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网络通信提供可靠的安全服务

一、IPSec概述

1、IPSec介绍

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

2、IPSec的安全性

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

3、安全联盟

安全联盟SA（Security Association）是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

4、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

AH仅支持认证功能，不支持加密功能，AH在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头，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
ESP支持认证和加密功能，ESP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 Trailer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，除非IP头被封装在ESP内部（采用隧道模式）

5、封装模式

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

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，由于传输模式未添加额外的IP头，所以原始报文中的IP地址在加密后报文的IP头中可见，传输模式下，与AH协议相比，ESP协议的完整性验证范围不包括IP头，无法保证IP头的安全
在隧道模式下，AH头或ESP头被插到原始IP头之前，另外生成一个新的报文头放到AH头或ESP头之前，保护IP头和负载，隧道模式下，与AH协议相比，ESP协议的完整性验证范围不包括新IP头，无法保证新IP头的安全

6、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数据包进行验证和加密，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
从场景来讲，传输模式主要应用于两台主机或一台主机和一台IPSec网关之间通信，隧道模式主要应用于两台IPSec网关之间或一台主机与一台IPSec网关之间的通信

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

7、加密和验证

IPSec提供了两种安全机制加密和验证，加密机制保证数据的机密性，防止数据在传输过程中被窃听，验证机制能保证数据真实可靠，防止数据在传输过程中被仿冒和篡改

IPSec采用对称加密算法对数据进行加密和解密，用于加密和解密的对称密钥可以手工配置，也可以通过IKE协议自动协商生成，常用的对称加密算法包括数据加密标准DES（Data Encryption Standard）、3DES（Triple Data Encryption Standard）、先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard）国密算法（SM1和SM4），其中，DES和3DES算法安全性低，存在安全风险，不推荐使用
IPSec的加密功能，无法验证解密后的信息是否是原始发送的信息或完整，IPSec采用HMAC（Keyed-Hash Message Authentication Code）功能，比较完整性校验值ICV进行数据包完整性和真实性验证，通常情况下，加密和验证通常配合使用，在IPSec发送方，加密后的报文通过验证算法和对称密钥生成完整性校验值ICV，IP报文和完整性校验值ICV同时发给对端，在IPSec接收方，使用相同的验证算法和对称密钥对加密报文进行处理，同样得到完整性校验值ICV，然后比较完整性校验值ICV进行数据完整性和真实性验证，验证不通过的报文直接丢弃，验证通过的报文再进行解密，同加密一样，用于验证的对称密钥也可以手工配置，或者通过IKE协议自动协商生成，常用的验证算法包括消息摘要MD5（Message Digest 5）、安全散列算法SHA1（Secure Hash Algorithm 1）、SHA2、国密算法SM3（Senior Middle 3），其中，MD5、SHA1算法安全性低，存在安全风险，不推荐使用

8、密钥交换

使用对称密钥进行加密、验证时，如何安全地共享密钥是一个很重要的问题，有两种方法解决这个问题

带外共享密钥是在发送、接收设备上手工配置静态的加密、验证密钥，双方通过带外共享的方式（例如通过电话或邮件方式）保证密钥一致性，这种方式的缺点是安全性低，可扩展性差，在点到多点组网中配置密钥的工作量成倍增加，另外，为提升网络安全性需要周期性修改密钥，这种方式下也很难实施
使用一个安全的密钥分发协议通过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

9、IKE协议

因特网密钥交换IKE（Internet Key Exchange）协议建立在Internet安全联盟和密钥管理协议ISAKMP定义的框架上，是基于UDP（User Datagram Protocol）的应用层协议，它为IPSec提供了自动协商密钥、建立IPSec安全联盟的服务，能够简化IPSec的配置和维护工作，对等体之间建立一个IKE SA完成身份验证和密钥信息交换后，在IKE SA的保护下，根据配置的AH/ESP安全协议等参数协商出一对IPSec SA，此后，对等体间的数据将在IPSec隧道中加密传输，IKE SA是一个双向的逻辑连接，两个对等体间只建立一个IKE SA

10、IKE安全机制

IKE具有一套自保护机制，可以在网络上安全地认证身份、分发密钥、建立IPSec SA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

在预共享密钥认证中，通信双方采用共享的密钥对报文进行Hash计算，判断双方的计算结果是否相同，如果相同，则认证通过，否则认证失败
当有1个对等体对应多个对等体时，需要为每个对等体配置预共享的密钥，该方法在小型网络中容易建立，但安全性较低
在数字证书认证中，通信双方使用CA证书进行数字证书合法性验证，双方各有自己的公钥（网络上传输）和私钥（自己持有），发送方对原始报文进行Hash计算，并用自己的私钥对报文计算结果进行加密，生成数字签名，接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，并对报文进行Hash计算，判断计算结果与解密后的结果是否相同，如果相同，则认证通过，否则认证失败
使用数字证书安全性高，但需要CA来颁发数字证书，适合在大型网络中使用
在数字信封认证中，发送方首先随机产生一个对称密钥，使用接收方的公钥对此对称密钥进行加密（被公钥加密的对称密钥称为数字信封），发送方用对称密钥加密报文，同时用自己的私钥生成数字签名，接收方用自己的私钥解密数字信封得到对称密钥，再用对称密钥解密报文，同时根据发送方的公钥对数字签名进行解密，验证发送方的数字签名是否正确，如果正确，则认证通过，否则认证失败
数字信封认证用于设备需要符合国家密码管理局要求时使用，此认证方法只能在IKEv1的主模式协商过程中支持，IKE支持的认证算法有：MD5、SHA1、SHA2-256、SHA2-384、SHA2-512、SM3
身份数据在密钥产生之后加密传送，实现了对身份数据的保护，IKE支持的加密算法有：DES、3DES、AES-128、AES-192、AES-256、SM1和SM4
DH是一种公共密钥交换方法，它用于产生密钥材料，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，在任何时候，通信双方都不交换真正的密钥，DH密钥交换是IKE的精髓所在
完善的前向安全性PFS（Perfect Forward Secrecy）通过执行一次额外的DH交换，确保即使IKE SA中使用的密钥被泄露，IPSec SA中使用的密钥也不会受到损害

11、IKE版本

IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本，IKEv2与IKEv1相比有以下优点

简化了安全联盟的协商过程，提高了协商效率，IKEv1使用两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立IPSec SA，第一阶段，通信双方协商和建立IKE本身使用的安全通道，建立一个IKE SA，第二阶段，利用这个已通过了认证和安全保护的安全通道，建立一对IPSec SA，IKEv2则简化了协商过程，在一次协商中可直接生成IPSec的密钥并建立IPSec SA
修复了多处公认的密码学方面的安全漏洞，提高了安全性能