IPSEC(上）--IPSEC简介+协议框架

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我是靠谱客的博主儒雅白云，最近开发中收集的这篇文章主要介绍IPSEC(上）--IPSEC简介+协议框架，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

IPSEC介绍

思维导图（可放大）

IPSEC简介
起源：
随着Internet的发展，越来越多的企业直接通过Internet进行互联，但由于IP协议未考虑安全性，而且Internet上有大量的不可靠用户和网络设备，所以用户业务数据要穿越这些未知网络，根本无法保证数据的安全性，数据易被伪造、篡改或窃取。因此，迫切需要一种兼容IP协议的通用的网络安全方案。
为了解决上述问题，IPSec（Internet Protocol Security）应运而生。IPSec是对IP的安全性补充，其工作在IP层，为IP网络通信提供透明的安全服务。
定义：
IPSec是IETF（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议。它并不是一个单独的协议，而是一系列为IP网络提供安全性的协议和服务的集合，包括认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两个安全协议、密钥交换和用于验证及加密的一些算法等。
通过这些协议，在两个设备之间建立一条IPSec隧道。数据通过IPSec隧道进行转发，实现保护数据的安全性。
受益：
IPSec通过加密与验证等方式，从以下几个方面保障了用户业务数据在Internet中的安全传输
数据来源验证：接收方验证发送方身份是否合法。
数据加密：发送方对数据进行加密，以密文的形式在Internet上传送，接收方对接收的加密数据进行解密后处理或直接转发。
数据完整性：接收方对接收的数据进行验证，以判定报文是否被篡改。
抗重放：接收方拒绝旧的或重复的数据包，防止恶意用户通过重复发送捕获到的数据包所进行的攻击。

IPSEC协议框架
安全联盟：通信对等体间对某些要素的协定，它描述了对等体间如何利用安全服务（例如：加密）进行安全的通信。这些要素包括对等体间使用何种安全协议、需要保护的数据流特征、对等体间传输的数据的封装模式、协议采用的加密和验证算法，以及用于数据安全转换、传输的密钥和SA的生存周期等。
IPSec安全传输数据的前提是在IPSec对等体（即运行IPSec协议的两个端点）之间成功建立安全联盟。IPSec安全联盟简称IPSec SA，由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括安全参数索引SPI（Security Parameter Index）、目的IP地址和使用的安全协议号（AH或ESP）。其中，SPI是为唯一标识SA而生成的一个32位比特的数值，它被封装在AH和ESP头中。
IPSec SA是单向的逻辑连接，通常成对建立（Inbound和Outbound）。因此两个IPSec对等体之间的双向通信，最少需要建立一对IPSec SA形成一个安全互通的IPSec隧道，分别对两个方向的数据流进行安全保护。
在这里插入图片描述另外，IPSec SA的个数还与安全协议相关。如果只使用AH或ESP来保护两个对等体之间的流量，则对等体之间就有两个SA，每个方向上一个。如果对等体同时使用了AH和ESP，那么对等体之间就需要四个SA，每个方向上两个，分别对应AH和ESP。
建立IPSEC SA的两种方式：
手工方式和IKE方式
在这里插入图片描述

安全协议：IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两种IP传输层协议来提供认证或加密等安全服务。

注：AH仅支持认证功能，不支持加密功能        ESP支持认证功能和加密功能

AH协议与ESP协议比较：
在这里插入图片描述两者的报文在这里不再赘述。。。

封装模式：将AH或ESP相关的字段插入到原始IP报文中，实现对报文的认证和加密。
封装模式分为两种：隧道模式和传输模式
传输模式下：
在这里插入图片描述 注：很明显发现在传输模式下ESP的完整性验证范围不包括ip头，无法保证ip头的安全
隧道模式下：
注：同上可发现在隧道模式下的ESP协议的验证范围不包括新的ip头，无法确保新ip头的安全
隧道模式与传输模式的区别：（从三方面进行阐述）
安全性：隧道模式更优，可以对源ip报文进行加密和验证，隐藏了内部ip地址和端口。
性能：传输模式更优，由于隧道模式下有额外的ip头，占用的带宽大。
使用场景：传输模式主要应用于两台主机或一台主机和一台VPN网关之间通信；隧道模式主要应用于两台VPN网关之间或一台主机与一台VPN网关之间的通信。

注：当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式

加密和验证
加密：

注：IPSec采用对称加密算法对数据进行加密和解密  数据发送方和接收方使用相同的密钥进行加密、解密
对称密钥可以手工配置也可以通过IKE自协商
常用的对称加密算法：（简单列举几个）
DES 3DES AES 前两个安全性低不推荐

验证：

用于验证的对称密钥也是可以手工配置或者IKE自协商
常用的验证算法：（简单列举几个）
MD5 SHA1 SHA2 SM3 前两个安全性低不推荐

密钥交换：
大家试想既然采用的加密和验证方式是对称加密的方式，那就会产生问题，就是如何安全的共享对称密钥，有两种方式可以解决这个问题：
带外共享密钥（不做赘述）
使用一个安全的密钥分发协议（重点）：通过IKE协议自动协商密钥。IKE采用DH（Diffie-Hellman）算法在不安全的网络上安全地分发密钥。这种方式配置简单，可扩展性好，特别是在大型动态的网络环境下此优点更加突出。同时，通信双方通过交换密钥交换材料来计算共享的密钥，即使第三方截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，也无法计算出真正的密钥，这样极大地提高了安全性。
IKE协议
IKE的安全机制：
1、身份认证：
身份认证确认通信双方的身份（对等体的IP地址或名称），包括预共享密钥PSK（pre-shared key）认证、数字证书RSA（rsa-signature）认证和数字信封认证。
IKE支持的认证算法有：MD5、SHA1、SHA2-256、SHA2-384、SHA2-512、SM3。
2、身份保护：对数据进行加密传输。
IKE支持的加密算法有：DES、3DES、AES-128、AES-192、AES-256、SM1和SM4。
3、DH：公共密钥交换，用于产生密钥材料，并通过ISAKMP消息在发送和接收设备之间进行密钥材料交换。然后，两端设备各自计算出完全相同的对称密钥。该对称密钥用于计算加密和验证的密钥。
4、PFS：密钥与密钥之间没有派生关系。