IPSec详细介绍.ppt
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10IPSec本章要点：
IPSec的概念、功能和体系结构AH机制和功能ESP机制和功能IKE机制和功能IPSec安全体系结构安全体系结构lIPSec（IPSecurity）是一种由IETF设计的端到端的确保IP层通信安全的机制。
lIPSec不是一个单独的协议，而是一组协议，IPSec协议的定义文件包括了12个RFC文件和几十个Internet草案，已经成为工业标准的网络安全协议。
lIPSec在IPv6中是必须支持的，而在IPv4中是可选的。
lIP通信可能会遭受如下攻击：
窃听、篡改、IP欺骗、重放lIPSec协议可以为IP网络通信提供透明的安全服务，保护TCP/IP通信免遭窃听和篡改，保证数据的完整性和机密性，有效抵御网络攻击，同时保持易用性。
IPSec协议族相关的协议族相关的RFCRFC内容内容2401IPSec体系结构体系结构2402AH（AuthenticationHeader）协议）协议2403HMAC-MD5-96在在AH和和ESP中的应用中的应用2404HMAC-SHA-1-96在在AH和和ESP中的应用中的应用2405DES-CBC在在ESP中的应用中的应用2406ESP（EncapsulatingSecurityPayload）协议）协议2407IPSecDOI2408ISAKMP协议协议2409IKE（InternetKeyExchange）协议）协议2410NULL加密算法及在加密算法及在IPSec中的应用中的应用2411IPSec文档路线图文档路线图2412OAKLEY协议协议IPSec的功能的功能l作为一个隧道协议实现了VPN通信l第三层隧道协议，可以在IP层上创建一个安全的隧道，使两个异地的私有网络连接起来，或者使公网上的计算机可以访问远程的企业私有网络。
l保证数据来源可靠l在IPSec通信之前双方要先用IKE认证对方身份并协商密钥，只有IKE协商成功之后才能通信。
由于第三方不可能知道验证和加密的算法以及相关密钥，因此无法冒充发送方，即使冒充，也会被接收方检测出来。
l保证数据完整性lIPSec通过验证算法保证数据从发送方到接收方的传送过程中的任何数据篡改和丢失都可以被检测。
l保证数据机密性lIPSec通过加密算法使只有真正的接收方才能获取真正的发送内容，而他人无法获知数据的真正内容。
IPSec体系结构图体系结构图IKE协议AH协议ESP协议加密算法验证算法IPSec安全体系安全体系DOIAH（AuthenticationHeader）lAH为IP数据包提供如下3种服务：
l数据完整性验证l通过哈希函数（如MD5）产生的校验来保证l数据源身份认证l通过在计算验证码时加入一个共享密钥来实现l防重放攻击lAH报头中的序列号可以防止重放攻击。
ESP（EncapsulatingSecurityPayload）lESP除了为IP数据包提供AH已有的3种服务外，还提供另外两种服务：
l数据包加密l对一个IP包进行加密，可以是对整个IP包，也可以只加密IP包的载荷部分，一般用于客户端计算机l数据流加密。
l一般用于支持IPSec的路由器，源端路由器并不关心IP包的内容，对整个IP包进行加密后传输，目的端路由器将该包解密后将原始包继续转发。
l加密是ESP的基本功能，而数据源身份认证、数据完整性验证以及防重放攻击都是可选的。
lAH和ESP可以单独使用，也可以嵌套使用。
通过这些组合方式，可以在两台主机、两台安全网关（防火墙和路由器），或者主机与安全网关之间使用。
IKE（InternetKeyExchange）lIKE协议负责密钥管理，定义了通信实体间进行身份认证、协商加密算法以及生成共享的会话密钥的方法。
lIKE将密钥协商的结果保留在安全联盟（SA）中，供AH和ESP以后通信时使用。
l解释域DOI定义IKE所没有定义的协商的内容；lDOI为使用IKE进行协商SA的协议统一分配标识符。
