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1、IPSec VPN详解IPSec VPN详解 1. IPSec概述 IPSec(ip security)是一种开放标准的框架结构，特定的通信方之间在IP 层通过加密和数据摘要(hash)等手段，来保证数据包在Internet 网上传输时的私密性(confidentiality) 、完整性(data integrity)和真实性(origin authentication)。 IPSec只能工作在IP层，要求乘客协议和承载协议都是IP协议 1.1. 通过加密保证数据的私密性 私密性：防止信息泄漏给未经授权的个人 通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性 1.2. 对数据进行h
2、ash运算来保证完整性 完整性：数据没有被非法篡改 通过对数据进行hash运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性 对数据和密钥一起进行hash运算 攻击者篡改数据后，可以根据修改后的数据生成新的摘要，以此掩盖自己的攻击行为。 通过把数据和密钥一起进行hash运算，可以有效抵御上述攻击。 DH算法的基本原理 1.3. 通过身份认证保证数据的真实性 真实性：数据确实是由特定的对端发出 通过身份认证可以保证数据的真实性。常用的身份认证方式包括： Pre-shared key，预共享密钥 RSA Signature，数字签名 1.3.1. 预共享密钥 预共享密钥，是指通信双方在配置时手工输
3、入相同的密钥。 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。 2. IPSec框架结构 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 (Authentication Header) 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 (Encapsulating Security Payload) 封装安全载荷协议,能够进行数据
4、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。 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。 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，
5、而ESP已经对端口号进行了加密和/或hash，所以将无法进行。 启用IPSec NAT穿越后，会在ESP头前增加一个UDP头，就可以进行端口映射。 4. IPSec 安全通道协商过程 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 (Internet key exchange,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密钥交换解决了在不安全的网络环境中安全地建立或更新共享密钥
6、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的密钥交换模式以及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
7、。 IKE使用了两个阶段的ISAKMP： 第一阶段，协商创建一个通信信道，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IKE SA建立IPsec SA。 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
8、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。 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。 3快速模式交换快速模式交换通过三条消息建立IPsec SA：头两条消息协商IPsec SA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。 4新组模式交换通信双方通过新组模式交换协商
9、新的DiffieHellman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。 5ISAKMP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。 4.2. IKE阶段1 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 上述IKE参数组合成集合，称为IKE policy。IKE协商就是要在通信双方之间找到相同的policy。 4.3. IKE阶段2 双方协商IPSec安全参数，称为变换集tr
10、ansform set，包括： 加密算法、Hash算法、安全协议、封装模式、存活时间 IKE与IPSec安全参数的比较 4.4. IPSec SA IPSec SA (安全关联，Security Association)： SA由SPD (security policy database)和SAD(SA database)组成。 IPSec SA (安全关联，Security Association)： SPI (Security Parameter Index)，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
11、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IPSec连接会有两个IPSec SA。 使用SPI可以标识路由器与不同对象之间的连接。 达到lifetime以后，原有的IPSec SA就会被删除 如果正在传输数据，系统会在原SA超时之前自动协商建立新的SA，从而保证数据的传输不会因此而中断。 4.5. IPsec SA示例 5. Ipsec phase1 and phase2 IPSec VPN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 第二个阶段：快速模式 区别：主模式与野蛮模式的区别： 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
12、野蛮模式只需要交互3个消息； 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。 两个阶段分别完成任务： 第一个阶段IKE设置，有三个任务需要完成： 协商一系列算法和参数； 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。 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。
