認(rèn)識(shí)IPSec

IPSec(IP Security)產(chǎn)生于IPv6的制定之中，用于提供IP層的安全性。由于所有支持TCP/IP協(xié)議的主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，都要經(jīng)過(guò)IP層的處理，所以提供了IP層的安全性就相當(dāng)于為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供了安全通信的基礎(chǔ)。鑒于IPv4的應(yīng)用仍然很廣泛，所以后來(lái)在IPSec的制定中也增添了對(duì)IPv4的支持。最初的一組有關(guān)IPSec標(biāo)準(zhǔn)由IETF在1995年制定，但由于其中存在一些未解決的問(wèn)題，從1997年開始IETF又開展了新一輪的IPSec的制定工作，截至1998年11月份主要協(xié)議已經(jīng)基本制定完成。不過(guò)這組新的協(xié)議仍然存在一些問(wèn)題，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)IETF又會(huì)進(jìn)行下一輪IPSec的修訂工作。

IPSec提供了兩種安全機(jī)制：認(rèn)證(采用ipsec的AH)和加密(采用ipsec的ESP)。

·認(rèn)證機(jī)制使IP通信的數(shù)據(jù)接收方能夠確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送方的真實(shí)身份，以及數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否遭篡改。

·加密機(jī)制通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼來(lái)保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，以防數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊聽。

AH(Authentication Header)和ESP(Encapsulating Security Payload，封裝安全負(fù)載)都可以提供認(rèn)證服務(wù)，不過(guò)，AH提供的認(rèn)證服務(wù)要強(qiáng)于ESP。

IPSec主要功能為加密和認(rèn)證，為了進(jìn)行加密和認(rèn)證，IPSec還需要有密鑰的管理和交換的功能，以便為加密和認(rèn)證提供所需要的密鑰并對(duì)密鑰的使用進(jìn)行管理。以上三方面的工作分別由AH，ESP和IKE(Internet Key Exchange，Internet 密鑰交換)三個(gè)協(xié)議規(guī)定。為了介紹這三個(gè)協(xié)議，需要先引人一個(gè)非常重要的術(shù)語(yǔ)SA(Security Association安全關(guān)聯(lián))。所謂安全關(guān)聯(lián)是指安全服務(wù)與它服務(wù)的載體之間的一個(gè)“連接”。AH和ESP都需要使用SA，而IKE的主要功能就是SA的建立和維護(hù)。要實(shí)現(xiàn)AH和ESP，都必須提供對(duì)SA的支持。通信雙方如果要用IPSec建立一條安全的傳輸通路，需要事先協(xié)商好將要采用的安全策略，包括使用的加密算法、密鑰、密鑰的生存期等。當(dāng)雙方協(xié)商好使用的安全策略后，我們就說(shuō)雙方建立了一個(gè)SA。SA就是能向其上的數(shù)據(jù)傳輸提供某種IPSec安全保障的一個(gè)簡(jiǎn)單連接，可以由AH或ESP提供。當(dāng)給定了一個(gè)SA，就確定了IPSec要執(zhí)行的處理，如加密，認(rèn)證等。SA可以進(jìn)行兩種方式的組合，分別為傳輸臨近和嵌套隧道。

