IPSec協(xié)議的基本工作原理是什么

IPSec（IPSecurity）

該協(xié)議把密碼技術(shù)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)層，以向信息的發(fā)送方和接收方提供源地址驗(yàn)證、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、存取控制、保密性等安全服?wù)，保護(hù)通信免遭竊聽、抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，而且更高層的應(yīng)用層協(xié)議也可以直接或間接地使用這些安全服務(wù)，為其上層協(xié)議如TCP、UDP等提供透明的安全保護(hù)服務(wù)，在Internet這樣不安全的網(wǎng)絡(luò)中為通信提供安全保證。

在IPv6中，IPSec協(xié)議是一個必備的組成部分，被強(qiáng)制實(shí)施；在IPv4中，它是一個可選的擴(kuò)展協(xié)議。

由于Internet等網(wǎng)絡(luò)具有公共特性，因此在通信過程中難以確認(rèn)傳輸媒介是安全的，所以要進(jìn)行安全的通信，則通信數(shù)據(jù)必須經(jīng)過加密。IPSec協(xié)議對數(shù)據(jù)的加密以數(shù)據(jù)包而不是整個數(shù)據(jù)流為單位，這不僅非常靈活，也有助于進(jìn)一步提高IP數(shù)據(jù)包的安全性。

IPSec協(xié)議的基本工作原理是

發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)前對數(shù)據(jù)實(shí)施加密，然后把密文數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去，開始傳輸。在整個傳輸過程中，數(shù)據(jù)都是以密文方式傳輸?shù)?，直到?shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，才由接收方對密文進(jìn)行解密，提取明文信息。

IPSec協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)層的通信使用了加密技術(shù)，它不是加密數(shù)據(jù)包的頭部和尾部信息（如源地址、目的地址、端口號、CRC校驗(yàn)值等），而是對數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。由于加密過程發(fā)生在IP層，因此可在不改變HTTP等上層應(yīng)用協(xié)議的情況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的安全加密，為通信提供透明的安全傳輸服務(wù)。

IPSec協(xié)議中使用端到端的工作模式，掌握加密、解密方法的只有數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方，兩者各自負(fù)責(zé)相應(yīng)的數(shù)據(jù)加密、解密處理，而網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，無須支持IPSec，從而可以實(shí)現(xiàn)加密通信與傳輸媒介無關(guān)，保證機(jī)密數(shù)據(jù)在公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的適應(yīng)性和安全性。因此，IPSec可以應(yīng)用到非常廣泛的環(huán)境中，能為局域網(wǎng)、撥號用戶、遠(yuǎn)程站點(diǎn)、Internet之上的通信提供有力的保護(hù)，而且還能用來篩選特定數(shù)據(jù)流，還可以用于不同局域網(wǎng)之間通過互聯(lián)網(wǎng)的安全互聯(lián)。

IPSec協(xié)議不是一個單獨(dú)的協(xié)議，它包括應(yīng)用于IP層上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的一整套協(xié)議，主要包括AH（AuthenticationHeader，IP認(rèn)證頭部協(xié)議）、ESP（EncapsulatingSecurityPayload，封裝安全負(fù)載協(xié)議）、IKE（InternetKeyExchange，Internet密鑰交換協(xié)議）和用于網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證及加密的一些算法等。

AH提供數(shù)據(jù)的完整性和認(rèn)證，但不包括保密性；而ESP原則上只提供保密性，但也可在ESPHeader中選擇適當(dāng)?shù)乃惴澳Ｊ絹韺?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性和認(rèn)證。AH和ESP可分開使用也可一起使用。IKE則提供加密算法、密鑰等的協(xié)商。