13、 上面一系列过程都是IKE这个协议来实现。 对于第一阶段需要注意以下几点： 只有remote vpn和easy vpn是积极模式的，其他都是用主模式来协商的； 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IKE SA后，所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。 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。 第二阶段： 协商IPSec SA使用的安全参数，创建IPSec SA，使用AH或ESP来加密IP数据流。至此IPSec VPN隧道才真正建立起来。 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I
14、KE SA，保护第二阶段中IPSec SA协商过程； 第二阶段作用：协商IPSec单向SA，为保护IP数据流而创建； 举例验证：以主模式，AH协议来简单分析一下IPSec VPN链接建立的过程： 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协商过程使用ISAKMP消息格式来传递。6条消息如下： 准备工作： 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，这些cookie用于标识每个单独的协商交换消息。 cookieRFC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
15、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。 1&2消息： 消息1：由发送方发起，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，在策略提议中包括5元组信息： 加密算法DES； 散列算法MD5-HMAC； DHDiffie-Hellman组-2； 认证方式预共享； IKE SA寿命。 如下是Raisecom中高级选项配置的策略： 下面简要介绍一下上述五元组信息： 协商模式：可以选择主模式或者野蛮模式。当选择主模式
16、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。 验证方法AH： 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。 加密算法： 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112bits的密钥进行加密；AES128采用128bits的密钥进行加密；AES192采用192bits
17、的密钥进行加密；AES256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。 Diffie-Hellman组标识： 用户可以选择Group 1即768bit 或 Group 2即1024bit。 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；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IPSec SA，IPSec SA用于最终的IP数据安全
18、传送。ISAKMP-SA生存周期可以设定为60-604800之间的一个整数。 定时发送keepalive报文： IKE通过ISAKMP SA向对端定时发送KeepAlive报文维护该条ISAKMP SA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ISAKMP SA带有timeout标记，则删除该ISAKMP SA及由其协商的IPSec SA；否则，将其标记为timeout。 如下是抓包获取到的信息： 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： 将载荷类型SA展开如下： 由下图可知，该SA中携带了三组策略，正好Raisecom中web页面配
19、置的三组策略： 第一组Type Payload：Transform# 0展开如下： 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； DH为Group 2； 第二组Type Payload：Transform# 1展开如下： 第三组 Type Payload：Transform# 2展开如下： 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。 消息2：由响应者回应，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； 报文如
20、下： 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。 在消息1和消息2中报错可能出现的原因： peer路由不通； crypto iskmp key没有设置； 一阶段的策略不匹配 3&4消息：密钥交换过程 消息3：由发起者发出，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。 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，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
21、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： 发起者密钥=(Xb)amod p = (Xa)bmod p=响应者密钥 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： SKEYID_d此密钥被用于计算后续IPSec密钥资源； S
22、KEYID_a此密钥被用于提供后续IKE消息的数据完整性以及认证； SKEYID_e此密钥被用于对后续IKE消息进行加密； 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； 实际报文如下： 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； 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； 消息4：同消息3，告知发送端自己的DH公共值和Nonce随机数； 报文如下： 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
23、随机数； 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； 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。 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HASH认证成
24、分SKEYID_a、cookieA、cookieB、preshare_key、SA payload、转换集和策略。 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。 消息6：由响应者向发起者发送，主要目的和第五条一样： 在消息5和消息6中报错可能出现的原因： crypto iskmp key设置错了； 第二阶段： 第2阶段用三个消息来完成，目标是协商IPSec SA，而且只有一种模式，快速模式，快速模式的协商是受第1阶段建立的IKE SA保护的。 对应设备上需要配置的参数 1&2消息：发送IPSec SA的属性，协商