IPSec的工作原理類似于包過(guò)濾防火墻，可以看作是對(duì)包過(guò)濾防火墻的一種擴(kuò)展。當(dāng)接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)包時(shí)，包過(guò)濾防火墻使用其頭部在一個(gè)規(guī)則表中進(jìn)行匹配。當(dāng)找到一個(gè)相匹配的規(guī)則時(shí)，包過(guò)濾防火墻就按照該規(guī)則制定的方法對(duì)接收到的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。這里的處理工作只有兩種：丟棄或轉(zhuǎn)發(fā)。IPSec通過(guò)查詢SPD(Security Po1icy Database安全策略數(shù)據(jù)庫(kù))決定對(duì)接收到的IP數(shù)據(jù)包的處理。但是IPSec不同于包過(guò)濾防火墻的是，對(duì)IP數(shù)據(jù)包的處理方法除了丟棄，直接轉(zhuǎn)發(fā)(繞過(guò)IPSec)外，還有一種，即進(jìn)行IPSec處理。正是這新增添的處理方法提供了比包過(guò)濾防火墻更進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)安全性。進(jìn)行IPSec處理意味著對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密和認(rèn)證。包過(guò)濾防火墻只能控制來(lái)自或去往某個(gè)站點(diǎn)的IP數(shù)據(jù)包的通過(guò)，可以拒絕來(lái)自某個(gè)外部站點(diǎn)的IP數(shù)據(jù)包訪問(wèn)內(nèi)部某些站點(diǎn)，也可以拒絕某個(gè)內(nèi)部站點(diǎn)對(duì)某些外部網(wǎng)站的訪問(wèn)。但是包過(guò)濾防火墻不能保證自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)出去的數(shù)據(jù)包不被截取，也不能保證進(jìn)入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包未經(jīng)過(guò)篡改。只有在對(duì)IP數(shù)據(jù)包實(shí)施了加密和認(rèn)證后，才能保證在外部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的機(jī)密性、真實(shí)性、完整性，通過(guò)Internet進(jìn)行安全的通信才成為可能。IPSec既可以只對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，或只進(jìn)行認(rèn)證，也可以同時(shí)實(shí)施二者。但無(wú)論是進(jìn)行加密還是進(jìn)行認(rèn)證，IPSec都有兩種工作模式，一種是隧道模式，另一種是傳輸模式。

IPSec協(xié)議組

IPSec協(xié)議組包含Authentication Header(AH)協(xié)議、Encapsulating Security Payload(ESP)協(xié)議和Internet Key Exchange(IKE)協(xié)議，如圖1所示，他們的功能如下。

AH協(xié)議定義了認(rèn)證的應(yīng)用方法，提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證和完整性保證;AH只涉及認(rèn)證，不涉及加密。AH雖然在功能上和ESP有些重復(fù)，但AH除了可以對(duì)IP的有效負(fù)載進(jìn)行認(rèn)證外，還可以對(duì)IP頭部實(shí)施認(rèn)證。主要是處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以對(duì)IP頭部進(jìn)行認(rèn)證，而ESP的認(rèn)證功能主要是面對(duì)IP的有效負(fù)載。為了提供最基本的功能并保證互操作性，AH必須包含對(duì)HMAC?/FONT>SHA和HMAC?/FONT>MD5(HMAC是一種SHA和MD5都支持的對(duì)稱式認(rèn)證系統(tǒng))的支持。AH既可以單獨(dú)使用，也可在隧道模式下，或和ESP聯(lián)用。

ESP協(xié)議定義了加密和可選認(rèn)證的應(yīng)用方法，提供了可靠性保證。ESP協(xié)議主要用來(lái)處理對(duì)IP數(shù)據(jù)包的加密，此外對(duì)認(rèn)證也提供某種程度的支持。ESP是與具體的加密算法相獨(dú)立的，幾乎可以支持各種對(duì)稱密鑰加密算法，例如DES、TripleDES、RC5等。為了保證各種IPSec實(shí)現(xiàn)間的互操作性，目前ESP必須提供對(duì)56位DES算法的支持。ESP協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式由三個(gè)部分組成，除了頭部、加密數(shù)據(jù)部分外，在實(shí)施認(rèn)證時(shí)還包含一個(gè)可選尾部。頭部有兩個(gè)域：安全策略索引(SPl)和序列號(hào)(Sequence Number)。使用ESP進(jìn)行安全通信之前，通信雙方需要先協(xié)商好一組將要采用的加密策略，包括使用的算法、密鑰以及密鑰的有效期等。“安全策略索引”使用來(lái)標(biāo)識(shí)發(fā)送方是使用哪組加密策略來(lái)處理IP數(shù)據(jù)包的，當(dāng)接收方看到了這個(gè)序號(hào)就知道了對(duì)收到的IP數(shù)據(jù)包應(yīng)該如何處理。“序列號(hào)”用來(lái)區(qū)分使用同一組加密策略的不同數(shù)據(jù)包。加密數(shù)據(jù)部分除了包含原IP數(shù)據(jù)包的有效負(fù)載外，填充域(用來(lái)保證加密數(shù)據(jù)部分滿足塊加密的長(zhǎng)度要求)包含其余部分在傳輸時(shí)都是加密過(guò)的。其中“下一個(gè)頭部(Next Header)”用來(lái)指出有效負(fù)載部分使用的協(xié)議，可能是傳輸層協(xié)議(TCP或UDP)，也可能是IPSec協(xié)議(ESP或AH)。通常，ESP可以作為IP的有效負(fù)載進(jìn)行傳輸，由于采用了這種封裝形式，所以ESP可以使用舊有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

