IPSec NAT-T穿越技术

Posted 2020-08-22

IPSec NAT-T穿越技术

在NAT技术和IPsec技术的应用都非常广泛。但从本质上来说，两者是存在着矛盾的。

 

1.从IPsec的角度上说，IPsec要保证数据的安全，因此它会加密和校验数据。

2.从NAT的观点来看，为了完成地址转换，势必会修改IP地址。

 

        IPSec提供了端到端的IP通信的安全性，但在NAT环境下对IPSec的支持有限，AH协议是肯定不能进行NAT的了，这和AH设计的理念是相违背的；ESP协议在NAT环境下最多只能有一个VPN主机能建立VPN通道，无法实现多台机器同时在NAT环境下进行ESP通信（原因如下图：）

 

关于IPSec在NAT环境下的需求问题在RFC3715中进行了描述。

      NAT穿越(NATTraversal，NAT-T)就是为解决这个问题而提出的，RFC3947，3948中定义，在RFC4306中也加入了NAT-T的说明，但并没废除RFC3947，3948，只是不区分阶段1和阶段2。该方法将ESP协议包封装到UDP包中（在原ESP协议的IP包头外添加新的IP头和UDP头，也被称为NAT-T头部）

使之可以在NAT环境下使用的一种方法，这样在NAT的内部网中可以有多个IPSec主机建立VPN通道进行通信（原因是如下图,因为有了UDP报文的封装ESP加密的报文后，PAT模式下使用UDP端口号可以区分不同的ESP PAYLOAD：）。

 

 

 

    AH封装：AH封装的校验从IP头开始，如果NAT将IP的头部改动，AH的校验就会失败，因此我们得出结论，AH是无法与NAT共存的。

 

 

ESP封装的传输模式：对于NAT来说，ESP封装比AH的优势在于，无论是加密还是完整性的校验，IP头部都没有被包括进去。如下图：

 

但是还是有新的问题，对于ESP的传输模式，NAT 无法更新上层校验和。因为TCP 和 UDP 报头包含一个校验和，它整合了源和目标 IP 地址和端口号的值，而源和目的IP地址和端口号在做NAT时会发生改变。

 

  当 NAT 改变了某个包的 IP 地址和（或）端口号时，它通常要更新 TCP 或 UDP 校验和。当 TCP 或 UDP 校验和使用了 ESP 来加密时，它就无法更新这个校验和。由于地址或端口已经被 NAT 更改，目的地的校验和检验就会失败。虽然 UDP 校验和是可选的，但是 TCP 校验和却是必需的。所以ESP的传输模式也不支持NAT穿越。

     ESP封装的隧道模式：从ESP隧道模式的封装中，我们可以发现，ESP隧道模式将整个原始的IP包整个进行了加密，且在ESP的头部外面新加了一层IP头部，所以NAT如果只改变最前面的新的IP地址对后面受到保护的部分是不会有影响的。因此，IPsec只有采用ESP的隧道模式来封装数据时才能与NAT共存。

 

AH模式的IPSec VPN由于完整性校验牵涉到IP头部，所以NAT无法对其修改，不兼容。

ESP的传输模式，因为TCP部分被加密，NAT无法对TCP校验和进行修改，不兼容。

ESP的隧道模式，由于NAT改动外部的IP而不能改动被加密的原始IP，使得只有这种情况下才能与NAT共存。

 

 

NAT穿越(NAT Traversal，NAT-T)

      Cisco ios的版本在12.2(13)T以后，可以支持NAT-T技术。以前NAT和IPsec只能以1对1的形式共存（非PAT的情况），NAT-T打破了这种形式（因为使用了NAT-T包头做的UDP端口区分）。而且NAT-T支持ESP的传输模式。NAT-T的基本思想：将ESP协议包封装到UDP包中（在原ESP协议的IP包头外添加新的IP头和UDP头）。使得NAT对待它就像对待一个普通的UDP包一样。而且支持ESP的传输模式。NAT-T的基本原理和执行步骤

