剖析IP網(wǎng)絡(luò)加密安全技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議以TCP/IP最為人們所熟知，大多數(shù)通信協(xié)議（如TCP、 UDP、 ICMP、 IGMP 等）皆是以IP報文來傳送。而IP報文本身沒有集成任何安全特性，也就是說，IP數(shù)據(jù)包在公共網(wǎng)絡(luò)中傳輸可能會面臨被偽造、竊取或篡改的風(fēng)險。

由此可見，利用IP協(xié)議來傳輸資料是非常不可靠的，IPsec協(xié)議可以解決Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸不安全的問題。本文將介紹IPsec協(xié)議的基本概念、工作原理和應(yīng)用場景，幫助初學(xué)者更好地全面了解IPsec協(xié)議及其在網(wǎng)絡(luò)安全中的作用。



IPsec（IP Security）協(xié)議定義了 IP 網(wǎng)絡(luò)流量安全服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，并在 IP 層提供安全性的框架，提供數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)完整性和機密性。通信雙方通過IPsec建立一條IPsec隧道，IP數(shù)據(jù)包通過IPsec隧道進行加密傳輸，有效保證了數(shù)據(jù)在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸?shù)陌踩浴?br />


| IPsec應(yīng)用（資料來源：Stallings 2011）

IPsec簡史

80 年代初，Internet 協(xié)議開發(fā)時，安全性在優(yōu)先級列表中等級并不高。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量的持續(xù)增長，網(wǎng)絡(luò)需要更高的安全性。1993年12月，John Ioannidis等人在哥倫比亞大學(xué)和AT&T貝爾實驗室研究了軟件IP加密協(xié)議swIPe協(xié)議。

1994 年 7 月，Trusted Information Systems（TIS）的科學(xué)家徐崇偉繼續(xù)這項研究，增強了 IP 協(xié)議，提出了一些關(guān)鍵性的想法和方案，例如基于IKE（Internet Key Exchange）協(xié)議的密鑰交換機制等，這些方案和想法為IPsec協(xié)議的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。IPsec由IETF在一系列針對各種組件和擴展的征求意見文檔中正式標(biāo)準(zhǔn)化。



1995年，IETF推出了第一版IPsec協(xié)議，主要用于IPv6。1998年，IETF發(fā)布了第二版IPsec協(xié)議，主要用于IPv4。第二版IPsec協(xié)議簡化了協(xié)議的實現(xiàn)，增加了更多的加密和身份驗證算法，提高了安全性。2005年，IETF發(fā)布了第三版IPsec協(xié)議，第三版IPsec協(xié)議引入了新的加密算法，例如AES和SHA-256，提高了安全性和性能。



| IPsec 架構(gòu)（資料來源：Worthman 2015）

IPsec 體系架構(gòu)的關(guān)鍵組件包括：

＞安全關(guān)聯(lián) ( SA )：指定通信主機可識別的安全屬性。主機需要兩個SA才能安全通信，每個方向一個。在傳輸受保護的數(shù)據(jù)包之前，雙方就具體的安全保護措施、加密算法、要應(yīng)用的密鑰和要保護的具體流量類型達成一致。

＞IPsec 協(xié)議： AH（身份驗證標(biāo)頭）和ESP（封裝安全載荷）協(xié)議用于身份驗證。它們包含數(shù)據(jù)源證明、數(shù)據(jù)完整性和反重放保護。第三個協(xié)議IKE（Internet 密鑰交換）是一種混合協(xié)議，用于在實際數(shù)據(jù)傳輸開始之前進行對等身份驗證和密鑰交換過程。

＞IPsec 模式：兩種協(xié)議（AH和ESP）都支持傳輸模式和隧道模式。

IPsec 的主要安全協(xié)議

構(gòu)成 IPsec 的三個主要協(xié)議是：AH (身份驗證標(biāo)頭)、ESP(封裝安全載荷) 和IKE (互聯(lián)網(wǎng)密鑰交換)。

＞身份驗證標(biāo)頭 ( AH )：AH是一個擴展標(biāo)頭，用于提供數(shù)據(jù)完整性、身份驗證和防重放，但不提供加密。反重放保護可確保部分序列完整性，防止未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)包傳輸。AH不提供數(shù)據(jù)機密性。



| IP包頭

＞封裝安全載荷( ESP )：ESP由封裝的標(biāo)頭和尾部組成，提供機密性、數(shù)據(jù)源身份驗證、無連接完整性、抗重放服務(wù)（部分序列完整性的一種形式）和有限的流量機密性。