　　圖1 IP層協(xié)議安全結(jié)構(gòu)

IKE協(xié)議主要是對(duì)密鑰交換進(jìn)行管理，它主要包括三個(gè)功能。

·對(duì)使用的協(xié)議、加密算法和密鑰進(jìn)行協(xié)商。

·方便的密鑰交換機(jī)制(這可能需要周期性地進(jìn)行)。

·跟蹤對(duì)以上這些約定的實(shí)施。

前面已經(jīng)提到用IPSec進(jìn)行加密可以有兩種工作模式，意味著ESP協(xié)議有兩種工作模式：傳輸模式(Transport Mode)和隧道模式(Tunnel Mode)。當(dāng)ESP工作在傳輸模式時(shí)，采用當(dāng)前的IP頭部。而在隧道模式時(shí)，將整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密作為ESP的有效負(fù)載，并在ESP頭部前增添以網(wǎng)關(guān)地址為源地址的新的IP頭部，此時(shí)可以起到NAT的作用。在實(shí)際進(jìn)行IP通信時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際安全需求同時(shí)使用這兩種協(xié)議或選擇使用其中的一種。

熟悉IPSec的工作模式

IPSec有兩種工作模式，分別是傳輸模式和隧道模式。在這兩種模式下，分別可以使用AH頭(IPSec認(rèn)證頭)或ESP頭(IPSec ESP封裝安全負(fù)荷頭)兩種方式進(jìn)行安全封裝，各種工作模式下的認(rèn)證和加密原理如下。

(1)傳輸模式的認(rèn)證

傳輸模式只對(duì)IP數(shù)據(jù)包的有效負(fù)載進(jìn)行認(rèn)證。此時(shí)，繼續(xù)使用以前的IP頭部，只對(duì)IP頭部的部分域進(jìn)行修改，而IPSec協(xié)議頭部插入到IP頭部和傳輸層頭部之間，如圖2所示。

(2)隧道模式的認(rèn)證

隧道模式對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)色進(jìn)行認(rèn)證。此時(shí)，需要新產(chǎn)生一個(gè)IP頭部，IPSec頭部被放在新產(chǎn)生的IP頭部和以前的IP數(shù)據(jù)包之間，從而組成一個(gè)新的IP頭部，如圖3所示。

　　圖2 傳輸模式認(rèn)證報(bào)文

　　圖3 隧道模式認(rèn)證報(bào)文

(3)傳輸模式的加密

傳輸模式只對(duì)IP數(shù)據(jù)包的有效負(fù)載進(jìn)行加密。此時(shí)，繼續(xù)使用以前的IP頭部，只對(duì)IP頭部的部分域進(jìn)行修改，而IPSec協(xié)議頭部插入到IP頭部和傳輸層頭部之間，如圖4所示。

　　圖4 傳輸模式加密報(bào)文

(4)隧道模式的加密

隧道模式對(duì)整個(gè)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密。此時(shí)，需要新產(chǎn)生一個(gè)IP頭部，IPSec頭部被放在新產(chǎn)生的IP頭部和以前的IP數(shù)據(jù)包之間，從而組成一個(gè)新的IP頭部，如圖5所示。

　　圖5 隧道模式加密報(bào)文

AH頭結(jié)構(gòu)

