IPSecVPN两个阶段协商过程分析李心春.docx
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IPSecVPN两个阶段协商过程分析李心春
（一）IPSecVPN隧道的建立过程分为两个阶段：
（二）第一个阶段：
分为两种模式主模式（MainMode和野蛮模式（又称主动模式Aggressive）
（三）第二个阶段：
快速模式（QuickMode）
（四）区别：
主模式与野蛮模式的区别：
（五）
（1）野蛮模式协商比主模式协商更快。
（六）因为主模式需要交互6个消息，而野蛮模式只需要交互3个消息；
（七）
（2）主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。
（八）因为主模式在“消息5&消息6”中对ID信息进行了加密。
而野蛮模式由于受到交换次数的限制，ID消息在“消息1&消息2”中以明文的方式发送给对端。
即主模式对对端身份进行了保护，而野蛮模式则没有。
（九）两个阶段分别完成任务：
（十）
（1）第一个阶段IKE设置，有三个任务需要完成：
（十一）（a）协商一系列算法和参数（这些算法和参数用于保护隧道建立过程中的数据）；
（十二）（b）必须计算出两边使用的加密KEY值，例如，两边使用3DES算法加密，3DES算法则需要一个密码，这个密码两端必须一样，但又不能在链路上传递。
（十三）（c）对等体的验证，如何才能知道对端就是我要与之通信的对端。
这里验证有三种方法：
预共享、数字签名和加密临时值。
（十四）上面一系列过程都是IKE（Internet密钥交换协议，大多数厂商都把这个叫做VPNsGateway）这个协议来实现。
对于第一阶段需要注意以下几点：
（十五）（a1）只有remotevpn和easyvpn是积极模式的，其他都是用主模式来协商的；
（十六）（a2）让IKE对等体彼此验证对方并确定会话密钥，这个阶段用DH进行密钥交换，创建完IKESA后，所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。
（十七）（a3）第一阶段帮助在对等体之间创建了一条安全通道，使后面的第二阶段过程协商受到安全保护。
（十八）
（2）第二阶段：
（十九）协商IPSecSA使用的安全参数，创建IPSecSA（SA可以加密两个对等体之间的数据，这才是真正的需要加密的用户数据），使用AH或ESP来加密IP数据流。
至此IPSecVPN隧道才真正建立起来。
（二十）综上，有如下结论：
（二十一）第一阶段作用：
对等体之间彼此验证对方，并协商出IKESA，保护第二阶段中IPSecSA协商过程；
（二十二）第二阶段作用：
协商IPSec单向SA，为保护IP数据流而创建；
（二十三）举例验证：
以主模式，AH协议来简单分析一下IPSecVPN链接建立的过程（附带报文）：
（二十四）第一个阶段三个任务，分别用6个消息来完成，每两个为一组，这些消息的具体格式取决于使用的对等体认证方法，使用预共享密钥进行验证的主模式（6条）协商过程使用ISAKMP消息格式来传递（基于UDP，端口号为500）。
6条消息如下：
（二十五）
（二十六）
（二十七）
（1）准备工作：
（二十八）在前2条消息发送之前，发送者和接受者必须先计算出各自的cookie（可以防重放和DOS攻击），这些cookie用于标识每个单独的协商交换消息。
（二十九）cookie——RFC建议将源目的IP、源目的端口、本地生成的随机数、日期和时间进行散列操作。
Cookie成为留在IKE协商中交换信息的唯一标识，实际上cookie是用来防止DOS攻击的，它把和其他设备建立IPSec所需要的连接信息不是以缓存的形式包存在路由器里，而是把这些信息HASH成个cookie值。
（三十）
（2）1&2消息：
（三十一）消息1：
由发送方（协商发起端）发起，携带一些参数，发送方向接收方发送一条包含一组或多组策略提议（Raisecom工业路由器中是多组），在策略提议中包括5元组信息：
（三十二）加密算法——DES；
（三十三）散列算法——MD5-HMAC；
（三十四）DH——Diffie-Hellman组-2；
（三十五）认证方式——预共享；
（三十六）IKESA寿命。
（三十七）如下是Raisecom中高级选项配置的策略：
（三十八）
（认证方式采用“预共享”方式）
（三十九）
（对于DPD，具体作用不知道，默认是关闭）
（四十）下面简要介绍一下上述五元组信息：
（四十一）（a）协商模式：
可以选择主模式（MainMode）或者野蛮模式（Aggressive）。
当选择主模式时，只能使用IP地址作为ID的类型。
当用户端设备的IP地址为动态获取的情况时，需要选择野蛮模式。