共享一个DOI的协议从一个共同的命名空间中选择安全协议和变换、共享密码以及交换协议的标识符等，lDOI将IPSec的这些RFC文档联系到一起。
DOI（DomainofInterpretation）安全联盟安全联盟数据库安全联盟安全联盟数据库lSA（SecurityAssociation，安全联盟）l是两个IPSec实体（主机、安全网关）之间经过协商建立起来的一种协定，内容包括采用何种IPSec协议（AH还是ESP）、运行模式（传输模式还是隧道模式）、验证算法、加密算法、加密密钥、密钥生存期、抗重放窗口、计数器等，从而决定了保护什么、如何保护以及谁来保护。
可以说SA是构成IPSec的基础。
lAH和ESP两个协议都使用SA来保护通信，而IKE的主要功能就是在通信双方协商SA。
lSA是单向的，进入（inbound）SA负责处理接收到的数据包，外出（outbound）SA负责处理要发送的数据包。
因此每个通信方必须要有两种SA，一个进入SA，一个外出SA，这两个SA构成了一个SA束（SABundle）。
SA的表示方法的表示方法l每个SA由三元组（SPI，IP目的地址，IPSec协议）来惟一标识lSPI（SecurityParameterIndex，安全参数索引）是32位的安全参数索引，用于标识具有相同IP地址和相同安全协议的不同的SA，它通常被放在AH或ESP头中。
lIP目的地址：
IP目的地址，它是SA的终端地址。
lIPSec协议：
采用AH或ESP。
SA的管理（的管理
（1）l创建：
SA的创建分两步进行先协商SA参数，再用SA更新SAD。
l人工密钥协商：
SA的内容由管理员手工指定、手工维护。
l手工维护容易出错，而且手工建立的SA没有生存周期限制，永不过期，除非手工删除，因此有安全隐患。
调试过程中有用。
lIKE自动管理：
SA的自动建立、动态维护和删除是通过IKE进行的。
而且SA有生命期。
如果安全策略要求建立安全、保密的连接，但又不存在与该连接相应的SA，IPSec的内核会立刻启动IKE来协商SA。
SA的管理（的管理
（2）l删除：
l存活时间过期；l密钥已遭破解；l使用SA加密/解密或验证的字节数已超过策略设定的某一个阈值；l另一端要求删除这个SA。
l必须先删除现有SA，再协商建立一个新的SA。
为避免耽搁通信，应该在SA过期之前就协商好新的SA。
SAD（SecurityAssociationDatabase，安全联盟数据库），安全联盟数据库）lSAD并不是通常意义上的“数据库”，而是将所有的SA以某种数据结构集中存储的一个列表。
l对于外出的流量，如果需要使用IPSec处理，然而相应的SA不存在，则IPSec将启动IKE来协商出一个SA，并存储到SAD中。
l对于进入的流量，如果需要进行IPSec处理，IPSec将从IP包中得到三元组（SPI,DST,Protocol），并利用这个三元组在SAD中查找一个SA。
有时是四元组，加上源地址（SRC）。
lSAD中每个SA除了上述三元组之外，还包括：
l1.序列号（SequenceNumber）：
32位，用于产生AH或ESP头的序号字段，仅用于外出数据包。
SA刚建立时，该字段值设置为0，每次用SA保护完一个数据包时，就把序列号的值递增1，对方利用这个字段来检测重放攻击。
通常在这个字段溢出之前，SA会重新进行协商。
l2.序列号溢出（SequenceNumberOverflow）：
标识序号计数器是否溢出。
用于外出数据包，在序列号溢出时加以设置。
安全策略决定一个SA是否仍可用来处理其余的包。
l3.抗重放窗口：
32位，用于决定进入的AH或ESP数据包是否为重发的。
仅用于进入数据包，如接收方不选择抗重放服务（如手工设置SA时），则不用抗重放窗口。
l4.存活时间/生存周期（Lifetime，TTL）：
规定每个SA最长能够存在的时间。
SA生存周期的计算包括两种方式：
l以时间为限制，每隔指定长度的时间就进行更新；l以流量为限制，每传输指定的数据量（字节）就进行更新。
