1 概念
- IPSec : Internet Protocol Security基于IP协议的安全，IPsec是个协议组内含多种协议
IPSec详细介绍
- 在网络层为ip数据包提供安全服务的协议组，包括私密性，完整性，防重放攻击，以及身份认证;
- 优点∶
■ 对下层没有要求(与物理层和数据链路层无关)
■ 对上层没有要求( 与传输层和应用无关)
■ 易于扩展(与网络规模无关)
- VPN : Virtual Private Network 虚拟专用网络
- IPSec VPN : IPSec协议组实现IP数据包传输安全的一种VPN技术
2 IPSec VPN的类型
site-to-Site VPN
- 用于两个站点的内部网络可以安全的相互通信
- 特点:站点通常都具备固定的公网ip地址
- 包括:L2L, DMVPN,GETVPN,GRE over IPSec, SVTL, EZVPN
Remote Access VPN
- 用于移动用户或者远程办公的个体用户连接到中心网络.
- 特点:中心网络具备固定的公网IP地址，远端用户P地址不固定心
- 包括:SSLVPN,EZVPN,DVTI(其中 SSLVPN不属于IPSec VPN)
3 IPSec协议组的组成
IPSec由三部分组成
- IKE(Intermet Key Exchange)互联网秘钥交换
- AH(Authentication Header)认证头部
- ESP(Encapsulation Security Protocol)封装安全协议
3.1 IKE（控制层面）
作用
- IPSec使用IKE来完成对等体之间的认证（PSK）和秘钥的生成与交换（DH算法）
- 协商和维护安全关联SA （Security Association)
- 参数SA是一个集合，包含了加密算法，认证方式等等，可以手动配置里面内容
- 通过认证，排除伪装者
- 自动产生秘钥，并自动更新秘钥
- 动态，安全的交换秘钥
组成部分
- Oakley
- SKEME
- ISAKMP
工作原理
- Oakley负责支持现有或新的算法
- SKEME负责定义秘钥交换方式
- ISAKMP (Internet Security Association and KeyManagement Protocol)负责Message交互.
- Oakley, SKEME相当于是后台程序，ISAKMP相当于前台执行者.（类似OSPF通过LSDB计算出RIB表项），ISAKMP定义了整体的协商框架
- 可以简单的认为ISAKMP = IKE（从SA 和 KM可以看出ISAKMP的主要工作就是 协商SA以及计算KM）
3.2 AH /ESP（数据层面）
概念
- 用做封装实际数据包的头部的两种形式
4 控制层面——IKE
ISAKMP（IKE）在Peer之间建立一个安全通道来协商Key需要两个阶段来协商完成
注： 概念解释
- PFS
（1）Perfect-Forward-Secrecy，完美向前保密；
（2）由于在Quick Mode计算对称秘钥使用的材料是来自Main Mode，具有一定的关联性，如果在Main Mode秘钥被破译，则可能会对数据传输的安全性造成影响（因为使用的是第二阶段计算出的对称秘钥进行加密）
（3）所以，使用PFS，在第二阶段重新进行AH的协商，减少一二阶段的关联性，从而增加真实数据传输的安全性（即使再次AH协商也会有被破译的风险，但是加密解密增加了时间的成本，一定程度上也增加了数据传输的安全性）
