深入理解IPSec/VPN/IKEV1/IKEV2

2018年7月2日22:15:30

IPSec
IPSec（InternetProtocolSecurity Internet 协议安全性 (IPSec)是一种开放标准的框架结构，通过使用加密的安全服务以确保在 Internet 协议 (IP) 网络上进行保密而安全的通讯,是安全联网的长期方向。它通过端对端的安全性来提供主动的保护以防止专用网络与 Internet 的攻击。

IPSecVPN是VPN的一种,一般是LAN-TO-LAN形式,也有资料显示有end-to-end和终端端到网关形式;

IPSec中的安全算法

1.源认证:用于对对等体的身份确认,具体方法包含:PSK(pre-share key);PK3(public key infrustructure公钥基础设施)数字证书,RSA等,后两种为非对称加密算法

2.数据加密:对传输的数据进行加密,确保数据私密性,具体方法包含:des(data encrypt standard)共有2种密钥长度40bits,56bits,3des密钥长度为56bits的3倍;aes(advanced encrypted standard)AES 加密共有三种形式，分为AES 128（128-bit 长度加密），AES 192（192-bit 长度加密）以及AES 256（256-bit 长度加密）；由于AES 256 加密长度够长，安全性够高，所以推荐使用AES 256。这些是对称加密算法

3.完整性校验:对接收的数据进行检查,确保数据没有被篡改,主要使用hash算法(HMAC hashed message authentication code),包含MD5(message digest输出128bit校验结果);SHA-1(secure hash algorithm 1)输出160bits校验结果

4.密钥交换算法:安全交换加密数据时使用的密钥,采用DH(Diffie-Hellman)算法,是一种确保共享KEY安全穿越不安全网络的方法，它是OAKLEY的一个组成部分,分为group1(768位),group2(1024位),group5(1536),group14

SA（Security Association）

通过SPI(secure parameter index),序列号,感兴趣流唯一标识一个sa,其中的序列号实现anti-reply功能

IPsec 的所有会话都是在通道中传输的，包括协商密钥，传递用户数据；这样的通道称为SA（Security Association），SA 并不是隧道，而是一组规则，就好比是需要会话的对等体之间必须遵守的一份合同。SA 中的规则能够保证所有数据的安全传递，因此SA 中包含了之前提到的保证数据和密钥安全时必不可少的认证、加密等安全策略，这些需要用到的技术，都要在SA 中定义。因为VPN 之间传输的数据需要加密才能保证安全，并且加密时所用到的密钥要更加安全，所以对待密钥，我们也需要付出巨大的努力。在密钥的安全上，由IKE负责，而数据的安全，则由IPsec 负责，虽然是这么说，但需要注意，IKE 也是IPsec不可分割的一部分，IKE 不是独立存在的。SA 并不是只有一个，由于密钥安全和数据安全我们是分开对待的，所以SA 有两个，分别是定义了如何保护密钥和如何保护数据，这两个SA 就是：

ISAKMP Security Association（IKE SA）
IKE SA 要保护的对象是与密钥有关的，IKE 并不直接关心用户数据，并且IKE SA是为安全协商IPsec SA 服务的。IKE SA 的lifetime 默认为86,400 seconds，即一天，默认没有volume limit。
IPsec Security Association（IPsec SA）

每个SA都有lifetime，过期后SA便无效，lifetime使用time (second) 和volume limit(byte count)来衡量，在建立SA 时就会协商出来，双方会比对，最终取值小的一方；通常是时间先过期，在要过期最后120 秒之前，会自动重建另一条SA，避免活动的SA 到期后无法传输数据，这样就能实现平滑过渡，以丢最少的包。

用户的数据流量真正是在IPsec SA 上传递的，而不是在IKE SA；IPsec SA 直接为用户数据流服务，IPsec SA 中的所有安全策略都是为了用户数据流的安全。每个IPsec 对等体都有一对IPsec SA，一个是去往远程目的地的，而另一个是从远程回来的，也就是一进一出，都存放在本地SA Database 中。
IPsec SA 的lifetime 默认为3600 seconds，即1 小时；默认volume limit 为4,608,000Kbytes，4.608Gbyte。因为SA 有两个，分为IKE SA 和IPsec SA，两个SA 分别定义了如何保护密钥以及如何保护数据，其实这两个SA 都是由IKE 建立起来的，所以将IKE 的整个运行过程分成了两个Phase(阶段):

