IPSec 基础

IPsec 简介

IPSec，因特网协议安全，是由IETF（Internet Engineering Task Force）定义的一套在网络层提供IP安全性的协议。

基于Ipsec的VPN，如阿姆瑞特VPN，由两部分组成：

Internet密钥交换协议(IKE)

IPsec协议(AH/ESP/二者都有)

第一部分，IKE是初始协商阶段，两个VPN端点在这个阶段协商使用哪种方法为下面的IP数据流提供安全。而且，通过定义一套安全联盟（SA），IKE用于管理连接；SA面向每个连接的。SA是单向的，因此每个Ipsec连接至少有2个SA。在IKE（因特网密钥交换）部分对此有更详细的描述。

另一部分是IKE协商后，用加密和认证方法实际传输的IP数据。有几种方法，如IPsec协议ESP, AH或两者结合在一起都可以做到这一点。IPsec协议（ESP/AH）部分对此进行了解释。

建立VPN事件的流程可做如下简要描述：

IKE协商如何保护IKE

IKE协商如何保护Ipsec

Ipsec在VPN中传输数据

后面的部分将具体描述每一个步骤。

Internet密钥交换协议(IKE)

这部分描述IKE，因特网密钥交换协议，及其使用的参数。

加密和认证数据比较直接，唯一需要的是加密和认证算法，及其使用的密钥。因特网密钥交换协议（IKE），用作分配这些对话用密钥的一种方法，而且在VPN端点间，规定了如何保护数据的方法。

IKE主要有三项任务：

为端点间的认证提供方法

建立新的IPsec连接（创建一对SA）

管理现有连接

IKE跟踪连接的方法是给每个连接分配一组安全联盟（SA）。SA描述与特殊连接相关的所有参数，包括使用的Ipsec协议(ESP/AH/二者兼有)，加密/解密和认证/确认传输数据使用的对话密钥。SA本身是单向的，每个连接需要一个以上的SA。大多数情况下，只使用ESP或AH，每个连接要创建2个SA，一个描述入站数据流，另一个描述出站数据流。同时使用ESP和AH的情况中就要创建4个SA。

IKE 协商
协商对话参数过程中包含许多阶段和模式。下面对其进行具体描述。

事件流程如下描述：

IKE阶段1

协商应该如何保护IKE

IKE阶段2

协商应该如何保护Ipsec

源自阶段1的密钥交换生成一些新的加密信息，以提供VPN数据流加密和认证中使用的对话密钥。

IKE和Ipsec连接都有使用期限的限制，使用时间（秒）和数据大小（KB）来描述。使用期限用于防止连接建立的时间过长，从密码学的角度看，这是有必要的。

IPSec的使用期限一般要比IKE的使用期限短。这样通过进行阶段2协商时，对Ipsec连接再次加密。不必进行另外的阶段1协商直至到IKE使用期限。

IKE 协议

IKE提议是如何保护数据的建议。发起IPsec连接的VPN网关，作为发起者会发出提议列表，提议表建议了不同的护连接的方法。

协商连接可以是通过VPN来保护数据流的Ipsec连接，或是IKE连接，保护IKE协商本身。

响应的VPN网关，在接收到此提议表后，就会根据自己的安全策略选择最适合的提议，并根据已选择的提议做出响应。

如果没有找到可接受的提议，就会做出没有可接受提议的响应，并可能提供原因。

提议包括需要的全部参数，如加密和认证数据使用的算法，以及IKE参数中描述的其他参数。

IKE 阶段1 - IKE安全协商

一个IKE协商可分两个阶段。第一阶段（阶段1），通过确认远端网关是否具有匹配的Pre-Shared密钥，来进行2个VPN网关或VPN客户端的相互认证。

可是，因为我们不希望以明文方式公布太多的协商信息，所以我们还是要保护其余的IKE协商信息。可以用前面描述的方法做到这一点，即通过发起者向响应者发送提议列表来完成。一旦这个工作完成，响应者选择并接受其中的一个提议后，将尝试着认证VPN的另一端，以确保它就是要认可的一端，并校验远端网关正是所期望的。

