IPSEC安全基础

Jewel Q2025-08-21 11:25

加密算法---机密性

  • VPN加密技术
    • 对称密钥算法
      • 加密方与解密方共用一把秘钥
      • 用于加密用户数据
  • 非对称密钥算法
    • 加密方通过对端的公钥加密数据
    • 解密方通过自己的私钥解密数据
    • 用于密钥交换和数字签名

HASH/散列 算法 -----完整性检查

散列算法应用：在数据通信过程中发送方对报文进行Hash，并将报文和Hash值发送给接收方。接收方采巴相同的算法对报文进行Hash，然后通过对比两个Hash值，来判断通信过程中报文是否受到篡改，从而实现完整性校验。
如图所示，客户端与服务器进行数据交互，采用散列算法，具体交互流程如下:


身份认证-----防中间人身份欺骗

身份认证包括两个方面：

  • 设备身份认证： Pre-Shared Keys （预共享key认证）、 RSA签名认证
  • 用户身份认证 ：短信 、 usb-key 、 用户名和密码等

封装安全协议

  • IPSec协议使用下面两种协议对IP报文进行保护
  • AH协议（Authentication Header，协议号51）：
    • 可以同时提供数据完整性确认、数据来源确认、防重放等安全特性；AH常用摘要算法HMAC-MD5和HMAC-SHA1实现该特性。
  • ESP协议（Encapsulating Security Payload，协议号50）
    • 可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用HMAC-MD5或HMAC-SHA1来实现数据完整性。
  • IPSec协议使用AH或ESP对报文进行保护时，会存在两种模式：
    • 传输模式（Transport Mode）
    • 隧道模式（Tunnel Mode）

IPSec协议概述

IPSec协议如何保护IP数据？

  • 1. 使用传输模式的AH对IP数据进行保护

这段文字和图示描述的是 IPSec协议套件中，认证头（AH）在传输模式下提供数据完整性和认证保护 的过程。

核心概念解析

  1. IPSec： 是一套协议标准，用于在IP层对数据包进行加密、认证和保护，确保通信的机密性、数据完整性、和身份认证。
  2. AH ： 认证头 。它是IPSec的两种主要协议之一（另一个是ESP-封装安全载荷）。AH不提供加密 ，但它提供：
    • 数据完整性校验： 确保数据在传输过程中没有被篡改。
    • 数据源认证： 确保数据包确实来自它所声称的发送方。
    • 可选的防重放保护： 防止攻击者重复发送捕获的数据包。
  3. 传输模式 ： 在这种模式下，IPSec只保护原始IP数据包的载荷 （即传输层数据，如TCP/UDP段），而原始的IP头部保持不变。这种模式通常用于端到端的通信（如客户端到服务器）。

过程详细描述

整个过程基于发送方和接收方共享一个秘密密钥（Key）。

发送方处理流程（打包与签名）
  1. 构建原始数据包 ： 发送方有一个需要发送的原始IP数据包，其结构为：[IP头部] [数据部分]。
  2. 插入AH头部 ： 发送方在IP头部和数据部分之间插入一个AH头部。这个头部包含一些重要字段，如安全参数索引（SPI）、序列号等，用于标识安全关联（SA）。
  3. 计算认证码（签名） ：
    • 将整个数据包（包括IP头部、新插入的AH头部、数据部分）作为输入，送入HMAC算法（如HMAC-MD5或HMAC-SHA1）。
    • 同时，使用与接收方预先共享的秘密密钥（Key） 一起计算。
    • HMAC算法会生成一个固定长度的哈希值（HASH值），这个哈希值就像是整个数据包唯一的"数字指纹"或"签名"。
  4. 存储哈希值 ： 将这个计算得到的HASH值填入AH头部的"认证数据"字段中。
  5. 发送数据包 ： 最终形成的受保护的数据包结构为：[IP头部] [AH头部（内含HASH值）] [数据部分]。然后将这个数据包发送到网络上。