4.1 阶段1
- 工作原理
■ 通过Main Mode（6个包）或Aggressive Mode（3个包），协商产生一个双向的ISAKMP SA，该SA内算法用于保护IKE协商过程
【Main Mode协商来回需要6个报文，而Aggresive Mode协商来回只需要3个报文，后者多用在性能较差的设备上，现在几乎不再使用该模式】
■ 在这个安全通道中使用非对称密钥算法“DH”和“PSK”计算得到秘钥“Ka, Kd,Ke, a=Authentication,d=Data, e=Encryption”
■ 使用Ke来保护阶段1的第五个和第六个，以及阶段2的所有Message交互
■ 使用Ka来完成Peer之间的身份认证
■ 使用Kd来产生将来实际加密数据的Key
- 流程图
M1/M2
- 协商算法
- 包含通信双方各自的Cookie (8bytes),作为协商序列号，Cookie=Hash (P,Port,Protocol,Date,Time, Random),阶段1,2均使用相同Cookie
- M1包含发送方的所有SA,M2包含接收方选择的匹配的一个SA（因为可能存在一个总部对多个分公司的情况，所以可以是一对多的情况，只需要匹配SA）
- SA包含对协商消息保护所采用的加密算法，Hash算法，DH秘钥长度，身份认证方式，以及协商的有效期
M3/M4
- 协商秘钥（及材料）
- 通信双方开始交换DH计算出的公开值，即DH的公钥
- 交换公钥的过程中携带一个随机数Nonce
- (现时标识)交换完以上两个参数以后，开始各自计算Ka, Kd, Ke
- 该交互过程通常不存在故障性
M5/M6
- 通信双方利用计算出的Ke完成对Message的加密，同时再用Ka来完成双方的身份认证
- 排错——第一阶段失败的原因？
收不到
■ 外层IP（通信点IP）路由不可达
收的到
■ 双方没有匹配的SA，SA协商失败（停在SA协商阶段，即一二个包）
■ 双方PSK没有设置，则无法计算出秘钥和材料（停在计算Ka、Kd、Ke时即三四个包，因为计算需要PSK+DH参数）
■ 双方PSK设置不一致，则身份认证失败（停在身份认证阶段，即五六个包）
4.2 阶段2
- 工作原理
■ 通过Quick Mode（3个包）构建IPSec SA,该SA用于保障后续真实数据的传输，包含对数据封装使用什么协议，加密算法，HMAC算法，工作模式以及感兴趣流量
■ 在ISAKMP的保护下，产生两个单向的IPSec SA,一个用于发送数据，一个用于接收数据
■ 基于阶段1的Kd结合IPSec SA内定义的算法来产生加密实际数据的Key，不过加密需要基于ESP的封装方式，如果是AH则不具备加密的功能，但是他们都有检验完整性的功能
- 流程图
IPSec SA内容
以下探讨的是真实数据的封装和加密方式
■ 使用什么协议封装(ESP,AH)【后面会细说】
■ 使用什么加密算法以及秘钥长度( DES,3DES,AES)
■ 使用什么认证算法以及输出长度(MD5,SHA)
■ 工作模式(Tunnel,Transport)
■ 感兴趣流量，即哪些数据需要进行加密
■ 保护阶段2协商的有效期，也就是秘钥的有效期（两种方式，以时间为限制，以流量为限制）
■ 是否启用DH算法.(即是否启用PFS)工作模式
■ Transport Mode传输模式∶加密点等于通信点
■ Tunnel Mode隧道模式:加密点不等于通信点.
