【计算机网络系列】IPSec 协议

朱雀 2022-11-19 12:50 188阅读 0赞

# IPsec #

*虚拟私密网络* 关键技术

*  隧道技术
 *  数据加密
 *  身份认证
 *  密钥管理
 *  访问控制
 *  网络管理

隧道技术

*  构建 *虚拟私密网络* 的核心技术
 *  隧道：通过Internet提供安全的点到点(或端到端)的数据传输“安全通道”
 *  实质上是一种封装
    
     *  *虚拟私密网络* 隧道利用隧道协议对通过隧道传输的数据进行封装
     *  使数据安全穿越公共网络(通常是Internet)
     *  通过加密和认证以确保安全
     *  数据包进入隧道时，由 *虚拟私密网络* 封装成IP数据报
     *  通过隧道在Internet上安全传输
     *  离开隧道后，进行解封装，数据便不再被保护

常见 *虚拟私密网络* 隧道协议：

*  第二层隧道：PPTP、L2TP
    
     *  主要用于远程客户机访问局域网方案
 *  第三层隧道：IPSec
    
     *  主要用于网关到网关、或网关到主机方案
     *  不支持远程拨号访问

典型 *虚拟私密网络* 实现技术

*  IPSec：最安全、适用面最广
 *  SSL：具有高层安全协议的优势
 *  L2TP：最好的实现远程接入 *虚拟私密网络* 的技术
 *  典型 *虚拟私密网络* 技术结合：IPSec与SSL、IPSec与L2TP

## 概述 ##

IPsec 体系结构

![image-20210109183353730][]

IPsec 服务

*  机密性(confidentiality )
 *  数据完整性(data integrity)
 *  源认证/鉴别(origin authentication)
 *  重放攻击预防(replay attack prevention)
 *  提供不同服务模型的两个协议:
    
     *  AH
     *  ESP

IPsec 的模式

*  传输(transport)模式
    
     *  IPsec数据报的发送与接收均由端系统完成
     *  主机是IPsec感知的(IPsec-ware)
 *  隧道(tunneling)模式
    
     *  边缘路由器是IPsec感知的(IPsec-ware)

两个IPsec 协议

*  提供IPsec服务的两个协议:
    
     *  AH：在IP数据报文头中的协议号为51
     *  ESP：在IP数据报文头中的协议号为50
 *  认证头协议AH(Authentication Header)
    
     *  提供源认证/鉴别和数据完整性检验，但不提供机密性
 *  封装安全协议ESP(Encapsulation Security Protocol)
    
     *  提供源认证/鉴别、数据完整性检验以及机密性
     *  比AH应用更广泛

IPsec 模式与协议的4 种组合

*  传输模式 AH
    
    ![image-20210109184643954][]
 *  传输模式 ESP
    
    ![image-20210109184755353][]
 *  隧道模式 AH
    
    ![image-20210109184708316][]
 *  隧道模式 ESP（最普遍、最重要）
    
    ![image-20210109184817111][]
    
     *  ESP尾部：填充以便应用分组密码

所有组合的都有的核心属性

*  认证字段，基于共享的秘密MAC密钥
 *  SPI，接收实体基于此知道该做什么
 *  序列号，抵抗重放攻击
    
     *  对于新SA，发送方初始化序列号为0
     *  每次通过SA发送数据报:
        
         *  发送方增加序列号计数器（加1）
         *  将计数器值置于序列号字段
     *  目的：
        
         *  预防嗅探与回放分组攻击
         *  接收重复的、已认证的IP分组，会破坏正常服务
     *  方法：
        
         *  接收方检验分组重复
         *  无需记录所有已接收分组；而是利用一个窗口

小结

*  IPsec 的传输模式
    
    ![image-20210109184924612][]
 *  IPsec 的隧道模式
    
    ![image-20210109184950842][]

## 安全关联 ##

安全关联(SA)

*  发送数据前，从发送实体到接收实体之间需要建立安全关联SA (security association)
    
     *  **SA是单工的: 单向**
 *  发送实体与接收实体均需维护SA的状态信息
    
     *  回顾: TCP连接的端点也需要维护状态信息
     *  IP是无连接的；IPsec是面向连接的！

安全关联主要参数：

*  安全参数索引(SPI)：32位SA唯一标识(ID)
 *  加密密钥、认证密钥
 *  密码算法标识
 *  序列号(32位) ：抗重放攻击
 *  抗重播窗口：接收方使用滑动窗口检测恶意主机重放数据报
 *  生存周期：规定SA的有效使用周期
 *  运行模式：传输模式或隧道模式
 *  IPSec隧道源、目的地址

安全策略数据库(SPD)

*  Security Policy Database (SPD)
 *  安全策略(SP)：定义了对什么样的数据流实施什么样的安全处理
    
     *  应用IPSec、绕过、丢弃
 *  安全策略组成了SPD，每个记录就是一条SP
    
     *  提取关键信息填充到一个称为“选择符”的结构
     *  包括目标IP、源IP、传输层协议、源和目标端口等
     *  利用选择符去搜索SPD，检索匹配的SP
 *  安全处理需要的参数存储在SP指向的SA结构

安全关联数据库(SAD)

*  IPsec端点将SA状态保存在安全关联数据库SAD (security association database)中
    
     *  在处理IPsec数据报时，定位这些信息
 *  对于n个销售人员，1个分支机构的 *虚拟私密网络* ，总部的路由器R1的SAD中存储 2 + 2n 条 SAs
 *  当发送IPsec数据报时，R1访问SAD，确定如何处理数据报
 *  当IPsec数据报到达R2
    
     *  R2检验IPsec数据报中的SPI
     *  利用SPI检索SAD
     *  处理数据报

## 处理过程 ##

*  隧道模式 ESP
    
    ![image-20210109185203969][]

R1: 将原IP 数据报转换为 IPsec 数据报

*  检索SPD，确定处理策略
 *  检索SAD，确定SA
 *  在原IP数据报(包括原IP首部域！)后面附加“ESP尾部”.
 *  利用SA定义的算法与密钥，加密上述结果.
 *  在加密结果前面附加“ESP头”，创建“enchilada”.
 *  针对整个enchilada，利用SA定义的算法与密钥，创建报文认证码MAC；
 *  在enchilada后面附加MAC，构成载荷(新IP数据报载荷)；
 *  构造全新的IP头，包含所有经典的IPv4首部字段；
 *  将新IP头附加在载荷的前面

R2: 解封 IPsec

*  从原始IP数据报中提取选择符，并搜索SPD，确定处理策略
 *  丢弃或转入系统IP协议栈进行后继处理
 *  判断是否为IPsec数据报
 *  从头部提取<SPI>，并检索SAD
 *  若找不到SA，则触发IKE或丢弃包；
 *  若找到，则根据SA解封数据报，得到原始IP数据报

[image-20210109183353730]: /images/20221119/95f506ad1a7c4c5182164085cae65fc4.png
[image-20210109184643954]: /images/20221119/419bcb005f844a24ab0015a8745ab85d.png
[image-20210109184755353]: /images/20221119/82b73bb14a8c4c829b6651a1f5299017.png
[image-20210109184708316]: /images/20221119/34b4432ef2114e3d83d7dde09de33b27.png
[image-20210109184817111]: /images/20221119/3defc78ca9e84a19b351876d58f95152.png
[image-20210109184924612]: /images/20221119/466aa8d4ff2948f488d5a0478de34aea.png
[image-20210109184950842]: /images/20221119/d990637f25df4d4bb3e088e7ce5176a1.png
[image-20210109185203969]: /images/20221119/d32bbcebe1d24970acbc21507503d534.png