关键点： 在计算哈希时，IP头部中一些在传输过程中会合法改变的字段（如TTL、校验和等）会被视为全0来计算，以确保接收方能正确验证。

接收方处理流程（验证）
  1. 接收数据包 ： 接收方收到数据包：[IP头部] [AH头部] [数据部分]。
  2. 提取发送方的哈希值 ： 接收方从AH头部的"认证数据"字段中取出发送方计算并存储的HASH值，暂时放在一边。
  3. 清空认证数据字段： 将AH头部中的"认证数据"字段清零（因为接收方自己计算哈希时，这个字段应该是空的）。
  4. 重新计算哈希值（验证签名） ：
    • 接收方使用相同的HMAC算法（如HMAC-MD5或HMAC-SHA1）。
    • 将收到的整个数据包（IP头部、清零后的AH头部、数据部分）作为输入。
    • 使用与发送方相同的秘密密钥（Key） 一起计算，生成一个新的哈希值。
  5. 对比验证 ：
    • 将自己计算出的哈希值 与从数据包中提取出的发送方的哈希值进行比对。
    • 如果两个哈希值完全相同： 这意味着数据包在传输过程中没有被篡改（数据完整性），并且确实是由拥有相同密钥的对方发送的（数据源认证）。验证通过，接收方将数据包中的"数据部分"传递给上层协议。
    • 如果两个哈希值不匹配： 这意味着数据包可能在传输中被篡改了，或者发送方身份不真实（密钥不正确）。接收方会** silently discard**（静默地丢弃）这个数据包，不会向上层传递任何错误信息，以防止遭受攻击。

总结

图中描述的过程清晰地展示了AH在传输模式下如何像一个"数字封印"一样工作：

  • 发送方用共享密钥对整个包（几乎全部）进行哈希计算，并将结果附在包内。
  • 接收方用同样的密钥重复此计算，并核对结果。任何对IP头部或数据的篡改都会导致哈希值变化，从而使验证失败。

这有效地防止了中间人攻击和数据篡改，保证了通信的 authenticity 和 integrity。

  • 2. 使用传输模式的ESP对IP数据进行保护

    这段文字和图示描述的是 IPSec协议套件中，封装安全载荷（ESP）在传输模式下同时提供加密和认证保护 的过程。它比之前描述的AH更复杂，功能也更强大。

下面我将为您详细描述发送方和接收方的处理过程：

核心概念解析

  1. ESP ： 封装安全载荷 。它是IPSec的两种主要协议之一。ESP提供比AH更全面的安全服务：
    • 机密性 ： 加密数据载荷，防止窃听。
    • 数据完整性校验： 确保数据在传输过程中没有被篡改。
    • 数据源认证： 确保数据包确实来自它所声称的发送方。
    • 防重放保护： 防止攻击者重复发送捕获的数据包。
  2. 传输模式 ： 与AH一样，在此模式下，原始IP头部保持不变，主要保护的是传输层载荷。

过程详细描述

整个过程基于发送方和接收方共享两套密钥（或一套密钥用于不同用途）：

  • Key1： 用于加密的密钥。
  • Key2： 用于认证的密钥。
发送方处理流程（打包、加密与签名）
  1. 构建原始数据包 ： 发送方有原始数据包：[IP头部] [数据部分]。
  2. 准备加密 ：
    • 在数据部分后面添加一个ESP尾部。ESP尾部包含填充字节（为了满足加密算法的块长度要求）和"下一个头部"字段（用来标识加密的是什么数据，如TCP还是UDP）。
    • 使用加密算法（如DES, 3DES, AES）和加密密钥（Key1） 对 [数据部分 + ESP尾部] 进行加密，得到加密数据。
  3. 添加ESP头部 ： 在加密块前面添加一个ESP头部。这个头部包含安全参数索引（SPI）和序列号，用于标识安全关联（SA）和防重放。
  4. 计算认证码（签名） ：
    • 将 [ESP头部] [加密数据] 作为输入，送入HMAC算法（如HMAC-MD5或HMAC-SHA1）。
    • 使用认证密钥（Key2） 一起计算，生成一个哈希值（HASH值），即"ESP认证数据"。
  5. 构建最终数据包 ： 组装最终要发送的数据包，其结构为：
    [IP头部] [ESP头部] [加密数据] [ESP认证数据（即HASH值）]
  6. 发送数据包： 将这个受保护和加密的数据包发送出去。

