因特網(wǎng)協(xié)議安全I(xiàn)PSecIETF定義一種***標(biāo)準(zhǔn)的安全框架結(jié)構(gòu)，通信雙方在IP層通過(guò)加密、完整性校驗(yàn)、數(shù)據(jù)源認(rèn)證等方式，可以用來(lái)保證IP數(shù)據(jù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臋C(jī)密性、完整性和防重放；目前IPSec最主要的應(yīng)用是構(gòu)造虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（VPN）；企業(yè)***分支機(jī)構(gòu)可以通過(guò)使用IPSecVPN建立安全傳輸通道，接入到企業(yè)總部網(wǎng)絡(luò)。
--私密性：指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，用密文的形式傳送數(shù)據(jù)。
--完整性：指對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行散列計(jì)算，以判定報(bào)文是否被篡改。
--防重放：指防止惡意用戶(hù)通過(guò)重復(fù)發(fā)送捕獲到的數(shù)據(jù)包所進(jìn)行的攻擊，即接收方會(huì)拒絕舊的或重復(fù)的數(shù)據(jù)包。
--防抵賴(lài)：指基于簽名及簽名驗(yàn)證，可以判斷數(shù)據(jù)的發(fā)送方是真實(shí)存在的用戶(hù)。
VPN技術(shù)的分類(lèi)：
1、Peer-to-PeerVPN：例如MPLS-VPN，大部分配置在運(yùn)營(yíng)商的PE（ProviderEdge）路由器上做，在內(nèi)網(wǎng)CE（CustomerEdge）路由器上做少量配置即可;此種是運(yùn)營(yíng)商提供的VPN解決方案，需要向運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)，費(fèi)用較高。
2、OverlayVPN：例如GRE-VPN和IPsec-VPN；GRE-VPN可以支持任何路由選擇協(xié)議和任意類(lèi)型的數(shù)據(jù)流量；IPsec-VPN只能支持IPv4、路由器兩端的參數(shù)需要完全匹配且只能支持單播流量；目前在兩者基礎(chǔ)上還有一種GREoverIPSecVPN，數(shù)據(jù)先通過(guò)GRE封裝再通過(guò)IPSec進(jìn)行封裝，既保證了數(shù)據(jù)的兼容性又能保障了數(shù)據(jù)的安全性，是目前比較完善的VPN解決方案。
3、IPsec-VPN可分為Site-to-SiteVPN和Remote-AccessVPN。
--Site-to-SiteVPN；一般部署在兩個(gè)辦公場(chǎng)點(diǎn)的邊界路由器上。
--Remote-AccessVPN/撥號(hào)VPN；一般用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)PC和公司內(nèi)網(wǎng)之間的通信；需要結(jié)合客戶(hù)端軟件使用（easy-vpn）。
?散列算法：散列函數(shù)HASH哈希計(jì)算，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的完整性校驗(yàn)
計(jì)算***一：CRC（32bit）循環(huán)冗余校驗(yàn)（Layer2的FCS校驗(yàn)）
計(jì)算***二：MD5（128bit）SHA-1（160bit）SHA-2（256bit）
計(jì)算***三：HMAC散列信息驗(yàn)證碼，原始數(shù)據(jù)+散列算法+（密鑰/簽名）
HASH的特點(diǎn)：1.不定長(zhǎng)輸入，定長(zhǎng)輸出2.雪崩效應(yīng)3.計(jì)算不可逆
HMAC（HASHMessageAuthenticationCode）：散列信息認(rèn)證碼，用于保證流量的完整性，基于DATA和KEY進(jìn)行計(jì)算；一般的HASH算法只針對(duì)DATA進(jìn)行計(jì)算
MD5輸出為128位，SHA-1的輸出為160位，SHA-2輸出為256位，但是IPSec只能攜帶前96位，存在著很大的漏洞。
?加密算法：對(duì)稱(chēng)加密、非對(duì)稱(chēng)加密、數(shù)字簽名和DH算法
1、對(duì)稱(chēng)加密：使用一把相同的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；加密速度快，報(bào)文緊湊，可以用于大流量數(shù)據(jù)的加密；如DES、3DES、AES（256bit以上）；