通过Pre-Shared密钥、证书或公开密钥加密能够完成认证。Pre-Shared密钥是目前最常见的认证方法。阿姆瑞特防火墙VPN模式支持Pre-Shared密钥和证书两种方式。

IKE 阶段2 - IPsec安全协商

另一个协商是在阶段2进行的，详细说明了Ipsec的连接参数。

在阶段2，我们将从阶段1的Diffie-Hellman密钥交换中摘取新的密钥信息，并将其作为保护VPN数据流的会话密钥。

如果使用PFS（完善的转发机密），每个阶段2协商中，会进行新的Diffie-Hellman交换。虽然这种操作比较慢，但可确保密钥不依赖于以前用过的任何密钥，不从同样的初始密钥材料中摘取密钥。这就保证了在不太安全的事件中，危及了某些密钥安全时，而不衍生出并发的密钥。

一旦完成阶段2协商，就会建立VPN连接，以备使用。

IKE 参数

在协商过程中要使用许多参数。

下面对建立VPN连接需要的配置参数加以小结。我们强烈建议了解这些参数的作用后，再试着配置VPN端点，因为两个端点能够同意所有这些参数是非常重要的。

当安装2个阿姆瑞特防火墙作为VPN端点时，就可以减少在两个相同对话框中进行对比的过程。可是，使用不同供应商的设备时，就不是很容易了。

下面是对涉及IKE协商的参数小结，后面是对这些参数的具体描述。

端点身份（Endpoint identification）
本地和远端网络/主机（Local and Remote networks/hosts）

通道/传输模式（Tunnel/transport mode）
远端网关（Remote gateway）

主/挑战模式（Main/aggressive mode）
IPsec协议(ESP/AH/二者兼有)（IPsec protocol (ESP/AH/both)）

IKE加密（IKE encryption）
IKE认证（IKE authentication）

IKE DH组（IKE DH group）
IKE使用期限（IKE lifetime）

PFS打开/关闭/身份（PFS on/off/identities）
IPsec DH组（IPsec DH group）

Ipsec加密（IPsec encryption）
Ipsec认证（IPsec authentication）

Ipsec使用期限（IPsec lifetime）

端点身份（Endpoint Identification）

这是表示VPN网关身份的一组数据。确切地说，它取决于使用的认证方法。使用Pre-Shared密钥时，它可以是一组16进制串或某种其他数据，用于识别VPN网关。为了使VPN网关可以通过相互的认证，远端网关必须拥有相同的Pre-Shared密钥。

用Pre-Shared密钥的认证是基于Diffie-Hellman算法。

本地和远端网络/主机（Local and Remote Networks/Hosts）
子网或主机间的IP数据流是受到VPN的保护的。

在LAN到LAN连接里，这里表示各自LAN的网络地址。

如果使用漫游客户，远端网络可以设为0.0.0.0/0，这意味着漫游客户可从任何地方接入本网络。

通道/传输模式（Tunnel/Transport mode）

Ipsec可以使用2种模式：通道或传输模式

通道模式表明数据流经过通道到达远端网关，远端网关将对数据进行解密/认证，把数据从通道中提取出来，并发往最终目的地。这样，偷听者只能看到加密数据流从VPN的一端发往另一端。在传输模式里，数据流无法通过通道传输，因此不适用于VPN通道。它可以用于保证VPN客户端到安全网关连接的安全，如Ipsec保护的远程配置。

大多数配置中都设置为“通道”。

远端网关（Remote Gateway）
远端网关就是远端安全网关，它负责进行解密/认证，并把数据发往目的地。也可以把该字段设成“none”（无），迫使阿姆瑞特VPN把远端地址看作远端网关。这种做法在漫游访问方式里尤其有用，因为事先不知道远端VPN客户的IP地址。把它设置为none，只要认证正确，IP地址符合上面讨论的远端网络地址，就允许来自任何IP地址的任何人打开VPN连接。