总结发送方操作 ：先加密（数据+尾部），后认证（头部+加密后的数据）。

接收方处理流程（验证、解密与解包）
  1. 接收数据包 ： 接收方收到数据包：[IP头部] [ESP头部] [加密数据] [ESP认证数据]。
  2. 验证认证码（验证签名） ：
    • 从包中提取出发送方计算的ESP认证数据（HASH值），暂存。
    • 将收到的 [ESP头部] [加密数据] 部分作为输入，使用相同的HMAC算法和认证密钥（Key2） 重新计算一个哈希值。
    • 对比自己计算出的哈希值与收到的哈希值。
    • 如果不同，则立即丢弃数据包（数据可能被篡改或来源不真实）。
    • 如果相同 ，验证通过， proceed to下一步。认证在解密之前进行，这是一个重要的安全特性，可以防止恶意构造的密文攻击。
  3. 解密数据 ：
    • 使用解密密钥（Key1） 和相同的加密算法对 [加密数据] 部分进行解密。
    • 解密后得到 [原始数据部分] [ESP尾部]。
  4. 处理ESP尾部 ：
    • 根据ESP尾部中的"填充长度"字段，移除之前添加的填充字节。
    • 根据"下一个头部"字段，确定解密后的原始数据部分应该交给哪个上层协议（如TCP或UDP）处理。
  5. 处理原始数据 ： 最终，接收方重建了原始的数据包结构 [IP头部] [原始数据部分]，并将其传递给上层协议栈。

总结：ESP vs. AH

特性 ESP (封装安全载荷) AH (认证头)
机密性 提供（加密） 不提供
完整性 提供（保护ESP头部和加密数据） 提供（保护整个IP包，除可变字段）
认证 提供（数据源认证） 提供（数据源认证）
保护的字段 IP载荷（数据） 几乎整个IP包

图中描述的过程展示了ESP如何"先加密后认证"，接收方则"先认证后解密"，从而为IP通信提供了强大的、多层次的安全保护。

    1. 使用隧道模式的AH对IP数据进行保护

好的，这段文字和图示描述的是 IPSec协议套件中，认证头（AH）在隧道模式下提供数据完整性和认证保护 的过程。

这与传输模式的关键区别在于它保护了整个原始IP数据包。

下面我将为您详细描述这个过程：

核心概念解析

  1. AH ： 认证头 。提供数据完整性、数据源认证和防重放保护，不提供加密。
  2. 隧道模式 ： 在这种模式下，IPSec会将整个原始IP数据包（包括IP头部和数据载荷）都保护起来 ，并为其添加一个新的IP头部。这个新的IP头部通常包含隧道端点（如VPN网关）的地址。隧道模式主要用于网络到网络（如站点到站点VPN）或主机到网络（如远程访问VPN）的通信。

过程详细描述

整个过程同样基于发送方和接收方共享一个秘密密钥（Key）。

发送方处理流程（打包与签名）
  1. 构建原始数据包 ： 发送方有一个需要发送的原始IP数据包，其结构为：[原IP头部] [数据部分]。
  2. 封装原始包： 发送方（通常是VPN网关）将整个原始数据包当作新的"数据载荷"来处理。
  3. 添加新IP头部 ： 在最前面添加一个新IP头部。这个新头部的源地址和目的地址是IPSec隧道的两个端点（例如，公司总部的VPN网关和分公司的VPN网关的公共IP地址），而不是原始包中的源主机和目的主机的私有IP地址。
  4. 插入AH头部 ： 在新IP头部和原始数据包之间插入一个AH头部。
  5. 计算认证码（签名） ：
    • 将整个新数据包 （包括新IP头部 、AH头部、原IP头部 、数据部分）作为输入，送入HMAC算法（如HMAC-MD5或HMAC-SHA1）。
    • 使用与接收方预先共享的秘密密钥（Key） 一起计算，生成一个哈希值（HASH值）。
    • 注意：计算时，新IP头部中一些在传输过程中会合法改变的字段（如TTL、校验和等）会被视为全0。
  6. 存储哈希值 ： 将这个计算得到的HASH值填入AH头部的"认证数据"字段中。
  7. 发送数据包 ： 最终形成的受保护的数据包结构为：[新IP头部] [AH头部（内含HASH值）] [原IP头部] [数据部分]。然后将这个数据包发送到网络上。