2.1、非對(duì)稱(chēng)加密：使用一對(duì)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，使用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行加密，使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密；加密速度慢，密文不緊湊，通常只用于數(shù)據(jù)簽名或加密一些小文件；如RSA、ECC（1024bit以上）；
2.2、數(shù)字簽名：私鑰加密，公鑰解密；先對(duì)完整數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)做HMAC計(jì)算，再使用私鑰進(jìn)行加密，用于防數(shù)據(jù)篡改和用戶(hù)身份認(rèn)證；
3、DH算法：不用交互密鑰本身，通過(guò)交互密鑰的材料，生成一把相同的密鑰；還可以周期性生成新的密鑰并自動(dòng)更換密鑰。
IPSec架構(gòu)：
IPSec體系結(jié)構(gòu)主要由IKE/SA、AH和ESP協(xié)議套件組成。
?IKE協(xié)議：包含三個(gè)協(xié)議的主要功能，用來(lái)完成第一階段的自動(dòng)協(xié)商加密算法、散列算法和設(shè)備身份認(rèn)證；包含協(xié)商參數(shù)；產(chǎn)生KEY、交換KEY、更新KEY；對(duì)雙方進(jìn)行身份認(rèn)證；對(duì)密鑰進(jìn)行管理；組成協(xié)議如下：
1.ISAKMP；定義了信息交換的體系結(jié)構(gòu)/格式；基于UDP，源目端口都是500
2.SKEME；實(shí)現(xiàn)公鑰加密認(rèn)證的機(jī)制
3.Oakley；提供在兩個(gè)IPsec對(duì)等體間達(dá)成相同加密密鑰的基于模式的機(jī)制
?安全聯(lián)盟SA：指的一組對(duì)等體之間用來(lái)保護(hù)流量手段的***，定義了IPSec通信對(duì)等體間使用的數(shù)據(jù)封裝模式、認(rèn)證和加密算法、密鑰等參數(shù)；SA是單向的，兩個(gè)對(duì)等體之間的雙向通信至少需要兩個(gè)SA，如果兩個(gè)對(duì)等體希望同時(shí)使用AH和ESP安全協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信，則對(duì)等體針對(duì)每一種安全協(xié)議都需要協(xié)商一對(duì)SA。SA由一個(gè)三元組來(lái)唯一標(biāo)識(shí)，包括安全參數(shù)索引SPI、目的IP地址、安全協(xié)議。
?IKE動(dòng)態(tài)協(xié)商方式：只需要通信對(duì)等體間配置好IKE協(xié)商參數(shù)，由IKE自動(dòng)協(xié)商來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)SA，動(dòng)態(tài)協(xié)商方式建立安全聯(lián)盟相對(duì)簡(jiǎn)單些；對(duì)于中、大型的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，推薦使用IKE協(xié)商建立SA。
?AH協(xié)議：認(rèn)證報(bào)頭，協(xié)議號(hào)51；用來(lái)完成第二階段提供的功能是數(shù)據(jù)源驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)和防報(bào)文重放功能；AH可以對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包做認(rèn)證然而AH并不加密所保護(hù)的數(shù)據(jù)。
?ESP協(xié)議：安全封裝載荷，協(xié)議號(hào)50；用來(lái)完成第二階段提供的功能是數(shù)據(jù)源驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)和防報(bào)文重放功能；能提供AH的所有功能外，還可提供對(duì)數(shù)據(jù)的加密功能。
IPsec工作過(guò)程：
