IPSec VPN基本原理

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IPSec VPN简介

为什么要实时VPN?

实施VPN的最大动机是省钱。

VPN的分类：

VPN分类方法很多。

  1. 站点到站点的VPN

    ATM，Rrame Relay， GRE， MPLS VPN， IPSec VPN。

    常用的是IPSec VPN。

  2. 远程拨号VPN。

    IPSec VPN， PPTP， L2TP + IPSec， SSL VPN。

    常用的是SSL VPN。

什么是IPSec？

IPSec（Internet Protocol Security）是IETF（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议。它并不是一个单独的协议，而是一系列为IP网络提供安全性的协议和服务的集合。

IPSec用来解决IP层安全性问题的技术。IPSec被设计为同时支持IPv4和IPv6网络。

IPSec主要包括安全协议AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload），密钥管理交换协议IKE（Internet Key Exchange）以及用于网络认证及加密的一些算法等。

IPSec主要通过加密与验证等方式，为IP数据包提供安全服务。

IPSec提供的服务：

IPSec通过加密与验证等方式，从以下几个方面保障了用户业务数据在Internet中的安全传输：

  • 数据来源验证：接收方验证发送方身份是否合法。
  • 数据加密：发送方对数据进行加密，以密文的形式在Internet上传送，接收方对接收的加密数据进行解密后处理或直接转发。
  • 数据完整性：接收方对接收的数据进行验证，以判定报文是否被篡改。
  • 抗重放：接收方拒绝旧的或重复的数据包，防止恶意用户通过重复发送捕获到的数据包所进行的攻击。

IPSec 框架

IPSec的框架：

框架

IPSec是一个框架，它不是具体指某个协议，而是定义了一个框架，由各种协议组和协商而成。该框架涉及到的主要有，加密算法、验证算法、封装协议、封装模式、秘钥有效期等等。

加密：

加密算法分为两类。对称算法和非对称算法。

对称加密算法：

特点：对称秘钥算法：用相同的秘钥进行加减密。

加解密过程：

加密：明文数据 —–共享秘钥加密 ——–密文数据

解密：密文数据 —–共享秘钥解密 ——–明文数据

对称加密算法优点：

  • 速度快
  • 安全
  • 紧凑

对称加密算法缺点：

  • 明文传输共享秘钥，容易出现中途劫持和窃听的问题。
  • 秘钥数量是以参与者数量平方的速度增长。即指数增长 。
  • 因为数量过多，所以管理和存储会有很大问题。
  • 不支持数字签名和不可否认性。

适用做大数据加密。

常见对称算法：

  • DES，数据加密标准DES（Data Encryption Standard）它使用56位的密钥对一个64位的明文块进行加密。

  • 3DES，3DES（Triple Data Encryption Standard），3DES是一种增强型的DES标准，它在需要保护的数据上使用3次DES，即使用三个不同的56位的DES密钥（共168位密钥）对明文进行加密。

  • AES, 先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard）

    AES被设计用来替代3DES，提供更快和更安全的加密功能。AES可以采用三种密钥：AES-128、AES-192和AES-256，其密钥长度分为128位、192位、256位。

    随着密钥长度的提升，加密算法的保密及安全性要求越高，但计算速度也越慢。一般情况下128bit就可以充分满足安全需求。

非对称加密算法：

特点：非对称秘钥算法，一对密钥，公钥和私钥。公钥加密，私钥解密。

用私钥加密，公钥解密叫做数字签名。

仅仅只用于密钥交换（加密密钥）和数字签名（加密散列）。

非对称加密算法的优点：

  • 安全
  • 因为不必发送密钥给接受者，所以非对称密钥不必担心密钥被中途截获的问题。
  • 密钥数目和参与者数目一样。
  • 不需要事先在各参与者之间建立关系以交换密钥。
  • 技术支持数字签名和不可否认性。

非对称加密算法的缺点：

  • 非常非常慢。
  • 密文会很长。

适用于小数据加密。

常见非对称加密算法：

  • RSA， 512/768/1024/2048bit ro lager。
  • DH，768,、102/1536bit or lager。只适用于VPN。

数字信封 —-完美解决方案：

本质上是对称加非对称算法：

加密过程：

  1. 适用对称密钥加密明文得到密文。
  2. 用非对称密钥的私钥加密明文的对称密钥得到密钥包。

解密过程：

  1. 适用对方的公钥解密密钥包从而得到明文的对称密钥。
  2. 用对称密钥解密密文，得到明文数据。

验证：

验证算法，也叫HASH算法，散列函数。

目的：验证数据的完整性

特点:

  1. 固定大小
  2. 雪崩效应
  3. 单向不可逆
  4. 冲突避免（SHA-2）

工作原理：

明文数据———–散列算法（MD5算法）——–算出散列值1（12345）

明文数据+散列值一起发给对端

验证：
明文数据———-同样的散列算法（MD5算法）———算出散列值2（67890）

如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败

常见的验证算法：

  • MD5

    消息摘要MD5（Message Digest 5），输入任意长度的消息，MD5产生128位的签名。

    MD5比SHA更快，但是安全性稍差。

  • SHA1

    安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm）是由NIST开发的。在1994年对原始的HMAC功能进行了修订，被称为SHA1。输入长度小于264bit的消息，SHA1产生160位的消息摘要。

