IPSEC原理和模式詳解

IPSEC

之前我們講到TLS,是作業在傳輸層的安全協議

現在接觸的IPSEC是關于IP協議中的一些安全問題的保護，

ip存在的安全問題

• 檢查IP資料報內容:資料保密問題

• 偽造IP地址:來源認證問題

• 修改 IP 資料報內容:資料完整性問題

• 重放舊 IP 資料報:序列完整性問題
  用于重放攻擊，一種拒絕服務攻擊

什么是IPSEC

IPsec 是一組協議，它們一起用于在設備之間建立加密連接，它有助于確保通過公共網路發送的資料安全，IPsec 通常用于設定VPN，它通過加密IP資料包以及驗證資料包的來源來作業，

在術語“IPsec”中，“IP”代表“Internet 協議”，“sec”代表“安全”，Internet 協議是 Internet 上使用的主要路由協議；它使用IP 地址指定資料的去向，IPsec 是安全的，因為它在此程序中添加了加密和身份驗證，

什么是VPN，什么是IPSEC VPN

虛擬專用網路 (VPN) 是兩臺或多臺計算機之間的加密連接，VPN 連接發生在公共網路上，但通過VPN交換的資料仍然是私有的，因為它是加密的，

VPN 使通過共享網路基礎設施（例如公共互聯網）安全地訪問和交換機密資料成為可能，例如，當員工在遠程而不是在辦公室作業時，他們經常使用 VPN 訪問公司檔案和應用程式，

許多 VPN 使用 IPsec 協議套件來建立和運行這些加密連接，但是，并非所有 VPN 都使用 IPsec，VPN 的另一個協議是SSL / TLS，它在OSI 模型中與 IPsec 不同的層運行，（OSI 模型是使Internet作業的程序的抽象表示，）

用戶可以通過登錄 VPN 應用程式或“客戶端”來訪問 IPsec VPN，這通常需要用戶在他們的設備上安裝應用程式，

VPN 登錄通常基于密碼，雖然通過 VPN 發送的資料是加密的，但如果用戶密碼被泄露，攻擊者可以登錄 VPN 并竊取這些加密資料，使用雙重身份驗證(2FA) 可以增強 IPsec VPN 的安全性，因為單獨竊取密碼將不再為攻擊者提供訪問權限，

IPSEC是如何作業的

密鑰交換： 加密需要密鑰；密鑰是一串隨機字符，可用于“鎖定”（加密）和“解鎖”（解密）訊息，IPsec 通過連接設備之間的密鑰交換設定密鑰，以便每個設備都可以解密其他設備的訊息，

包頭和包尾：通過網路發送的所有資料都被分解成更小的部分，稱為資料包，資料包既包含有效負載，即發送的實際資料，也包含標頭或有關該資料的資訊，以便接收資料包的計算機知道如何處理它們，IPsec 向包含身份驗證和加密資訊的資料包添加多個標頭，IPsec 還添加了尾部，它在每個資料包的有效負載之后而不是之前，

身份驗證： IPsec 為每個資料包提供身份驗證，就像收藏品上的真實性印章一樣，這可確保資料包來自受信任的來源而不是攻擊者，

加密： IPsec 加密每個資料包中的有效負載和每個資料包的 IP 標頭（除非使用傳輸模式而不是隧道模式 - 見下文），這使通過 IPsec 發送的資料保持安全和私密，

傳輸：加密的 IPsec 資料包使用傳輸協議通過一個或多個網路到達目的地，在這個階段，IPsec 流量與常規 IP 流量的不同之處在于它最常使用UDP作為其傳輸協議，而不是TCP，TCP（傳輸控制協議）在設備之間建立專用連接并確保所有資料包都到達，UDP，即用戶資料報協議，不設定這些專用連接，IPsec 使用 UDP，因為這允許 IPsec 資料包通過防火墻，

解密：在通信的另一端，資料包被解密，應用程式（例如瀏覽器）現在可以使用傳遞的資料，

兩種協議

AH：Authentication Header

• 資料來源認證，
• 訊息完整性，以及可選的防重放保護

ESP：Encapsulating Security Payload

• AH提供的所有服務，加上有效載荷機密性，

兩種模式

每個協議 AH/ESP 支持兩種使用模式：傳輸和隧道，

• 傳輸模式（左）：保護資料包有效負載； 資料包端到端傳輸，

• 隧道模式（右）：保護整個資料包； 資料包通過隧道傳輸，

安全關聯（security association）

安全關聯 (SA) 是一種單向邏輯連接，為它所承載的流量提供安全服務的發送方和接收方，
為了保護兩個節點之間的雙向通信，需要兩個SA，
SA 是特定于協議的，即每個 SA 都與 AH 或 ESP 相關聯，但不能同時與兩者相關聯