AH協(xié)議為IP通信提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和反重播保證，它能保護(hù)通信免受篡改，但不能防止竊聽，適合用于傳輸非機(jī)密數(shù)據(jù)。AH的工作原理是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包上添加一個(gè)身份驗(yàn)證報(bào)頭。此報(bào)頭包含一個(gè)帶密鑰的Hash散列(可以將其當(dāng)作數(shù)字簽名，只是它不使用證書)，此Hash散列在整個(gè)數(shù)據(jù)包中計(jì)算，因此對(duì)數(shù)據(jù)的任何更改將致使散列無(wú)效——這樣就提供了完整性保護(hù)，如圖6、圖7所示。

·Next Header(下一個(gè)報(bào)頭)： 識(shí)別下一個(gè)使用IP協(xié)議號(hào)的報(bào)頭，例如，Next Header值等于“6”，表示緊接其后的是TCP報(bào)頭。

·Length(長(zhǎng)度)：AH報(bào)頭長(zhǎng)度。

·Security Parameters Index (SPI，安全參數(shù)索引)：這是一個(gè)為數(shù)據(jù)報(bào)識(shí)別安全關(guān)聯(lián)的 32 位偽隨機(jī)值。SPI 值 0 被保留來(lái)表明“沒(méi)有安全關(guān)聯(lián)存在”。

　　圖6 AH報(bào)文結(jié)構(gòu)

　　圖7 AH完整性檢查報(bào)文

·Sequence Number(序列號(hào))：從1開始的32位單增序列號(hào)，不允許重復(fù)，唯一地標(biāo)識(shí)了每一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包，為安全關(guān)聯(lián)提供反重播保護(hù)。接收端校驗(yàn)序列號(hào)為該字段值的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)被接收過(guò)，若是，則拒收該數(shù)據(jù)包。

·Authentication Data(AD，認(rèn)證數(shù)據(jù))： 包含完整性檢查和。接收端接收數(shù)據(jù)包后，首先執(zhí)行Hash計(jì)算，再與發(fā)送端所計(jì)算的該字段值比較，若兩者相等，表示數(shù)據(jù)完整，若在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)遭修改，兩個(gè)計(jì)算結(jié)果不一致，則丟棄該數(shù)據(jù)包。

ESP頭結(jié)構(gòu)

ESP為IP數(shù)據(jù)包提供完整性檢查、認(rèn)證和加密，可以看作是“超級(jí) AH”， 因?yàn)樗峁C(jī)密性并可防止篡改。如圖8、圖9所示。

　　圖8 ESP頭結(jié)構(gòu)

·Security Parameters Index(SPI，安全參數(shù)索引)：為數(shù)據(jù)包識(shí)別安全關(guān)聯(lián)。

·Sequence Number(序列號(hào))：從1開始的32位單增序列號(hào)，不允許重復(fù)，唯一地標(biāo)識(shí)了每一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包，為安全關(guān)聯(lián)提供反重播保護(hù)。接收端校驗(yàn)序列號(hào)為該字段值的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)被接收過(guò)，若是，則拒收該數(shù)據(jù)包。ESP報(bào)尾字段包括：

·Padding(擴(kuò)展位)：0-255個(gè)字節(jié)。DH算法要求數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(以位為單位)模512為448，若應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不足，則用擴(kuò)展位填充。

·Padding Length(擴(kuò)展位長(zhǎng)度)：接收端根據(jù)該字段長(zhǎng)度去除數(shù)據(jù)中擴(kuò)展位。

·Next Header(下一個(gè)報(bào)頭)：識(shí)別下一個(gè)使用IP協(xié)議號(hào)的報(bào)頭，如TCP或UDP。

·ESP認(rèn)證報(bào)尾字段：Authentication Data(AD，認(rèn)證數(shù)據(jù))，它包含完整性檢查和。完整性檢查部分包括ESP報(bào)頭、有效載荷(應(yīng)用程序數(shù)據(jù))和ESP報(bào)尾。

　　圖9 ESP完整性檢查報(bào)文結(jié)構(gòu)