■ 如果加密点与通信点地址不相同，那么必须使用Tunnel模式
■ 如果加密点与通信点地址相同，那么可以使用Transport模式，也可以是Tunnel模式
■ 针对第二种情况，如果使用Tunnel模式，那么会多出一层包头，导致载荷减少
■ 工作模式的不同会影响真实数据中报文的封装格式感兴趣流
■ 需要使用类似ACL的工具来吸取感兴趣流
4.3 阶段1、2以及真实数据间联系
阶段一
- DH+PSK+Nonce计算出Ka、Kd、Ke；
- 这三者为IKE后续阶段提供加密秘钥Ke和身份认证秘钥Ka，以及为后续加密真实数据的对称加密算法的生成材料（Kd）
阶段二
- 通过阶段一计算出的Kd值，结合这个过程协商的SA计算出后续加密真实数据的对称加密算法的秘钥
- 通过协商的SA内的头部封装形式来决定数据的整体加密以及验证完整性的形式
- 还有后续数据报文的tunnel模式所体现的数据包格式等等，这里不再细说
5 数据层面——AH/ESP头部以及数据库
注：概念解释
- NAT-T
（1）现网中，几乎不使用传统NAT（改变IP），而是使用NAPT（改变IP+端口号）
（2）对于支持NAT的IPSec ESP头部封装而言，并不能满足NAPT的转换条件，因为不存在端口号
（3）因此，衍生出NAT-T技术，在封装的IP头后添加UDP 4500（源目）来帮助NAPT的功能实现
5.1 头部封装内容
- 报文内容
（从图中也可以看出ESP不包含完整性认证信息，也侧面说明ESP可以在“加密”和“完整性认证”两个功能之中进行二选一）
- 头部主要部分
■ SPI：用于接收方匹配相应的SA来进行数据处理
■ Sequence：序列号，本端进行防溢出，对端进行防重放；由Quick Mode阶段的Message ID生成；
本端防溢出：一旦序列号到达一定值则重新进行SA协商
对端防重放：收到的序列号必须为上个Sequence的基础上+1，否则丢包，两端的第一阶段的Message ID一致，Sequence由此生成；在Main mode中，使用cookie来进行防重放检测，一旦对端收到cookie值和上一个不同则直接丢包；
■ 完整性认证信息：用于完整性认证
5.2 AH (Authentication Header)
- 特点
- 提供源认证
- 完整性校验
- 现在基本不使用
（1）不提供加密
（2）不支持NAT和NAPT
- AH头部不支持NAT的原因分析
（1）对于包含AH头部的报文，发送设备的处理过程是先完整性认证，再NAT；
（2）对于包含AH头部的报文，接收设备的处理过程是先完整性认证，再NAT；
（3）由于接收方使用NAT前的原始信息去校验发送方NAT后的数据，所以NAT肯定失败；
| 内部到外部（发送方） | 外部到内部（接收方） |
|---|---|
| 完整性认证 | 完整性认证 |
| 路由 | 解密 |
| NAT | NTA |
| 加密 | 路由 |
- 过程
- 所有数据都是明文传输
- 发送方将[IP头部+载荷+PSK]一起做Hash,结果都放到AH头部，再将头部放在IP包头与载荷之间
- 接收方将[IP头部+载荷+PSK]一起做Hash,将结果与收到的AH头部记录的Hash值进行比对来完成身份认证以及完整性校验.
- 报文细节
5.3 ESP (Encapsulation Security Payload)
- 特点
- 提供私密性，完整性，源认证功能，数据载荷加密传输
- ESP头部包含:SPI（Cookies）和序列号
- ESP尾部用于表明填充长度以及后面是否存在认证字段
- 支持NAT和NAPT
- ESP可以在“加密”和“完整性验证”两个功能中二选一
- 过程
- 发送方：先加密再哈希
- 接收方：先哈希再解密
- 为什么发送方不可以先哈希再加密？
（1）发送方的操作步骤会影响接收方的操作步骤，改后接收方就是先解密再反哈希，但是哈希不能反向，无法获取真实数据，所以这种办法不可取
（2）浪费CPU资源，如果完整性被破坏，就没有解密的必要了
（3）有安全隐患，黑客可以利用改后操作一直发包强迫设备解密占用CPU资源
- 报文细节
5.4 两者模式下的封装区别
- 图中使用AH+ESP头部的原因？
■ 结合AH完整性验证范围大的优点以及ESP对数据进行加密的优点
■ 但是需要在不存在NAT的环境下使用
5.5 数据库和具体流程
以下两个数据库需要联合使用，先查SPDB再查SADB
- SPDB（security policy database）
匹配对应感兴趣流的数据库 - SADB（security association database）
SA即真实数据使用的算法和秘钥；根据（SPI，Peer IP、protocol）三元组，匹配对应SA，由于SA是单向的，因此本地的出方向的SA和对端的入方向SA的SPI相同；使用三元组是加快查询速度，不然就SPI其实就可以做到精准查询了；
6 IPSec L2L过程
（1）产生内网互访流量 172.16.0.1 -> 192.168.0.1
（2）CE1接收之后，根据默认路由将数据路由到S2/0接口
（3）S2/0由于有配置IPSec，且流量符合IPSec内的ACL表项，所以开始进行IKE过程（九个包）
（4）IKE完成后开进行正常流量的传输（可能存在加密和认证等IPSec操作）
综上，IPSec要想成功运行，需要三要素：
（1）存在路由引导流量到配置了IPSec的接口（这个接口可以是物理接口也可以是tunnel接口）
（2）IPSec正确配置且挂载在正确的接口上
（3）流量符合IPSec内的ACL表项
7 IKE命令
下面为CE1的IPSec VPN的配置部分；基础配置如接口和默认路由不再展示，CE2配置类似于CE1也不再展示
- 修改ISAKMP 中的SA属性
CE1#conf t
CE1(config)#crypto isakmp policy ?