?第一階段：協(xié)商如何保護(hù)流量，協(xié)商加密算法、散列算法，使用哪個(gè)DH組、協(xié)商SA生存周期、協(xié)商設(shè)備認(rèn)證方式；通過(guò)DH算法交互密鑰，密鑰供加密算法使用保護(hù)連接，此時(shí)形成一條雙向SA；為了確保兩個(gè)設(shè)備之間避免出現(xiàn)偽裝者，在做IPsec的時(shí)候需要進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證。
-預(yù)共享密鑰（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用，不夠安全）
-RSA加密的隨機(jī)數(shù)（使用很少）
-RSA數(shù)字證書(shū)/簽名（CA頒發(fā)的證書(shū)，使用范圍較廣）
第一階段協(xié)商的具體內(nèi)容：
1、協(xié)商對(duì)等體之間采用何種方式做認(rèn)證；預(yù)共享密鑰/RSA加密的隨機(jī)數(shù)/證書(shū)
2、協(xié)商雙方使用何種加密算法；AES/RSA/ECC
3、協(xié)商雙方使用何種散列算法；HMAC/MD5/SHA
4、協(xié)商雙方使用何種DH密鑰組
5、協(xié)商雙方使用何種模式；主模式/野蠻模式
6、協(xié)商SA的生存周期
第一階段有兩種工作模式：主模式和野蠻模式；
主模式：在三次交換中總共用到了六條消息，最終建立了SA；
主模式的好處：設(shè)備驗(yàn)證的步驟發(fā)生在安全的管理連接中，因?yàn)檫@個(gè)連接是在前兩個(gè)步驟中構(gòu)建的，因此，兩個(gè)對(duì)等體需要發(fā)送給對(duì)方的任何實(shí)體信息都可以免受攻擊；Site-to-SiteVPN默認(rèn)使用主模式。
野蠻模式（積極模式）：對(duì)于兩端IP地址不是固定的情況（如ADSL撥號(hào)上網(wǎng)），并且雙方都希望采用預(yù)共享密鑰驗(yàn)證***來(lái)創(chuàng)建IKESA，就需要采用野蠻模式。另外如果發(fā)起者已知回應(yīng)者的策略，采用野蠻模式也能夠更快地創(chuàng)建IKESA。
注：使用Remote-AccessVPN時(shí)就一定要用野蠻模式來(lái)協(xié)商，如果用主模式的話(huà)，就會(huì)出現(xiàn)根據(jù)源IP地址找不到預(yù)共享密鑰的情況，以至于不能生成SKEY_ID。
兩種模式的區(qū)別：
1、野蠻模式協(xié)商比主模式協(xié)商更快。主模式需要交互6個(gè)消息，野蠻模式只需要交互3個(gè)消息。
2、主模式協(xié)商比野蠻模式協(xié)商更嚴(yán)謹(jǐn)、更安全。主模式在5、6個(gè)消息中對(duì)ID信息進(jìn)行了加密。野蠻模式由于受到交換次數(shù)的限制，ID信息在1、2個(gè)消息中以明文的方式發(fā)送給對(duì)端。即主模式對(duì)對(duì)端身份進(jìn)行了保護(hù)，而野蠻模式則沒(méi)有。
3、對(duì)NAT/PAT的支持：
①對(duì)預(yù)共享密鑰認(rèn)證：主模式不支持NAT轉(zhuǎn)換，而野蠻模式支持。
②對(duì)于證書(shū)方式認(rèn)證：兩種模式都能支持。
4、兩種模式在確定預(yù)共享密鑰的方式不同；主模式只能基于IP地址來(lái)確定預(yù)共享密鑰；而野蠻'模式是基于ID信息（主機(jī)名和IP地址）來(lái)確定預(yù)共享密鑰。
注：在按需鏈路中，可以啟用IKEKeepalive特性，路由器會(huì)周期性10秒/次發(fā)送IKEKeepalive報(bào)文，用于檢測(cè)路徑的實(shí)時(shí)連通性；在單向啟用即可。
?第二階段：協(xié)商使用哪一款安全協(xié)議加密數(shù)據(jù)（ESP或AH）、保護(hù)流量；使用ESP/AH的時(shí)候，選擇哪一種加密算法和散列算法、協(xié)商是否需要再次進(jìn)行DH算法生成新的密鑰（PFS）、SA周期和IPSec封裝模式；協(xié)商完畢形成兩條單向SA。
第二階段協(xié)商的具體內(nèi)容：
1、協(xié)商雙方使用何種封裝模式；隧道模式/傳輸模式
2、協(xié)商雙方使用何種加密算法；AES/RSA/ECC
3、協(xié)商雙方使用何種散列算法；HMAC/MD5/SHA
4、協(xié)商雙方使用何種DH密鑰組
5、協(xié)商雙方使用的密鑰更新周期
第二階段只有一種工作模式：快速模式；它定義了受保護(hù)數(shù)據(jù)連接是如何在兩個(gè)IPsec對(duì)等體之間構(gòu)成的；快速模式有兩個(gè)主要的功能：
1.協(xié)商安全參數(shù)來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)連接。
2.周期性的對(duì)數(shù)據(jù)連接更新密鑰信息.
