IPSecVPN详解深入浅出简单易懂Word文档格式.docx
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共享密钥
+对端路由器名
生成的Hash_L
一
接收到的Hash_L
1.3.2.数字证书
★RSA密钥对，一个是可以向大家公开的公钥，另一个是只有自己知道的私钥。
★用公钥加密过的数据只有对应的私钥才能解开，反之亦然。
★数字证书中存储了公钥，以及用户名等身份信息。
我是RouterA,我的公钥是…….
Internet
公钥
Ha5h
一+身份信息
对称密钥
2.IPSec框架结构
IPS”框架
IPS"
安全协议
加密
数据摘要
对称密钥交换
可选择的算法
ESPAH
DES3DESAES
MD5SHA
DH1DH2
2.1.IPSec安全协议
IPSec安全协议描述了如何利用加密和hash来保护数据安全
★AH（AuthenticationHeader）网络认证协议，只能进行数据摘要（hash）,不能实现数据加
密
ah-md5-hmac、ah-sha-hmac
★ESP（EncapsulatingSecurityPayload）封装安全载荷协议，能够进行数据加密和数据摘要
（hash）
esp-des、esp-3des、esp-md5-hmac、esp-sha-hmac
2.2.IPSec封装模式
IPSec支持两种封装模式：
传输模式和隧道模式
♦传输模式：
不改变原有的IP包头，通常用于主机与主机之间。
原始IP包
IP头
数据
AH头
AH对除了TTL等变化值以外的整个IP包进行hash运算
ESPIP头ESP头数据ESPtrailerESPauth
hash
♦隧道模式：
增加新的ip头，通常用于私网与私网之间通过公网进行通信。
原始IP包IP头数据1
新IP头
数据
ESP新IP头|ESP头|田工!
一数据ESPtrailerESPauth
3.IPSec与NAT
3.1.AH模式
AH模式无法与NAT一起运行，因为AH对包括IP地址在内的整个IP包进行hash运算,
而NAT会改变IP地址，从而破坏AH的hash值。
3.2.ESP模式
♦只进行地址映射时，ESP可与NAT一起工作。
♦进行端口映射时，需要修改端口，而ESP已经对端口号进行了加密和/或hash,所以将无
法进行。
NATr端口号被加密
一了,没法改*真部闷I
IP头ESP头TCP/UPP端口数据ESPtrailerESPaiith
加密।
♦启用IPSecNA由越后，会在ESP头前增加一个UDP头，就可以进行端口映射。
NAT：
可以改端
口号了,太棒了
IP头新UDP头ESP头TCP/UDP端口数据ESPtrailerESPautli
4.IPSec安全通道协商过程
HostAHostB
——jRouterARouterBg——।
什么是端到端的VPN?
♦需要保护的流量流经路由器，触发路由器启动相关的协商过程。
♦启动IKE（Internetkeyexchange,密钥管理协议）阶段1,对通信双方进行身份认证，并在两端之间建立一条安全的通道。
♦启动IKE阶段2,在上述安全通道上协商IPSec参数。
♦按协商好的IPSec参数对数据流进行加密、hash等保护。
4.1.IKE密钥交换协议
Internet密钥交换（IKE）解决了在不安全的网络环境（如Internet）中安全地建立或更新共享密钥的问题。
IKE是非常通用的协议，不仅可为IPsec协商安全关联，而且可以为
SNMPv3、RIPv2、OSPFv2等任何要求保密的协议协商安全参数。
一、IKE的作用当应用环境的规模较小时，可以用手工配置SA当应用环境规模较大、
参与的节点位置不固定时，IKE可自动地为参与通信的实体协商SA,并对安全关联库（SAD）
维护，保障通信安全。