1．安全關(guān)聯(lián)和安全策略

安全關(guān)聯(lián)（SecurityAssociation，SA）是指提供通信安全服務(wù)的發(fā)送方和接收方之間的一種單向關(guān)系。安全關(guān)聯(lián)是構(gòu)成IPSec的基礎(chǔ)，它是進(jìn)行通信的雙方經(jīng)協(xié)商建立起來的一種協(xié)定。安全關(guān)聯(lián)可以用一個32位的安全參數(shù)索引（SecurityParameterIndex，SPI）來唯一標(biāo)識，一個SPI值決定一個特定的SA，它通常放在AH或ESP頭中；安全關(guān)聯(lián)是單向的，如果要對兩臺主機(jī)A與B實(shí)現(xiàn)雙向安全，則需要兩個安全關(guān)聯(lián)，每個方向一個：（A，B）、（B，A）。安全關(guān)聯(lián)的內(nèi)容包含了IP數(shù)據(jù)包是否加密、認(rèn)證，以及加密、認(rèn)證采用的算法、密鑰等相關(guān)信息。所有的SA記錄都存放在安全關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中，按散列方式存取。

安全策略（SecurityPolicy）定義了兩個IPSec系統(tǒng)之間的安全通信特征，并決定在該通信中為數(shù)據(jù)包提供的安全服務(wù)。一個IPSec系統(tǒng)的所有安全策略都存放在安全策略數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)選擇符包括源地址、目的地址、協(xié)議、端口等）進(jìn)行檢索。安全策略通常與SA合作，共同作用于通信的數(shù)據(jù)包。

2．AH

AH協(xié)議先將數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和加密，然后封裝為IP包，從而實(shí)現(xiàn)無連接通信的數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)源認(rèn)證和防止重放攻擊。AH能完成除數(shù)據(jù)加密外的所有的ESP所能提供的功能。在認(rèn)證機(jī)制上，它所覆蓋的范圍比ESP的廣，包括對IP頭中一些選項(xiàng)的認(rèn)證。

為了應(yīng)用IPSec協(xié)議，IP數(shù)據(jù)包的格式要有所改變，即在IP頭和被保護(hù)的數(shù)據(jù)之間插入一個AH頭;

AH頭的格式，包括：下一報頭、有效載荷長度、保留位、安全參數(shù)索引、序列號、認(rèn)證數(shù)據(jù)。

AH使用的典型的認(rèn)證算法是一種迭代型的消息摘要算法。AH中采用MD5算法，可以提供完整性服務(wù)。從前面的講述可以知道MD5可以對任意長度的信息進(jìn)行散列運(yùn)算產(chǎn)生一個唯一的128位消息摘要。由于消息摘要是唯一的，所以對信息的任何修改都將得到另一個不同的消息摘要，因此能防止消息被篡改，從而保證了數(shù)據(jù)的完整性。AH也可以采用SHA算法提供更強(qiáng)的抗攻擊能力，SHA是在MD5的基礎(chǔ)上，增加了分組處理的迭代次數(shù)和復(fù)雜性，產(chǎn)生一個160位的消息摘要。接收者在收到數(shù)據(jù)后可以通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包中的單向遞增的序列號來確定數(shù)據(jù)包的合法性，防止重放攻擊。

3．ESP

ESP通過對數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密來提供傳輸信息的保密性，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)保密性的安全服務(wù)。ESP是一個通用的、可擴(kuò)展的安全機(jī)制，其加密認(rèn)證算法主要由SA的相應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)決定。接收者也可以通過在收到數(shù)據(jù)后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包中的單向遞增的序列號來確定數(shù)據(jù)包的合法性，防止重放攻擊。

在應(yīng)用中，需要在IP數(shù)據(jù)包的頭和被保護(hù)的數(shù)據(jù)之間插入一個ESP頭，在被保護(hù)的數(shù)據(jù)后附加一個ESP尾;

ESP頭的格式如圖所示，包括：安全參數(shù)索引（標(biāo)識用于處理數(shù)據(jù)包的安全關(guān)聯(lián)）、序列號（用于防止重放攻擊）、有效荷載數(shù)據(jù)。ESP頭的所有字段都是不加密的，因?yàn)樵诮饷軘?shù)據(jù)包時需要先讀取頭部字段。