25、IPSec SA 消息1：发起者会在第一条消息中发送IPSec SA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。 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HASH的成分和5-6阶段一样； IPSec策略提议：其中包括了安全协议、SPI、散列算法、模式、IPSec SA生命周期； 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； ID：描述IPSec SA是哪些地址、协议和端口建立的，即感兴趣流中的IP地址； PFS：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
26、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IPSec SA的生命周期后，会再次DH出新的KEY，这样，安全性就提高了，PFS启用后，数据加密部分使用的密钥就没有了衍生的过程。 DH：重新协商IPSec SA时使用的密钥。 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： 封装模式：包括传输模式和隧道模式。 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； 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； 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
27、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。 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为IPSec协商建立安全联盟时，采用本地设置的和对端提议的生存周期中较小的一个。安全联盟生存周期的输入范围：30604800； 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。 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和ESP，也可以指定同
28、时使用AH和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。 AH报文头格式： AH在两种模式下的封装： 传输模式：“除了易变字段”指的是：对IP报文中可变域以外的数据进行认证 隧道模式：“除了易变字段”指的是：对新IP报文头部中可变域以外的数据进行认证 ESP协议：协议号为50，提供如下功能：提供数据加密性、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ES
29、P的头和有效载荷 ESP在两种模式下的封装： AH-ESP共用： 隧道模式下： 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。 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，
30、产生160bit的消息摘要。SHA-1的摘要长于MD5，因而是更安全的。 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： 双方的模式不匹配； 感兴趣流不对称）； 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，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。 6. DH密钥交换算法 迪菲赫
31、尔曼密钥交换 是一种安全协议。它可以让双方在完全没有对方任何预先信息的条件下通过不安全信道建立起一个密钥。这个密钥可以在后续的通讯中作为对称密钥来加密通讯内容。 (1)、算法描述 离散对数的概念： 原根：如果g是素数p的一个原根，那么数值： gmodp，g2 modp，g(p-1) modp 是各不相同的整数，且以某种排列方式组成了从1到p-1的所有整数。 离散对数：如果对于一个整数b和素数p的一个原根g，可以找到一个唯一的指数 i，使得： b = modp 其中0i p-1 那么指数i称为b的以g为基数的模p的离散对数。 Diffie-Hellman 算法的有效性依赖于计算离散对数的难度，其
32、含义是：当已知大素数p和它的一个原根g后，对给定的 b，要计算 i ，被认为是很困难的，而给定 i 计算b 却相对容易。 6.1. D-H算法原理 假如用户Alice和用户Bob希望交换一个密钥。 取素数p和整数g，g是p的一个原根，公开g和p。 A选择随机数ap，并计算A=ga mod p。 B选择随机数bp，并计算B=gb mod p。 将a、b保密而将A、B公开让另一方得到。 Alice计算密钥的方式是：K=(B) A modp Bob 计算密钥的方式是：K=(A) B modp 证明： Alice计算出：K= (B) a mod p = (gb mod p) a mod p = (gb
33、) a mod p ，即：Bob计算出： K=(A) b mod p = (ga mod p) b mod p = (ga)b mod p ，即： 由于a和b是保密的，而第三方只有p、g、A、B可以利用，只有通过取离散对数来确定密钥，但对于大的素数p，计算离散对数是十分困难的。 6.2. D-H算法示例 假如用户Alice和用户Bob希望交换一个密钥。 取一个素数p =97和97的一个原根g=5。 Alice和Bob分别选择秘密密钥a=36和b=58，并计算各自的公开密钥： A=ga mod p=536 mod 97=50 B=gb mod p=558 mod 97=44 Alice和Bob交
34、换了公开密钥之后，计算共享密钥如下： Alice：K=(B) a mod p=4436 mod 97=75 Bob：K=(A) b mod p=5058 mod 97=75 6.3. D-H算法的安全性 当然，为了使这个例子变得安全，必须使用非常大的a, b 以及p， 否则可以实验所有的可能取值。(上例中总共有最多97个这样的值, 就算a和b很大也无济于事)。 如果 p 是一个至少 300 位的质数，并且a和b至少有100位长， 那么即使使用全人类所有的计算资源和当今最好的算法也不可能从g, p和g(a*b) mod p 中计算出 a*b。 这个问题就是著名的离散对数问题。注意g则不需要很大, 并且在一般的实践中通常是2或者5。 在最初的描述中，迪菲赫尔曼密钥交换本身并没有提供通讯双方的身份验证服务，因此它很容易受到中间人攻击。 一个中间人在信道的中央进行两次迪菲赫尔曼密钥交换，一次和Alice另一次和Bob，就能够成功的向Alice假装自己是Bob，反之亦然。而攻击者可以解密任何一个人的信息并重新加密信息，然后传递给另一个人。因此通常都需要一个能够验证通讯双方身份的机制来防止这类攻击。 有很多种安全身份验证解决方案使用到了迪菲赫尔曼密钥交换。例如当Alice和Bob共有一个公钥基础设施时，他们可以将他们的返回密钥进行签名。