<1-10000> Priority of protection suite
CE1(config)#crypto isakmp policy 10
CE1(config-isakmp)#?
ISAKMP commands:
authentication Set authentication method for protection suite //设置认证方式
default Set a command to its defaults
encryption Set encryption algorithm for protection suite //设置对称加密算法的秘钥
exit Exit from ISAKMP protection suite configuration mode
group Set the Diffie-Hellman group //设置DH要生成的最终秘钥的长度
hash Set hash algorithm for protection suite //设置hash的具体方式
lifetime Set lifetime for ISAKMP security association //设置协商时间
no Negate a command or set its defaults
CE1(config-isakmp)#authentication ?
pre-share Pre-Shared Key
rsa-encr Rivest-Shamir-Adleman Encryption
rsa-sig Rivest-Shamir-Adleman Signature
CE1(config-isakmp)#authentication pre-share
CE1(config-isakmp)#encryption ?
3des Three key triple DES
aes AES - Advanced Encryption Standard.
des DES - Data Encryption Standard (56 bit keys)
CE1(config-isakmp)#encryption 3des
CE1(config-isakmp)#group ?//设置K的长度
1 Diffie-Hellman group 1
2 Diffie-Hellman group 2
5 Diffie-Hellman group 5
CE1(config-isakmp)#group 1
CE1(config-isakmp)#hash ?
md5 Message Digest 5
sha Secure Hash Standard
CE1(config-isakmp)#hash md5
设置PSK值
CE1(config)#crypto isakmp key 0 cisco address 200.64.0.3//前面的cisco是设置PSK，后面设置的IP地址是对端通信IP
设置IPSec SA
//可以设置认证的类型和加密的形式，以及报头的封装类型
CE1(config)#crypto ipsec transform-set ?
WORD Transform set tag
CE1(config)#crypto ipsec transform-set 10 ?
ah-md5-hmac AH-HMAC-MD5 transform
ah-sha-hmac AH-HMAC-SHA transform
comp-lzs IP Compression using the LZS compression algorithm
esp-3des ESP transform using 3DES(EDE) cipher (168 bits)
esp-aes ESP transform using AES cipher
esp-des ESP transform using DES cipher (56 bits)
esp-md5-hmac ESP transform using HMAC-MD5 auth
esp-null ESP transform w/o cipher
esp-seal ESP transform using SEAL cipher (160 bits)
esp-sha-hmac ESP transform using HMAC-SHA auth
CE1(config)#crypto ipsec transform-set 10 esp-md5-hmac ?
ah-md5-hmac AH-HMAC-MD5 transform
ah-sha-hmac AH-HMAC-SHA transform
comp-lzs IP Compression using the LZS compression algorithm
esp-3des ESP transform using 3DES(EDE) cipher (168 bits)
esp-aes ESP transform using AES cipher
esp-des ESP transform using DES cipher (56 bits)
esp-null ESP transform w/o cipher
esp-seal ESP transform using SEAL cipher (160 bits)
<cr>
CE1(config)#crypto ipsec transform-set 10 esp-3des esp-md5-hmac
设置工作模式
CE1(config)#crypto ipsec transform-set 10 esp-3des esp-md5-hmac
CE1(cfg-crypto-trans)#mode ?
