GRE over IPSec技术原理

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GRE原理

GRE简介：

General Routing Encapsulation，简称GRE，是一种三层VPN封装技术。GRE可以对某些网络层协议（如IPX、Apple Talk、IP等）的报文进行封装，使封装后的报文能够在另一种网络中（如IPv4）传输，从而解决了跨越异种网络的报文传输问题。异种报文传输的通道称为Tunnel（隧道）。

GRE报文封装：

gre报文格式

图：GRE报文格式

其中：

  • 净荷（Payload）：系统收到的需要封装和路由的数据报称为净荷。
  • 乘客协议（Passenger Protocol）：封装前的报文协议称为乘客协议。
  • 封装协议（Encapsulation Protocol）：上述的GRE协议称为封装协议，也称为运载协议（Carrier Protocol）。
  • 传输协议（Transport Protocol或者Delivery Protocol）：负责对封装后的报文进行转发的协议称为传输协议。

GRE能够承载的乘客协议包括IPv4、IPv6和MPLS协议，GRE所使用的运输协议是IPv4协议。

GRE首部各字段解释如下：

字段 长度 描述
C 1 bit 校验和验证位。如果该位置1，表示GRE头插入了校验和（Checksum）字段；该位为0表示GRE头不包含校验和字段。
K 1 bit 关键字位。如果该位置1，表示GRE头插入了关键字（Key）字段；该位为0表示GRE头不包含关键字字段。
Recursion 3 bits 用来表示GRE报文被封装的层数。完成一次GRE封装后将该字段加1。如果封装层数大于3，则丢弃该报文。该字段的作用是防止报文被无限次的封装。
Flags 5 bits 预留字段。当前必须设为0。
Version 3 bits 版本字段，必须置为0。Version为1是使用在RFC2637的PPTP中。
Protocol Type 16 bits 乘客协议的协议类型。
Checksum 16 bits 对GRE头及其负载的校验和字段。
Key 31 bits 关键字字段，隧道接收端用于对收到的报文进行验证。

因为VRP中的GRE头不包含源路由字段，因此Bit 1、Bit 3和Bit 4都置为0。

gre抓包

图：GRE报文抓包示例

GRE的的上层协议是IP，协议号为47.

GRE的实现–隧道接口：

隧道接口（Tunnel接口）是为实现报文的封装而提供的一种点对点类型的虚拟接口，与Loopback接口类似，都是一种逻辑接口。

隧道接口必须配置的四项：封装类型、隧道接口地址、源地址、目的地址。

GRE的应用场景：

  • GRE over IPSec
  • IPv6 over IPv4
  • 扩大条数受限的网络工作范围
  • GRE VPN

GRE的优缺点：

优点：

  • 支持多种上层协议

  • 支持组播，QoS

    支持组播，就意味着可以运行组播类协议，如动态路由。

缺点：–薄弱的安全性

  • 不支持加密
  • 较弱的身份认证机制
  • 较弱的数据完整性校验

GRE over IPSec

IPSec的优缺点分析：

IPSec缺点：

  • 只支持IP协议的封装，不支持多层上层协议
  • 不支持组播

IPSec的优点 —较强的安全性：

  • 支持加密
  • 支持身份验证机制
  • 支持数据完整性校验

GRE over IPSec：

GRE over IPSec可利用GRE和IPSec的优势，通过GRE将组播、广播和非IP报文封装成普通的IP报文，通过IPSec为封装后的IP报文提供安全地通信，进而可以提供在总部和分支之间安全地传送广播、组播的业务，例如视频会议或动态路由协议消息等。

当网关之间采用GRE over IPSec连接时，先进行GRE封装，再进行IPSec封装。GRE over IPSec使用的封装模式为可以是隧道模式也可以是传输模式。因为隧道模式跟传输模式相比增加了IPSec头，导致报文长度更长，更容易导致分片，所以推荐采用传输模式GRE over IPSec。

封装

图：GRE over IPSec报文封装和隧道协商过程

IPSec封装过程中增加的IP头即源地址为IPSec网关应用IPSec安全策略的接口地址，目的地址即IPSec对等体中应用IPSec安全策略的接口地址。

IPSec需要保护的数据流为从GRE起点到GRE终点的数据流。GRE封装过程中增加的IP头即源地址为GRE隧道的源端地址，目的地址为GRE隧道的目的端地址。

GER over IPSec的两种封装模式：

(1) 传输模式 ——-建议采用

  • 2个IP头部 原始IP头部 GRE头部

(2) 隧道模式

  • 3个IP头部 原始IP头部 GRE头部 IPSEC头部

GRE over IPSec配置实验

实验拓扑图：

FW1和FW2之间建立GRE over IPSec隧道，使PC1网络好PC2网络用户可通过隧道互相访问。

拓扑

图：GRE Over IPSec实验拓扑图

实验一：IPSec策略在物理接口调用：

配置思路：

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第一步： 完成接口基本配置。
第二步：分别创建GRE隧道接口，并配置 GRE 隧道接口的 IP 地址、源地址和目的地址。
FW1:
interface Tunnel0
 ip address 172.16.1.1 255.255.255.0 
 tunnel-protocol gre
 source 202.100.1.10
 destination 202.100.1.11