＞Internet 密鑰交換 ( IKE )：IETF特定的密鑰管理協(xié)議，用于交換和協(xié)商安全策略。支持手動或動態(tài)關(guān)聯(lián)密鑰管理。也可以在 IPsec 之外使用。



| AH和ESP包結(jié)構(gòu)（資料來源：Kosem 2018）

IPsec 隧道模式與傳輸模式

對于身份驗證，AH和ESP都支持兩種使用模式：傳輸模式和隧道模式。驗證可以應(yīng)用于除IP報頭之外的數(shù)據(jù)包內(nèi)容（傳輸模式）或整個原始數(shù)據(jù)包（隧道模式）。

傳輸模式

傳輸模式涵蓋大部分原始數(shù)據(jù)包，用于端到端通信（例如客戶端和服務(wù)器之間的通信）。該模式不改變IP報頭，只是將IP協(xié)議字段改為51（AH）或50（ESP），重新計算IP報頭的校驗和。

使用傳輸模式時，IPsec 僅加密 IP 負(fù)載，不加密IP 報頭。除非使用單獨的隧道協(xié)議（例如 GRE），否則中間路由器能夠看到每個數(shù)據(jù)包的最終目的地。因此，這種模式最適合主機到主機架構(gòu)的實現(xiàn)，因為可以在兩個端點之間進行直接通信，并且不必更改 IP 報頭中的 IP 地址。傳輸模式通過 AH 或 ESP 標(biāo)頭提供對 IP 負(fù)載的保護。



| 傳輸模式下的 IPsec ESP 封裝

優(yōu)點：提供端到端加密；與隧道模式相比開銷最??；更大的MTU（最大傳輸單元）。

缺點：要求在入侵防御系統(tǒng) (IPS) 實體上實施 IPsec；NAT穿越難度更大（TCP checksum invalidation）。

隧道模式

隧道模式覆蓋整個原始數(shù)據(jù)包，在該模式下，AH 或 ESP在封裝數(shù)據(jù)包時會創(chuàng)建一個新的 IP 報頭，原始IP報頭被隱藏，新的 IP 報頭包含所涉及端點的源和目標(biāo) IP 地址。這種模式可用于VPN網(wǎng)關(guān)之間或主機與VPN網(wǎng)關(guān)之間的通信。



| 隧道模式下的 IPsec ESP 封裝

優(yōu)點：與現(xiàn)有的 VPN 網(wǎng)關(guān)更兼容；無需在 IPS 實體上實施 IPsec；更容易穿越NAT。

缺點；更多開銷；較小的MTU 。



例如，給定一個 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型，傳輸模式將加密傳輸層及以上的所有內(nèi)容。使用隧道模式，網(wǎng)絡(luò)層及以上的所有內(nèi)容都將被加密。

IPsec是如何工作的？

IPsec的工作原理大致可以分為5個階段：識別“感興趣流”啟動 IPsec 進程；IKE階段1；IKE階段2；數(shù)據(jù)傳輸；IPSec 隧道終止。



＞第 1 步：識別“感興趣流”

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到報文后，通常會將報文的五元組等信息和IPsec策略進行匹配來判斷報文是否需要保護。需要通過IPsec隧道傳輸?shù)牧髁客ǔ１环Q為“感興趣流”。

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＞第 2 步：IKE 階段 1

IKE全稱Internet Key Exchange，IKE 階段 1 的基本目的是驗證 IPsec 對等體，并在它們之間建立安全通道以啟用 IKE 交換。IKE 階段 1 執(zhí)行以下功能：

驗證和保護 IPsec 對等體的身份

在對等點之間協(xié)商匹配的 IKE SA 策略以保護 IKE 交換

執(zhí)行經(jīng)過身份驗證的 Diffie-Hellman 交換，最終結(jié)果是具有匹配的共享密鑰

設(shè)置安全隧道以協(xié)商 IKE 階段 2 參數(shù)

SA是通信雙方對某些協(xié)商要素的約定，比如雙方使用的安全協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸采用的封裝模式、協(xié)議采用的加密和驗證算法、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿荑€等，通信雙方之間只有建立了SA，才能進行安全的數(shù)據(jù)傳輸。

