72、IP安全与高级应用解析

IP安全与高级应用解析

1. ISAKMP有效负载类型

ISAKMP（Internet Security Association and Key Management Protocol）的有效负载类型用于识别消息的组成部分，不同的类型有着不同的含义，具体如下表所示：
| 有效负载类型 | 含义 |
| — | — |
| 0 | 没有更多有效负载 |
| 1 | 安全关联参数。通过指定安全关联的用途来为其建立设置上下文，包含一个解释域（DOI）字段，设置为值1表示IPsec |
| 2 | 提议有效负载定义安全关联的标识，包括操作协议（如IPsec、TLS、OSPF等）以及该协议中用于表示关联的cookie（有时称为安全参数索引或SPI） |
| 3 | 转换有效负载建议或商定可用于安全关联的安全进程和算法 |
| 4 | 密钥交换有效负载用于交换密钥 |
| 5 | 端点使用标识有效负载来识别自己，该有效负载根据解释域和所选的标识类型而定 |
| 6 | 证书有效负载使用各种标准化方法之一为端点的身份提供强认证 |
| 7 | 证书请求有效负载可包含在任何消息中，请求远程节点立即回复包含证书有效负载的消息 |
| 8 | 如果已同意使用消息认证，则消息中包含哈希有效负载。该有效负载包含使用转换有效负载协商的对消息全部或部分应用哈希算法的输出 |
| 9 | 转换有效负载也可以协商数字签名的使用。如果是这样，签名有效负载将包含在所有消息中以验证其来源 |
| 10 | 随机数有效负载中包含一个伪随机标识符，以帮助防止重放攻击。该标识符的值针对每个安全关联实例进行更改，但在一个关联的生命周期内保持不变 |
| 11 | 通知有效负载包含特定于DOI上下文的信息数据 |
| 12 | 删除有效负载正式“包含发送方已从其安全关联数据库中删除的特定于协议的安全关联标识符，因此不再有效”，即用于终止安全关联 |
| 13 | ISAKMP消息可以可选地包含供应商ID有效负载，以识别通信实现 |

2. 密钥交换

在建立安全关联时，有不同的交换方式，下面为你介绍几种常见的交换方式及其流程：
- 基本交换（Base Exchange）
在基本交换中，发起方和响应方交换的ISAKMP消息和有效负载如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发起方):::process -->|安全关联、提议、转换、随机数| B(IP网络):::process
    B -->|安全关联、提议、转换、随机数| C(响应方):::process
    C -->|密钥交换、身份、签名、证书| B
    B -->|密钥交换、身份、签名、证书| A

• 身份保护交换（Identity Protection Exchange）
  身份保护交换在建立安全关联时提供了额外的安全性，其交换流程如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发起方):::process -->|安全关联、提议、转换| B(IP网络):::process
    B -->|安全关联、提议、转换| C(响应方):::process
    C -->|密钥交换、随机数| B
    B -->|密钥交换、随机数| A
    A -->|身份、签名、证书、哈希| B
    B -->|身份、签名、证书、哈希| C

• 积极交换（Aggressive Exchange）
  积极交换可以将建立安全关联时交换的消息数量减少到仅三条，具体流程如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(发起方):::process -->|安全关联、提议、转换、密钥交换、随机数、身份| B(IP网络):::process
    B -->|安全关联、提议、转换、密钥交换、随机数、身份、签名、证书| C(响应方):::process
    C -->|签名、证书、哈希| B
    B -->|签名、证书、哈希| A

3. IP封装

IP封装在网络中有着重要的作用，特别是在流量工程和虚拟专用网络（VPN）方面。下面为你介绍几种常见的IP封装方式：
- 通过IP网络进行隧道传输
隧道传输为将需要以相同方式处理的IP数据包聚集在一起提供了一种方便的方法，例如沿着相同的路由转发、在流量管理机制下给予相同的处理等。同时，它还可以分离IP世界中的寻址方案，使企业网络在通过互联网通信时可以使用私有地址空间，而不必担心互联网或其他企业网络对其地址的反应。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(源A):::process -->|隧道| B(核心网络):::process
    C(源B):::process -->|隧道| B
    B -->|隧道| D(目的地A):::process
    B -->|隧道| E(目的地B):::process

• 通用路由封装（Generic Routing Encapsulation，GRE）
  GRE是一种用于在另一个协议中承载一个协议的通用机制，最初在RFC 1701中指定，后来由RFC 2784进行了修改和简化。其基本机制是将有效负载协议的数据包放入另一个协议（交付协议）的数据包中，并在前面加上GRE头。
  GRE头的结构如下：
  | 字段 | 说明 |
  | — | — |
  | 版本 | 指示GRE的版本，当前设置为零，以实现与RFC 1701实现的向后兼容 |
  | 保留-0 | 前4位可用于携带RFC 1701中的选项，RFC 2784实现不使用这些位 |
  | 协议类型 | 指示有效负载协议，值从互联网号码分配机构（IANA）管理的以太类型列表中选择 |
  | 头校验和（可选） | 如果存在，C位在头的开始处设置，并且使用一个额外的16位保留字段将头填充到32位边界 |
  | 保留-1（可选） | |