FW2
interface Tunnel0
 ip address 172.16.1.2 255.255.255.0 
 tunnel-protocol gre
 source 202.100.1.11
 destination 202.100.1.10
  
第三步：配置静态路由，将出接口指定为 GRE 隧道接口，将流量引入到隧道中。
注意：也可以动态路由方式
FW1:
 ip route-static 10.1.2.0 255.255.255.0 Tunnel0

FW2
 ip route-static 10.1.1.0 255.255.255.0 Tunnel0

第四步：配置 IPSec 隧道。包括配置 IPSec 策略的基本信息、配置待加密的数据流和配置安全提议。
IPSEC配置：
阶段一：
ike proposal 10
 authentication-algorithm sha2-256
 integrity-algorithm aes-xcbc-96 hmac-sha2-256

ike peer 10           
 pre-shared-key Huawei@123
 ike-proposal 10  
 remote-address 202.100.1.11

阶段二：
acl number 3000
 rule 5 permit ip source 202.100.1.10 0 destination 202.100.1.11 0
注意: 保护的是GRE的隧道 

ipsec proposal 10  
 encapsulation-mode auto
 esp authentication-algorithm sha2-256
#
ipsec policy ipsec_policy 10 isakmp
 security acl 3000
 ike-peer 10  
 proposal 10  


interface GigabitEthernet0/0/2  --------------在物理接口调用 
 ip address 202.100.1.10 255.255.255.0
 ipsec policy ipsec_policy

安全策略的放行：

安全策略

图：安全策略的放行

注意：关于需不需要放行gre流量的问题。
因为gre头部是在esp头部或公网IP头部中封装的，实际流量会被esp加密传输。应该是不需要放行gre的，但是在实际测试中需要放行。

在华为防火墙实际测试中，放行gre流量后IPSec SA可以正常建立，双方的主机也可以互相通信。而不放行gre的话，IPSec SA可以正常建立，但是双方的主机不能互相通信。

检查测试：

测试

图：PC1与PC2的连通性测试

ipsec sa

图：IPSec SA状态

实验二：IPSec策略在Tunnel口调用：

配置思路：

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IPSEC 配置思路：  
阶段一: 
ike proposal 10
 authentication-algorithm sha2-256
 integrity-algorithm aes-xcbc-96 hmac-sha2-256
#
ike peer 10            
 pre-shared-key Huawei@123
 ike-proposal 10
 
注意：不能配置remote-address.

阶段二:
不需要感兴趣流 
ipsec proposal 10
 encapsulation-mode auto
 esp
#
ipsec profile ipsec_pro
 ike-peer 10
 proposal 10

不能调用ACL 

调用：
interface Tunnel0
 ipsec profile ipsec_pro

放行策略：
security-policy
 rule name IPSEC1
  source-zone local
  source-zone untrust
  destination-zone local
  destination-zone untrust
  source-address 202.100.1.10 mask 255.255.255.255
  source-address 202.100.1.11 mask 255.255.255.255
  destination-address 202.100.1.10 mask 255.255.255.255
  destination-address 202.100.1.11 mask 255.255.255.255
  service ISAKMP
  service esp
  action permit

 rule name IPSEC2
  source-zone trust
  source-zone vpn
  destination-zone trust
  destination-zone vpn
  source-address 10.1.1.0 mask 255.255.255.0
  source-address 10.1.2.0 mask 255.255.255.0
  destination-address 10.1.1.0 mask 255.255.255.0
  destination-address 10.1.2.0 mask 255.255.255.0
  action permit    
                       
  rule name vpn_local  ----------只需要放行VPN-LOCAL
  source-zone vpn
  destination-zone local 
  service gre
  action permit

注意：当在Tunnel口调用IPSec后，可以成功建立IPSec SA，需要流量的触发。但是在防火墙的Web管理界面的IPSec监控中看不到有关IPSec的信息，只能通过命令行查看。

在配置IPSec Profile（模板）的时候：

  • 不能配置远端的IP地址
  • 不能绑定ACL，即感兴趣流

在Tunnel口上绑定IPSec策略时，放行gre的流量的方向是，从vpn –> local的方向的流量。

参考文档：华为HedEx文档

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