二、IKE的机制IKE属于一种混合型协议，由Internet安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）和两种密钥交换协议OAKLEY与SKEME组成。
IKE创建在由ISAKMP定义的框架上，沿用了OAKLEY勺密钥交换模式以及SKEME的共享和密钥更新技术，还定义了它自己的两种密钥交换方式。
IKE使用了两个阶段的ISAKMP
第一阶段，协商创建一个通信信道（IKESA,并对该信道进行验证，为双方进一步的IKE通信提供机密性、消息完整性以及消息源验证服务；
第二阶段，使用已建立的IKESA建立IPsecSA
IKE共定义了5种交换。
阶段1有两种模式的交换：
对身份进行保护的“主模式”交换以及根据基本ISAKMP文档制订的“野蛮模式”交换。
阶段2交换使用“快速模式”交换。
IKE自己定义了两种交换：
1为通信各方间协商一个新的Diffie-Hellman组类型的“新组模
式”交换；
2在IKE通信双方间传送错误及状态消息的ISAKMP信息交换。
1.主模式交换主模式交换提供了身份保护机制，经过三个步骤，共交换了六条消息。
三个步骤分别是策略协商交换、Diffie-Hellman共享值、nonce交换以及身份验证交换（如
图2所示）。
就绪
成功，状领据
夏佳；
或失败
响应方身份:
1SAKMP
S诞立
口前方传送
身份消息
身份验证
发起方启动协商传送对安全参数的提议值
协茴启动
口向近方选定喉受
的安全参数值
所有的提或选定的协设不在
发起方的提谀中
密钥格式不正确
克成密照
素材交I奂
保护套件
开始交换
密钥素材
发起方发送密
蜴素材和必需
的辅助皴据
响应方衷送密枳素材
和必需的辅助数据
发起方传送身份信息xV
重传
图2主模J姣勘喀转换图
2.野蛮模式交换野蛮模式交换也分为三个步骤，但只交换三条消息：
头两条消息协商策略，交换Diffie-Hellman公开值必需的辅助数据以及身份信息；
第二条消息认证响应方;
第三条消息认证发起方，并为发起方提供在场的证据（如图3所示）。
图主置查模式交换状趣换图
3.快速模式交换快速模式交换通过三条消息建立IPsecSA头两条消息协商IPsecSA
的各项参数值，并生成IPsec使用的密钥；
第二条消息还为响应方提供在场的证据；
第三条消息为发起方提供在场的证据（如图4所示）。
发起方传送散列值，对安
图文.央速模式交树燃转揍图
4.新组模式交换通信双方通过新组模式交换协商新的Diffie—Hellman组。
新组模式交
换属于一种请求/响应交换。
发送方发送提议的组的标识符及其特征，如果响应方能够接收提议，就用完全一样的消息应答（如图5所示）。
发起方发送提议的组
图5.新组模式交换示意图
5.ISAKMP信息交换参与IKE通信的双方均能向对方发送错误及状态提示消息。
这实际
上并非真正意义上的交换，而只是发送单独一条消息，不需要确认（如图6所示）。
图6.ISAKMP信息交换示意
4.2.IKE阶段1
Router
hostA
hostB
HostA
10.0.1.3
IKE阶段1
HostB
RouterBr._\
es-rS
10.0.2.3
♦协商建立IKE安全通道所使用的参数，包括：
加密算法、Hash算法、DH算法、身份认证方法、存活时间
协商建立IKE安全
通道所使用的参数
协商建立IKE安全通道所使用的参数
♦上述IKE参数组合成集合，称为IKEpolicy。
IKE协商就是要在通信双方之间找到相同的
policy。
双方找到相同的策略集
Policy15DESMD5DH1
Policy203DES
Policy25
3DES
SHA
DH1
Pre-share
lifetime
DH2
Policy10DESMT5DH1
Pre-sharelifetime
10,013
10,0,2,3
交换对称密钥
双方身份认证
建立IKE安全通道
4.3.