关键点 ： AH隧道模式保护了原始IP数据包的全部内容，包括原始的源IP和目的IP地址，这些信息在传输过程中对外是隐藏的（尽管没有加密，但被完整性保护着）。

接收方处理流程（验证与解封）
  1. 接收数据包 ： 接收方（隧道终点）收到数据包：[新IP头部] [AH头部] [原IP头部] [数据部分]。
  2. 提取发送方的哈希值 ： 接收方从AH头部的"认证数据"字段中取出发送方计算并存储的HASH值，暂时放在一边。
  3. 清空认证数据字段： 将AH头部中的"认证数据"字段清零。
  4. 重新计算哈希值（验证签名） ：
    • 接收方使用相同的HMAC算法和相同的秘密密钥（Key）。
    • 将收到的整个数据包（新IP头部、清零后的AH头部、原IP头部、数据部分）作为输入，生成一个新的哈希值。
  5. 对比验证 ：
    • 将自己计算出的哈希值 与从数据包中提取出的发送方的哈希值进行比对。
    • 如果两个哈希值完全相同 ： 验证通过。这意味着：
      • 数据包来自真实的发送方。
      • 数据包在传输中未被篡改（包括新IP头、原IP头和所有数据）。
    • 如果两个哈希值不匹配： 验证失败。接收方会** silently discard（静默地丢弃）** 这个数据包。
  6. 解封原始包 ： 验证通过后，接收方剥离掉新IP头部 和AH头部 ，露出内部的 [原IP头部] [数据部分]。
  7. 路由原始包 ： 然后根据原IP头部中的目的IP地址，将这个解封后的原始数据包路由到局域网中的最终目标主机。

总结：隧道模式 vs. 传输模式

特性 隧道模式 传输模式
保护的内容 整个原始IP包（原IP头+数据） 仅IP载荷（数据）
添加的头部 新IP头 + AH/ESP头 AH/ESP头（IP头不变）
主要用途 网络到网络通信（站点到站点VPN） 端到端通信（主机到主机）
原始IP地址 被隐藏和保护在内层 在原始IP头中可见

图中描述的过程展示了AH隧道模式如何为整个原始IP数据包提供一个安全的"隧道"，确保其从隧道起点到终点的完整性和真实性。

    1. 使用隧道模式的ESP对IP数据进行保护

这两张图结合在一起，完整地描述了 IPSec协议套件中，封装安全载荷（ESP）在隧道模式下同时提供加密和认证保护 的完整过程，包括发送方的处理（封装、加密、认证）和接收方的处理（验证、解密、解封）。

下面我将详细描述这个全过程：

核心概念解析

  1. ESP ： 封装安全载荷 。提供机密性（加密） 、数据完整性校验 、数据源认证 和防重放保护。
  2. 隧道模式 ： 在这种模式下，IPSec会将整个原始IP数据包（包括IP头部和数据载荷）都作为需要保护的有效载荷 。它会为这个被保护的整体添加一个新的IP头部（隧道头部）和一个ESP头部。隧道模式主要用于网关到网关的通信（如Site-to-Site VPN）。