（这两种方式可同时使用，优先采用先到期者）l可采用两种类型的存活时间：
l软存活时间：
警告内核，通知它SA马上就要到期了；l“硬存活时间”：
真正的存活时间，当硬存活时间到期之前，内核可以及时协商好一个新SA。
l5.模式（mode）：
IPSec协议可用于隧道模式还是传输模式；l6.通道目的地（TunnelDestination）：
对于通道模式的IPSec来说，需指出通道的目的地即外部头的目标IP地址；l7.PMTU参数：
路径MTU，以对数据包进行必要的分段。
安全策略和安全策略数据库安全策略和安全策略数据库lSP（SecurityPolicy，安全策略）：
决定对IP数据包提供何种保护，并以何种方式实施保护。
lSP主要根据源IP地址、目的IP地址、入数据还是出数据等来标识。
lIPSec还定义了用户能以何种粒度来设定自己的安全策略，不仅可以控制到IP地址，还可以控制到传输层协议或者TCP/UDP端口等。
SPD（SecurityPolicyDatabase，安全策略数据库），安全策略数据库）lSPD也不是通常意义上的“数据库”，而是将所有的SP以某种数据结构集中存储的列表。
（包处理过程中，SPD和SAD两个数据库要联合使用）l当接收或将要发出IP包时，首先要查找SPD来决定如何进行处理。
存在3种可能的处理方式：
丢弃、不用IPSec和使用IPSec。
l丢弃：
流量不能离开主机或者发送到应用程序，也不能进行转发。
l不用IPSec：
对流量作为普通流量处理，不需要额外的IPSec保护。
l使用IPSec：
对流量应用IPSec保护，此时这条安全策略要指向一个SA。
对于外出流量，如果该SA尚不存在，则启动IKE进行协商，把协商的结果连接到该安全策略上。
IPSec的实施的实施
（1）l在主机实施lOS集成（图a）lIPSec作为网络层的一部分来实现l堆栈中的块（图b）lIPSec作为一个“楔子”插入网络层与数据链路层之间，BITS（Bump-in-the-stack）应用层传输层网络层+IPSec数据链路层图图aIPSec与与OS集成集成应用层传输层网络层数据链路层图图bBITSIPSecIPSec处理处理IPSec的实施的实施
（2）l在路由器中实施l原始实施：
等同于主机上的OS集成方案，IPSec是集成在路由器软件当中；l线缆中的块（BITW：
Bump-in-the-wire）：
等同于BITS，IPSec在一个设备中实施，该设备直接接入路由器的物理接口，不运行路由算法，只保障数据包的安全。
应用层传输层网络层+IPSec数据链路层外部外部IPSec功能实体功能实体IPSec运行模式运行模式l传输模式（TransportMode）和隧道模式（TunnelMode）。
lAH和ESP都支持这两种模式，因此有四种组合：
l传输模式的AHl隧道模式的AHl传输模式的ESPl隧道模式的ESPIPSec的传输模式的传输模式l传输模式要保护的是IP包的载荷包的载荷，通常情况下，只用于两台主机之间的安全通信。
l正常网络层次处理：
传输层数据报IP头AHl启用IPSec传输模式之后：
传输层数据报IP头应用应用AHESP传输层数据报IP头应用应用ESPESP传输层数据报IP头应用应用AH和和ESPAHIPSec的隧道模式的隧道模式l隧道模式保护的是整个整个IP包包。
通常情况下，只要IPSec双方有一方是安全网关或路由器，就必须使用隧道模式。
ESP原始IP包IP头应用应用ESP内部IP头：
由主机创建外部IP头：
由提供安全服务器的设备添加嵌套隧道嵌套隧道AH数据IP头ESPIP头IP头Src=2.2.2.1Dst=2.3.2.2Src=1.1.1.1Dst=2.3.2.2Src=1.1.1.1Dst=3.3.3.2无效嵌套无效嵌套ESP数据IP头IP头Src=RADst=RCSrc=主机ADst=主机BAHIP头Src=RBDst=主机BESP数据IP头IP头Src=RADst=RCSrc=主机ADst=主机BRA处理处理RB处理处理IPSec处理处理