IKE野蛮模式相对于主模式来说更加灵活，可以选择根据协商发起端的IP地址或者ID来查找对应的身份验证字，并最终完成协商。
（四十二）（b）验证方法AH（AuthenticationHeader）：
（四十三）身份验证确认通信双方的身份。
目前在IKE提议中，仅可用pre-shared-key（预共享密钥）身份验证方法，使用该验证方法时必须配置身份验证字，并且两端的密钥要完全一致。
（四十四）（c）加密算法：
（四十五）包括DES和3DES加密算法；DES算法采用56bits的密钥进行加密，3DES算法采用168bits的密钥进行加密；AES128（AdvancedEncryptionStandard，即高级加密标准）采用Rijndael中的128bits的密钥进行加密；AES192（AdvancedEncryptionStandard，即高级加密标准）采用Rijndael中的192bits的密钥进行加密；AES256（AdvancedEncryptionStandard，即高级加密标准）采用Rijndael中的256bits的密钥进行加密；
（四十六）一般来说，密钥越长的算法强度越高，受保护数据越难被破解，但消耗的计算资源会更多。
（四十七）（d）Diffie-Hellman组标识（DH）：
（四十八）用户可以选择Group1即768bit或Group2即1024bit。
（四十九）（e）ISAKMP-SA生存周期：
（五十）IKE使用了两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立安全联盟。
第一阶段，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，即ISAKMP安全联盟（ISAKMPSA）；第二阶段，用在第一阶段建立的安全通道为IPSec协商安全服务，即为IPSec协商具体的安全联盟，建立IPSecSA，IPSecSA用于最终的IP数据安全传送。
ISAKMP-SA生存周期可以设定为60-604800之间的一个整数。
（五十一）（f）定时发送keepalive报文（不是必须携带）：
（五十二）IKE通过ISAKMPSA向对端定时发送KeepAlive报文维护该条ISAKMPSA的链路状态。
当对端在配置的超时时间内未收到此KeepAlive报文时，如该ISAKMPSA带有timeout标记，则删除该ISAKMPSA及由其协商的IPSecSA；否则，将其标记为timeout。
（五十三）如下是抓包获取到的信息（设备为Raisecom工业路由器）：
（五十四）
由上图可知，模式为主模式，载荷类型为SA。
SA的数目和内容详见下图：
（五十五）将载荷类型SA展开如下：
（五十六）由下图可知，该SA中携带了三组策略，正好Raisecom中web页面配置的三组策略：
（五十七）
（五十八）
（五十九）第一组TypePayload：
Transform（3）#0展开如下：
（六十）
SA生存时间为10800；加密机制为DES；认证算法为SHA；认证方法选择PSK（预共享密钥）；DH为Group2；
（六十一）第二组TypePayload：
Transform（3）#1展开如下：
（六十二）
第三组
（六十三）TypePayload：
Transform（3）#2展开如下：
（六十四）
报文中的组顺序和web页面上组顺序不一致，这个无所谓，只要能对上即可，因为实际中只要这三个组能匹配上即可。
（六十五）消息2：
由响应者（即对端设备）回应，内容基本一样，主要与发起者比较，是否与发起者的IKE策略匹配，不匹配则进行下一组比较，如果最终都找不到匹配，隧道就停止建立；
（六十六）（note：
发起者将其所有IKE策略发给接受者，接受者则在自己的策略中寻找与之匹配的策略；对比顺序从优先级号小的到大的；默认策略实际就是个模板没作用，如果认证只配置预共享的话，其他参数就会copy默认策略里的）
（六十七）报文如下：
（六十八）
由上图可知，接受端回应的消息中，匹配了发送端的一条策略，如果有一条匹配，则不需要匹配其他策略。
（六十九）在消息1和消息2中报错可能出现的原因：
（七十）（a）peer路由不通（即，外层的IP地址不通，这里对应的是发送发和接收方这两个地址不通，这里配置简单属于直连，而实际大型组网中，中间会有很多其他网元，往往是通过配置动态路由）；
（七十一）（b）cryptoiskmpkey没有设置（即，没有配置预共享密钥）；
（七十二）（c）一阶段的策略不匹配（这时需要检查两端设备的策略有不一致地方么）
（七十三）
（七十四）（3）3&4消息：
密钥交换过程
（七十五）消息3：
