IPSEC通信协议
概述
IPsec（IP Security）是IETF制定的三层隧道加密协议，它为Internet上传输的数据提供了高质量的、可互操作的、基于密码学的安全保证。特定的通信方之间在IP层通过加密与数据源认证等方式，可提供如下安全服务：
抗重放攻击，数据完整性，数据机密性，数据来源认证，支持密钥交换等
常被企业使用用于搭建site到site间 vpn，在野蛮模式下可实现单端固定IP进行通讯
SA安全联盟
SA是IPsec的基础，也是IPsec的本质，SA通常成对存在，至少需要；其内容包括安全参数索引，目的地址和安全协议号三部分，在IPSEC中一般搭建两个SA，分别是IKE SA和IPSEC SA
安全参数索引（SPI）
SPI是用于唯一标识SA的一个32比特数值，它在AH和ESP头中传输，在手工配置SA时，需要手工指定SPI的取值。使用IKE协商产生SA时，SPI将随机生成
目的地址
对端IP地址，也可以是名称，用于标识对端身份
安全协议号
用于标识封装的头部是AH还是ESP，通常51为AH，50为ESP
IKE
互联网交换密钥协议，由Internet安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）和两种密钥协议OAKLEY与SKEME组成，其具有一套自保护机制，可以在不安全的网络上安全地认证身份、分发密钥、建立IPsec SA
在IPSEC中为其搭建SA，提供一个安全的传输环境来交换密钥和身份验证
匹配流量
指明想要连接的局域网以及能够接入的设备与用户，将想要实现连接的网段用ACL标识，只有匹配成功的流量才能进行IPSEC接入网络
DH
交换及密钥分发算法是一种公共密钥算法，通信双方在不传输密钥的情况下通过交换一些数据，计算出共享的密钥，这种算法基于数学的离散对数问题，简单来说就是一个函数其逆运算是极难被算出的
PFS
完善的前向安全性，为防止一个密钥被破解导致所有相关密钥被破解的情况，在第二阶段将密钥通过DH算法再进行一次密钥交换得到，这种算法使得密钥间不存在派生关系，保障IPSEC的安全性
工作模式
传输模式
此模式下，数据报文只有数据部分被拿来校验和加密，其IP头部不变且不受校验，这种模式通常被部署在主机到主机间或者主机到网关间
隧道模式
此模式下，数据报文会封装新的报文头部，其整个报文会被用于校验和加密，并且会封装新的源目地址，常见于两个出口设备间搭建
封装头部
AH
不支持加密，但认证整个数据包，包括原始IP头部
IP协议号为51，提供数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，它能保护通信免受篡改，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报文头，此报文头插在标准IP包头后面，对数据提供完整性保护，可选择的认证算法有MD5（Message Digest）、SHA-1（Secure Hash Algorithm）等
ESP
支持加密，认证部分不包括原始IP报文头部
IP协议号为50，提供加密、数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，ESP的工作原理是在每一个数据包的标准IP包头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP，与AH协议不同的是，ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，以保证数据的机密性，常见的加密算法有DES、3DES、AES等，同时，作为可选项，用户可以选择MD5、SHA-1算法保证报文的完整性和真实性
对比总结
| 安全特性 | AH | ESP |
|---|---|---|
| IP协议号 | 51 | 50 |
| 数据完整性校验 | 支持（验证整个IP报文） | 支持（传输模式：不验证IP头；隧道模式：验证新IP头内的整个IP报文，包含旧IP头） |
| 数据源验证 | 支持 | 支持 |
| 数据加密 | 不支持 | 支持 |
当然将AH和ESP整合为AH-ESP其可实现传输模式下全报文认证以及数据加密
工作流程
IKE SA搭建
阶段一
通信各方彼此间建立了一个已通过身份认证和安全保护的通道，即建立一个ISAKMP SA，第一阶段有主模式（Main Mode）和野蛮模式（Aggressive Mode）两种IKE交换方法
主模式
主要进行SA交换，密钥交换和ID交换及验证三部分内容，对等体间发送信息进行协商
1.SA交换，确定相关参数是否一致，准备进行密钥交换，明文传输
2.密钥交换，用收到的SA进行DH算法，并告知对端密钥，明文传输
3.ID交换及验证，用交换得到的密钥对数据进行加密认证双方信息，传输于安全环境
野蛮模式
1.发起方发送包含安全提议、Diffie-Hellman公共值、随机数（NONCE）以及自身身份信息的消息给响应方，明文传输
2.响应方回复包含匹配的安全提议、Diffie-Hellman公共值、随机数以及自身身份信息的消息，并附带对发起方的身份验证信息（HASH值），明文传输
3.发起方发送确认消息，包含对响应方身份验证信息的HASH值，以完成身份验证，传输于安全环境
总结
主模式安全性高但速度慢，且对于无固定公网IP地址的用户来说比较难办，二野蛮模式虽然安全性不高但速度快且标识身份ID多样
阶段二
用在第一阶段建立的安全隧道为IPsec协商安全服务，即为IPsec协商具体的SA，建立用于最终的IP数据安全传输的IPsec SA
采用三条消息建立
IPSEC SA
用于维护IPSEC进程，IKE SA搭建完后，会把把建立的参数及生成的密钥交给IPsec，相当于IKE帮IPSEC算出安全参数，IPSEC直接套用并标识各个会话进程
IKE SA负责建立和维护IPSec SA的过程，包括身份验证和安全参数的协商，而IPSec SA则负责实际的数据传输安全，为每个连接提供特定的加密和完整性算法
问题
NAT-T（NAT穿越）
需求
由于其工作原理的问题IPSEC通常发生在NAT之后，当内网内多台设备与其他内网服务器进行通讯时，由于NAT的存在，其源IP被改动会导致IPSEC报文无法被正确识别而丢弃
已知IPSEC源目端口都是UDP500
我们来分析一下，此时我们有两个通讯进程，对此NAT可能把我们的源地址改为出口地址带上端口号，这时这个端口号就极可能不是我们的500，于是到了对端设备，一看源端口不是500，无法识别，丢弃数据包
基本原理
1.在IKE搭建阶段双方通过协商使用UDP 4500端口进行后续的通信
2.IPsec流量会被封装在UDP数据包中，源端口和目的端口分别为协商好的端口，即目的端口4500，源端口任意，然后通过NAT设备进行传输
3.对端在收到UDP数据包后，会解封装并还原出原始的IPsec流量，然后进行相应的处理
IKEv2
对IKEv1进行改造，具有更强的抗攻击能力和密钥交换能力，以及较少的报文交互数量，从而提高了安全性和效率
简化了安全联盟的协商过程，正常情况使用2次交换共4条消息就可以完成一个IKE SA和一对IPSec SA。如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对SA只需额外增加1次交换（2条消息）
更安全，并且支持IKE SA的完整性算法
更灵活，支持EAP认证，可搭配802.1x（EAPOE）使用，支持在不同IP地址下重新连接和重新验证身份
总结
IPSEC通过协商SA实现一个安全通讯通道，并使用SA中的参数进行加解密实现安全跨公网隧道密文传输，原理简单易懂，操作简便的同时不缺安全性，可谓是一种性价比优秀的隧道技术
原文地址：https://blog.csdn.net/VVVVWeiYee/article/details/145210061
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