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1、IPSec VPN 基本原理 IPSec VPN是目前VPN 技术中点击率非常高的一种技术， 同时提供VPN 和信息加密两项技术，这一期专栏就来介绍一下 IPSec VPN 的原理。 IPSec VPN 应用场景 IPSec VPN 的应用场景分为3种： 1. Site-to-Site（站点到站点或者网关到网关） ：如弯曲评论的3个机构分布在互联网的3个不同的地方，各使用一个商务领航网关相互建立 VPN 隧道，企业内网（若干 PC）之间的数据通过这些网关建立的 IPSec 隧道实现安全互联。 2. End-to-End（端到端或者 PC 到 PC） ： 两个 PC 之间的通信由两个 PC 之间
2、的 IPSec会话保护，而不是网关。 3. End-to-Site（端到站点或者 PC 到网关） ：两个 PC 之间的通信由网关和异地 PC 之间的 IPSec 进行保护。 VPN 只是 IPSec 的一种应用方式，IPSec 其实是 IP Security 的简称，它的目的是为 IP 提供高安全性特性，VPN 则是在实现这种安全特性的方式下产生的解决方案。IPSec 是一个框架性架构，具体由两类协议组成： 1. AH 协议（Authentication Header，使用较少） ：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（单向 Hash 函数）MD5和
3、SHA1实现该特性。 2. ESP 协议（Encapsulated Security Payload，使用较广） ：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 MD5或 SHA1来实现数据完整性。 为何 AH 使用较少呢因为 AH 无法提供数据加密，所有数据在传输时以明文传输，而 ESP 提供数据加密；其次 AH 因为提供数据来源确认（源 IP 地址一旦改变，AH 校验失败） ，所以无法穿越 NAT。当然，IPSec 在极端的情况下可以同时使用 AH 和 ESP 实现最完整的安全特性，但是此种方案极其少见。
4、IPSec 封装模式 介绍完 IPSec VPN 的场景和 IPSec 协议组成，再来看一下 IPSec 提供的两种封装模式（传输Transport 模式和隧道 Tunnel 模式） 上图是传输模式的封装结构，再来对比一下隧道模式： 可以发现传输模式和隧道模式的区别： 1. 传输模式在 AH、ESP 处理前后 IP 头部保持不变，主要用于 End-to-End 的应用场景。 2. 隧道模式则在 AH、ESP 处理之后再封装了一个外网 IP 头，主要用于 Site-to-Site 的应用场景。 从上图我们还可以验证上一节所介绍 AH 和 ESP 的差别。下图是对传输模式、隧道模式适用于何种场景的
5、说明。 从这张图的对比可以看出： 1. 隧道模式可以适用于任何场景 2. 传输模式只能适合 PC 到 PC 的场景 隧道模式虽然可以适用于任何场景，但是隧道模式需要多一层 IP 头（通常为20字节长度）开销，所以在 PC 到 PC 的场景，建议还是使用传输模式。 为了使大家有个更直观的了解， 我们看看下图， 分析一下为何在 Site-to-Site 场景中只能使用隧道模式： 如上图所示，如果发起方内网 PC 发往响应方内网 PC 的流量满足网关的兴趣流匹配条件，发起方使用传输模式进行封装： 1. IPSec 会话建立在发起方、响应方两个网关之间。 2. 由于使用传输模式，所以 IP 头部并不会
