网际层的安全协议——IPSec

一、IPSec（Internet Protocol Security）

1. IPSec概述

• 旨在网际层实现IP分组端到端的安全传输

• 实际是一个协议包，由一组安全协议组成（包括AH、ESP、SA和IKE等）

序号	协议	功能
1	SA（Security Association）	用于描述双方如何安全地通信
2	AH（Authentication Header）	实现数据完整性检测
3	ESP（Encapsulating Security Payload）	实现数据加密和数据完整性检测
4	IKE（Internet Key Exchange protocol）	实现安全关联两端之间的双向身份鉴别，及安全关联相关参数的协商

2. 传输模式和隧道模式

为保证传输的安全，发送方和接收方应当是安全关联的两端。（关于安全关联，会在后文继续讨论）。

IPSec有以下两种工作模式，因为AH和ESP的工作模式略有差异，所以此处仅介绍概念，具体过程在"二、IPSec的组成"中有关AH和ESP的部分讨论。

• 传输模式

  • 用于保证数据从端到端的安全传输，并对源端进行鉴别。

  • 此时：

    • IPSec保护的数据是作为IP分组净荷的上层协议数据。

    • IP分组中源IP地址为发送端的IP地址，目的IP地址为接收端的IP地址。

• 隧道模式

  • 源端和目的端各自的内部网络被一个公共网络分隔，在两个内部网络和公共网络之间各设置一个路由器（边界路由器），
  • 此时：
    • 发送端发出的IP分组被视为净荷封装在边界路由器R1中，此时整个。
    • 在公共网络中传输的IP分组中源IP地址是R1的IP地址，目的IP地址是R2的IP地址。

源端	安全关联的发送端	安全关联的接收端	目的端
PC1	R1	R2	PC2

二、IPSec的组成（SA、AH、ESP和IKE）

1. 安全关联（SA——Security Association）

什么是安全关联？

• 安全关联是建立于发送者与接收者之间的关联，以期实现端源鉴别、数据加密和数据完整性

• 安全关联是单向的（发送者至接收者传输方向）

• 安全关联由三个信息来唯一确定：

  （①安全参数索引SPI——Security Parameters Index；②目的IP地址；③安全协议标识符）

  • ①SPI：接收者相同的安全关联之间需要分配不同的SPI（同目的IP地址的安全关联，其SPI不能相同）
  • ②目的IP地址：接收端的IP地址
  • ③安全协议标识符：指定安全协议是AH还是ESP

需要传输的数据需要先与安全关联绑定

• 发送者建立安全策略数据库（SPD——Security Policy Database）来实现数据与安全关联的绑定：
  根据SPD中的策略，来将数据分类地施加不同的安全策略（包括丢弃、使用IPSec和不使用IPSec）。

• 安全关联数据库（SAD——Security Association Database）：
  SAD保存了已经建立的可用的安全关联SA条目。

安全关联有一些相关的参数

序号	参数名	功能
1	序号	防重放攻击
2	防重放攻击窗口	区分收到的报文是否是重放报文
3	AH信息	AH协议的参数
4	ESP信息	ESP协议的参数
5	安全关联的寿命	确定安全关联存在的时间（可以是时间，也可以是允许发送的字节数）
6	IPSec的协议模式	有①传输模式和②隧道模式
7	路径最大传输单元(MTU)	不切片的情况下，最大允许传输的分组长度

2.鉴别首部（ AH——Authentication Header）

• 报文封装
  ①传输模式：直接在IP分组中的"IP首部"后插入AH首部。

②隧道模式：将源端发来的整个IP分组看作是一个"新净荷"，并在其和"新IP首部"（源IP地址是安全关联的发送端|目的IP地址是安全关联的接收端）之间插入AH首部。

• 源端鉴别和完整性检验，鉴别算法一般有：HMAC-MD5-96和HMAC-SHA-1-96

  以下选择HMAC-MD5-96算法（鉴别数据存放在AH首部）

  • 发送端进行如下操作：
    

  • 接收端进行如下操作：

3. 封装安全净荷（ESP——Encapsulating Security Payload）

• 报文封装

  ①传输模式：直接在IP首部和净荷之后分别插入ESP首部和尾部，并在末尾附上鉴别数据

②隧道模式：在"新IP首部"（源IP地址是安全关联的发送端|目的IP地址是安全关联的接收端）和"新净荷"后分别插入ESP首部和尾部，并在末尾附上鉴别数据。

• 源端鉴别和完整性检测：原理和AH相同，但不同的是，ESP的鉴别范围只覆盖ESP头部、净荷和ESP尾部。

4. Internet密钥交换协议（IKE——Internet Key Exchange protocol）

IKE用来干嘛？

• AH和ESP能实现其安全功能的前提是，安全关联SA已经建立。

  而静态地建立安全关联不够灵活，所以利用IKE来动态地建立安全关联并协商相关参数。

  • 不是每种情况都会启动IKE，只有在：

    • IP分组在SPD（安全策略数据库）中被设定为使用IPSec
    • 且在SAD（安全关联数据库）中没有找到一条合适的安全关联时

    才会启动IKE，试图动态地建立一条新的安全关联（可以将这个过程类比于路由的过程：先查看路由表内是否有合适的路由线路，若没有再尝试另辟蹊径）

IKE是如何完成动态建立安全管理的?

分两个阶段：

• 阶段一：
  ①主模式：建立安全传输通道（可以理解为建立IKE安全关联），六次发包包含了三轮双向信息交互。

②积极模式（通常不使用）：该模式只有三次发包，多数的信息都被包含在了IKE的策略中，速度快，但不安全。

• 阶段二：
  快速模式：建立安全关联（此处的安全关联指IPSec安全关联），过程可类比于"TCP的三次握手"。

IPSec是一种在TCP/IP中的网际层实现IP分组端到端安全传输的机制，由一组安全协议组成（SA、AH、ESP和IKE等）。
SA描述双方如何安全通信、AH实现数据完整性检测、ESP实现数据加密和完整性检测，而IKE实现两端之间安全关联的建立及相应参数的协商。