过程详细描述

整个过程基于发送方和接收方（通常是两个VPN网关）共享两套密钥：

  • Key1： 用于加密的密钥。
  • Key2： 用于认证的密钥。
发送方处理流程（封装、加密与签名）
  1. 获取原始数据包 ： 发送方网关收到一个需要穿越不安全网络（如互联网）发送到对端私有网络的原始数据包：[原IP头部] [数据部分]。这个原始包的目的IP是私有地址。
  2. 准备加密载荷 ：
    • 在原始数据包（[原IP头部] [数据部分]）后面添加一个ESP尾部 。ESP尾部包含：
      • 填充字节：为了使整个待加密块的长度满足加密算法（如AES）的块大小要求。
      • 填充长度：记录填充了多少字节，以便接收方解密后移除。
      • 下一个头部：标识被加密的是什么（这里因为是隧道模式，通常是"IPv4"或"IPv6"）。
  3. 加密 ：
    • 使用加密算法（DES、3DES 或 AES ）和加密密钥（Key1） 对 [原IP头部] [数据部分] [ESP尾部] 这个整体进行加密，得到加密数据。
  4. 添加ESP头部 ： 在加密块前面添加一个ESP头部。这个头部包含安全参数索引（SPI）和序列号，用于标识安全关联（SA）。
  5. 计算认证码（签名） ：
    • 将 [ESP头部] [加密数据] 作为输入，送入HMAC算法（如HMAC-MD5或HMAC-SHA1）。
    • 使用认证密钥（Key2） 一起计算，生成一个哈希值（HASH值），即"ESP认证数据"。
  6. 添加新IP头部 ： 在最前面添加一个新IP头部 。这个新头部的源地址和目的地址是两个VPN网关的公网IP地址。这是数据包在互联网上实际路由的依据。
  7. 构建最终数据包并发送 ： 组装最终要发送的数据包，其结构为：
    [新IP头部] [ESP头部] [加密数据] [ESP认证数据（即HASH值）]
    然后将这个包发送到互联网上。

总结发送方操作 ：先封装（原IP包+ESP尾），再加密，最后认证（ESP头+密文）。

接收方处理流程（验证、解密与解封）
  1. 接收数据包 ： 接收方VPN网关收到数据包：[新IP头部] [ESP头部] [加密数据] [ESP认证数据]。
  2. 验证认证码（验证签名） ：
    • 从包中提取出发送方计算的ESP认证数据（HASH值），暂存。
    • 将收到的 [ESP头部] [加密数据] 部分作为输入，使用相同的HMAC算法和认证密钥（Key2） 重新计算一个哈希值。
    • 对比自己计算出的哈希值与收到的哈希值。
    • 如果不同 ，则立即丢弃数据包（数据可能被篡改或来源不真实）。这是关键的安全步骤，先验证后解密。
    • 如果相同，验证通过， proceed to下一步。
  3. 解密数据 ：
    • 使用解密密钥（Key1） 和相同的加密算法（DES/3DES/AES）对 [加密数据] 部分进行解密。
    • 解密后得到 [原IP头部] [原始数据] [ESP尾部]。
  4. 处理ESP尾部 ：
    • 根据ESP尾部中的"填充长度"字段，移除之前添加的填充字节。
    • 根据"下一个头部"字段，确认解密出来的是一个完整的IP数据包。
  5. 解封并路由原始包 ：
    • 剥离掉用于隧道传输的 [新IP头部]、[ESP头部]和[ESP认证数据]。
    • 此时，只剩下原始的、未加密的IP数据包：[原IP头部] [原始数据]。
    • 接收方网关查看原IP头部中的目的IP地址（这是一个私有地址），并根据本地的路由表，将这个原始数据包路由到内网中的最终目标主机。

总结：ESP隧道模式的价值

ESP隧道模式提供了最高级别的安全保障：

  • 完全机密性： 原始IP包的所有内容（包括原始IP地址和内网数据）都被加密，在公网上不可读。
  • 完整性与认证： 确保数据来自可信的对方且在传输中未被篡改。
  • 地址隐藏： 原始网络的拓扑结构（私有IP地址）被隐藏起来，提高了网络安全性。

图中描述的过程完美展示了IPSec VPN如何通过隧道模式建立一条安全的"虚拟隧道"，连接两个异地网络，让它们就像在同一个安全的局域网内一样通信。


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