1. 检测通信中是否存在NAT设备和对方是否支持NAT-T

2.检测对方是否支持NAT-T是通过交换vendor ID载荷来实现的，如果自身支持NAT-T，在IKE开始交互就要发送这种载荷，载荷内容是“RFC 3947”的MD5值，也就是十六进制的“4a131c81070358455c5728f20e95452f”

 

 

 

 

上面的NAT-D数据就是源IP和源端口（或者目的IP和目的端口）的组合分别计算的hash值，用于验证peer之间是否存在NAT设备，但是无法区分是PAT还是一对一的NAT。

如果有NAT存在且双方都支持NAT-T，则:

 

上面IKE的1-2个包相互发送VID来声明自己是否支持NAT-T，IKE的3-4个包（MM主模式）或者2-3个包（AM主动模式）发送由源IP和源端口号，以及目的IP和目的端口组合分别计算的NAT-D负载。

如果双方判断后确实需要NAT-T技术，则在IKE的5-6个包开始后面所有ISKAMP包，以及所有的ESP包，都被封装到中目的UDP为4500的包中。

判定CISCO路由器是否启用NAT-T技术，可以通过show crypto ipsec sa：

查看in use setting是否为Tunnel（未启用NAT-T）

 

如果CISCO路由器启用了NAT-T技术，则显示如下（Tunnel UDP-Encaps）：

判定cisco ASA防火墙是否启用了NAT-T技术，也可以通过show crypto ipsec sa：查看in use setting是否为L2L tunnel（未启用NAT-T）

 

如果CISCO ASA防火墙启用了NAT-T技术，则显示如下：L2L tunnel NAT-T-Encaps：

 

NAT-T的两端peer之间的设备（如ASA设备）的connection会显示如下：UDP 500和UDP 4500两个会话（源目端口号一样）,其中UDP 500是IKE的1-4的4个包，从IKE的5个包开始，一直到ESP封装的数据包均封装在UDP4500中。

 

拓扑图如下（SITE1和SITE2之间建立了L2L VPN,Internet模拟被穿越的中间NAT网络）：

ASA/IOS NAT-T技术对比表（IOS只支持公有的NAT-T技术）

配置方法

1.ipsec over tcp

该方法导致双方使用TCP端口通信，缺省端口是10000，只支持client方式（远程拨号VPN），该技术牛B的地方是整个工作过程的ISAMP和ESP包均封装在TCP的某个任意端口号内，包括isakmp的前1-4个UDP 500的包也被封装在TCP中，网络的穿越效果最好。缺省被禁用，打开方法：

crypto isakmp ipsec-over-tcp

如下实例，可以同时在ASA端设置多个端口号：

client端的设置方式如下：

 

当实际环境中不常规VPN通信或NAT-T,IPSEC OVER UDP的时候使用。

2.NAT-T

该方法导致双方最终使用udp 4500端口通信，支持client（远程拨号VPN）,L2L 两种方式。缺省是被禁用的。NAT-T的打开方法：

crypto isakmp nat-traversal 20 ,缺省keepalives时间20秒，该isakmp的NAT keeplive包的发送是为了避免在经过的PAT时候，在NAT会话表（xlate）超时（PAT类型的NAT会话表超时时间很短但大于20s）之前维持住该NAT会话表。

3.ipsec over udp

导致双方使用UDP通信，缺省端口10000，只支持client方式（远程拨号VPN）。缺省被禁用,该技术的前4个包依然是UDP 500的封装，5-6个包开始包含ESP包均封装在任意的UDP端口中（默认是UDP 1000）。

打开方法:

在组策略中配置

hostname(config-group-policy)#ipsec-udp {enable | disable}

hostname(config-group-policy)#ipsec-udp-port10000 //端口号可以任意配置

如下实例：

 

client端貌似不好设置UDP的12345端口，只要ASA服务端设置UDP 12345端口就可以。

上述三种方法都启用时候的优先级别： over tcp>NAT-T>over udp

 

本文出自 “见贤思齐的蜗牛” 博客，请务必保留此出处http://jeffsoung.blog.51cto.com/392776/1880260