快速模式需要交換3個(gè)報(bào)文，這些消息都是使用IKE進(jìn)行保護(hù)，這意味著將使用IKEphase1中導(dǎo)出來(lái)的SKEYIDe和SKEYIDa對(duì)所有分組進(jìn)行加密和驗(yàn)證。
注：針對(duì)Remote-AccessVPN；思科還使用了一個(gè)1.5階段，包含擴(kuò)展認(rèn)證Xauth和Modeconfig兩種模式。
在這個(gè)階段，如果啟用了DPD特性，路由器會(huì)周期性發(fā)送DPD報(bào)文，用于檢測(cè)路徑的實(shí)時(shí)連通性；需要在雙向啟用。
IPSec封裝模式：傳輸模式，適用于同一個(gè)園區(qū)網(wǎng)內(nèi)的兩臺(tái)主機(jī)之間的安全連接
1、在IP報(bào)頭和上層協(xié)議之間插入AH或ESP報(bào)頭；對(duì)上層協(xié)議數(shù)據(jù)提供保護(hù)。
--在IP頭部之后插入AH頭，會(huì)對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
--在IP頭部之后插入ESP頭，在數(shù)據(jù)字段后插入尾部以及認(rèn)證字段；只對(duì)IP數(shù)據(jù)包中的ESP報(bào)頭，上層數(shù)據(jù)和ESP尾部進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
2、傳輸模式中的AH+ESP：在IP頭部之后插入AH和ESP頭，在數(shù)據(jù)字段后插入尾部以及認(rèn)證字段（可選的）；對(duì)高層數(shù)據(jù)和ESP尾部進(jìn)行加密，對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
3、在GREoverIPSec環(huán)境中必須使用傳輸模式，數(shù)據(jù)封裝格式為：
Ethernet2|IPV4（新）|ESP|GRE|IPv4|TCP|HTTP|FCS
IPSec封裝模式：隧道模式，適用于跨園區(qū)網(wǎng)的兩臺(tái)邊界路由器間建立安全連接
1、AH或ESP頭封裝在原始IP報(bào)文頭之前，并另外生成一個(gè)新的IP報(bào)頭封裝到AH或ESP之前；隧道模式可以完全地對(duì)原始IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行認(rèn)證和加密，而且可以使用新的IP報(bào)頭來(lái)隱藏內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的私有IP地址。
--在IP頭部之后插入AH頭，會(huì)對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
--在IP頭部之后插入ESP頭，在數(shù)據(jù)字段后插入尾部以及認(rèn)證字段（可選的）；只對(duì)IP數(shù)據(jù)包中的ESP報(bào)頭，上層數(shù)據(jù)和ESP尾部進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
2、隧道模式中的AH+ESP：對(duì)整個(gè)原始IP報(bào)文和ESP尾部進(jìn)行加密，對(duì)除新IP頭之外的整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性校驗(yàn)。
注：ESP散列封裝的是數(shù)據(jù)載荷，對(duì)新封裝的IP報(bào)頭不會(huì)保護(hù)，這種在NAT環(huán)境中不會(huì)影響正常使用，但是在PAT環(huán)境中因?yàn)樗膶咏涌诒槐Ｗo(hù)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)PAT端口轉(zhuǎn)換；為了支持PAT，需要開(kāi)啟NAT穿越功能（IPSecNAT-T），在IPSec封裝報(bào)文中添加UDP字段，默認(rèn)端口號(hào)為4500，PAT路由器通過(guò)記錄端口號(hào)來(lái)放行對(duì)應(yīng)流量；封裝格式：Ethernet2|IPV4（新）|UDP|ESP|GRE|IPv4|TCP|HTTP|FCS
