1. 全面讲解 IPSec 基本原理 |
您所在的位置：网站首页 › IPSec协议和下列什么隧道协议同处于一个层次 › 1. 全面讲解 IPSec 基本原理 |
1. 全面讲解 IPSec 基本原理
|
转者注： 此篇转载 曹世宏 先生博文；本人在自己 IPSec 实践应用基础上，对此篇博文内容增加章节编号；在 封装协议章节中、删减两张抓包图片。IPSec 通讯两端是互为 client 、server 的方式，双方对等加密和认证。 1. IPSec 概念简介 什么是IPSec？IPSec（Internet Protocol Security）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。 IPSec用来解决IP层安全性问题的技术。IPSec被设计为同时支持IPv4和IPv6网络。 IPSec主要包括安全协议AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload），密钥管理交换协议IKE（Internet Key Exchange）以及用于网络认证及加密的一些算法等。 IPSec主要通过加密与验证等方式，为IP数据包提供安全服务。 IPSec提供的服务：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。 为什么要实施IPSec?实施的最大动机是省钱。 2. IPSec 框架IPSec是一个框架，它不是具体指某个协议，而是定义了一个框架，由各种协议组和协商而成。该框架涉及到的主要有，加密算法、验证算法、封装协议、封装模式、秘钥有效期等等。 加密算法分为两类。对称算法和非对称算法。 对称加密算法：特点：对称秘钥算法：用相同的秘钥进行加减密。 加解密过程： 加密：明文数据 -----共享秘钥加密 --------密文数据 解密：密文数据 -----共享秘钥解密 --------明文数据 对称加密算法优点： 速度快安全紧凑对称加密算法缺点： 明文传输共享秘钥，容易出现中途劫持和窃听的问题。秘钥数量是以参与者数量平方的速度增长。即指数增长 。因为数量过多，所以管理和存储会有很大问题。不支持数字签名和不可否认性。适用做大数据加密。 常见对称算法：DES，数据加密标准DES（Data Encryption Standard）它使用56位的密钥对一个64位的明文块进行加密。 3DES，3DES（Triple Data Encryption Standard），3DES是一种增强型的DES标准，它在需要保护的数据上使用3次DES，即使用三个不同的56位的DES密钥（共168位密钥）对明文进行加密。 AES, 先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard） AES被设计用来替代3DES，提供更快和更安全的加密功能。AES可以采用三种密钥：AES-128、AES-192和AES-256，其密钥长度分为128位、192位、256位。 随着密钥长度的提升，加密算法的保密及安全性要求越高，但计算速度也越慢。一般情况下128bit就可以充分满足安全需求。 非对称加密算法：特点：非对称秘钥算法，一对密钥，公钥和私钥。公钥加密，私钥解密。 用私钥加密，公钥解密叫做数字签名。 仅仅只用于密钥交换（加密密钥）和数字签名（加密散列）。 非对称加密算法的优点： 安全因为不必发送密钥给接受者，所以非对称密钥不必担心密钥被中途截获的问题。密钥数目和参与者数目一样。不需要事先在各参与者之间建立关系以交换密钥。技术支持数字签名和不可否认性。 非对称加密算法的缺点： 非常非常慢。密文会很长。适用于小数据加密。 常见非对称加密算法：RSA， 512/768/1024/2048bit ro lager。 DH，768,、102/1536bit or lager。只适用于虚拟专用网 。 转载者注:数字信封 ----完美解决方案： 加密过程本质上、是对称加非对称算法应用过程：加密过程： 适用对称密钥加密明文得到密文。用非对称密钥的私钥加密明文的对称密钥得到密钥包。解密过程： 适用对方的公钥解密密钥包从而得到明文的对称密钥。用对称密钥解密密文，得到明文数据。 2.2 验证：验证算法，也叫HASH算法，散列函数。 目的： 验证数据的完整性 特点: 固定大小雪崩效应单向不可逆冲突避免（SHA-2） 工作原理：明文数据-----------散列算法（MD5算法）--------算出散列值1（12345） 明文数据+散列值一起发给对端 验证： 明文数据----------同样的散列算法（MD5算法）---------算出散列值2（67890） 如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败 常见的验证算法：MD5 消息摘要MD5（Message Digest 5），输入任意长度的消息，MD5产生128位的签名。 MD5比SHA更快，但是安全性稍差。 SHA1 安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm）是由NIST开发的。在1994年对原始的HMAC功能进行了修订，被称为SHA1。输入长度小于264bit的消息，SHA1产生160位的消息摘要。 SHA1比MD5要慢，但是更安全。因为它的签名比较长，具有更强大的防攻破功能，并可以更有效的发现共享的密钥。 SHA2 SHA2是SHA1的加强版本，SHA2算法相对于SHA1加密数据长度有所上升，安全性能要远远高于SHA1。SHA2算法包括SHA2-256、SHA2-384和SHA2-512，密钥长度分别为256位、384位和512位。随着密钥长度的上升，认证算法安全强度更高，但计算速度越慢。一般情况下256位就可以充分满足安全需求。 数字签名的工作过程示意图：
