一文带你了解IPsec协议

前言

互联网安全协议（Internet Protocol Security，IPSec）是一个协议包
通过对IP协议的分组进行加密和认证来保护IP协议的网络传输协议簇（一些相互关联的协议的集合）

简介

IPSec是IETF（Internet Engineering Task Force，即国际互联网工程技术小组）提出的使用密码学额保护IP层通信的安全保密架构 ，是一个协议簇

通过对IP协议的分组进行加密和认证来保护IP协议的网络传输协议簇（一些相互关联的协议的集合）

IPSec可以实现以下4项功能:

• ①数据机密性：IPSec发送方将包加密后再通过网络发送
• ② 数据完整性：IPSec可以验证IPSec发送方发送的包，以确保数据传输时没有被改变
• ③数据认证：IPSec接受方能够鉴别IPsec包的发送起源。此服务依赖数据的完整性
• ④反重放:IPSec接受方能检查并拒绝重放包

IPSec主要由以下协议组成：

• 一、认证头（AH），为IP数据报提供无连接数据完整性、消息认证以及防重放攻击保护；
• 二、封装安全载荷（ESP），提供机密性、数据源认证、无连接完整性、防重放和有限的传输流（traffic-flow）机密性；
• 三、安全关联（SA），提供算法和数据包，提供AH、ESP操作所需的参数。
• 四、密钥协议（IKE），提供对称密码的钥匙的生存和交换

技术细节

认证头（AH）

• 认证头（Authentication Header，AH）被用来保证被传输分组的完整性和可靠性
• 它还保护不受重放攻击
• 认证头试图保护IP数据报的所有字段，那些在传输IP分组的过程中要发生变化的字段就只能被排除在外
• 当认证头使用非对称数字签名算法（如RSA）时，可以提供不可否认性（RFC 1826）
  
  字段含义：

封装安全载荷（ESP）
封装安全载荷（Encapsulating Security Payload，ESP）协议对分组提供了源可靠性、完整性和保密性的支持
与AH头不同的是，IP分组头部不被包括在内

安全结构

• IPSec协议工作在OSI 模型的第三层，使其在单独使用时适于保护基于TCP或UDP的协议（如 安全套接子层（SSL）就不能保护UDP层的通信流）
• 这就意味着，与传输层或更高层的协议相比，IPSec协议必须处理可靠性和分片的问题
• 同时也增加了它的复杂性和处理开销
• 相对而言，SSL/TLS依靠更高层的TCP（OSI的第四层）来管理可靠性和分片

安全协议

• (1)AH(AuthenticationHeader) 协议

它用来向 IP通信提供数据完整性和身份验证,同时可以提供抗重播服务

• 在 IPv6 中协议采用 AH 后, 因为在主机端设置了一个基于算法独立交换的秘密钥匙, 非法潜入的现象可得到有效防止, 秘密钥匙由客户和服务商共同设置
• 在传送每个数据包时,IPv6 认证根据这个秘密钥匙和数据包产生一个检验项。在数据接收端重新运行该检验项并进行比较,从而保证了对数据包来源的确认以及数据包不被非法修改

• (2)ESP(EncapsulatedSecurityPayload) 协议

• 它提供 IP层加密保证和验证数据源以对付网络上的监听
• 因为 AH虽然可以保护通信免受篡改, 但并不对数据进行变形转换, 数据对于黑客而言仍然是清晰的
• 为了有效地保证数据传输安全, 在IPv6 中有另外一个报头 ESP,进一步提供数据保密性并防止篡改

安全联盟 SA

• 安全联盟 SA,记录每条 IP安全通路的策略和策略参数
• 安全联盟是 IPSec 的基础, 是通信双方建立的一种协定，决定了用来保护数据包的协议、转码方式、密钥以及密钥有效期等
• AH和 ESP都要用到安全联盟,IKE的一个主要功能就是建立和维护安全联盟

密钥管理协议

• 密钥管理协议 ISAKMP, 提供共享安全信息
• Internet密钥管理协议被定义在应用层
• ETF规定了Internet安全协议和互联网安全关联和秘钥管理协议
• ISAKMP(Internet Security Association and Key Management Protocol) 来实现 IPSec 的密钥管理,为身份认证的 SA 设置以及密钥交换技术

安全特性

IPSec的安全特性主要有：

不可否认性

• "不可否认性"可以证实消息发送方是唯一可能的发送者
• 发送者不能否认发送过消息
• "不可否认性"是采用公钥技术的一个特征，当使用公钥技术时，发送方用私钥产生一个数字签名随消息一起发送，接收方用发送者的公钥来验证数字签名。由于在理论上只有发送者才唯一拥有私钥，也只有发送者才可能产生该数字签名
• 所以只要数字签名通过验证，发送者就不能否认曾发送过该消息
• 但"不可否认性"不是基于认证的共享密钥技术的特征
• 因为在基于认证的共享密钥技术中，发送方和接收方掌握相同的密钥

反重播性

• "反重播"确保每个IP包的唯一性，保证信息万一被截取复制后，不能再被重新利用、重新传输回目的地址
• 该特性可以防止攻击者截取破译信息后，再用相同的信息包冒取非法访问权（即使这种冒取行为发生在数月之后）

数据完整性

• 防止传输过程中数据被篡改，确保发出数据和接收数据的一致性
• IPSec利用Hash函数为每个数据包产生一个加密检查和，接收方在打开包前先计算检查和
• 若包遭篡改导致检查和不相符，数据包即被丢弃

数据可靠性

• 在传输前，对数据进行加密，可以保证在传输过程中，即使数据包遭截取，信息也无法被读
• 该特性在IPSec中为可选项，与IPSec策略的具体设置相关

IKE

• IKE（RFC2407，RFC2408、RFC2409）属于一种混合型协议
• 由Internet安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）和两种密钥交换协议OAKLEY 与 SKEME 组成
• IKE创建在由ISAKMP定义的框架上，沿用了OAKLEY的密钥交换模式以及SKEME的共享和密钥更新技术，还定义了它自己的两种密钥交换方式。

IKE使用了两个阶段的ISAKMP：

• 第一阶段，协商创建一个通信信道（IKE SA），并对该信道进行验证，为双方进一步的IKE通信提供机密性、消息完整性以及消息源验证服务
• 第二阶段，使用已建立的IKE SA建立IPsec SA（V2中叫Child SA）

【百度百科-IPsec】
【参考链接】