6、有任何变化，IP 源地址是，目的地址是。 3. 这个数据包发到互联网后，其命运注定是杯具的，为什么这么讲，就因为其目的地址是吗这并不是根源， 根源在于互联网并不会维护企业网络的路由， 所以丢弃的可能性很大。 4. 即使数据包没有在互联网中丢弃，并且幸运地抵达了响应方网关，那么我们指望响应方网关进行解密工作吗凭什么，的确没什么好的凭据，数据包的目的地址是内网 PC 的，所以直接转发了事。 5. 最杯具的是响应方内网 PC 收到数据包了，因为没有参与 IPSec 会话的协商会议，没有对应的 SA，这个数据包无法解密，而被丢弃。 我们利用这个反证法， 巧妙地解释了在 Site-to-Site 情况下
7、不能使用传输模式的原因。 并且提出了使用传输模式的充要条件：兴趣流必须完全在发起方、响应方 IP 地址范围内的流量。比如在图中，发起方 IP 地址为，响应方 IP 地址为，那么兴趣流可以是源、目的是，协议可以是任意的，倘若数据包的源、目的 IP 地址稍有不同，对不起，请使用隧道模式。 IPSec 协商 IPSec 除了一些协议原理外，我们更关注的是协议中涉及到方案制定的内容： 1. 兴趣流：IPSec 是需要消耗资源的保护措施，并非所有流量都需要 IPSec 进行处理，而需要 IPSec 进行保护的流量就称为兴趣流，最后协商出来的兴趣流是由发起方和响应方所指定兴趣流的交集，如发起方指定兴趣流为
8、，而响应方的兴趣流为，那么其交集是，这就是最后会被 IPSec 所保护的兴趣流。 2. 发起方：Initiator，IPSec 会话协商的触发方，IPSec 会话通常是由指定兴趣流触发协商，触发的过程通常是将数据包中的源、目的地址、协议以及源、目的端口号与提前指定的IPSec 兴趣流匹配模板如 ACL 进行匹配，如果匹配成功则属于指定兴趣流。指定兴趣流只是用于触发协商，至于是否会被 IPSec 保护要看是否匹配协商兴趣流，但是在通常实施方案过程中，通常会设计成发起方指定兴趣流属于协商兴趣流。 3. 响应方：Responder，IPSec 会话协商的接收方，响应方是被动协商，响应方可以指定兴趣流
9、，也可以不指定（完全由发起方指定） 。 4. 发起方和响应方协商的内容主要包括：双方身份的确认和密钥种子刷新周期、AH/ESP 的组合方式及各自使用的算法，还包括兴趣流、封装模式等。 5. SA：发起方、响应方协商的结果就是曝光率很高的 SA，SA 通常是包括密钥及密钥生存期、算法、封装模式、发起方、响应方地址、兴趣流等内容。 我们以最常见的 IPSec 隧道模式为例，解释一下 IPSec 的协商过程： 上图描述了由兴趣流触发的 IPSec 协商流程，原生 IPSec 并无身份确认等协商过程，在方案上存在诸多缺陷，如无法支持发起方地址动态变化情况下的身份确认、密钥动态更新等。伴随 IPSec
10、出现的 IKE（Internet Key Exchange）协议专门用来弥补这些不足： 1. 发起方定义的兴趣流是源目的， 所以在接口发送发起方内网 PC 发给响应方内网 PC的数据包，能够得以匹配。 2. 满足兴趣流条件，在转发接口上检查 SA 不存在、过期或不可用，都会进行协商，否则使用当前 SA 对数据包进行处理。 3. 协商的过程通常分为两个阶段，第一阶段是为第二阶段服务，第二阶段是真正的为兴趣流服务的 SA，两个阶段协商的侧重有所不同，第一阶段主要确认双方身份的正确性，第二阶段则是为兴趣流创建一个指定的安全套件， 其最显著的结果就是第二阶段中的兴趣流在会话中是密文。 IPSec 中安全性还体现在第二阶段 SA 永远是单向的： 从上图可以发现，在协商第二阶段 SA 时，SA 是分方向性的，发起方到响应方所用 SA 和响应放到发起方 SA 是单独协商的，这样做的好处在于即使某个方向的 SA 被破解并不会波及到另一个方向的 SA。这种设计类似于双向车道设计。 IPSec 虽然只是5个字母的排列组合，但其所涉及的协议功能众多、方案又极其灵活，本期主要介绍 IPSec 的基本原理，在后续专栏还会继续介绍 IPSec 的其它方面知识。 。
