IPSec概述

IPSec（IP Security）是IETF制定的为保证在Internet上传送数据的安全保密性能的三层隧道加密协议。 IPSec在IP层对IP报文提供安全服务。IPSec协议本身定义了如何在IP数据包中增加字段来保证IP包的完整性、私有性和真实性，以及如何加密数据包。使用IPsec，数据就可以安全地在公网上传输。IPsec提供了两个主机之间、两个安全网关之间或主机和安全网关之间的保护。

IPSec包括报文验证头协议AH（协议号51） 和报文安全封装协议ESP（协议号50）两个协议。 AH可提供数据源验证和数据完整性校验功能；ESP除可提供数据验证和完整性校验功能外，还提供对IP报文的加密功能。
IPSec有隧道（tunnel）和传送（transport）两种工作方式。在隧道方式中，用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，且被加密。AH或ESP头和加密用户数据被封装在一个新的IP数据包中；在传送方式中，只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头和被加密的传输层数据被放置在原IP包头后面。

IPSec的组成

IPSec包括AH（协议号51）和ESP（协议号50）两个协议：

1. AH（Authentication Header）是报文验证头协议，主要提供的功能有数据源验证、数据完整性校验和防报文重放功能，可选择的散列算法有MD5（Message Digest ），SHA1（Secure Hash Algorithm）等。AH插到标准IP包头后面，它保证数据包的完整性和真实性，防止黑客截断数据包或向网络中插入伪造的数据包。AH采用了hash算法来对数据包进行保护。AH没有对用户数据进行加密。
2. ESP（Encapsulating Security Payload）是报文安全封装协议，ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，证数据的完整性、真实性和私有性。 可选择的加密算法有DES，3DES等。

IPSec基本概念

1.数据流（Data Flow）

为一组具有某些共同特征的数据的集合，由源地址/掩码、目的地址/掩码、IP报文中封装上层协议的协议号、源端口号、目的端口号等来规定。通常，一个数据流采用一个访问控制列表（access-list）来定义，经访问控制列表匹配的所有报文在逻辑上作为一个数据流。一个数据流可以是两台主机之间单一的TCP连接，也可以是两个子网之间所有的数据流量。IPSec能够对不同的数据流施加不同的安全保护，例如对不同的数据流使用不同的安全协议、算法或密钥。

2. 安全联盟（Security Association，简称SA）

IPSec对数据流提供的安全服务通过安全联盟SA来实现，它包括协议、算法、密钥等内容，具体确定了如何对IP报文进行处理。一个SA就是两个IPSec系统之间的一个单向逻辑连接，输入数据流和输出数据流由输入安全联盟与输出安全联盟分别处理。安全联盟由一个三元组（安全参数索引（SPI）、IP目的地址、安全协议号（AH或ESP））来唯一标识。安全联盟可通过手工配置和自动协商两种方式建立。手工建立安全联盟的方式是指用户通过在两端手工设置一些参数，在两端参数匹配和协商通过后建立安全联盟。自动协商方式由IKE生成和维护，通信双方基于各自的安全策略库经过匹配和协商，最终建立安全联盟而不需要用户的干预。

3. 安全参数索引（SPI）

是一个32比特的数值，在每一个IPSec报文中都携带该值。SPI、IP目的地址、安全协议号三者结合起来共同构成三元组，来唯一标识一个特定的安全联盟。在手工配置安全联盟时，需要手工指定SPI的取值。为保证安全联盟的唯一性，必须使用不同的SPI来配置安全联盟；使用IKE协商产生安全联盟时，SPI将随机生成。

4.安全联盟生存时间（Life Time）

安全联盟更新时间有“以时间进行限制”（即每隔定长的时间进行更新）和“以流量进行限制”（即每传输一定字节数量的信息就进行更新）两种方式。

5.安全策略 （Crypto Map）

安全策略：由用户手工配置，规定对什么样的数据流采用什么样的安全措施。对数据流的定义是通过在一个访问控制列表中配置多条规则来实现，在安全策略中引用这个访问控制列表来确定需要进行保护的数据流。一条安全策略由“名字”和“顺序号”共同唯一确定。

6.转换方式（Transform Mode）

包括安全协议、安全协议使用的算法、安全协议对报文的封装形式，规定了把普通的IP报文转换成IPSec报文的方式。在安全策略中，通过引用一个转换方式来规定该安全策略采用的协议、算法等。

AH协议

AH（Authentication Header）协议是认证头协议，AH协议通过使用带密钥的验证算法，对受保护的数据计算摘要。通过使用数据完整性检查，可判定数据包在传输过程中是否被修改；通过使用认证机制，终端系统或网络设备可对用户或应用进行认证，过滤通信流；认证机制还可防止地址欺骗攻击及重放攻击。

在使用AH协议时，AH协议首先在原数据前生成一个AH报文头，报文头中包括一个递增的序列号（Sequence number）与验证字段（空）、安全参数索引（SPI）等。AH协议将对新的数据包进行离散运算，生成一个验证字段（authentication data），填入AH头的验证字段。在Quidway 系列安全路由产品中，AH协议目前提供了两种散列算法可选择，分别是：MD5和SHA1，这两种算法的密钥长度分别是128bit和160bit。

AH协议使用32比特序列号结合防重放窗口和报文验证来防御重放攻击。

在传输模式下，AH协议验证IP报文的数据部分和IP头中的不变部分。

在隧道模式下， AH协议验证全部的内部IP报文和外部IP头中的不变部分。

ESP协议

ESP（Encapsulating Security Payload）是报文安全封装协议，ESP协议将用户数据进行加密后封装到IP包中，以保证数据的私有性。同时作为可选项，用户可以选择使用带密钥的哈希算法保证报文的完整性和真实性。ESP的隧道模式提供了对于报文路径信息的隐藏。

在ESP协议方式下，可以通过散列算法获得验证数据字段，可选的算法同样是MD5和SHA1。与AH协议不同的是，在ESP协议中还可以选择加密算法，一般常见的是DES、3DES等加密算法，Quidway 产品还支持系列硬件加密算法，通过一块专用加密卡完成，不需占用系统资源。加密算法要从SA中获得密钥，对参加ESP加密的整个数据的内容进行加密运算，得到一段新的“数据”。完成之后，ESP将在新的“数据”前面加上SPI字段、序列号字段，在数据后面加上一个验证字段和填充字段等。

ESP协议使用32比特序列号结合防重放窗口和报文验证，防御重放攻击。

在传输模式下，ESP协议对IP报文的有效数据进行加密（可附加验证）。

在隧道模式下，ESP协议对整个内部IP报文进行加密（可附加验证）。