ESP尾的格式如圖所示，包括：填充項(xiàng)（某些加密算法要求被加密數(shù)據(jù)的長度是密鑰長度的整數(shù)倍，若受保護(hù)的數(shù)據(jù)的長度不滿足這個要求，就需要在后面追加一些填充項(xiàng)）、填充項(xiàng)長度（指明填充項(xiàng)的長度）、下一個頭部、認(rèn)證數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)完整性的檢驗(yàn)結(jié)果）。

ESP在提供加密功能的同時，還可以提供認(rèn)證功能。對于發(fā)出的數(shù)據(jù)包，首先進(jìn)行加密處理；而對于收到的數(shù)據(jù)包，則先進(jìn)行認(rèn)證處理。

ESP支持多種加密算法。DES是ESP中默認(rèn)的加密算法，它采用64位的密鑰，對明文進(jìn)行加密，加密、解密使用同一個密鑰，該算法簡單高效。此外還可以選擇采用3DES、AES、RC5、RC6、Blowfish等算法。

4．IP密鑰交換

IKE是一個混合協(xié)議，它使用了Internet安全關(guān)聯(lián)和密鑰管理協(xié)議（InternetSecurityAssociationandKeyManagementProtocol，ISAKMP）、密鑰確定協(xié)議Oakley和描述支持匿名和快速密鑰刷新的密鑰交換的SKEME協(xié)議。IKE除了實(shí)現(xiàn)通信雙方的密鑰交換，還使用ISAKMP實(shí)現(xiàn)IPSec的安全關(guān)聯(lián)。

ISAKMP協(xié)議是IKE的核心組成部分，它定義了包括協(xié)商、建立、修改、刪除安全關(guān)聯(lián)的過程和數(shù)據(jù)格式。ISAKMP的工作分為兩個階段：第一階段，通信雙方協(xié)商并建立一個安全的通道，并對該通道進(jìn)行驗(yàn)證，為第二階段的進(jìn)一步通信提供安全服務(wù)；第二階段，為IPSec建立起具體的IPSec安全關(guān)聯(lián)，用于保護(hù)通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸安全。在IKE的協(xié)商過程中，使用了Diffie-Hellman機(jī)制、Oakley的密鑰交換模式和SKEME的共享和密鑰更新技術(shù)。

5．IPSec的工作模式

IPSec的工作模式有兩種：傳輸模式和隧道模式。

傳輸模式首先將要傳送的數(shù)據(jù)使用IPSec加密封裝起來，再把相關(guān)的IPSec頭插入IP頭和被保護(hù)的數(shù)據(jù)之間封裝起來。因?yàn)镮P頭沒有加密，接收端收到封裝的數(shù)據(jù)包時直接處理IP頭，然后從IPSec頭讀取SPI值得到相對的SA，再利用SA所定的解密參數(shù)解出所加密的數(shù)據(jù)。

傳輸模式的IPSec頭直接加在欲傳送的數(shù)據(jù)前，由于加密的部分較少，沒有額外的處理，因此比較節(jié)省帶寬和CPU負(fù)載，通信和處理效率較高。

在傳輸模式中，解密者就是目的地址端的使用者。

隧道模式首先使用SA的相關(guān)信息將IP的數(shù)據(jù)包全部加密，接下來在前面加上ESPHeader，然后把它們作為數(shù)據(jù)為它們再加上一個新的IP頭。接收端收到ESP封包后，使用ESPHeader內(nèi)容中的SPI值提供的SA，然后解出ESPHeader后的裝載數(shù)據(jù)，就可以取回原始的IP頭與封包。

隧道模式可以在兩個終端之間建立一個安全的隧道，經(jīng)由這兩個終端之間的通信均在這個隧道中進(jìn)行，因此安全性較高。

兩種模式的IP數(shù)據(jù)包的格式如圖所示。

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