《数据通信与网络》笔记--IPSec

1.IP层的安全：IPSec

IP层安全（IP security，IPsec）是由因特网工程任务组（IETF）设计用来为IP层的分组提供安全的一组协议。IPsec帮助

生成经过鉴别的与安全的IP层的分组，如下图：

1.1.两种方式

IPSec以2种不同的方式运行，传输方式和隧道方式，如下图所示：

                                                                    传输方式

在传输方式（transport mode）下，IPsec保护传输层到网络层传递的内容，换言之，传输方式保护网路层的有效载荷，在网络层

中封装有效载荷。

传输方式通常用于主机到主机的数据保护，发送主机使用IPsec鉴别和/或加密来自传输层的有效载荷。接受主机使用IPSec检验鉴别

和/或解密IP分组并将它传递给传输层。

                                                                    隧道方式

在隧道方式（tunnel mode）下，IPsec保护整个IP分组，包括头部，将IPsec加密方法用与整个分组，然后增加一个新的头部。隧道

方式通常用于两个路由器之间，或者一个主机与一个路由器之间以及一个路由器与一个主机之间。换言之，当发送放或者接收方不是主机

时，我们使用隧道方式，对来自发送方与接收方之间的侵入提供真个原始分组保护。它好像整个分组通过假想的隧道进行传输。

1.2.两种安全协议

IPSec定义了两种安全协议，鉴别头部（AH）协议和封装安全载荷（ESP）协议，在IP层提供鉴别和/或加密。

1.2.1.鉴别头部协议

鉴别头部协议（Authenticatin Header Protocol）用于鉴别源端主机以确保IP分组所携带载荷的完整性。协议使用散列函数和一个

对称秘钥生成报文摘要，并将摘要插入鉴别头部中。根据其运行方式（传输方式或隧道方式），将AH插入到相应的位置。下图表示了

在传输方式下各个字段以及鉴别头部的位置。

当由IP数据报携带鉴别头部时，IP头部中协议字段的初始值就替换为值51。在鉴别头部内的一个字段（写一个头部字段）规定了协

议字段的初始值（由IP数据报携带的有效载荷类型）。加入鉴别头部的步骤如下：

a.     鉴别头部加入到有效载荷中，将鉴别数据字段的值置为0.