transport transport (payload encapsulation) mode
tunnel tunnel (datagram encapsulation) mode
CE1(cfg-crypto-trans)#mode tunnel
设置感兴趣流
CE1(config)#access-list 100 permit ip host 172.16.0.1 host 192.168.0.1
整合ISAKMP SA和IPSec SA
//isakmp不需要匹配，因为所有的都发
CE1(config)#crypto map CCIE ?
<1-65535> Sequence to insert into crypto map entry
CE1(config)#crypto map CCIE 10 ?
ipsec-isakmp IPSEC w/ISAKMP
CE1(config)#crypto map CCIE 10 ipsec-isakmp
CE1(config-crypto-map)#set peer 200.64.0.3//设置邻居IP，根据该IP可以确定一个ISAKMP SA
CE1(config-crypto-map)#set transform-set 10//确定使用的IPSec SA
CE1(config-crypto-map)#match address 100//匹配感兴趣流
//设置新的对等体需要CE1(config)#crypto map CCIE 20 ipsec-isakmp，和原本的是Back up关系，一个ISAKMP SA可以匹配多条IPSec SA和感兴趣流，一条IPSec SA匹配一条感兴趣流
接口开启IPSec VPN
CE1(config)#int s2/0
CE1(config-if)#crypto map CCIE
查看命令
- 查看ISAKMP 中SA属性
默认的SA属性
CE1#show crypto isakmp policy
Global IKE policy
Default protection suite
encryption algorithm: DES - Data Encryption Standard (56 bit keys).
hash algorithm: Secure Hash Standard
authentication method: Rivest-Shamir-Adleman Signature
Diffie-Hellman group: #1 (768 bit)
lifetime: 86400 seconds, no volume limit
正确的SA属性
CE1#show crypto isakmp policy
Global IKE policy
Protection suite of priority 10
encryption algorithm: Three key triple DES
hash algorithm: Secure Hash Standard
authentication method: Pre-Shared Key
Diffie-Hellman group: #1 (768 bit)
lifetime: 86400 seconds, no volume limit
Default protection suite
encryption algorithm: DES - Data Encryption Standard (56 bit keys).
hash algorithm: Secure Hash Standard
authentication method: Rivest-Shamir-Adleman Signature
Diffie-Hellman group: #1 (768 bit)
lifetime: 86400 seconds, no volume limit
- 查看加密和解密的数据
CE1#show crypto engine connections active
- 查看隧道情况
CE1#show crypto isakmp sa
8 思考
8.1 为什么一定要封装头部（AH/ESP）？
- （1）完整性和身份认证后的数据需要存放在里面
- （2）通过头部标识可以帮助接收方匹配对应的SA来进行对应操作
8.2 ESP和AH哪一个支持NAT和NAPT，为什么？
- （1）ESP支持NAT和NAT-T，前者因为ESP头部校验数据的时候忽略外部的IP头，后者是可以插入UDP 4500来支持NAPT的转换（也就是实现了NAT-T的功能）
- （2）ESP不支持NAT和NAPT，因为发送方先是校验完整性然后再进行NAT修改外部IP头，所以接收方使用AH头部内的原始校验信息校验NAT后的数据自然就是校验失败，所以也就不支持NAT了，当然更加不支持NAT-T
8.3 IKE第一阶段和第二阶段以及真实数据之间的关联
- （1）第一阶段为第二阶段提供对称秘钥的生成材料（可以阻断这种功能，使用PFS），并且第一阶段产生的秘钥可以加密IKE后续数据
- （2）第二阶段为真实数据传输协商头部封装方式，以及加密和验证方法…
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