由发起者（即，隧道建立的发起者）发出，但是在发出消息3之前，有个过程必须要完成，就是Diffie-Hellman算法过程。
（七十六）Diffie-Hellman算法过程目的：
在消息1和消息2中所协商的算法，它们必须需要一个KEY（即，共享密钥中设置的密码），这个KEY在两个对等体上必须一样，但同时这个KEY不能在链路中传递，因为传递KEY是一个不安全的手段。
所以，该过程的目的是分别在两个对等体间独立地生成一个DH公共值，该公共值有什么作用因为两个对等体上都生成该DH公共值后，它们会在接下来的消息3和消息4中传送给对方，打个比方，A收到了B的DH公共值，B收到了A的DH公共值。
当A、B都收到了对方的该公共值后，问题就好解决了。
因为有一个公式在数学中被论证成立，那么现在借助公式，就可以在两个对等体上生成一个只有它们两个对等体知道的相同的KEY，该公式为：
（七十七）发起者密钥=（Xb）amodp=（Xa）bmodp=响应者密钥
（七十八）note：
这个密钥不是最终算法中使用的KEY，但两个对等体通过该KEY材料来生成另外三个密钥，分别是：
（七十九）SKEYID_d——此密钥被用于计算后续IPSec密钥资源；
（八十）SKEYID_a——此密钥被用于提供后续IKE消息的数据完整性以及认证；
（八十一）SKEYID_e——此密钥被用于对后续IKE消息进行加密；
（八十二）所以，由发起者发起的第三条消息主要是向对等体发送自己的DH公共值和Nonce随机数；
（八十三）实际报文如下：
（八十四）
由上述报文可知，发送方开始向接收方发送自己的DH公共值以及随机数；
（八十五）对端收到后，可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法，以及发送端在消息3中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥；
（八十六）消息4：
同消息3，告知发送端自己的DH公共值和Nonce随机数；
（八十七）报文如下：
（八十八）
由上述报文可知，接受方开始向发送方发送自己的DH公共值以及随机数；
（八十九）对端收到后，可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法，以及接受端在消息4中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥；
（九十）
（九十一）（3）5&6消息：
用于双方彼此验证。
由“于消息1&消息2”的算法，以及“消息3&消息4”生成的三个KEY，所以在后续的“消息5&消息6”就能被加密传送，这个过程是受SKEYID_e加密保护的。
（九十二）预共享密钥的作用：
为了正确生成密钥，每一个对等体必须找到与对方相对应的预共享密钥，当有许多对等体连接时，每一对对等体两端都需要配置预共享密钥，每一对等体都必须使用ISAKMP分组的源IP来查找与其对等体对应的预共享密钥（此时，由于ID还没到，彼此先用HASH来彼此验证对方）HASH认证成分——SKEYID_a、cookieA、cookieB、preshare_key、SApayload、转换集和策略。
（九十三）消息5：
由发起者向响应者发送，主要是为了验证对端自己就是自己想要与之通信的对端。
这可以通过预共享、数字签名、加密临时值来实现。
（九十四）
（九十五）消息6：
由响应者向发起者发送，主要目的和第五条一样：
（九十六）
（九十七）在消息5和消息6中报错可能出现的原因：
（九十八）
（1）cryptoiskmpkey设置错了；（即，两端的预共享密钥值设置的不一样）
第二阶段：
第2阶段用三个消息来完成，目标是协商IPSecSA，而且只有一种模式，快速模式（QuickMode），快速模式的协商是受IKESA保护的。
对应设备上需要配置的参数（以R202i-VM为例）：
（1）1&2消息：
发送IPSecSA的属性，协商IPSecSA
消息1：
发起者会在第一条消息中发送IPSecSA的转换属性。
其中包含：
HASH、IPSec策略提议、Nonce可可选的DH以及身份ID。
（a）HASH：
是用于给接受方作为完整性检验的，用于再次认证对等体（必须）HASH的成分和5-6阶段一样；
（b）IPSec策略提议：
其中包括了安全协议（AH、ESP或AH-ESP）、SPI、散列算法、模式（隧道模式或传输模式）、IPSecSA生命周期（必选）；
（c）Nonce：
用于防重放攻击，还被用作密码生成的材料，仅当启用PFS时用到；
（d）ID：
描述IPSecSA是哪些地址、协议和端口建立的，即感兴趣流中的IP地址；
（e）PFS（利用DH交换，可选）：
