网络安全——网络层IPSec安全协议
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前言
在前一章讲解了IPSec采用的安全技术，那什么是IPSec安全协议呢？本章将会很透彻的讲解IPSec安全协议。
一.IPSec安全协议
IPSec在IP层提供安全服务，它使系统能按需选择安全协议，决定服务所使用的算法及放置需求服务所需密钥到相应位置。IPSec用来保护一条或多条主机与主机间、安全网关与安全网关间、安全网关与主机间的路径。
1.IPSec提供的安全服务
IPSec能提供的安全服务集包括访问控制、无连接的完整性、数据源认证、拒绝重发包（部分序列完整性形式）、保密性和有限传输流保密性。因为这些服务均在IP层提供，所以任何高层协议均能使用它们，例如TCP、UDP、ICMP、BGP等。
这些目标是通过使用两大传输安全协议，头部认证（AH）和封装安全负载（ESP）以及密钥管理程序和协议的使用来完成的。
所需的IPSec协议集内容及其使用方式是由用户、应用程序和/或站点、组织对安全和系统的需求来决定。
2.IPSec结构
IPSec结构包括众多协议和算法，这些协议之间的相互关系如图所示。
由图可知，IPSec协议不是一个单独的协议，它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构。
- 包括网络认证协议Authentication Header(AH)、
- 封装安全载荷协议(Encapsulating Security Payload,ESP)、
- 密钥管理协议(Internet Key Exchange,IKE)和用于网络认证及加密的一些算法等。
IPSec规定了如何在对等层之间选择安全协议、确定安全算法和密钥交换，向上提供访问控制、数据源认证、数据加密等网络安全服务。
3.IPSce提供的两种机制
IPSce提供了两种机制：认证和加密
认证机制使IP通信的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份，以及数据在传输过程中是否遭篡改。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数据在传输过程中被窃听。
其中，AH协议定义了认证的应用方法，提供数据源认证和完整性保证：ESP协议定义了加密和可选认证的应用方法，提供可靠性保证。
在实际进行IP通信时，可以根据实际需求同时使用这两种协议或选择使用其中的一种。AH和ESP都可以提供认证服务，不过，AH提供的认证服务要强于ESP。
二.Authentication Header 协议
1. Authentication Header 协议结构
Authentication Header(AH)协议主要提供认证机制，保证数据包接收者得到的源地址是可靠的，同时也提供了数据的完整性，抗重播攻击的能力。
它使通信免受篡改，但不能防止窃听，适合用于传输非机密数据。
AH的工作原理是在每一个数据包上添加一个身份验证包头。
此包头包含一个带密钥的Hash散列（可以将其当做数字签名，只是它不使用证书)，此Hash散列在整个数据包中计算，因此对数据的任何更改将致使散列无效，提供对数据的完整性保护。
AH包头位置在IP包头和传输层协议包头之间，如图所示。AH由IP协议号“51”标识，该值包含在AH包头之前的协议包头中，如IP包头。AH可以单独使用，也可以与ESP协议结合使用。
AH由5个固定长度域和一个变长的认证数据域组成，如图所示。
其中的字段意义如下。
- （1）下一头：(8位)，识别这个包头之后紧跟的包头类型。在传输模式下，表示处于保护中的上层协议的值，比如TCP或UDP的值。
- （3）载荷长度：(8位）其值等于AH头长度（以32位字长计算）减去2。AH头是一个IPv6的扩展头按照RFC2460标准的规定：它的值是头长度减去一个64位，在认证数据为标准的96位时，这个域的值为4。
- （3）保留字段：16位，该字段用于今后的扩充，设置为0。
- （4）安全参数索引SPl：专有32位值，用以区分那些目的IP地址和安全协议类型相同，但算法不同的数据包。
- （5）序列号：32位整数，它代表一个单调递增计数器的值。
- （6）认证值：这个域的长度可变，它存放IP数据包的完整性校验值ICV。
ICV，全称integrity check value。是在对无格式文本安全列表和补充的计算得到的，用于信息安全的完整性检查。ICV的算法是32位的自身反码加法，每个32位块跟随32个0位。
2.AH传输模式
如图3-5所示，在传输模式下，AH包头插在IP包头之后，TCP、UDP或者ICMP等上层协议包头之前。
一般AH为整个数据包提供完整性检查，但是在传输过程中，某些IP头字段会发生变化，且发送方无法预测数据包到达接收端时此字段的值。
例如生存期（Time To Live)或服务类型（Type of Service）等值可变字段（可变字段如图3-6中灰色字段)，在进行完整性检查时，应将这些值的可变字段置为0。AH尽可能为IP头和上层协议数据提供足够多的认证，但AH并不能保护可变字段值，因此，AH提供给IP头的保护有些是零碎的。
通常，当用于IPv6时，AH出现在IPv6逐跳路由头之后，IPv6目的选项之前；而用于IPv4时，AH跟随主IPv4头。
3.AH隧道模式
以上介绍的是传输模式下的AH协议，AH隧道模式与传输模式略有不同。
- 在隧道模式下，整个原数据包被当做有效载荷封装起来，外面附上新的IP包头。其中“内部”IP包头(原IP包头)指定最终的信源和信宿地址，而“外部”IP包头(新IP包头)中包含的常常是做中间处理的网关地址。
- 与传输模式不同，在隧道模式中，原IP地址被当做有效载荷的一部分，受到IPSec的保护。另外，通过对数据加密，还可以将数据包目的地址隐藏起来，这样更有助于保护端对端隧道通信中数据的安全性。
- 图中给出了AH隧道模式中的认证部分。AH隧道模式为整个数据包提供完整性检查和认证，认证功能优于ESP。但在隧道技术中，AH协议很少单独实现，通常与ESP协议组合使用。
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