实现过程： 明文数据---------hash算法（md5）----------hash值（128bit-例如12345）-------私钥加密------------数字签名 数字签名 --------用对方公钥解密------hash值12345 明文数据--------hash算法（md5) ---hash值12345 如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败 1234数字签名的应用： 驱动程序签名 PDF签名 IPSec 虚拟专用网 数字签名认证。 数字证书采用数字签名。 2.3 封装协议（安全协议）：IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载ESP（Encapsulating Security Payload）两种安全协议来传输和封装数据，提供认证或加密等安全服务。 2.3.1 AH：AH是一种基于IP的传输层协议，协议号为51。 只能支持认证 ，不支持加密 。 对整个头部进行认证。 AH工作原理： 其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头。如下所示： 图：AH报文头结构 AH对数据包和认证密钥进行Hash计算，接收方收到带有计算结果的数据包后，执行同样的Hash计算并与原计算结果比较，传输过程中对数据的任何更改将使计算结果无效，这样就提供了数据来源认证和数据完整性校验。AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。 AH报文头字段含义：
字段长度含义下一头部8比特标识AH报文头后面的负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）或ESP协议的编号；隧道模式下，是IP协议或ESP协议的编号。注意：当AH与ESP协议同时使用时，AH报文头的下一头部为ESP报文头。负载长度8比特表示以32比特为单位的AH报文头长度减2，缺省为4。保留字段16比特保留将来使用，缺省为0。SPI32比特IPSec安全参数索引，用于唯一标识IPSec安全联盟。序列号32比特是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。认证数据一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。该字段包含数据完整性校验值 ICV（Integrity Check Value），用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法有MD5、SHA1、SHA2、SM3。
2.3.2 ESP：
ESP支持加密和认证。 ESP是一种基于IP的传输层协议，协议号为50。其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护。 封装模式是指将AH或ESP相关的字段插入到原始IP报文中，以实现对报文的认证和加密，封装模式有传输模式和隧道模式两种。 2.4.1 传输模式：在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。传输模式不改变报文头。 在原IP头部之前插入ESP/AH头部，同时生成新的IP头部 。 判断方法： 通信点地址和加密点地址不相同 通信点地址到internet能不能被路由，肯定是隧道 2.4.3 传输模式和隧道模式比较：传输模式和隧道模式的区别在于： 从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。 从性能来讲，隧道模式因为有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。 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。 2.5 秘钥有效期：默认为86400s，即24小时;在配置文件可修改。 3 IPSec 相关链接 3.1 认证、加密相关IKEv1协议参考：IKEv1协议详解 IKEv2协议参考：IKEv2协议详解 数字证书PKI原理 3.2 IPSec各种场景配置示例IPSec各场景配置示例 3.3 IPSec 应用IPSec 虚拟专用网的NAT穿越技术NAT-T IPSec 高可靠（高可用） GRE over IPSec技术原理 原文链接：IPSec基本原理_曹世宏的博客-CSDN博客_ipsec 延展阅读链接：strongSwan - DocumentationIPSEC 的IKE协商过程，主模式和野蛮模式 参考： IPSec基本原理_曹世宏的博客-CSDN博客_ipsec 网络安全_曹世宏的博客-CSDN博客 |
转载者注： 个人理解，IPSec 框架属于网络应用的一种解决方案，描述业务流流转规则和细节规定；
私钥加密，公钥解密------数字签名 实现完整性，源认证 不可否认
ESP报文头字段：
图：传输模式下报文封装 传输模式下，AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括IP头，因此ESP协议无法保证IP头的安全。ESP的加密部分包括传输层协议头、数据和ESP报尾。 判断方法：
图：隧道模式 隧道模式下，AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括新IP头，因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。【本文地址】