传输模式不适用远程网关。

主/挑战模式（Main/Aggressive Mode）
IKE协商有2种操作模式：主模式和挑战模式。

二者的不同之处在于，挑战模式可以用更少的包发送更多信息，这样做的优点是快速建立连接，而代价是以清晰的方式发送安全网关的身份。

使用挑战模式时，有的配置参数如Diffie-Hellman和PFS不能进行协商，因此两端拥有兼容的配置是至关重要的。

IPsec协议（IPsec Protocols）
Ipsec协议描述了如何处理数据的方法。其中可以选择的2种协议是AH（认证头，Authentication Header）和ESP（封装安全有效载荷，Encapsulating Security Payload）。

ESP具有加密，认证或二者兼有的功能。但是，我们不建议仅使用加密功能，因为它会大大降低安全性。

关于ESP更多信息，请参看ESP (Encapsulating Security Payload)。

AH只有认证作用。与ESP的认证之间的不同之处仅仅在于，AH可以认证部分外发的IP头，如源和目的地址，保证包确实来自IP包声明的来源。

关于AH更多信息，请参看认证头(Authentication Header)。

IKE加密（IKE Encryption）
这里指定IKE协商使用的加密算法，如算法种类和使用的密钥长度。

阿姆瑞特VPN支持的算法是：

AES

Blowfish

Twofish

Cast128

3DES

DES

DES只在与其他老的VPN设备共同操作时使用。应尽可能地避免使用DES，因为DES是一种老算法，我们认为其不是很安全。

IKE认证（IKE Authentication）
这里指定IKE协商使用的认证算法。

阿姆瑞特VPN支持的算法是：

SHA1

MD5

IKE DH (Diffie-Hellman) 组
这里指定IKE交换密钥时使用的Diffie-Hellman组。

阿姆瑞特VPN支持的Diffie-Hellman组有：

DH group 1 (768-bit)

DH group 2 (1024-bit)

DH group 5 (1536-bit)

密钥交换的安全性随着DH组的扩大而增加，但交换的时间也增加了。

IKE使用期限（IKE Lifetime）
IKE连接的使用期限。

使用期限以时间（秒）和数据量（KB）计算。超过其中任何一个期限时，就会进行新的阶段1交换。如果上一个IKE连接中没有发送数据，就不建立新连接，直到有人希望再次使用VPN连接。

PFS
当PFS无效时，IKE协商阶段1的密钥交换过程中会创建一个初始密钥材料。在IKE协商阶段2中，从初始密钥材料提取加密和认证密钥。使用PFS（完善转发机密）时，总能够根据重读的密钥创建全新材料。如果有一个密钥符合，就不会用该信息衍生其他密钥。

PFS的使用有2种方式：第一种是密钥PFS，可在每个阶段2协商中交换新密钥。另一种是身份PFS，在此可以保护身份，方法是每完成一个阶段2的协商就删除阶段1的SA，保证使用相同的密钥对一个阶段2的协商进行加密。

通常不需要PFS，因为危及加密或认证密钥安全性的可能性微乎其微。

IPsec DH 组
这是与IKE十分相似的Diffie-Hellman组。但是，Diffie-Hellman组仅用于PFS。

IPsec 加密

这里的加密算法用于保护数据流的传输。

使用AH或使用不加密的ESP时，就不需要Ipsec加密。

阿姆瑞特VPN支持的算法有：

AES

Blowfish

Twofish

Cast128

3DES

DES

Ipsec认证（IPsec Authentication）
这里的认证算法用于保护数据流的传输。

使用不经认证的ESP（尽管建议不使用未经认证的ESP）时不使用Ipsec认证。

阿姆瑞特VPN支持的算法有：

SHA1

MD5

Ipsec使用期限（IPsec Lifetime）

VPN连接的使用期限，用时间（秒）和数据量（千字节）表示。只要超出其中任何一个值，就要重新创建用于加密和认证的密钥。如果最后一个密钥期没有使用VPN连接，那么就会终止连接并在需要连接时从头开始重新打开连接。