IKE(Internet Key Exchange)是一个框架包含isakmp,Oakley,smme三中协议

IKEV1
第一阶段:
main mode共6个包交互;前两个包用于对等体之间的认证和相关策略的协商,接着的两个包用于密钥的协商和交换nonce(当前时间)值,最后两个包用于交换身份id密文传输接下的ipsec_sa协商数据和相关密钥
aggressive mode:简化main mode的6个包交换为4个包交换,从第四个包开始为密文,保护接下来的ipsec_sa协商数据和相关密钥
第二阶段:利用第一阶段的IKE_sa保护ipsec_sa的协商,数据传输时的密钥的生成与交换,最终生成ipsec_sa用以保护实际通信中的数据流量
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IKEV2
第一阶段:四个包交换,initialer和responser两次请求和响应,对应IKEV1的前6个包交换的内容.第二阶段为create_child_sa不再是IKEV1中的quick mode,协商ipsec_sa用于数据流量的认证,加密,完整性校验等,交互次数不定
第二阶段:与IKEV1基本相同,只是交互的报文变成CREATE_CHILD_SA用以生成保护数据流量的IPSEC_SA
有了ipsec_sa以后,当匹配到感兴趣的流量时,就会对这些流量加密传输,
IKEV1和IKEV2的对比:
V2和V1一样，也是使用UDP500端口进行IKE_SA和IPSEC_SA的协商。但是不再存在esp和AH的流量了。因为在后续的流量中，统一流量都是UDP4500传输了。也就是说，用NAT-T传输了。所以在IKEV2的环境里，不再担心NAT环境了。
IPSEC的封装模式:tunnel mode和transport mode这里不再详述;
IPSEC增强特性包含如下:
1.DPD(dead peer detect)
2.IPSEC_SA Idle Timer
3.HA(high available)
4.heartbeat(与hsrp或者vrrp结合)
5.RRI(reverse route injection)自动向site的内网igp中注入一条静态路由将感兴趣流引向IPSEC出口网关设备
华为路由器配置IPSec举例:
acl number 3000
rule 5 permit ip source 4.4.4.4 0 destination 5.5.5.5 0
rule 10 permit ip source 4.4.4.4 0 destination 1.1.35.0 0.0.0.255
rule 15 permit ip source 10.1.14.0 0.0.0.255 destination 5.5.5.5 0
rule 20 permit ip source 10.1.14.0 0.0.0.255 destination 1.1.35.0 0.0.0.255
#
ipsec proposal 11
#
ike proposal 12
#
ike peer r3-2 v2
pre-shared-key simple huawei
ike-proposal 12
local-address 12.1.1.1
remote-address 23.1.1.3
ipsec policy test 1 isakmp
security acl 3000
ike-peer r3-2
proposal 11
interface GigabitEthernet0/0/0---公网出口
ip address 12.1.1.1 255.255.255.0
ipsec policy test
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抓包举例
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NAT穿越:

一、为什么要使用nat穿越(nat-t)技术 

那是因为nat与ipsec的共存的问题导致的。有哪些方面不共存呢。(欢迎大家补充，我这里说几点) 

1.nat实现机制问题导致不共存 

 nat设备只支持tcp、udp和icmp流量，对于ah和esp协议不支持。 

 

2.ah和nat的共存问题 

ah会校验整个ip头部(除TTL)和数据部分，然后过了nat设备之后会改变其源ip，从而导致校验失败。

 

3.ike的id字段与nat不共存 

在ike协商的时候某些验证方式会是用ip地址作为id载荷的内容，过了nat设备导致源ip地址改变验证失败。

 

 二、nat-t实现机制

1.对于ike version 1的主模式而言:

①．在ike协商报文中，若IPSEC支持了nat-t功能，则会在报文中携带vendor ID字段，该字段中包含了对RFC3947做hash后的值和ietf中ike00和ike02做hash后的值。如下图：

所以在协商之初,通信双方需要告诉对端自己是否支持nat-t。即在第一二个报文中会携带上述vendor ID字段。来标识自己支持nat-t。

②．判断传输过程中是否有经过nat设备，是用过NAT-D字段来说明的，该字段会包含两个hash值，如下：

Hash_R=PRF(CKY-ICKY-R|R-IP|R-Port)

Hash_I=PRF(CKY-I|CKY-R|I-IP|I-Port)

一个是对端ip和端口的hash，一个是本地ip和端口的hash。CKY-I和CKY-R是发起方和接收方的cookie值。当收到对端的报文，发现hash值不一样的时候，说明报文经过了nat设备。

于是通信双方会在第三四两个报文中携带这个NAT-D这个hash值。来判断中间是否经过nat设备。若是经过nat设备，那么第五六个报文将会在ip头部后面加上一个udp4500端口的头部。若判断没有经过nat，则不加udp4500头部。


2.对于ike version 1的野蛮模式而言：

由于一共就三个包来完成ike的协商，所以发起端在第一个报文里会携带vendor ID字段，来标识自己使能了nat-t功能。当接收方收到该报文之后，若是支持nat-t功能会直接回复NAT-D字段（Hash_I和Hash_R)，不会加上vendor ID了。接收方收到这个报文之后，会根据hash值判断是否经过了nat设备，若是经过了nat则会加上upd4500端口来发送第三个报文，否则则不会加。


3.对于ike version 2而言：

Ike v2的处理就简单多了。大家可以想一下，发送方有必要发vendor ID字段来标明自己使能了nat-t功能吗？完全没有必要，你只需要发送NAT-D字段过来我就知道你使能还是没有使能了。所以在v2里面就直接省略了发这个vendor ID字段了，直接就发送NAT-D。当接收方收到该报文会回复一个NAT-D。然后双方都知道中间是否经过了nat设备，若是经过了在第三四个包的时候就会加上udp4500的头部。反之则不加。

实验举例:
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图例:实验拓扑

华为配置:
acl number 3000
rule 5 permit ip source 172.16.1.0 0.0.0.255 destination 20.1.1.0 0.0.0.255
rule 10 permit ip source 10.1.1.0 0.0.0.255 destination 20.1.1.0 0.0.0.255
#
ipsec proposal 11
#
ike proposal 11
#
ike peer r1 v2
pre-shared-key simple huawei
ike-proposal 11
local-id-type name
peer-id-type name
remote-name r1
nat traversal
remote-address 12.1.1.1
#
ipsec policy test 1 isakmp
security acl 3000
ike-peer r1
proposal 11
以下为抓包图例
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注:抓包图例


  • 更新时间：2018年7月2日22:15:30 ，共 5105 字。