IKE阶段2
协商IPSec安全参数*■协商IPSec安全参数
♦双方协商IPSec安全参数，称为变换集transformset,包括：
加密算法、Hash算法、安全协议、封装模式、存活时间
建立IF击GSA
建立Iff跳SA♦
4.4.IPSecSA
♦IPSecSA安全关联,SecurityAssociation）:
SA由SPD（securitypolicydatabase）和SAD（SAdatabase狙成。
SPD
两端成功协商IPSM参数
加密算法
hash算法
封装模式
SP1
加密Hash封装模式lifetime
SPJ
SAD
目的IP地址
IPSecSA安全关联，SecurityAssociation）:
♦SPI（SecurityParameterIndex）,由IKE自动分配
♦发送数据包时，会把SPI插入到IPSec头中
♦接收到数据包后，根据SPI值查找SAD和SPD,从而获知解密数据包所需的加解密算法、
hash算法等。
♦一个SA只记录单向的参数，所以一个IPSec1接会有两个IPSecSA
♦使用SPI可以标识路由器与不同对象之间的连接。
451PsecSA示例
192.168.12.1SPT9ESP/DES/MD5tunnel28800
5.Ipsecphase1andphase2
（一）IPSecVPN隧道的建立过程分为两个阶段：
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）
第二个阶段：
快速模式（QuickMode）区别：
主模式与野蛮模式的区别：
（1）野蛮模式协商比主模式协商更快。
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；
（2）主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。
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。
（二）两个阶段分别完成任务：
（1）第一个阶段IKE设置，有三个任务需要完成：
（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）；
（b）必须计算出两边使用的加密KEY值，例如，两边使用3DES算法力口密，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。
（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。
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：
（a1）只有remotevpn和easyvpn是积极模式的，其他都是用主模式来协商的；
（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^,所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。
（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。
（2）第二阶段：
协商IPSecSA#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。
（三）综上，有如下结论：
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；
第二阶段作用：
协商IPSec单向SA,为彳^护IP数据流而创建；
（四）举例验证：
以主模式，AH协议来简单分析一下IPSecVPN1接建立的过程（附带报
文）：
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：
“C.U加加|1匚1.
..0-：
.1.2
二：
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■■：
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1.忸上,耻匕、
台血量看不我力，1.
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】。
，：
二■'
卜品隹喻沟[Plfe比
认证方式一一预共享；
IKESA^命。
如下是Raisecom中高级选项配置的策略：
致共享军钥|*月数|『如）
O证书
（认证方式采用“预共享”方式）
段
（对于DPD,具体作用不知道，默认是关闭）
下面简要介绍一下上述五元组信息：
（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。
（b）验证方法AH（AuthenticationHeader）：
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。
（c）加密算法：
包才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112bits的密钥进行加密；
AES128（AdvancedEncryptionStandard,即高级加
密标准）采用128bits的密钥进行加密；
AES192（AdvancedEncryptionStandard,即高级加密
标准）采用192bits的密钥进行加密；
AES256（AdvancedEncryptionStandard,即高级加密标准）采用256bits的密钥进行加密；
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。
（d）Diffie-Hellman组标识（DH）：
用户可以选择Group1即768bit或Group2即1024bit。
（e）ISAKMP-SA生存周期：
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IPSecSAIPSecSA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。
（f）定时发送keepalive报文（不是必须携带）：
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。
如下是抓包获取到的信息（设备为Raisecom工业路由器）：
tFtanrj-±
-3」'
j；
its"
irr.--J士、三*工〉,29Bbvteicaptured^9394bit±
J
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4
TypePay：
sad：
VendsrID（13.）?
XAUTH
TreVe^dit：
D13；
:
RrCS706D?
DDf=dFctrDciecU
Tj'
pePayIsad:
VenderID（IS）:
draft-ietf-ipsec-nst-t-ike-DS
7'
pePayload;
VendorID（13）:
drafi-ieif-ipsec-nax-t-ike-02
TypePayLsad：
V?
ndarID\13»
draft-ietf-ipsec-nat-t-ike-OQ
E二:
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