SA 由三元組唯一標識：

• 安全引數索引 (SPI)，[一些安全引數的索引]
• 目的地的 IP 地址（單播、多播、廣播)
• 安全協議識別符號（AH 或 ESP），

安全關聯包含以下資訊：

• 用于加密和認證的密鑰材料
• 可以使用的演算法
• 端點的身份
• 系統使用的其他引數

SA 需要用于身份驗證和加密的密鑰材料，SA 所需的密鑰材料的管理稱為密鑰管理，Internet 密鑰交換 (IKE) 協議自動處理密鑰管理，您還可以使用該ipseckey命令手動管理密鑰，IPv4 和 IPv6 資料包上的 SA 可以使用自動密鑰管理，

IPSEC架構

IKEv2

互聯網密鑰交換 (RFC 4306)，用于協商 ESP 和/或 AH SA

Internet 密鑰交換版本 2 (IKEv2) 是一種基于 IPsec 的隧道協議，它允許 VPN 設備之間的安全 VPN 通信，它定義了 IPsec 安全關聯 (SA) 的協商和身份驗證程序，IKEv2 生成加密密鑰以確保您的設備和您連接的 VPN 服務器之間的安全資料流，

IKEv2 比 OpenVPN 好嗎？

IKEv2 協議比 OpenVPN 更快、更穩定，它提供了突破性的自動重新連接功能，提高了安全性和易用性，這意味著即使您的設備從一個互聯網源切換到另一個互聯網源，它也會自動恢復您的 VPN 連接，

對于有技術頭腦的人，IKEv2/IPsec 使用 AES-256-GCM 密碼進行加密，再加上 SHA2-384 以確保完整性，這與使用 3072 位 Diffie Hellmann 密鑰的完美前向保密 ( PFS ) 相結合，

IKEv2/IPSec 是眾多協議中的一個，每一個都建立和擴展了前輩的優勢，點對點隧道協議 ( PPTP ) 和第 2 層隧道協議 ( L2TP /IPsec) 等其他 VPN 協議難以平衡速度和安全性，而它們的繼任者 OpenVPN 在這兩個方面都表現出色，

OpenVPN 是目前可用的最好的 VPN 協議之一，這就是它在 NordVPN 應用程式中發揮不可或缺的作用的原因，但是，IKEv2/IPSec 在某些方面甚至超過了 OpenVPN，這在很大程度上要歸功于它的三個定義特征：

• 高速吞吐，
• 增強穩定性，
• 自動重新連接

IKEv2/IPSec 的好處

自動重新連接：當您的 VPN 連接中斷時，IKEv2/IPsec 提供高效的重新連接功能，
領先的加密演算法： IKEv2/IPSec 是一種高級協議，使用高安全性密碼進行加密，以提供最大程度的保護，
支持多種設備： IKEv2/IPsec 支持多種設備，包括以前不受支持的智能手機、連接的家居軟體和一系列路由器，
穩定性： IKEv2/IPsec 提供增強的穩定性，提供穩定的連接，并允許用戶在互聯網連接之間切換而不會失去保護，
速度：在許多 VPN 協議難以保持無縫互聯網體驗的情況下，IKEv2/IPSec 提供高速資料傳輸，并使使用 VPN 進行瀏覽成為更快、更愉快的體驗，

SPD(Security Policy Database)

將 IP 流量映射到特定策略 [“BYPASS VPN”]

每個 SPD 規則需要兩條 ACL 規則，一條定義隧道上的流量，一條定義隧道內的流量，SPD 規則適用的協議對于兩個 ACL 規則必須相同，并且與 ACL 規則一起使用的序列號必須是連續的，

SAD(Security Association Database)

將流量映射到特定配置 - 作業模式（隧道/傳輸）、加密和/或身份驗證等

出站流量處理流程

入站流量處理程序

AH和ESP報文

IPv4包裹

使用AH

報文結構

使用ESP

Encapsulating Security Payload (ESP) 協議提供了Authentication Header的所有功能（認證、資料完整性和防重放保護），這里的區別在于封裝安全有效負載 (ESP) 提供了最關鍵的安全功能，即資料機密性，下面列出了使用封裝安全負載 (ESP) 的好處，

1. 通過加密實作資料報的機密性，

2. 使用安全網關的流量機密性，

3. 使用數字證書驗證資料來源，

4. 使用序列號機制的反重放服務，

AH和ESP的區別

AH 協議提供了一種僅用于身份驗證的機制，AH 提供資料完整性、資料源身份驗證和可選的重放保護服務，通過使用由 HMAC-MD5 或 HMAC-SHA 等演算法生成的訊息摘要來確保資料完整性，通過使用共享密鑰創建訊息摘要來確保資料源身份驗證，重放保護是通過使用帶有 AH 標頭的序列號欄位來提供的，AH 對 IP 標頭及其有效負載進行身份驗證，但某些可以在傳輸程序中合法更改的標頭欄位除外，例如生存時間 (TTL) 欄位，

ESP 協議提供資料機密性（加密）和身份驗證（資料完整性、資料源身份驗證和重放保護），ESP 可以僅與機密性、僅身份驗證或機密性和身份驗證一起使用，ESP 提供認證功能時，使用的演算法與 AH 相同，但覆寫范圍不同，AH 風格的身份驗證對整個 IP 資料包進行身份驗證，包括外部 IP 標頭，而 ESP 身份驗證機制僅對 IP 資料包的 IP 資料報部分進行身份驗證，

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