IPSec体系架构

IPSec不是一个单独的协议，IPSec VPN 体 系 结 构 主 要 由 AH （ Authentication Header ） 、 ESP（Encapsulating Security Payload） 和IKE（Internet Key Exchange）协议套件组成。通过AH和ESP这两个安全协议来实现IP数据报文的安全传输； 通过IKE协议提供密钥协商，建立和维护安全联盟SA等服务。

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SA（Security Association） 安全联盟：

定义了IPSec通信对等体间将使用的数据封装模式、 认证和加密算法、 秘钥等参数。 SA是单向的， 两个对等体之间的双向通信， 至少需要两个SA。 如果两个对等体希望同时 使用AH和ESP安全协议来进行通信， 则对等体针对每一种安全协议都需要协商一对SA。 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、 安全协议（AH或ESP） 。

建立SA的方式有以下两种：

  1. 手工方式：安全联盟所需的全部信息都必须手工配置。 手工方式建立安全联盟比较 复杂， 但优点是可以不依赖IKE而单独实现IPSec功能。 当对等体设备数量较少时， 或是在 小型静态环境中， 手工配置SA是可行的。
  2. IKE动态协商方式：只需要通信对等体间配置好IKE协商参数， 由IKE自动协商来创建 和维护SA。 动态协商方式建立安全联盟相对简单些。 对于中、 大型的动态网络环境中， 推荐使用IKE协商建立SA。

使用安全联盟（SA）是为了解决以下问题：

  • 如何保护通信数据
  • 保护什么通信数据
  • 由谁实行保护

建立SA是其他IPsec服务的前提，SA定义了通信双方保护一定数据流量的策略。一个SA通 常包含以下的安全参数：

  • 认证/加密算法，密钥长度及其他的参数（如何保护）
  • 认证和加密所需要的密钥
  • 哪些数据要使用到该SA（保护什么）
  • IPsec的封装协议和模式（由谁执行）

IKE（因特网密钥交换协议）

IKE属于一种混合型协议，由Internet安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）和两种密钥 交换协议OAKLEY与SKEME组成。IKE创建在由ISAKMP定义的框架上，沿用了OAKLEY的 密钥交换模式以及SKEME的共享和密钥更新技术，还定义了它自己的两种密钥交换方式： 主模式和积极模式。使用UDP 500端口工作。主要作用如下：

  • 在IPsec网络中用于密钥管理
  • 为IPSec提供了自动协商交换密钥、建立安全联盟的服务
  • 通过数据交换来计算密钥

IKE的精髓就是DH算法，并不是真正的在网络中交换密钥，而是通过交换一些参数，独自计 算密钥，而两端结果正好相同。如下图所示：

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DH算法原理：

1、通信双方协商用同一个大素数p和素数的原根g

2、发送方选择一个大随机整数X(A)，计算 Y(A)= g^x mod p，发送Y(A)给接收者;

3、接收方选择一个大随机整数X(B)，计算 Y(B) = g^y mod p，发送Y(B)给发送方；

4、确定最终密钥。发送方密钥为k1 = Y(B)^X(A) mod p，接收方密钥为k2=Y(A)^X(B) mod p。K1=K2，所以其做为共享密钥来使用。 其他人可以知道p、 g、 Y(A)和Y(B)， 但是他们不能计算出密钥，除非他们能恢复X(A)和 X(B)。

缺点及解决方法:

缺点：不能抵御中间人攻击。

解决方法：使用认证的方法。

设备验证：

由于中间人的攻击，两端的路由器要进行设备验证。设备验证的方法一般有以下3种：

  • 预共享对称密钥
  • 预共享非对称密钥
  • 数字证书

一般都会采用预共享对称密钥的方法，把自己的身份信息，如：IP地址、主机名等，同共 享密钥进行HASH运算。

IPSec工作过程

IPSec VPN分为两个协商阶段，其实也是两个连接建立的阶段:

