IPsec 原理和应用简介（一篇搞定~）_ipsec+是什么

IPsec（Internet Protocol Security）是为IP网络提供安全性的协议和服务的集合，是一组基于网络层的，应用密码学的安全通信协议族，不具体指某个协议。它是 VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）中常用的一种技术。由于IP报文本身没有集成任何安全特性，IP 数据包在公用网络如 Internet 中传输可能会面临被伪造、窃取或篡改的风险。通信双方通过 IPsec 建立一条 IPsec 隧道，IP 数据包通过 IPsec 隧道进行加密传输，有效保证了数据在不安全的网络环境如 Internet 中传输的安全性。

IPsec的工作过程

IPsec 可以分为配置 和运行 两个过程。配置过程 可以手工进行 也可以通过软件自动 配置，比如 strongSwan，LibreSwan，OpenSwan，FreeSwan等；

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IPsec工作时需要的数据：

安全策略(Security Policy，缩写SP)，定义了什么样的数据要进行ipsec处理，相关的配置被存储到SPD（Security Policy Database）中。

安全关联 （Security Association 缩写SA，有些文章翻译为"安全联盟"），是建立ipsec通信所需的相关参数。比如加密密钥、认证密钥等，保存在SAD（SA Database）中。

SP 描述了需要做什么；而 SA 描述了它应该如何实现。

一对SA和SP负责一个方向的数据处理，双向都需要IPsec就需要两对SA和SP。

建立SA，手工配置又复杂又不安全，生产上应该没人会用。利用软件自动配置是首选，软件配置是通过 Internet Key Exchange 协议(有IKEv1 和 IKEv2两个版本) 自动协商。IKE是一个复合协议，协议建立在Internet安全联盟和密钥管理协议ISAKMP定义的框架上，是基于UDP（User Datagram Protocol）的500 端口的应用层协议，在NAT环境下会切换为4500端口。

IKE的精髓在于它永远不在不安全的网络上传送密钥，而是通过一些数据的交换，通信双方最终计算出共享的密钥，并且即使第三方截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，也无法计算出真正的密钥。其中的核心技术就是DH（Diffie Hellman）交换技术。

DH方法针对的是以下困难的局面：

Alice 和 Bob 想协商一个密钥，用于对称加密。但是他们之间的通信渠道是不安全的。所有经过此渠道的信息均会被敌对方Eve看到。为了防止密钥泄露，Diffie 与 Hellman提出以下密钥交换协议：

有两个全局公开的参数，一个素数p和一个整数 g ，g 是 p 的一个原根。

1. Alice 和 Bob 先对 p 和 g 达成一致，而且公开出来。Eve 也就知道它们的值了。
2. Alice 取一个私密的整数a, 不让任何人知道, 发给 Bob 计算结果：A=ga mod p. Eve 也看到了A的值。

3.类似，Bob 取一私密的整数 b , 不让任何人知道, 发给Alice计算结果B=gb mod p. 同样 Eve 也会看见传递的B是什么。

1. Alice 拥有的信息为g、p、a、B 计算出 K=Ba mod p=(gb)a mod p=gab mod p.
2. Bob 拥有的信息为g、p、b、A 也能计算出 K=Ab mod p=(ga)b mod p=gab mod p.
3. Alice 和 Bob 现在就拥有了一个共用的密钥K.

7.虽然Eve也看见了p、g、A、B 但是鉴于计算离散对数的困难性，他无法知道a和b 的具体值，所以Eve就无从知晓密钥K是什么了。

IKE有三个组件：（了解一下不细聊）

SKEME，Oakley ，ISAKMP。

• SKEME：实现公钥加密认证的机制
• Oakley：基于到达两个对等体间的加密密钥的机制
• ISAKMP：在两个实体间进行分组格式及状态转换的消息交换的体系结构。

IKE协商分两个阶段：

第一阶段 ，用来协商自己用的连接信息，被称为 IKE SA（或 ISAKMP SA ），期间需要完成身份验证和密钥信息交换。

身份验证的方法

Public Key Authentication

Pre-Shared-Key Authenticiation (PSK)

Extensible Authentication Protocol (EAP) 用户名密码

eXtended Authentication (XAuth)

