通信与网络安全之IPSEC

IPSec（IP Security）是IETF制定的为保证在Internet上传送数据的安全保密性能的三层隧道加密协议。IPSec在网络层对IP报文提供安全服务。IPSec协议本身定义了如何在IP数据包中增加字段来保证IP包的完整性、 私有性和真实性，以及如何加密数据包。使用IPsec，数据就可以安全地在公网上传输。IPSec技术也可以实现数据传输双方的身份验证，避免黑客伪装成网络中的合法用户攻击网络资源。IPSec只能在IP网络中使用。

1.IPSEC 特性

IPSec通过以下技术实现在机密性、完整性、抗抵赖和身份鉴别方面提高端到端的安全性：

1）通过使用加密技术防止数据被窃听。 对称+非对称 数字信封 ，非对称使用DH

2）通过数据完整性验证防止数据被破坏、篡改。 HMAC 哈希算法

3）通过认证机制实现通信双方身份确认，来防止通信数据被截获和回放。 随机数+IV+数字信封 

IPSec技术还定义了：

• 何种流量需要被保护。 使用ACL
• 数据被保护的机制。 使用AH、ESP协议
• 数据的封装过程。 使用DH 算法进行交换

2.IPSEC和IKE的关系

IKE（Internet Key Exchange）为IPSec提供了自动协商交换密钥、建立安全联盟的服务， 能够简化IPSec的使用和管理，大大简化IPSec的配置和维护工作。

IKE是UDP之上的一个应用层协议，端口号500，是IPSEC的信令协议。

IKE为IPSEC协商建立安全联盟，并把建立的参数及生成的密钥交给IPSEC。

IPSEC使用IKE建立的安全联盟对IP报文加密或验证处理。

IPSEC处理做为IP层的一部分，在IP层对报文进行处理。AH协议和ESP协议有自己的协议号，分别是51和50。

3.IPSec两种工作模式

3.1.传输模式

传输（transport）：只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头和被加密的传输层数据被放置在原IP包头后面。（数据包，根据OSI七层模型，一层层封装，从最外层依次为MAC-IP-TCP/UDP-数据）

传输模式一个最显著的特点就是：在整个IPSec的传输过程中，IP包头并没有被封装进去，这就意味着从源端到目的端数据始终使用原有的IP地址进行通信。而传输的实际数据载荷被封装在IPSec报文中。对于大多数IPSec传输而言， IPSec的报文封装过程就是数据的加密过程，因此，攻击者截获数据后将无法破解数据内容，但却可以清晰地知道通信双方的地址信息。

由于传输模式封装结构相对简单（每个数据报文较隧道模式封装结构节省20字节），因此传输效率较高，多用于通信双方在同一个局域网内的情况。例如：网络管理员通过网管主机登录公司内网的服务器进行维护管理，就可以选用传输模式IPSec对其管理流量进行加密。

总结：对传输层数据进行处理（不对IP包头处理），IP包头暴露在外，存在一定风险。适合主机对主机的访问。

3.2.隧道模式

隧道（tunnel）：用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，且被加密，对整个网络层数据包进行处理。AH或ESP头和加密用户数据被封装在一个新的IP数据包中。

隧道模式中， 将整个三层数据报文封装在IPSec数据内，再为封装后的数据报文添加新的IP包头。在AH、ESP处理之后再封装了一个外网IP头，主要用于Site-to-Site的应用场景

总结：对网络层整个包进行处理，添加新的IP包头。适合站点对站点。

4.IPSec的组成

IPSec包括AH（协议号51）和ESP（协议号50）两个协议。

1）AH（Authentication Header）报文验证头协议

主要提供的功能有数据源验证、数据完整性校验和防报文重放功能，可选择的散列算法有MD5、SHA1等。AH插到标准IP包头后面，它保证数据包的完整性和真实性，防止黑客截断数据包或向网络中插入伪造的数据包。AH采用了hash算法来对数据包进行保护。AH没有对用户数据进行加密。

在传输模式下，AH协议验证IP报文的数据部分和IP头中的不变部分。

在隧道模式下， AH协议验证全部的内部IP报文和外部IP头中的不变部分。

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