（1）外出处理外出处理l外出处理过程中，传输层的数据包流入IP层。
IP层检索SPD数据库，判断应为这个包提供哪些服务。
可能有以下几种情况：
l丢弃：
简单丢掉；l绕过安全服务：
为载荷增添IP头，然后分发IP包；l应用安全服务：
假设已建立SA，则返回指向该SA的指针；如果未建立SA，则调用IKE建立SA。
如果策略规定强行将IPSec应用于数据包，则在SA正式建立起来之前，包是不会被传送出去的。
SA建好之后，会按正确顺序增添适当的AH和ESP头。
AH网络载荷ESPIP头IP头Src=主机ADst=RBSrc=主机ADst=主机B要求：
主机A用ESP隧道将包传给RB，但要主机B验证自己。
处理：
lIKE建立4个SA：
两个用于接收（暂不考虑），两个用于接收（SA1和SA2）；lSA1：
主机A和RB之间；SA2：
主机A和主机B之间AH网络载荷ESPIP头IP头Src=主机ADst=RBSrc=主机ADst=主机BIP头Src=主机ADst=主机B
（1）
（2）XIPSec处理处理
（2）进入处理进入处理l收到IP包后，如果包内没有IPSec头，则根据安全策略对包进行检查，决定如何处理：
l丢弃：
直接丢弃；l应用安全服务：
SA没有建立，包同样会被丢弃；l否则将包传给上层协议处理。
l如果IP包中包含了IPSec包：
l从IP包中提取三元组（SPI，目标地址，协议）在SAD中检索。
根据协议值交给AH层或ESP层处理。
协议载荷处理完之后，要在SPD中查询策略，验证SA使用是否得当。
XSPD源目的处理本地端点对方端点主机B主机AESPRB主机AESP主机主机ARBIPSec安全协议安全协议AHlAH（AuthenticationHeader，验证头部协议）：
RFC2402，用于增强IP层安全，可以提供无连接的数据完整性、数据来源验证和抗重放攻击服务。
lAH对IP层的数据使用验证算法MAC，从而对完整性进行保护。
lMAC（MessageAuthenticationCodes，报文验证码），即报文摘要，是从HASH算法演变而来，又称为HMAC，如HMAC-MD5、HMAC-SHA1、HMAC-RIPEMD-160。
l通过HMAC可以检测出对IP包的头部和载荷的修改，从而保护IP包的内容完整性和来源可靠性。
l不同IPSec系统可用的HMAC算法可能不同，但HMAC-MD5和HMAC-SHA1是必须实现的。
AH头部格式头部格式lAH协议和TCP、UDP协议一样，是被IP协议封装的协议之一，可以由IP协议头部中的协议字段判断，AH的协议号是51。
下一个头载荷长度保留SPI序列号验证数据（变长）071531
（1）下一个头（NextHeader）：
8位l表示紧跟在AH头部的下一个载荷的类型，也就是紧跟在AH头部后面数据的协议。
l在传输模式下，该字段是处于保护中的传输层协议的值，比如6（TCP）、17（UDP）或者50（ESP）；l在隧道模式下，AH所保护的是整个IP包，该值是4，表示IP-in-IP协议。
（2）载荷长度（PayloadLength）：
8位l其值是以32位（4字节）为单位的整个AH数据（包括头部和变长的认证数据）的长度再减2。
（3）保留（reserved）：
16位l作为保留用，实现中应全部设置为0。
下一个头载荷长度保留SPI序列号验证数据（变长）071531（4）SPI（SecurityParameterIndex，安全参数索引）：
32位l与源/目的IP地址、IPSec协议一起组成的三元组可以为该IP包惟一地确定一个SA。
l1，255保留为将来使用，0保留本地的特定实现使用。
因此，可用的SPI值为256，232-1。
（5）序列号（SequenceNumber）：
32位l作为一个单调递增的计数器，为每个AH包赋予一个序号。
当通信双方建立SA时，计数器初始化为0。
SA是单向的，每发送一个包，外出SA的计数器增1；每接收一个包，进入SA的计数器增1。
l该字段可以用于抵抗重放攻击。