b.     散列处理是根据总的分组计算的。但是，IP头部中只有在传输过程中不发生改变的那些字段才包含在报文摘要（鉴别数据）的

计算过程中。

c.     将鉴别数据加入到鉴别头部中协议字段的值改为51，将IP头部加入。

1.2.2.封装安全载荷

AH协议并不提供保密性，只提供源端鉴别和数据的完整性。IPSec后来定义了一个可选的称为封装安全载荷

（Encapsulating Security Payload， ESP）的协议，它提供源端鉴定，完整性以及保密性。ESP增加了一个头部和一个尾部。注意，

ESP的鉴别数据加载分组的末端。这样使计算更容易。下图表示了ESP的头部和尾部的位置。

当IP数据报携带ESP的头部和尾部时，IP头部中协议字段的值更改为50。在ESP尾部内有一个字段（下一个头部字段）保留着协议字段的初始值

（IP数据报所携带的载荷类型，比如TCP或UDP）。ESP过程遵循下列步骤：

a．  对ESP尾部加入到有效载荷中。

b．  对有效载荷和尾部进行加密。

c．  加入ESP头部。

d．  使用ESP头部，有效载荷以及ESP尾部生成鉴别数据。

e．  将鉴别数据加入到ESP尾部的末尾。

f．  将协议值改为50后，在加入到IP头部。

1.2.3.AH和ESP

ESP协议是在AH协议已经使用后设计的，ESP除了能做AH能做的任何事情外，还能提供额外的功能（保密性），问题是，为什么我们需要

AH，答案是我们并不需要，但是AH的实施已经包含在一些商业产品中，这就是说AH将仍然是因特网的一部分，直至这些产品被淘汰。

1.2.4.IPSec提供的服务

AH和ESP两个协议可在网路层对分组提供几种安全服务。

访问控制：IPSec通过安全关联数据库（SADB）简介地提供访问控制，当一个分组到达目的端时，如果还没有为该分组建立安全关联，那么就

丢弃该分组。

报文鉴别：AH和ESP两者通过使用鉴别数据提供报文的完整性。生成一个数据摘要，该摘要由发送方发给接收方，由接收方进行检验。

实体鉴别：在AH和ESP中，用发送方发送的安全关联和秘钥散列数据摘要鉴别数据的发送方。

保密性：在ESP中报文加密提供保密性，但是AH没有提供保密性。如果需要保密性，我们应该用ESP而不是AH。

避免重放攻击：在两个协议中，用序列号和一个滑动窗口防止重放攻击（reply attack）。当建立安全关联时，每个IPSec头部都有一个

唯一的序列号，序列号从0开始增加直到2^32-1,当序列号到达最大值时，他复位为0，同时删除旧的安全关联并建立新的安全关联。为

了防止处理重复的分组，IPSec要求接收方使用固定大小的窗口。接收方固定窗口大小的默认值是64。

1.3.安全关联

IPSec需要使用一个称为安全关联（security Association，SA）机制建立一组安全参数。

因为我们已知IP是一个无连接的协议，每个数据报彼此独立，对这种类型的通信，IPSec使用下面的方法建立安全关联：

当发送方第一次有一个数据报要按发送给某一特定的接收方是，在发送方与该特定的的接收方之间建立一组安全参数，该组安全参数

可保存用作以后向同一个接收方发送IP分组传输。

一个简单入和出安全关联例子如下：

当Alice需要向Bob发送数据报时，他使用IPSec的ESP协议，用密钥为x的SHA-1执行鉴别，而用密钥为y的DES执行解密，

当Bob需要向Alice发送数据报时，他使用IPSec的AH协议，用密钥为z的MD5执行鉴别。

安全关联数据库（SADB）

安全关联数据库可以是很复杂的。如果Alice要发送多份报文给多个人，Bob需要接收来自多个人的报文时，情况就相当复杂。

另外每一方都需要有人关联和出关联才能允许双向通信。换言之，我们要有一组关联，他被聚合成一个数据库，这个数据库称为

安全关联数据库（security association database，SADB）。

1.4.因特网密钥交换（IKE）

现在我们来解决最后的部分，如何创建SADB。因特网密钥交换（Internet key exchange,IKE）是用于建立SADB中入关联于

出关联的一个协议。

IKE是在其他三个协议（Oakley，SKEME和ISAKMP）之上的一个更复杂的协议。如下图所示：

Oakley协议时由Hilarieorman开发的一个协议，他是在Diffie-Hellman密钥交换方法基础上的一个密钥生成协议，但做了一些改进，

Oakley是一个无格式的协议，就是说没有规定交换的报文格式。

SKEME是有HugoKrawcyzk设计的，它是另一个密钥交换协议，它使用公钥密码和密钥交换作为实体鉴别。

因特网安全关联和密钥管理协议（Internet SecurityAssociation and Key Management Protocol， ISAKMP）是由国家安全机构（NSA）

设计的协议，它具有实现IKE定义的交换。在生成标准化的和格式化的保温过程中，它允许IKE交换的多个分组，协议以及参数，从而生成安

全关联。

2.虚拟专用网（VPN）

虚拟专用网（virtual private network，VPN）是一个在大型公司中获得广泛应用的技术，为了实现公司内部和公司之间的通信，

他们使用因特网，但在内部通信中又必须进行保密，VPN，是将IPSec协议用到IP数据报的安全性上。

VPN技术在隧道方式下使用IPSec来提供鉴别，完整性以及保密性。

隧道方式：组织机构中每个专用的IP数据报都封装到另一个数据报中。为了在隧道技术中使用IPSec，VPN需要使用两种寻址方式，如图：

公共网络（因特网）负责将分组从R1传送到R2，外部人员无法解密分组的内容，也不能解密源地址和目的地址，解密过程发生在R2，

它找到分组的目的地址并转发该分组。