  • 管理连接：IKE的SA的协商，分为主模式（Main mode）和积极模式 (Aggressive mode)两种。主模式需要交互6个消息，而野蛮模式只需要交互3个消息；主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。第一个阶段IKE设置，有三个任务 需要完成：

    ​ 协商一系列算法和参数；（这些算法和参数用于保护隧道建立 过程中的数据）

    ​ 必须计算出两边使用的加密KEY值；（DH算法）

    ​ 对等体的验证，如何才能知道对端就是我要与之通信的对端。 （设备验证）

  • 数据连接：IPSEC的SA的协商 ，使用快速（Quick mode）模式。协商IPSec SA使用的安全参数，创建IPSec SA（SA可以加密两个对等体之间的数据，这才是真 正的需要加密的用户数据），使用AH或ESP来加密IP数据流。至此IPSec VPN隧道才 真正建立起来。

总结如下：

  • 第一阶段作用：对等体之间彼此验证对方，并协商出IKE SA，保护第二阶段中 IPSec SA协商过程；
  • 第二阶段作用：协商IPSec单向SA，为保护IP数据流而创建；
  • IKE的SA成功建立与否决定了IPSEC的SA是否能够成功建立

站点到站点的IPSec VPN建立的过程：

  1. 感兴趣的流通过
  2. IKE的SA协商开始，协商如何保护管理连接
  3. 运行DH算法协商出IKE的共享密钥
  4. 在安全的管理连接上执行设备验证
  5. IPSEC的SA协商开始：协商参数和密钥信息来保护数据连接（重新生成一个共享密 钥）
  6. 数据连接建立，加密传输数据
  7. 管理和数据连接将会到期，并重新构建

IPSec VPN配置

管理连接建立要考虑的问题：

  • 设备验证是如何执行的
  • 使用哪种加密算法
  • 使用哪种散列算法
  • 使用哪种DH密钥组
  • 连接的生存周期

数据连接要考虑的问题：

  • 使用哪种安全协议
  • 对于ESP，使用哪种加密算法和/或散列算法
  • 对于AH，使用哪种散列算法
  • 隧道模式还是传输模式
  • 数据连接的生存周期

配置IPSec VPN的步骤如下：

  1. 配置网络可达。首先需要检查报文发送方和接收方之间的网络层可达性， 确保双方只有 建立IPSec VPN隧道才能进行IPSec通信。
  2. 配置ACL识别兴趣流。第二步是定义数据流。 因为部分流量无需满足完整性和机密性要 求，所以需要对流量进行过滤， 选择出需要进行IPSec处理的兴趣流。 可以通过配置ACL来 定义和区分不同的数据流。
  3. 创建IPSec安全提议。 IPSec提议定义了保护数据流所用的安全协议、 认证算法、 加密 算法和封装模式。 安全协议包括AH和ESP， 两者可以单独使用或一起使用。 AH支持MD5 和SHA-1认证算 法； ESP支持两种认证算法（ MD5和SHA-1） 和三种加密算法（DES、 3DES和AES） 。 为了能够正常传输数据流， 安全隧道两端的对等体必须使用相同的安全协议、 认证算法、 加密算法和封装模式。 如果要在两个安全网关之间建立IPSec隧道， 建议将IPSec封装模式 设置为隧道模式， 以便隐藏通信使用的实际源IP地址和目的IP地址。
  4. 创建IPSec安全策略。 IPSec策略中会应用IPSec提议中定义的安全协议、 认证算法、 加 密算法和封装模式。 每一个IPSec安全策略都使用唯一的名称和序号来标识。 IPSec策略可 分成两类：手工建立SA的策略和IKE协商建立SA的策略。
  5. 在一个接口上应用IPSec安全策略。

具体配置样例：

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SSL协议

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全（Transport Layer Security，TLS）是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层 对网络连接进行加密。

