参数索引

安全参数索引（IPSec术语，常称SPI），是一个长度为32位的数据实体，用于独一无二地标识出接收端上的一个SA。

在IPSec中，安全场景（Context）或者SA是两个主机秘密通信的一种协定，它决定了像密钥和加密算法这样的参数。

然而，我们必须采用某种机制，让通信源指出用哪个SA来保护数据包；而对通信的目的地来说，则需指出用哪个SA来检查收到的包是否安全。

数据源用“选择符”来标识SA。

然而，目的地却不能访问到选择符内的所有字段，因为选择符内的部分字段从属于传送层。

那么，要怎样才那个解决在目的地（目标主机）上标识SA的问题呢？

解决

的办法是，随每个数据包一道，需要发送一个SPI，以便将SA独一无二地标识

出来。

目标主机再利用这个值，对接收段SADB数据库进行检索，提取出适当

的SA。

但这种做法也存在一个显而易见的问题：

由谁来保证SPI和SA之间映

射的唯一性呢？

而且对每一种协议来说，这种“唯一性”的范围是什么呢？

全局、

按源主机还是按主机上的地址呢？

事实上，要由接收端／目标主机来保证这种独

一无二的性质（唯一性）。

针对每种协议，都有必要维护一个独立的SPI域。

目

标主机可利用任何一种“连贯性”机制，来确保每个域内的唯一性。

根据IPSec

协议文档的规定，在数据包内，应独一无二地标识出一个SA。

接收端会对在发送端上作为SA一部分保存的SPI进行分配。

接收端可用它

唯一地标识出一个SA。

基于这一假定，发送端会在它发出的每个包中把它包括

进来。

假如接收端不能保证唯一性，数据包便通不过安全检查，这也许是由于使

用了无效的密钥和转码方式造成的。

发送主机根据选择符对发送SADB数据库进行检索。

检索操作的输出便是

一个SA，其中已协商好所有安全参数—包括SPI。

负责分配SPI的主机也要担

保其唯一性。

一旦SA过期，SPI便会重新使用，但要保证在每一点上〈spi,dst〉

能匹配，而且SA是一一对应的。

假如主机属于多宿主类型的（换言之，一个主

机含有多个IP接口），便需使用源地址。

假如系统上插有多张网卡，或者在同一张网卡上配置了多个IP接口（亦即主机有多个IP地址），便会出现这样的情况。

在这种情况下，索引或许会失去其唯一性，所以要用源地址（src）

来加一道保险，对此作进一步的澄清。

总结起来，SPI被当作AH和ESP头的一部分传送。

接收主机使用

protocol>这个字元组来唯一地标识SA（其中，dst是IP头中的目的地址；而

protocol代表协议）。

此外，除了之外，还有可能加上一个源地址（src），来唯一标定一个SA，以节省SPI空间。

然而，这不能算是标准的一部分，而且多少要受一种具体地实施方案的制约。

☆选择符

选择符（Selector，IPSec术语）是从网络层和传输层中提取出来的一些字段，用来决定对什么样的IP数据包实施AH或ESP安全保护。

在IPSec协议文档中定义的选择符包括数据包的源地址、目的地址、协议、上层端口以及名字。

其中，源地址可以是一个通配符、一个地址范围、一个网络前缀或者一个主

机地址。

网络前缀和地址范围主要应用于通道模式，以便对适用于某安全策略的

所有主机的IP数据包实施安全保护。

而通配符，在对来自同一源主机的所有IP

数据包都采用同样安全策略地情况下，提供了极大的方便性。

目的地址也可以是一个通配符、一个地址范围、一个网络前缀或者一个主机

地址。

其中，通配符、地址范围和网络前缀适用于隐藏在安全网关后面的所有主

机。

需要注意的是，对通道模式的IPSec安全保护，外部IP头与内部IP头可以

不一样，而安全网关的策略是根据IP数据包的真正目的地址（也就是内部IP头

的目的地址）来设定的，最终也要使用这一地址对SPD进行索引。

协议是指传输层协议，不过要求传输层协议可以被访问。

因为在使用了ESP

安全保护之后，传输层协议便无法访问，此时就需要使用通配符了。

在面向会话的密钥交换时，上层端口代表了源端口和目的端口，同时也代表

了相应的应用协议。

如果端口不能访问，也需要使用通配符来代替。

名字字段，是一个用来标识与一名有效用户或者系统名称相关联的某一安全

策略，它包括DNS名、X.500区分名，以及在IPSec解释域（IPSecDOI）中定

义的其它名字类型。

注意，名字字段只有在IKE协商期间才作为一个选择符使

用，在数据包处理期间，不能使用名字字段作为选择符，因为目前还无法把一个

名字跟特定的IP地址结合在一起。

☆安全策略

安全策略决定了为一个数据包提供的安全服务。

对所有IPSec实施方案来说，

它们都会将策略保存在一个数据库中，这个数据库名为SPD（安全策略数据库）。

我们根据“选择符”