用了PFS后，就会在第二阶段重新DH出一个数据加密KEY，这个KEY和以前IKE协商出来的KEY没有任何关系，然后由这个新KEY来加密数据，只有到这个IPSecSA的生命周期后，会再次DH出新的KEY，这样，安全性就提高了（普通IPSecSA过期或密钥超时时，重新生成的数据加密密钥还是根据第一阶段DH出来的SKEYID_d衍生出来的），PFS启用后，数据加密部分使用的密钥就没有了衍生的过程。
（f）DH：
重新协商IPSecSA时使用的密钥（正常情况下，IPSec阶段使用的密钥都是由SKEYID_d衍生而来的，密钥之间都有一定的关系，就算IPSecSA超时，新的KEY还是和SKEYID_d有一定的关系）。
以上数据均被加密处理；
基于以上，第二阶段有几个概念需要理清：
（a）封装模式：
包括传输模式（Transport）和隧道模式（Tunnel）。
传输模式：
不使用新的IP头部，IP头部中的源/目的IP为通信的两个实点（当通信点等于加密点时，使用传输模式）；
隧道模式：
需要封装一个新的IP头部，新的IP头部中源/目的IP为中间的VPN网关设备地址（当通信点不等于加密点时使用隧道模式）；
二者比较：
从安全性来讲，隧道模式优于传输模式，隧道模式可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密以及可以使用IPSec对等体的IP地址来隐藏客户机的IP地址；
从性能来讲，隧道模式比传输模式占用更多带宽，一个额外的IP头；
因此，到底使用哪种模式需要按照实际的应用场景进行权衡。
（b）安全联盟生存周期：
所有在安全策略视图下没有单独配置生存周期的安全联盟，都采用全局生存周期。
IKE（因特网密钥交换协议）为IPSec协商建立安全联盟（SA）时，采用本地设置的和对端提议的生存周期中较小的一个（即，当两端配置的生存周期不一致时，那么就用最小的那个值）。
安全联盟生存周期的输入范围：
30～604800；
所以，两端设备配置的生存周期不一致不会导致隧道无法建立。
（c）采用的安全协议：
安全提议中需要选择所采用的安全协议，用于为IP数据包提供安全。
目前可选的安全协议有AH（验证报头）和ESP（封装安全有效负载），也可以指定同时使用AH和ESP（AH-ESP）。
安全隧道两端所选择的安全协议必须一致。
所以，第二阶段协商不起来，两端协议是否一致是一个排查重点。
AH协议：
类似于ICMP、TCP、UDP的IP协议，分配给它的协议号为51。
提供如下安全功能：
数据完整性服务、提供抗数据回放攻击、不提供数据加密性（不加密）。
（note：
AH是不提供数据的加密的，所以在报文中可以看到完整的DATA部分）
AH报文头格式：
AH在两种模式下的封装：
ESP协议：
协议号为50，提供如下功能：
提供数据加密性（支持加密）、提供数据完整性、提供抗回放攻击能力；
ESP的数据验证和完整性服务只包括ESP的头和有效载荷（不包括外部的IP头部）
（note：
ESP是提供加密的，所以抓取的ESP报文，是看不到原来被封装的数据部分）
ESP在两种模式下的封装：
AH-ESP共用：
隧道模式下：
（d）ESP协议加密算法：
ESP能够对IP报文内容进行加密保护，防止报文内容在传输过程中被窥探。
加密算法的实现主要通过对称密钥系统，即使用相同的密钥对数据进行加密和解密。
一般来说IPSec使用两种加密算法：
DES和3DES。
（e）ESP协议即AH协议的验证算法：
AH和ESP都能够对IP数据包的完整性进行验证，以判别报文在传输过程中是否被篡改。
一般来说IPSec使用两种验证算法：
MD5和SHA-1
MD5：
MD5输入任意长度的消息，产生128bit的消息摘要；
SHA-1：
SHA-1输入长度小于2的64次方比特的消息，产生160bit的消息摘要。
SHA-1的摘要长于MD5，因而是更安全的。
（f）使用NAT穿越：
在IPSec/IKE组建的VPN隧道中，若存在NAT安全网关设备，则必须配置IPSec/IKE的NAT穿越功能。
消息2：
响应者向发起者发送第二条消息，同意第一条消息中的属性，同时，也能起到确认收到对端消息的作用。
在消息1和消息2中报错可能出现的原因：
（1）双方的模式不匹配（即，可能一端用传输模式，另一端用隧道模式）；
（2）感兴趣流不对称（如上述消息1中的（d））；
消息3：
发送方发送第三条消息，其中包含一个HASH，其作用是确认接收方的消息以及证明发送方处于Active状态（表示发送方的第一条消息不是伪造的）
这一步一旦完成，隧道就建立起来了，用户的数据就能被放入隧道中传递。
本文参考资料：
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