SSL和TLS的历史：

  • 1990年，Netscape公司提出SSL，使得通信在WWW的环境下能够安全进行。
  • 1994年，Netscape公司发布了SSL v2，SSL越来越流行并成为一个真正的标准。
  • 1995年，Netscape公司发布SSL V3版本
  • 1996年，Internet工程任务组IETF建立了传输层安全工作组，致力于SSL协议标准化
  • 1999年，标准协议TLS作为RFC 2246被公布。总体上和SSL V3类似
  • 现今TLS有两个新变体是无线TLS(WTLS)和数据报TLS(DTLS)

SSL VPN的工作原理：

1、SSL VPN用处

  • SSL VPN主要提供基于Web应用程序的安全访问
  • SSL VPN操作在OSI的会话层
  • Cisco将SSL VPN称为Web VPN

2、SSL VPN客户端模式：

  • 无客户端：用户只是借助Web浏览器即可实现登录访问，但仅限于可以依赖浏 览器的流量
  • 瘦客户端：用户通过SSL下载Java或Active软件以实现部分非Web流量的传输
  • 胖客户端：用户通过SSL动态下载客户端软件，类似于网络层VPN

3、SSL VPN的验证方式：数字证书和用户名密码

4、SSL VPN的加密：通过SSL协议实现

5、SSL VPN的内容控制：根据不同的用户来开放不同的应用程序从而对用户的访问进行控 制

数字签名：

数字签名是指使用发送者的私钥加密消息散列值行为，其输出结果即被称为数字签名。 当接收者收到带有相应签名的消息时需要进行两步运算：使用发送者的公钥解密收到的签名 以获得散列值，再计算收到消息的散列值。对比两次计算的输出结果，若结果相同，那么接收者就能证实此签名是可信的。常用的数字签名算法包括基于MD5和SHA-1的RSA及基于 SHA-1的DSS。数字签名的验证过程如下图所示：

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公钥基础结构PKI(Public Key Infrastructure)

公钥基础设施(PKI)是一个利用非对称加密算法原理和技术实现并提供安全服务的具有 通用性的技术规范和标准。是管理非对称加密算法的密钥和确认信息。整合数字证书、公钥 加密技术和CA的系统。其结合了软件、加密技术和组织需要进行非对称加密算法的服务。 PKI技术是信息安全技术的核心。也是电子商务的关键和基础技术。

  • PKI允许用户相互验证各自使用的、由认证中心颁发的数字证书

  • X.509：关于PKI的ITU-T标准，定义了公钥证书的标准格式

  • 公钥基础结构X.509(PKIX):IETF工作组，定义了数字证书的用途

  • 公钥加密标准（PKCS）:由RSA实验室设计并公布的一组公钥加密标准。PKCS 是PKI的加密基础。常见的几个标准如下：

    ​ PKCS1定义了RSA加密标准

    ​ PKCS7定义了加密消息语法标准，指定了在PKI下对消息的签 名和加密。

    ​ PKCS10定义了证书请求标准，指定了发往认证中心的消息的 格式，此消息用于请求带有密钥对的证书。

数字证书：

数字证书实质上是用户身份与其公钥的绑定。数字证书由第三方实体即认证中心 （CA,certification authority）颁发，确保证书的可信性和真实性。CA负责验证用户身 份、颁发证书、吊销证书和发布CRL。主要内容如下：

  • 签名算法ID:指定签名算法（RSA或者DSS）
  • 颁发者（CA）的X.509名称：CA服务器的身份
    有效期：指定了证书的寿命
  • 用户名称：包括带有X.509目录格式的用户身份。
  • 用户公钥：包括与用户身份绑定的用户公钥。
  • 扩展域：用户电子邮件地址或FQDN、证书吊销列表
  • CA数字签名：CA服务器用CA私钥签名的散列值。