    SHA1比MD5要慢，但是更安全。因为它的签名比较长，具有更强大的防攻破功能，并可以更有效的发现共享的密钥。

  • SHA2

    SHA2是SHA1的加强版本，SHA2算法相对于SHA1加密数据长度有所上升，安全性能要远远高于SHA1。SHA2算法包括SHA2-256、SHA2-384和SHA2-512，密钥长度分别为256位、384位和512位。

    随着密钥长度的上升，认证算法安全强度更高，但计算速度越慢。一般情况下256位就可以充分满足安全需求。

数字签名的工作过程示意图：

数字签名

私钥加密，公钥解密——数字签名
实现完整性，源认证 不可否认

实现过程： 

1
2
3
4
5
6
明文数据---------hash算法（md5）----------hash值（128bit-例如12345）-------私钥加密------------数字签名
     
 数字签名 --------用对方公钥解密------hash值12345
 明文数据--------hash算法（md5) ---hash值12345

如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败

数字签名的应用：

  • 驱动程序签名
  • PDF签名
  • IPSec VPN数字签名认证。
  • 数字证书采用数字签名。

封装协议（安全协议）：

IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载ESP（Encapsulating Security Payload）两种安全协议来传输和封装数据，提供认证或加密等安全服务。

AH：

  • AH是一种基于IP的传输层协议，协议号为51。

  • 只能支持认证 ，不支持加密 。

  • 对整个头部进行认证。

工作原理：

其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头。如下所示：

AH包结构

图：AH报文头结构

AH对数据包和认证密钥进行Hash计算，接收方收到带有计算结果的数据包后，执行同样的Hash计算并与原计算结果比较，传输过程中对数据的任何更改将使计算结果无效，这样就提供了数据来源认证和数据完整性校验。AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。

AH报文头字段含义：

字段 长度 含义
下一头部 8比特 标识AH报文头后面的负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）或ESP协议的编号；隧道模式下，是IP协议或ESP协议的编号。注意：当AH与ESP协议同时使用时，AH报文头的下一头部为ESP报文头。
负载长度 8比特 表示以32比特为单位的AH报文头长度减2，缺省为4。
保留字段 16比特 保留将来使用，缺省为0。
SPI 32比特 IPSec安全参数索引，用于唯一标识IPSec安全联盟。
序列号 32比特 是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
认证数据 一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。 该字段包含数据完整性校验值 ICV（Integrity Check Value），用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法有MD5、SHA1、SHA2、SM3。

Ah报文抓包示例：

ah抓包

图：AH报文抓包示例

ESP：

ESP支持加密和认证。

ESP是一种基于IP的传输层协议，协议号为50。其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护。

esp包结构

图：ESP报文头结构

ESP报文头字段：

字段 长度 含义
SPI 32比特 IPSec安全参数索引，用于唯一标识IPSec安全联盟。
序列号 32比特 是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
负载数据 — 包含由下一头部字段给出的变长数据。
填充字段 — 用于增加ESP报文头的位数。填充字段的长度与负载数据的长度和算法有关。当待加密报文的明文长度不是加密算法所要求的块长度时，需要进行填充补齐。
填充长度 8比特 给出前面填充字段的长度，置0时表示没有填充。
下一头部 8比特 标识ESP报文头后面的下一个负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）的编号；隧道模式下，是IP协议的编号。
认证数据 一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。 该字段包含数据完整性校验值ICV，用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法与AH的相同。ESP的验证功能是可选的，如果启动了数据包验证，会在加密数据的尾部添加一个ICV数值。

ESP报文抓包示例：

esp报文


图：ESP报文抓包示例

AH协议和ESP协议比较：

安全特性 AH ESP
协议号 51 50
数据完整性校验 支持（验证整个IP报文） 支持（不验证IP头）
数据源验证 支持 支持
数据加密 不支持 支持
防报文重放攻击 支持 支持
IPSec NAT-T（NAT穿越） 不支持 支持

封装模式：

封装模式是指将AH或ESP相关的字段插入到原始IP报文中，以实现对报文的认证和加密，封装模式有传输模式和隧道模式两种。

传输模式：

在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。传输模式不改变报文头。

传输封装

图：传输模式下报文封装

传输模式下，AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括IP头，因此ESP协议无法保证IP头的安全。ESP的加密部分包括传输层协议头、数据和ESP报尾。

判断方法：

  1. 通信点地址和加密点地址相同
  2. 通信点地址可以被路由

隧道模式：

在原IP头部之前插入ESP/AH头部，同时生成新的IP头部 。

隧道封装

图：隧道模式

隧道模式下，AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括新IP头，因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。

判断方法：

  1. 通信点地址和加密点地址不相同
  2. 通信点地址到internet能不能被路由，肯定是隧道

传输模式和隧道模式比较：

传输模式和隧道模式的区别在于：

  • 从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。
  • 从性能来讲，隧道模式因为有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。

当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式。

秘钥有效期：

默认为86400s，即24小时。

IKEv1协议详解

IKEv1协议参考：IKEv1协议详解

IKEv2协议详解

IKEv2协议参考：IKEv2协议详解

IPSec VPN各种场景配置示例

IPSec VPN各场景配置示例

数字证书PKI原理

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IPSec VPN的NAT穿越

IPSec VPN的NAT穿越技术NAT-T

参考文档：华为HedEx 文档

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