如果交付协议是IP，头中的下一个协议字段携带值47以指示存在GRE头。如果有效负载协议是IPv4，GRE头中的协议类型字段的值为0x0800（2048）。
- IP in IP封装
IP in IP封装是一种相对简单的隧道形式，进入隧道的IP数据包只需添加一个额外的IP头即可。新头携带隧道端点的源和目的地址，其有效负载是整个原始IP数据包（头和有效负载）。此过程在RFC 2003中定义，是在移动IP中将IP数据包从归属站传输到移动站的首选方式。
新头的一些重要字段说明如下：
- 协议字段 ：设置为4以指示有效负载是IPv4数据包。
- 源和目的地址 ：标识隧道的端点，而不是封装数据包的源和目的地址。
- TTL字段 ：不复制封装数据包的TTL，而是设置为一个值以控制数据包在隧道内的生命周期。当数据包转发到隧道中时，其TTL减1，将隧道视为单跳。
- 最小IP封装
IP in IP封装可能会引入较大的开销，特别是在每个数据包的数据有效负载较低时，可能会导致控制信息与传输数据的比率过高。为了减少这种开销，RFC 2004提出了最小IP封装的方法。
最小IP封装的步骤如下：
1. 修改原始IP头，更改源和目的地址以反映隧道的起点和终点，增加总数据包长度，重新计算校验和，并将下一个协议字段设置为55以指示最小IP封装。
2. 在修改后的头和数据之间插入最小转发头，用于保留原始IP头中在修改时被覆盖的字段，包括下一个协议、原始源和目的地址，并应用校验和以保持其完整性。
3. 如果隧道的起点也是原始IP数据包的源，则可以省略最小转发头中的原始源地址，并设置S位以指示使用较短形式的头。
4. 当数据包从隧道末端出来时，移除最小转发头，将其字段复制回主IP头，重新计算头校验和，并将数据包转发到其最终目的地。
- 使用MPLS隧道
MPLS（Multi-Protocol Label Switching）引入了一个小的MPLS头（垫片头）来封装每个IP数据包，并根据该头中的标签值对MPLS数据包进行交换。MPLS可以用于封装任何协议，但只能在支持MPLS的网络中转发，包括ATM和帧中继网络。

IP安全与高级应用解析

4. 虚拟专用网络（VPN）

VPN是服务提供商的一个主要增长领域，它允许客户的专用网络通过互联网连接在一起，用IP连接取代永久租用线路，为客户和服务提供商节省成本。但VPN也带来了一系列管理和安全方面的挑战，以下是一些相关介绍：
- VPN的基础 ：VPN基于IP封装中的隧道技术，通过隧道将企业网络连接起来，使它们之间的通信就像通过一条虚拟线路进行，数据不会泄露到其他域。例如，在通过IP网络进行隧道传输的方式下，企业网络可以使用私有地址空间进行通信。
- 面临的挑战与解决方案 ：
- 管理挑战 ：多个企业网络通过VPN连接，需要对不同网络的配置、访问权限等进行有效管理。可以采用集中式管理系统，对所有连接的网络设备和用户进行统一配置和监控。
- 安全挑战 ：由于数据在公共互联网上传输，容易受到攻击。可以结合IPsec等安全协议，对传输的数据进行加密和认证，确保数据的保密性和完整性。

5. 移动IP

移动IP为移动设备在网络中移动时保持连接提供了解决方案，但也给互联网协议带来了一些挑战：
- 面临的问题 ：
- 传输协议不适应 ：互联网协议通常基于面向连接的传输协议，而移动网络的特性使得这些传输协议不太适用。例如，移动设备在移动过程中可能频繁切换网络，面向连接的协议难以快速适应这种变化。
- 地址空间问题 ：互联网使用分层地址空间，而移动网络的动态性使得这种地址空间的使用变得复杂。移动设备可能在不同的子网之间移动，需要动态分配和管理地址。
- 解决方案 ：
- IP in IP封装 ：如前面所述，IP in IP封装是将IP数据包从归属站传输到移动站的首选方式。通过在原始IP数据包上添加一个新的IP头，携带隧道端点的地址，实现数据包的传输。
- 动态地址分配 ：采用动态主机配置协议（DHCP）等技术，为移动设备动态分配IP地址，以适应其移动性。

6. 语音IP（VoIP）

在IP网络上传输语音是一个重要的应用领域，它与移动IP等问题密切相关但又有所不同：
- 技术原理 ：VoIP将语音信号数字化，然后封装成IP数据包在网络上传输。它需要解决语音质量、延迟、丢包等问题，以提供良好的通话体验。
- 面临的挑战与解决方法 ：
- 语音质量 ：网络拥塞、延迟等因素可能导致语音质量下降。可以采用语音编解码技术，如G.711、G.729等，对语音信号进行高效压缩和还原，同时结合丢包补偿算法，减少丢包对语音质量的影响。
- 延迟问题 ：语音通信对延迟较为敏感。可以通过优化网络拓扑、采用低延迟的传输协议等方式，降低语音数据包的传输延迟。

7. 总结

IP安全和高级应用在现代网络中扮演着重要的角色。从ISAKMP有效负载类型和密钥交换确保安全关联的建立，到多种IP封装方式满足不同的网络需求，再到VPN、移动IP和VoIP等高级应用的发展，每一个方面都相互关联且不断演进。
以下是一个简单的总结表格，概括了本文介绍的主要内容：
| 类别 | 具体内容 |
| — | — |
| ISAKMP | 多种有效负载类型用于消息组件识别，不同的密钥交换方式建立安全关联 |
| IP封装 | 包括通过IP网络隧道传输、GRE、IP in IP封装、最小IP封装和MPLS隧道等方式 |
| 高级应用 | VPN连接企业网络，移动IP解决移动设备连接问题，VoIP实现语音在IP网络上的传输 |

未来，随着网络技术的不断发展，这些领域将面临更多的挑战和机遇，需要我们不断探索和创新，以满足日益增长的网络需求。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(ISAKMP):::process -->|保障安全| B(IP封装):::process
    B -->|支持| C(VPN):::process
    B -->|支持| D(移动IP):::process
    B -->|支持| E(VoIP):::process

这个流程图展示了各个技术之间的关系，ISAKMP为IP封装提供安全保障，而IP封装则支持VPN、移动IP和VoIP等高级应用的实现。