1. 全面讲解 IPSec 基本原理 转者注: 此篇转载 曹世宏 先生博文;本人在自己 IPSec 实践应用基础上,对此篇博文内容增加章节编号;在 封装协议章节中、删减两张抓包图片。IPSec 通讯两端是互为 client 、server 的方式,双方对等加密和认证。 1. IPSec 概念简介 什么是IPSec? IPSec(Internet Protocol Security)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。 IPSec用来解决IP层安全性问题的技术。IPSec被设计为同时支持IPv4和IPv6网络。 IPSec主要包括安全协议AH(Authentication Header)和ESP(Encapsulating Security Payload),密钥管理交换协议IKE(Internet Key Exchange)以及用于网络认证及加密的一些算法等。 IPSec主要通过加密与验证等方式,为IP数据包提供安全服务。 IPSec提供的服务: 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。 为什么要实施IPSec? 实施的最大动机是省钱。 2. IPSec 框架 IPSec是一个框架,它不是具体指某个协议,而是定义了一个框架,由各种协议组和协商而成。该框架涉及到的主要有,加密算法、验证算法、封装协议、封装模式、秘钥有效期等等。
转载者注: 个人理解,IPSec 框架属于网络应用的一种解决方案,描述业务流流转规则和细节规定; 2.1 加密: 加密算法分为两类。对称算法和非对称算法。 对称加密算法: 特点:对称秘钥算法:用相同的秘钥进行加减密。 加解密过程: 加密:明文数据 —–共享秘钥加密 ——–密文数据 解密:密文数据 —–共享秘钥解密 ——–明文数据 对称加密算法优点: 速度快安全紧凑 对称加密算法缺点: 明文传输共享秘钥,容易出现中途劫持和窃听的问题。秘钥数量是以参与者数量平方的速度增长。即指数增长 。因为数量过多,所以管理和存储会有很大问题。不支持数字签名和不可否认性。 适用做大数据加密。 常见对称算法: DES,数据加密标准DES(Data Encryption Standard)它使用56位的密钥对一个64位的明文块进行加密。 3DES,3DES(Triple Data Encryption Standard),3DES是一种增强型的DES标准,它在需要保护的数据上使用3次DES,即使用三个不同的56位的DES密钥(共168位密钥)对明文进行加密。 AES, 先进加密标准AES(Advanced Encryption Standard) AES被设计用来替代3DES,提供更快和更安全的加密功能。AES可以采用三种密钥:AES-128、AES-192和AES-256,其密钥长度分为128位、192位、256位。 随着密钥长度的提升,加密算法的保密及安全性要求越高,但计算速度也越慢。一般情况下128bit就可以充分满足安全需求。 非对称加密算法: 特点:非对称秘钥算法,一对密钥,公钥和私钥。公钥加密,私钥解密。 用私钥加密,公钥解密叫做数字签名。 仅仅只用于密钥交换(加密密钥)和数字签名(加密散列)。 非对称加密算法的优点: 安全因为不必发送密钥给接受者,所以非对称密钥不必担心密钥被中途截获的问题。密钥数目和参与者数目一样。不需要事先在各参与者之间建立关系以交换密钥。技术支持数字签名和不可否认性。 非对称加密算法的缺点: 非常非常慢。密文会很长。 适用于小数据加密。 常见非对称加密算法: RSA, 512/768/1024/2048bit ro lager。 DH,768,、102/1536bit or lager。只适用于虚拟专用网 。 转载者注: 数字信封 —-完美解决方案: 加密过程本质上、是对称加非对称算法应用过程: 加密过程: 适用对称密钥加密明文得到密文。用非对称密钥的私钥加密明文的对称密钥得到密钥包。 解密过程: 适用对方的公钥解密密钥包从而得到明文的对称密钥。用对称密钥解密密文,得到明文数据。 2.2 验证: 验证算法,也叫HASH算法,散列函数。 目的: 验证数据的完整性 特点: 固定大小雪崩效应单向不可逆冲突避免(SHA-2) 工作原理: 明文数据———–散列算法(MD5算法)——–算出散列值1(12345) 明文数据+散列值一起发给对端 验证: 明文数据———-同样的散列算法(MD5算法)———算出散列值2(67890) 如果散列值1和散列2相同,说明验证成功,如果散列值不相同,说明验证失败 常见的验证算法: MD5 消息摘要MD5(Message Digest 5),输入任意长度的消息,MD5产生128位的签名。 MD5比SHA更快,但是安全性稍差。 SHA1 安全散列算法SHA(Secure Hash Algorithm)是由NIST开发的。在1994年对原始的HMAC功能进行了修订,被称为SHA1。输入长度小于264bit的消息,SHA1产生160位的消息摘要。 SHA1比MD5要慢,但是更安全。因为它的签名比较长,具有更强大的防攻破功能,并可以更有效的发现共享的密钥。 SHA2 SHA2是SHA1的加强版本,SHA2算法相对于SHA1加密数据长度有所上升,安全性能要远远高于SHA1。SHA2算法包括SHA2-256、SHA2-384和SHA2-512,密钥长度分别为256位、384位和512位。 随着密钥长度的上升,认证算法安全强度更高,但计算速度越慢。一般情况下256位就可以充分满足安全需求。 数字签名的工作过程示意图:
私钥加密,公钥解密——数字签名 实现完整性,源认证 不可否认 实现过程: 数字签名的应用: 驱动程序签名 PDF签名 IPSec 虚拟专用网 数字签名认证。 数字证书采用数字签名。 2.3 封装协议(安全协议): IPSec使用认证头AH(Authentication Header)和封装安全载ESP(Encapsulating Security Payload)两种安全协议来传输和封装数据,提供认证或加密等安全服务。 2.3.1 AH: AH是一种基于IP的传输层协议,协议号为51。 只能支持认证 ,不支持加密 。 对整个头部进行认证。 AH工作原理: 其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头。如下所示:
图:AH报文头结构 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。 AH报文头字段含义: 字段长度含义下一头部8比特标识AH报文头后面的负载类型。传输模式下,是被保护的上层协议(TCP或UDP)或ESP协议的编号;隧道模式下,是IP协议或ESP协议的编号。注意:当AH与ESP协议同时使用时,AH报文头的下一头部为ESP报文头。负载长度8比特表示以32比特为单位的AH报文头长度减2,缺省为4。保留字段16比特保留将来使用,缺省为0。SPI32比特IPSec安全参数索引,用于唯一标识IPSec安全联盟。序列号32比特是一个从1开始的单项递增的计数器,唯一地标识每一个数据包,用于防止重放攻击。认证数据一个变长字段,长度为32比特的整数倍,通常为96比特。该字段包含数据完整性校验值 ICV(Integrity Check Value),用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法有MD5、SHA1、SHA2、SM3。 2.3.2 ESP: ESP支持加密和认证。 ESP是一种基于IP的传输层协议,协议号为50。其工作原理是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 Tail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。
ESP报文头字段: 字段长度含义SPI32比特IPSec安全参数索引,用于唯一标识IPSec安全联盟。序列号32比特是一个从1开始的单项递增的计数器,唯一地标识每一个数据包,用于防止重放攻击。负载数据—包含由下一头部字段给出的变长数据。填充字段—用于增加ESP报文头的位数。填充字段的长度与负载数据的长度和算法有关。当待加密报文的明文长度不是加密算法所要求的块长度时,需要进行填充补齐。填充长度8比特给出前面填充字段的长度,置0时表示没有填充。下一头部8比特标识ESP报文头后面的下一个负载类型。传输模式下,是被保护的上层协议(TCP或UDP)的编号;隧道模式下,是IP协议的编号。认证数据一个变长字段,长度为32比特的整数倍,通常为96比特。该字段包含数据完整性校验值ICV,用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法与AH的相同。ESP的验证功能是可选的,如果启动了数据包验证,会在加密数据的尾部添加一个ICV数值。 2.4 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。 2.4.1 传输模式: 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。传输模式不改变报文头。
图:传输模式下报文封装 传输模式下,AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、传输层协议头、数据和ESP报尾,但不包括IP头,因此ESP协议无法保证IP头的安全。ESP的加密部分包括传输层协议头、数据和ESP报尾。 判断方法: 通信点地址和加密点地址相同通信点地址可以被路由 2.4.2 隧道模式: 在原IP头部之前插入ESP/AH头部,同时生成新的IP头部 。
图:隧道模式 隧道模式下,AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾,但不包括新IP头,因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。 判断方法: 通信点地址和加密点地址不相同 通信点地址到internet能不能被路由,肯定是隧道 2.4.3 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数据报进行验证和加密。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。 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。 2.5 秘钥有效期: 默认为86400s,即24小时;在配置文件可修改。 3 IPSec 相关链接 3.1 认证、加密相关 IKEv1协议参考:IKEv1协议详解 IKEv2协议参考:IKEv2协议详解 数字证书PKI原理 3.2 IPSec各种场景配置示例 IPSec各场景配置示例 3.3 IPSec 应用 IPSec 虚拟专用网的NAT穿越技术NAT-T IPSec 高可靠(高可用) GRE over IPSec技术原理 原文链接: https://cshihong.blog.csdn.net/article/details/89423551 延展阅读链接: https://www.strongswan.org/documentation.html IPSEC 的IKE协商过程,主模式和野蛮模式
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