这个阶段有主模式（Main Mode）和野蛮模式（Aggressive Mode）两种协商方法。感兴趣的可以自行搜索或参考文后的扩展链接了解。

第二阶段 ，是在第一阶段建立的 **IKE SA ** 的保护下来确立 IPsec SA，使用快速模式。根据配置的 AH/ESP 安全协议等参数协商出 IPsec SA。

协商出IPSec 需要使用的认证算法和加密算法及相关密钥
（1）认证算法 IPSec可以使用三种认证算法
MD5（Message Digest 5）：MD5 通过输入任意长度的消息，产生 128bit 的消息摘要。
SHA-1（Secure Hash Algorithm）：SHA-1 通过输入长度小于 2 的 64 次方比特的消息，产生 160bit 的消息摘要。
SHA-2：SHA-2 算法相对于 SHA-1 加密数据位数有所上升，安全性能要远远高于SHA-1
（2）加密算法
加密算法实现主要通过对称密钥系统，它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。

IPSec使用以下三种加密算法：
DES：使用 56bit 的密钥对一个 64bit 的明文块进行加密。
3DES：使用三个 56bit 的 DES 密钥（共 168bit 密钥）对明文进行加密。
AES：使用 128bit、192bit 或 256bit 密钥长度的 AES 算法对明文进行加密。

IPsec运行过程

工作模式和封装协议

工作模式有隧道模式(Tunnel mode)和传输模式(Transport mode)。

封装协议有 AH (Authentication Header头部验证) 和 ESP (Encapsulating Security Payload安全载荷封装)两种，协议号分别为51、50。IPSEC 使用 ESP 来支持加密，使用 AH来保护报文的完整性。二者可以单独使用， 也可以一起使用。

AH 认证头协议：
鉴别头 AH：（不提供保密性，只对整个IP数据包提供保护）
无连接数据完整性：通过哈希函数产生的校验来保证
数据源认证：通过计算验证码时加入一个共享密钥来实现
抗重放服务：AH报头中的随机序列号可以防止重放攻击

ESP 封装安全载荷协议：
除提供 AH 认证头协议的所有功能之外，还有数据保密和有限的数据流保护。ESP 协议允许对 IP 报文净荷进行加密和认证、只加密或者只认证，ESP 没有对 IP头的内容进行保护。
保密服务通过使用密码算法加密 IP 数据包的相关部分来实现。
数据流保密由隧道模式下的保密服务提供。
ESP 通常使用 DES、3DES、AES 等加密算法实现数据加密，使用 MD5 或 SHA1 来实现数据完整性认证。

IPsec的数据封包方式

注：下边的图只是示意图，AH 头，ESP 头等还有其他细节结构，并未体现出来，详情请自行搜索。

AH 协议在两种模式下的封装：

ESP 协议在两种模式下的封装：

兴趣流量的识别和封装，由内核空间网络栈的 xfrm (读作transfrom)框架提供支持，处于Netfilter的处理路径上：

上图是知名的 netfilter 框架处理过程图的一部分，可以清楚的看到：input 的数据在 xfrm lookup 处，发现是需要解码的数据，解码后重新进入网络栈处理。

output 的数据经过 xfrm lookup 处，发现是需要编码的数据，编码后重新进入网络栈发出。

下边这个图看的可能更清晰些：

查看 xfrm 的状态，策略，监控可以使用ip命令：

ip xfrm state
ip xfrm policy
ip xfrm monitor

关于 IPsec 做 VPN：

传输模式，只是对原始IP包的数据部分进行处理，目的IP并没有变化。传输模式只为高层协议提供安全服务，提供端到端的数据保护，本身并不能做VPN。但是

常用的VPN比如 L2TP over IPsec， 即在 IPsec 的传输模式+ESP协议下，去跑 L2TP VPN：(由外到内的数据封装)

IP/UDP(4500)/ESP/UDP(1701)/L2TP/PPP/IP/TCP/HTTP

把 其他协议（比如GRE等）跑到传输模式的ESP加密的模式上，用ESP做加密，然后用其他协议做功能，也是常见的用法。

隧道模式，是对原有的整个 IP 包进行处理，外层又封装了一层IP头。可以做 VPN用，但因为之前 IPsec 隧道模式认证和分配IP的协议标准化不太好，所以也不常用，现在不知是否可以直接使用了。

