IPsec协议详解

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（一）基本概念

IPsec 是 IETF 制定的一组开放的网络安全协议，在IP层通过数据来源认证、数据加密、数据完整性和抗重放功能来保证通信双方Internet上传输数据的安全性。

数据来源认证：接收方认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认证，以判定报文是否被篡改。

抗重放：接收方会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 包括认证头协议（Authenti c a tion Header，AH)、封装安全载荷协议 （Encapsulating Security Payload，ESP）、因特网密钥交换协议（Internet Key Exchange，IKE)，用于保护数据流。

AH和ESP这两个安全协议用于提供安全服务，IKE协议用于密钥交换。AH主要做认证，ESP可以做认证还可以加密。

IPSec通过在IPSec对等体间建立双向安全联盟，形成一个安全互通的IPSec隧道，来实现 Internet上数据的安全传输。

安全联盟SA：

（二）协议内容

（1）数据的封装模式

传输模式： 不改变原有的IP包头，通常用于主机与主机之间，只保护数据域。只针对数据部分进行加密。

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，适用于主机和网关实 现，针对头和数据进行加密。在隧道模式下，AH报头或ESP报头插在原始IP头之前， 另外生成一个新IP头（新IP头为对等体的IP地址）放到AH报头或ESP报头之前。隧 道模式在两台主机端到端连接的情况下，隐藏了内网主机的IP地址，保护整个原始数据包的安全。

传输模式：加密点，通信点一致的话，推荐传输模式。

隧道模式：加密点，通信点不一致，比如加密点在AB之间，通信点在CD之间 。

传输模式：可见原始ip报头都保留，原始ip地址都是在公网可路由的IP，不需要再重新封装。

隧道模式需要对原始IP数据进行重新封装，会产生新的IP头部，RawIP是原始，NewIP是新的IP头部。AH对整个IP报文做认证。

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数据包进行认证和加 密，并且可以使用对等体的IP地址来隐藏客户机的IP地址。从性能来讲，因为隧道模式有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。

（2）认证头协议AH

上面有提到IPsec 包括认证头协议（Authenti c a tion Header，AH)、封装安全载荷协议 （Encapsulating Security Payload，ESP）、因特网密钥交换协议（Internet Key Exchange，IKE)，用于保护数据流。

下面先介绍AH协议：

AH报文结构（保留了一些ipv6特征）:

（3）安全协议ESP

下面详细介绍一下每个字段：

SPI字段：安全参数索引，32bit，随机产生的，通过IKE进行协商的数据；在SADB数据库中查找SA

Sequence number字段：主要是防重放；通过窗口大小决定能接收哪些数据

IV字段：8bit；被认证，不被加密

Padding：填充字段，做块加密

Next Header：主要是体现上层承载的是一个什么协议（深深体现出ipv6的格式）

Authentication：认证字段，96bit；把认证后的数据放在尾部，确保数据完整性

下面介绍ESP包输出处理过程——填充，加密，验证，重算

ESP包输入处理：

先解密，外层头部剥离，再处理

先重组，再解密，再转发给真正的接入者，对网络设备要求高

重组是由最终接入者完成

（4）IKE协议

IKE协议可以为IPSec自动协商建立SA。

IKE协议建立在Internet安全联盟和密钥管理协议定义的框架上，是基于UDP的应用层协议。它为 IPSec提供了自动协商交换密钥、建立SA的服务，能够简化IPSec的使用和管理。

对等体之间建立一个IKE SA完成身份验证和密钥信息交换后，在IKE SA的保护下，根据配置的AH/ESP安全协议等参数协商出一对IPSec SA。此后对等体间的数据将在IPSec隧 道中加密传输。

IKEv1使用两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立IPSec SA。第一阶段，通信双方协商和建立IKE本身使用的安全通道，建立一个IKE SA。第二阶段，利用这个已通过了认证和安全保护的安全通道，建立一对IPSec SA。

（5）IPsec的两个数据库

SPD  /  SADB

数据最终怎么处理完全是由SA决定

（三）协议应用

GM/T-0022《IPSec VPN技术规范》规定:

 AH应和ESP嵌套使用，即先加密(ESP封装)后认证、完整性(AH封装)。

 ESP协议允许单独使用。