＞第 3 步：IKE 階段 2

IKE 階段 2 的目的是協(xié)商 IPsec SA 以建立 IPsec 隧道。IKE 階段 2 執(zhí)行以下功能：

協(xié)商受現(xiàn)有 IKE SA 保護的 IPsec SA 參數(shù)

建立 IPsec 安全聯(lián)盟

定期重新協(xié)商 IPsec SA 以確保安全

可選擇執(zhí)行額外的 Diffie-Hellman 交換

IKE 階段 2 有一種模式，稱為快速模式。快速模式發(fā)生在 IKE 階段1建立安全隧道之后。它協(xié)商共享 IPsec 策略，派生用于 IPsec 安全算法的共享密鑰材料，并建立 IPsec SA?？焖倌Ｊ竭€用于在 IPsec SA 生存期到期時重新協(xié)商新的 IPsec SA。

＞第 4 步：IPsec 加密隧道

IKE 階段 2 完成并且快速模式已建立 IPsec SA 后，就可以通過 IPsec 隧道交換信息。使用 IPsec SA 中指定的加密對數(shù)據(jù)包進行加密和解密。



加密機制保證了數(shù)據(jù)的機密性，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取；驗證機制保證了數(shù)據(jù)的真實可靠，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被仿冒和篡改。加密驗證過程如下圖所示。



| IPsec加密驗證過程

＞第 5 步：隧道終止

刪除或超時會導(dǎo)致 IPsec SA 終止，發(fā)生這種情況時，密鑰將被丟棄，并再次執(zhí)行 IKE 階段2以生成新的 SA 和密鑰。如有必要，還會執(zhí)行新的階段1協(xié)商。成功的協(xié)商會產(chǎn)生新的 SA 和新的密鑰。但可以在舊的 SA 到期之前建立新的 SA，以保持流量的連續(xù)性。



通常情況下，通信雙方之間的會話老化（連接斷開）即代表通信雙方數(shù)據(jù)交換已經(jīng)完成，因此為了節(jié)省系統(tǒng)資源，通信雙方之間的隧道在空閑時間達到一定值后會自動刪除。

IPsec 的實現(xiàn)在 IPv4 和 IPv6 之間有何不同？

IPsec 是為IPv6開發(fā)的，然后追溯添加到 IPv4 中。在IPv6標(biāo)準(zhǔn)中，它是一個強制特性，而在IPv4中，它是可選的，必須得到外部支持。

按照設(shè)計，IPv6 更安全，可以免受IP地址掃描攻擊，因為它的地址空間很大。因此，網(wǎng)絡(luò)中的IP掃描技術(shù)可能無法找到存在安全漏洞的計算機。

IPv4 下的 IPsec 被廣泛應(yīng)用于VPN，在網(wǎng)絡(luò)邊緣終止。在 IPv4 中，IPsec 通常不用于保護端到端流量，因為 IPv4 廣泛使用NAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。NAT會破壞 IPv4 標(biāo)頭并破壞 IPsec。而IPv6 中不存在此限制，因此使用IPsec端到端變得更加實用。



| IPv4 和 IPv6 的安全特性比較（資料來源：霍夫曼 2021）

IPsec VPN

顧名思義，IPsec VPN 是利用 IPsec 協(xié)議確保安全的VPN 。IPsec VPN 使用加密算法來提供機密性、身份驗證和數(shù)據(jù)完整性，并使用計數(shù)器和數(shù)字排序來檢測重放的數(shù)據(jù)包?？梢允褂靡韵?VPN架構(gòu)實施 IPsec VPN ：

點到點

點到點 VPN指通過IPsec VPN網(wǎng)關(guān)連接兩個或兩個以上的網(wǎng)絡(luò)(或多個站點)。每個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有一個 VPN 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)可以是支持 IPsec VPN 的路由器或防火墻，也可以是專門為 IPsec VPN 操作設(shè)計的單獨設(shè)備。通常使用點到點 VPN 在中央機構(gòu)和分支機構(gòu)之間或兩個不同的公司之間建立私有通信和數(shù)據(jù)交換。



