ipsec VPN技术（基础篇二）

1，前言

        上次我们介绍了什么是ipsec已经ipsec的工作流程和其中使用的一些协议，下面将讲解一下ipsec的工作模式和协议是如何联系工作的。

2，ipsec 封装模式

        AH ，ESP，AH+ESP       在该两种封装模式下都可以使用

        隧道模式（Tunnel Mode）：保护一个网络中的设备的安全，通常是两台网关设备。

隧道模式使用新的报文头来封装消息，可以保护一个网络的消息，适用于两个网关之间通信，是比较常用的封装模式。 

        传输模式（Transport Mode ）：保护两台通信主机之间的安全。

 传输模式不改变报文头，隧道的源和目的地址就是最终通信双方的源和目的地址，通信双方只能保护自己发出的消息，不能保护一个网络的消息。

                                         图：隧道模式下的ESP加密报文

3、IKE 协议 协商建立IPsec SA

IKE协议中重要的协议ISAKMP协议，其报文如下：

• Initiator’s Cookie（SPI）和responder’s Cookie（SPI）：在IKEv1版本中为Cookie，在IKEv2版本中Cookie为IKE的SPI，唯一标识一个IKE SA。
• Version：IKE版本号1。
• Exchange Type：IKE定义的交互类型2。交换类型定义了ISAKMP消息遵循的交换顺序。
• Next Payload：标识消息中下一个载荷的类型。一个ISAKMP报文中可能装载多个载荷，该字段提供载荷之间的“链接”能力。若当前载荷是消息中最后一个载荷，则该字段为0。
• Type Payload：载荷类型，ISAKMP报文携带的用于协商IKE SA和IPSec SA的“参数包”。载荷类型有很多种，不同载荷携带的“参数包”不同。不同载荷的具体作用我们后面会结合抓包过程逐一分析。

说明：

1：IKEv1版本中可以在交换类型字段查看协商模式，阶段1分为两种模式：主模式和野蛮模式，阶段2采用快速模式。主模式是主流技术，野蛮模式是为解决现实问题而产生的。IKEv2版本中定义了查看创建IKE SA和CHILD SA（对应IKEv1的IPSec SA）的IKE_SA_INIT、IKE_AUTH（创建第一对CHILD SA）、CREATE_CHILD_SA（创建后续的CHILD SA）。

         该ISAKMP协商使用的主模式，IKE SA协商双方发送了6个报文，后面的IPsec SA的协商使用的快速模式。

主模式下的协商过程：

分为三个阶段进行协商：

        双方响应IKE安全提议报文，同时在自己配置的ipsec 安全规则中寻找匹配的安全规则，主要匹配：加密算法、认证算法、身份认证方法、DH组标识，需要双方具有相同的匹配，才能协商成功。

        发送密钥材料，利用ISAKMP消息的Key Exchange和nonce载荷交换彼此的密钥材料，Key Exchange用于交换DH公开值，nonce用于传送临时随机数。

        生成密钥用于身份验证和加密，网关最终会产生三个密钥：

• SKEYID_a：ISAKMP消息完整性验证密钥――谁也别想篡改ISAKMP消息了，只要消息稍有改动，响应端完整性检查就会发现！
• SKEYID_e：ISAKMP消息加密密钥――再也别想窃取ISAKMP消息了，窃取了也看不懂！

以上两个密钥保证了后续交换的ISAKMP消息的安全性！

• SKEYID_d：用于衍生出IPSec报文加密和验证密钥――最终是由这个密钥保证IPSec封装的数据报文的安全性！

整个密钥交换和计算过程在IKE SA超时时间的控制下以一定的周期进行自动刷新，避免了密钥长期不变带来的安全隐患。

        身份认证：  主要有两种认证方式-

                --->预共享密钥（pre-share）:设备的身份信息为IP地址或名称（包括FQDN和USER-FQDN两种形式）。当IKE Peer两端都有固定IP地址的时候，一般都用IP地址作为身份标识；当一端为动态获取IP地址的时候，没有固定IP地址的一端只能用名称来标识。

                --->数字证书方式(certificate)：设备的身份信息为证书和通过证书私钥加密的部分消息Hash值（俗 称签名）

以上身份信息都由SKEYID_e进行加密，所以在抓包中我们只能看到标识为“Encrypted”的ISAKMP消息，看不到消息的内容（身份信息）。

IPsec SA 的建立：

         在IKE v1中，ipsec SA 的建立使用的是ISAKMP的快速模式，发送三条消息。其中的数据是加密的。协商的流程和交换的信息如下图：

 IPsec SA 协商过程：

        对端发送IPsec安全提议和密钥材料，对端发送响应报文，包含匹配到得Ipsec规则，和密钥材料。同时双方生产用于IPsec SA 的密钥。

注意：

        由于IPSec SA的密钥都是由SKEYID_d衍生的，一旦SKEYID_d泄露将可能导致IPSec VPN受到侵犯。为提升密钥管理的安全性，IKE提供了PFS（完美向前保密）功能。启用PFS后，在进行IPSec SA协商时会进行一次附加的DH交换，重新生成新的IPSec SA密钥，提高了IPSec SA的安全性。