IKE认证方法（手工，PSK，证书）
手工密钥
配置VPN最简单的办法是使用称为手工密钥的方法。使用这种方法时根本不需要使用IKE，在VPN通道两端直接配置加密和认证密钥以及其他参数。

优点：
因为该密钥很直接，所以共同操作性很大。目前大多数共同操作问题都出在IKE上。手册密钥完全避开IKE，只设置自己的IPsec SA。

缺点：
这种方法陈旧，是IKE产生之前使用的方法，缺少IKE具有的所有功能。因此此法有诸多限制，如总要使用相同的加密/认证密钥，无防止重放攻击服务，非常死板，不够灵活。也无法保证远端主机和网关的真实性。

这种连接也易受某些重放攻击的攻击，这意味着访问加密数据流的恶意实体能够记录一些包，并把包储存下来并在以后发到目的地址。目的VPN端点无法辨别此包是不是重放的包。用IKE就可避免这种攻击。

Pre-Shared密钥, PSK
Pre-Shared密钥是VPN端点间共享一个密钥的方法，是由IKE提供的服务，所以具有IKE的所有优点，比手工密钥灵活许多。

优点：
Pre-Shared密钥具有比手工密钥多得多的优点。包括端点认证，PSK是真正进行端点认证的。还包括IKE的所有优点。相反，在使用固定加密密钥时，一个新的对话密钥在使用后，有一定的时间周期限制。

缺点：
使用Pre-Shared密钥时需要考虑的一件事是密钥的分配。如何把Pre-Shared密钥分配给远端VPN客户和网关呢？这个问题很重要，因为PSK系统的安全性是基于PSK的机密性的。如果在某些情况下危及到PSK的安全性时，就需要改动配置，使用新的PSK。

证书
每个VPN网关都有自己的证书，和一或多个可信任根证书。

此认证基于几种理论：

每个端点都有私有密钥，在证书里有与该私有密钥相对应的公有密钥，而且任何人无法访问私有密钥。

证书已经过远端网关信任人员的签署。

优点：
增加了灵活性。例如许多VPN客户端在没有配置相同pre-shared密钥时也能够得到管理，使用pre-shared密钥和漫游客户端时经常是这种情况。相反，如果某客户端不安全时，就可以轻松地取消该客户端证书。无需对每个客户进行重新配置。

缺点：
增加了复杂性。基于证书的认证可作为庞大的公有密钥体系结构的一部分，使VPN客户端和网关可依赖于第三方。换言之，要配置更多内容，也可能会出现更多错误。

IPsec 协议(ESP/AH)
Ipsec协议是用来保护通过VPN传输数据流的。使用的协议及其密钥是由IKE协商的。

与Ipsec相关的协议有2种：AH和ESP。下面对它们进行详细说明。

认证头(Authentication Header)
AH是一种认证数据流的协议。它运用加密学复述功能，根据IP包的数据生成一个MAC。此MAC随包发送，允许网关确认原始IP包的整体性，确保数据在通过因特网的途中不受损坏。

除IP包数据外，AH也认证部分IP头。

AH协议把AH头插在原始IP头之后，在通道模式里，AH头是插在外部IP头之后的，但在原始内部IP头之前。

ESP (Encapsulating Security Payload)
ESP用于IP包的加密和认证。还可只用于加密或认证。

ESP头插在原始IP头之后，在通道模式里，ESP头是插在外部IP头之后的，但在原始内部IP头之前。

ESP头之后的所有数据是经过加密/认证的。与AH不同的是ESP也对IP包加密。认证阶段也不同，ESP只认证ESP头之后的数据，因此不保护外部IP头。