关于 IPsec 的 NAT 穿透 ：

注：NAT 有很多类型，这里指的是 Port Address Translation (PAT)型的NAT，是和端口 相关的 NAT ，一般家庭网络都是这种 NAT。

AH 主要用于保护消息的完整性，其验证范围包含IP报文头，而 NAT 修改 IP 报文头会导致 AH 检查失败，因此使用 AH 保护的 IPSec 隧道是不能穿越 NAT 网关的。

ESP协议保护的报文不存在该问题，因为 ESP 保护的部分不包含IP报文头（对隧道方式而言是外层IP报文头）。

因为 AH/ESP 是 IP 层有协议号的协议，和 TCP、UDP 是同级协议，本身没有端口号，在标准的 PAT-NAT下也无法工作。

但是，还记得之前 IKE 协商时如果发现 NAT 环境会切换到 UDP 的 4500 端口么。IKE 用完了 UDP 的4500端口，后边 IPsec 真正工作时也会把自己封到 UDP-4500 端口的数据中，以支持 NAT 。这依靠 IPsec 的 NAT-Traversal，简称 NAT-T，NAT-Discovery ，简称 NAT-D 机制来实现的。

最终得到结论，只有ESP协议 配合UDP4500端口封装才能支持NAT环境。

关于本机的NAT配置对IPsec的影响

由下图可知，NAT处理是在IPsec之前的，如果NAT改变了数据的IP地址，IPsec有可能就识别不到相关数据流了，所以在网关上配有NAT以支持内网机器联网的同时，又要通过IPsec与远程网络打通时，一定要注意NAT的配置，不要对内网打通的流量做NAT。

配置示例

可以参考下边这个链接，通过strongSwan在Ubuntu系统上做个配置示例，

https://www.digitalocean.com/community/tutorials/how-to-set-up-an-ikev2-vpn-server-with-strongswan-on-ubuntu-22-04

这个示例配通后，本机的请求会被IPsec封装，传输到远端，在远端做NAT以使用远程服务器的IP访问网络。配置过程中注意服务器本机的防火墙配置。

应用情景

下图来自 strongSwan文档，可以用来解释好几种应用情景

• 左边10.1.0.0/16网络，代表一个办公区的内网，网关是moon。
• 右边10.2.0.0/16网络，代表另一个办公区，网关是sun。
• 中间192.168.0.0/24网络代表公网，画的是直连，但我们应该理解成中间经过很多路由器和不同的网段。
• 下边carol和dave代表能联通公网的主机，比如我们家里的电脑。
• 下边winnetou代表公网上的一台服务器。

情景一，安全加密（Host-to-Host）

图中moon和sun之间，想安全通信不被别人拦截数据。他们之间就可以打通IPsec隧道（传输或隧道模式，兴趣流 192.168.0.1 - 192.168.0.2），对他们之间的通信做加密。被加密的数据，可以是L2TP，GRE等其他VPN或隧道协议，为其他协议提供安全支持和NAT穿越等服务。

情景二，远程访问（Host-to-Site）

比如图中carol在家里，想访问左边的办公区的网络中的所有设备。carol和办公区的网关moon之间打通 IPsec 隧道（隧道模式，兴趣流 192.168.0.100-10.1.0.0/16），carol之间就可以向目的网段的服务器地址比如10.1.0.10发送数据了。

情景三，内网互联（Site-to-Site）

比如右边办公区的bob想直接访问左办公区的alice，那就在moon和sun之间打通IPsec隧道（隧道模式，兴趣流10.1.0.0/16-10.2.0.0/16），他们相互通信的数据包会被自动传输到对端。

情景四，隐藏IP（Host-to-Site + SNAT）

比如carol不想用自己的IP上网，想用winnetou的IP，那就在他们之间打通IPsec隧道（隧道模式，一般会配置一个VIP作为默认网关，兴趣流VIP - 0.0.0.0/0)， 在winnetou上开通数据转发功能，并对数据包做SNAT，发出前把源地址替换成自己的192.168.0.150。