| 站點到站點 IPsec VPN

遠(yuǎn)程訪問

遠(yuǎn)程訪問VPN 使用戶能夠從 VPN 客戶端連接到中央位置（例如數(shù)據(jù)中心），并訪問那里托管的資源。這種類型的 VPN 在需要支持遠(yuǎn)程工作人員的公司中特別有用。如果有多個設(shè)備需要連接到 VPN 網(wǎng)關(guān)，那么每個設(shè)備上都必須有一個 VPN 客戶端。



| 遠(yuǎn)程訪問或客戶端到站點 IPsec VPN

主機到主機

當(dāng) IT 管理員想要在遠(yuǎn)程服務(wù)器上執(zhí)行某些任務(wù)時，服務(wù)器本身提供 VPN 服務(wù)，IT 管理員的設(shè)備充當(dāng)VPN 客戶端。



| 主機到主機 IPsec VPN

IPsec 與在不同OSI層的其他安全技術(shù)相比如何？

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)通過支持各種加密的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議來保護網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，這些協(xié)議的主要區(qū)別在于：

IPsec：支持網(wǎng)絡(luò)級對等體和數(shù)據(jù)源身份驗證、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)加密和保護。

SSL（安全套接字層）：不像 IPsec 那樣需要預(yù)共享密鑰，使用公鑰加密來協(xié)商握手并安全交換加密密鑰。可用于繞過防火墻和基于端口的流量阻塞。

TLS（傳輸層安全）：基于服務(wù)器和客戶端協(xié)商的密碼套件的加密算法。使用SSL協(xié)議。

HTTPS：使用TLS建立加密鏈接。瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸被加密，防止網(wǎng)絡(luò)罪犯讀取或更改數(shù)據(jù)。

SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）：基于用戶的安全模型 ( USM )，根據(jù)訪問托管信息的用戶提供不同級別的安全性。使用身份驗證和數(shù)據(jù)加密來保護隱私。

OSPF（開放最短路徑優(yōu)先）認(rèn)證：動態(tài)路由協(xié)議。支持消息認(rèn)證和OSPF路由消息的完整性。未經(jīng)授權(quán)的IP資源無法在不被檢測到的情況下向網(wǎng)絡(luò)注入消息。確保OSPF路由網(wǎng)絡(luò)中路由表的完整性。



| IPsec 與SSL（資料來源：Loshin 2019）

IPsec 有什么缺點？

過度依賴公鑰：如果網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理不善或密鑰的完整性受到損害，那么 IPsec 安全因素就會丟失。

性能開銷：CPU使用率高，因為所有通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)都必須加密和解密，網(wǎng)絡(luò)性能會因 IPsec 開銷較大而受到影響?？赡苄枰褂?a target="_blank">硬件設(shè)備，例如VPN集中器。

廣泛的權(quán)限訪問范圍：在基于 IPsec 的網(wǎng)絡(luò)中，對單個設(shè)備的訪問權(quán)限也可以為其他設(shè)備提供訪問權(quán)限。因此，如果家庭網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備受到威脅，它可能會影響從家庭網(wǎng)絡(luò)（通過 IPsec 隧道）連接的公司網(wǎng)絡(luò)。

實現(xiàn)復(fù)雜性：IPsec 包含了很多選項和高度的靈活性，這使得它很受歡迎，但相應(yīng)也增加了復(fù)雜性。

網(wǎng)絡(luò)兼容性問題：當(dāng)連接到基于 IPsec 的VPN時，由于防火墻的限制，無法連接到另一個網(wǎng)絡(luò)。此外，IPsec 不提供對多協(xié)議和IP多播流量的支持。

IPSec 的未來

IPsec在IP層上實現(xiàn)了加密、認(rèn)證、訪問控制等多種安全技術(shù)，極大地提高了TCP/IP協(xié)議的安全性，在過去的幾十年中，得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，它的未來也存在一些挑戰(zhàn)和變化。

IPsec需要更好地支持多種平臺和設(shè)備，并提供更靈活的安全解決方案。此外，IPsec可能需要提供更輕量級的安全方案，并具備更高效、更靈活的身份認(rèn)證和密鑰管理機制。

總之，IPsec在未來仍將繼續(xù)發(fā)展和改進，并不斷適應(yīng)新的安全需求和技術(shù)發(fā)展。未來的IPsec可能會更加靈活、高效和安全，并且能夠應(yīng)對新的安全挑戰(zhàn)。






審核編輯：劉清