下一个头载荷长度保留SPI序列号验证数据（变长）071531（6）验证数据（AuthenticationData）l可变长部分，包含了验证数据，也就是HMAC算法的结果，称为ICV（IntegrityCheckValue，完整性校验值）。
l该字段必须为32位的整数倍，如果ICV不是32位的整数倍，必须进行填充，用于生成ICV的算法由SA指定。
下一个头载荷长度保留SPI序列号验证数据（变长）071531AH运行模式运行模式
（1）传输模式传输模式lAH插入到IP头部（包括IP选项字段）之后，传输层协议（如TCP、UDP）或者其他IPSec协议之前。
IP头部（含选项字段）数据图图a应用应用AH之前之前AH头部图图b应用应用AH之后之后TCP头部（含选项字段）IP头部（含选项字段）数据TCP头部（含选项字段）验证区域验证区域（可变字段除外）（可变字段除外）AH与与NAT冲突冲突l被AH验证的区域是整个IP包（可变字段除外），包括IP包头部，因此源IP地址、目的IP地址是不能修改的，否则会被检测出来。
l然而，如果该包在传送的过程中经过NAT网关，其源/目的IP地址将被改变，将造成到达目的地址后的完整性验证失败。
因此，AH在传输模式下和NAT是冲突的，不能同时使用，或者可以说AH不能穿越NAT。
AH运行模式运行模式
（2）隧道模式隧道模式l在隧道模式中，AH插入到原始IP头部之前，然后在AH之前再增加一个新的IP头部。
IP头部（含选项字段）数据图图a应用应用AH之前之前新IP头部（含选项字段）图图b应用应用AH之后之后TCP头部（含选项字段）IP头部（含选项字段）数据TCP头部（含选项字段）AH头部验证区域验证区域（可变字段除外）（可变字段除外）l隧道模式下，AH验证的范围也是整个IP包，因此上面讨论的AH和NAT的冲突在隧道模式下也存在。
l在隧道模式中，AH可以单独使用，也可以和ESP一起嵌套使用。
数据完整性检查数据完整性检查l验证过程概括如下：
l在发送方，整个IP包和验证密钥被作为输入，经过HMAC算法计算后得到的结果被填充到AH头部的“验证数据”字段中；l在接收方，整个IP包和验证算法所用的密钥也被作为输入，经过HMAC算法计算的结果和AH头部的“验证数据”字段进行比较，如果一致，说明该IP包数据没有被篡改，内容是真实可信的。
IPv4头部中的不定字段和固定字段头部中的不定字段和固定字段版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移首部检验和源地址目的地址首部长度选项字段l不定字段（在通信过程中可能被合法修改）：
l在计算HMAC时先临时用0填充；l另外，AH头部的验证数据字段在计算之前也要用0填充，计算之后再填充验证结果。
l应被AH保护的内容（在通信过程应该不被修改）：
l固定字段；lAH头中除“验证数据”以外的其他字段；l数据：
指经过AH处理之后，在AH头部后面的数据。
传输方式下，指TCP、UDP或ICMP等传输层数据；隧道模式下，指被封装的原IP包。
IPSec安全协议安全协议ESPlESP（EncapsulatingSecurityPayload，封装安全载荷）：
RFC2406。
ESP协议除了可以提供无连接的完整性、数据来源验证和抗重放攻击服务之外，还提供数据包加密和数据流加密服务。
l与AH相比，ESP验证的数据范围要小一些。
ESP协议规定了所有IPSec系统必须实现的验证算法：
HMAC-MD5、HMAC-SHA1、NULL。
lESP的加密采用的是对称密钥加密算法。
不同的IPSec实现，其加密算法也有所不同。
为了保证互操作性，ESP协议规定了所有IPSec系统都必须实现的加密算法：
DES-CBC、NULL。
l但ESP协议规定加密和认证不能同时为NULL。
即加密和认证必须至少选其一。
ESP头部格式头部格式lESP协议和TCP、UDP协议一样，是被IP协议封装的协议之一，可以由IP协议头部中的协议字段判断，ESP的协议号是50。
SPI序列号载荷数据（变长）填充（0255字节）填充长度下一个头验证数据（变长）071531ESP头部ESP尾部