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使用证书认证过程：

  1. Alice首先请求根证书，即CA证书
  2. CA服务器将自己的根证书回复给alice
  3. alice产生一个证书请求，其中包括Alice的身份信息和公钥。Alice用CA根证书中 的CA公钥签名此证书请求
  4. CA服务器获得证书请求，验证Alice身份，并为Alice产生一个数字证书，将其身份 与公钥绑定。这个身份证书由CA签名，提供了Alice的身份与CA身份之间的绑定。
  5. CA服务器向Alice颁发证书
  6. 当Alice获取证书，使用证书，将其呈递给Bob以传达信任
  7. Bob将验证此数字签名，以确认Alice的证书，随后便对Alice的公钥建立信任。

SSL协议结构

SSL是一个分层协议，在最底层的是SSL记录协议。记录协议主要是一个封装协议，用于传 输各种高层协议和应用数据。记录协议由4个上层客户端协议组成：握手协议、报警协议、 修改密码规范协议和应用数据协议。

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SSL 连接建立过程：

1、建立安全能力，包含协议版本，会话ID,加密套件列表、压缩方法以及初始随机数

2、服务器发送证书、密钥交换和请求证书以及服务信息结束消息

3、客户端发送证书（如果要求），客户端发送密钥交换，客户端发送证书验证消息

4、确认加密算法和密钥并完成握手协议

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1、Hello阶段：

客户端和服务器建立一个逻辑连接并协商SSL会话基本的安全属性，如SSL协议版本和密码组。

客户端发起Client Hello消息：

  • 协议版本
  • 客户端随机数:用于计算主密钥
  • 会话ID（可选）
  • 客户端Cipher Suite:一个客户端支持的加密套件列表
  • 压缩方法

服务器回应Server Hello消息，产生服务器随机数。

总之，经过Hello阶段后，客户端和服务器协商了安全参数，还产生了随后参与生成主密钥 的必需品（客户端随机数和服务器随机数）。

2、验证和秘钥交换：

在这一阶段，客户端和服务器需要达成一个用于验证的共享密钥，称为预主密钥，这个预主 密钥随后会变换成主密钥。

SSL v3和TLS支持的主要密钥交换方法：

  • RSA:最常用的验证和密钥交换方法。在这个模式下，客户端产生一个随机密钥 作为预主密钥，然后将其用服务器的RSA公钥加密，附在Client Key Exchange消息 中发送给服务器。
  • Diffie-Hellman：客户端和服务器执行DH交换，并将计算出的DH公共密钥作为 预主密钥。

如果需要验证客户端，服务器将发送Certificate Request消息。客户端回应两个消息：

Client Certificate和Certificate Verify。前者包含客户端证书，后者完成客户端验证工作。

3、密钥导出

主密钥从不交换，但也不是由客户端和服务器各自独立产生的。由主密钥产生的一些密钥用 于消息加密和完整性验证。SSL客户端和服务器通过以下先前交换的数据来产生主密钥。

  • 预主密钥
  • 客户端随机数和服务器随机数

产生以下密钥：

  • 客户端写密钥
  • 服务器写密钥
  • 客户端写MAC密钥
  • 服务器写MAC密钥

4、完成握手

为了表示已准备好，客户端和服务器发送ChangeCipherSpec消息向对方表达已做好准备 使用协商好的安全算法和密钥。

最后是Finished消息，此消息是由协商好的新安全算法和密钥保护的。主要是整个握手消息 和主密钥的一个散列值，其消息的确认表明验证和密钥交换过程成功了。

这个阶段完成后，SSL客户端和服务器开始传送应用数据。

SSL VPN与IPSec VPN比较：

SSL VPN的优缺点：

  • SSL VPN的无客户端、瘦客户端方式可以做到用户端无需安装任何软件
  • 可以从任何地方安全的访问公司内部服务器
  • 支持多种类型的浏览器
  • 用户不需要进行特殊的培训
  • SSL VPN可以和地址转换设备一起使用
  • 可以对各种应用程序进行更加细致的控制
  • SSL VPN为应用层内容加密，容易受到拒绝服务攻击
  • SSL VPN对数据的验证功能，没有IPSec VPN使用HMAC验证效果好
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