通過(guò)ESP和AH做散列計(jì)算時(shí)是不包含三層報(bào)頭中TTL和校驗(yàn)和字段；AH散列保護(hù)的是整個(gè)數(shù)據(jù)包，所以是不支持NAT和PAT。
推薦書(shū)籍：思科VPN完全配置手冊(cè)
普通的IPsec-VPN主要適用于不同廠(chǎng)家VPN之間的對(duì)接，兼容性非常好，思科路由器和ASA可以和大部分非思科廠(chǎng)家的VPN設(shè)備進(jìn)行IPsec-VPN對(duì)接。然而這種普通的IPsec-VPN并不適用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，主要存在如下問(wèn)題：
1、由于沒(méi)有虛擬隧道接口，不支持通過(guò)運(yùn)行動(dòng)態(tài)路由協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)路由互通；
2、由于沒(méi)有虛擬隧道tunnel接口，不能對(duì)通信點(diǎn)之間的明文流量進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)（如ACL、QOS、NAT、Netflow等）；
3、配置復(fù)雜，每增加一個(gè)站點(diǎn)或網(wǎng)段，都要增加許多感興趣流，排錯(cuò)復(fù)雜。
為了解決IPsec-VPN存在的問(wèn)題，思科提供的解決方案是GREoverIPsec
?GREOverIPsec技術(shù)；通過(guò)GRE來(lái)建立虛擬隧道（tunnel口），運(yùn)行動(dòng)態(tài)路由協(xié)議來(lái)學(xué)習(xí)路由；通過(guò)在tunnel接口上配置ACL、QOS等技術(shù)來(lái)控制數(shù)據(jù)流，通過(guò)IPsec技術(shù)將GRE隧道中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。
首先在兩個(gè)站點(diǎn)之間，使用GRE在兩臺(tái)路由器之間建立了一條隧道（tunnel口），GRE隧道的作用就是虛擬地把兩個(gè)站點(diǎn)連接在一起，就像是拉了一根專(zhuān)線(xiàn)一樣把站點(diǎn)A和站點(diǎn)B連接起來(lái)，中間沒(méi)有其他設(shè)備；這樣就可以在這根"線(xiàn)"兩端的兩個(gè)接口上配置IP地址，并且運(yùn)行動(dòng)態(tài)路由選擇協(xié)議，使得兩臺(tái)路由器分別學(xué)習(xí)到對(duì)方身后網(wǎng)絡(luò)的路由；然后在tunnel接口進(jìn)行數(shù)據(jù)控制和采集，由于站點(diǎn)A和B分別使用的是兩個(gè)站點(diǎn)的公網(wǎng)IP地址，即不管GRE封裝之前的原始數(shù)據(jù)如何，封裝之后的源IP都是A，目標(biāo)IP都是B，也就是我們只需要將A到B和B到A的流量分別在A(yíng)和B上配置為興趣流量即可，這樣就可以把所有的GRE流量都進(jìn)行了加密；通過(guò)GREoverIPSec，即解決了安全問(wèn)題，也解決了普通IPSECVPN感興趣流過(guò)多，配置復(fù)雜的問(wèn)題。
注：GREoverIPSEC，加密點(diǎn)等于通信點(diǎn)，是一個(gè)典型的傳輸模式的IPsec-VPN，因此GREoverIPSEC推薦使用傳輸模式；如果使用隧道模式，就會(huì)增加一個(gè)20字節(jié)的IP頭部，因此，GRE技術(shù)經(jīng)過(guò)IPSEC加密使用傳輸模式更加優(yōu)化。