（1）SPI：
32位l与目的IP地址、协议一起组成的三元组可以为该IP包唯一地确定一个SA。
（2）序列号（SequenceNumber）：
32位l单调递增的计数器，为每个ESP包赋予一个序号。
l通信双方建立SA时，计数器初始化为0。
SA是单向的，每发送一个包，外出SA的计数器增1；每接收一个包，进入SA的计数器增1。
l该字段可以用于抵抗重放攻击。
（3）载荷数据（PayloadData）：
变长l包含了实际的载荷数据。
不管SA是否需要加密，该字段总是必需的。
如果采用了加密，该部分就是加密后的密文；如果没有加密，该部分就是明文。
l如果采用的加密算法需要一个IV（InitialVector，初始向量），IV也是在本字段中传输的。
该加密算法的规范必须能够指明IV的长度以及在本字段中的位置。
对于强制实施的DES-CBC来说，IV是该字段当中第一个8位组。
l本字段的长度必须是8位的整数倍。
（4）填充（Padding）l填充字段包含了填充位。
（5）填充长度（PadLength）：
8位l以字节为单位指示了填充字段的长度，其范围为0，255。
（6）下一个头（NextHeader）：
8位l指明了封装在载荷中的数据类型，例如6表示TCP数据，4表示IP-in-IP。
（7）验证数据（AuthenticationData）：
变长l只有选择了验证服务时才会有该字段，包含了验证的结果。
ESP运行模式运行模式
（1）传输模式传输模式l保护的是IP包的载荷；lESP插入到IP头部（包括IP选项字段）之后，任何被IP协议所封装的协议（如传输层协议TCP、UDP、ICMP，或者IPSec协议）之前。
ESP传输模式示意图传输模式示意图IP头部（含选项字段）数据图图a应用应用ESP之前之前ESP头部图图b应用应用ESP之后之后TCP头部（含选项字段）IP头部（含选项字段）数据TCP头部（含选项字段）ESP验证数据ESP尾部验证区域验证区域加密区域加密区域l加密不包括SPI和序号字段；l加密不包括验证数据；lESP的验证不包括IP头部，所以不存在与NAT冲突的问题。
lESP加密不包括SPI和序号字段；lESP加密不包括验证数据；lESP的验证不包括IP头部：
l优点：
不存在与NAT冲突的问题；l缺点：
除了ESP头部之外，任何IP头部字段都可以修改，只要保证其校验和计算正确，接收端就不能检测出这种修改。
所以，ESP传输模式的验证服务要比AH传输模式弱一些。
如果需要更强的验证服务并且通信双方都是公有IP地址，应该采用AH来验证，或者将AH认证与ESP验证同时使用。
ESP运行模式运行模式
（2）隧道模式隧道模式l保护的是整个IP包，对整个IP包进行加密；l在隧道模式中，ESP插入到原始IP头部之前，然后在ESP之前再增加一个新的IP头部。
IP头部（含选项字段）数据图图a应用应用ESP之前之前新IP头部（含选项字段）图图b应用应用ESP之后之后TCP头部（含选项字段）IP头部（含选项字段）数据TCP头部（含选项字段）ESP头部ESP尾部ESP验证数据验证区域验证区域加密区域加密区域lESP隧道模式的验证和加密能够提供比ESP传输模式更加强大的安全功能，因为隧道模式下对整个原始IP包进行验证和加密，可以提供数据流加密服务；而ESP在传输模式下不能提供流加密服务，因为源、目的IP地址不被加密。
l不过，隧道模式将占用更多的带宽，因为增加了一个额外的IP头部。
l尽管ESP隧道模式的验证功能不像AH传输模式或隧道模式那么强大，但ESP隧道模式提供的安全功能已经足够了。
ESP处理处理l根据ESP采用的模式来具体处理。
l注意：
l密文是得到验证的，而验证中包括未加密的明文。
所以外出报文：
先加密；进入报文：
先验证。
Internet密钥交换密钥交换lInternet密钥交换（IKE）用于动态建立SA。
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