ipsec概述(9页).doc

《ipsec概述(9页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ipsec概述(9页).doc（9页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-ipsec概述-第 9 页IPSec概述本章将详细介绍secpath防火墙ipsec功能的配置，此时的secpath完全可以等同为路由器来看待，在文中我们将沿用路由器方面的术语和标识来描述secpath，即本章所提及的路由器均可使用secpath来取代。1.1 ipsec协议简介 ipsec（ip security）协议族是ietf制定的一系列协议，它为ip数据报提供了高质量的、可互操作的、基于密码学的安全性。特定的通信方之间在ip层通过加密与数据源验证等方式，来保证数据报在网络上传输时的私有性、完整性、真实性和防重放。 私有性（confidentiality）指对用户数据进行加密保护，用密

2、文的形式传送。 完整性（data integrity）指对接收的数据进行验证，以判定报文是否被篡改。 真实性（data authentication）指验证数据源，以保证数据来自真实的发送者。 防重放（anti-replay）指防止恶意用户通过重复发送捕获到的数据包所进行的攻击，即接收方会拒绝旧的或重复的数据包。 ipsec通过ah（authentication header，认证头）和esp（encapsulating security payload，封装安全载荷）两个安全协议实现了上述目标。为简化ipsec的使用和管理，ipsec还可以通过ike（internet key exchang

3、e，因特网密钥交换协议）进行自动协商交换密钥、建立和维护安全联盟的服务，以简化ipsec的使用和管理。 (1)ah协议 ah是报文头验证协议，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；然而，ah并不加密所保护的数据报。 (2)esp协议 esp是封装安全载荷协议。它除提供ah协议的所有功能外（但其数据完整性校验不包括ip头），还可提供对ip报文的加密功能。 ah和esp可以单独使用，也可以同时使用。对于ah和esp，都有两种操作模式：传输模式和隧道模式。工作模式将在后文介绍。 (3)ike协议 ike协议用于自动协商ah和esp所使用的密码算法，并将算法所需的必备密钥放到恰当

4、位置。 ike协商并不是必须的，ipsec所使用的策略和算法等也可以手工协商。关于两种协商方式的比较，将在后文介绍。1.2 ike协议简介 1. ike协议 ipsec的安全联盟可以通过手工配置的方式建立，但是当网络中节点增多时，手工配置将非常困难，而且难以保证安全性。这时就要使用ike（internet key exchange，因特网密钥交换）自动地进行安全联盟建立与密钥交换的过程。 ike协议是建立在由internet安全联盟和密钥管理协议isakmp（internet security association and key management protocol）定义的框架上。它能够

5、为ipsec提供了自动协商交换密钥、建立安全联盟的服务，以简化ipsec的使用和管理。 ike具有一套自保护机制，可以在不安全的网络上安全地分发密钥、验证身份、建立ipsec安全联盟。 2. ike的安全机制 dh（diffie-hellman）交换及密钥分发。diffie-hellman算法是一种公共密钥算法。通信双方在不传送密钥的情况下通过交换一些 数据，计算出共享的密钥。加密的前提是交换加密数据的双方必须要有共享的密钥。ike的精髓在于它永远不在不安全的网络上直接传送密钥，而是通过一系列数 据的交换，最终计算出双方共享的密钥。即使第三者（如黑客）截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，也不

6、足以计算出真正的密钥。 完善的前向安全性（perfect forward secrecy，pfs）。pfs是一种安全特性，指一个密钥被破解，并不影响其他密钥的安全性，因为这些密钥间没有派生关系。pfs是由dh算法保障的。 身份验证。身份验证确认通信双方的身份。对于pre-shared key验证方法，验证字用来作为一个输入产生密钥，验证字不同是不可能在双方产生相同的密钥的。验证字是验证双方身份的关键。 身份保护。身份数据在密钥产生之后加密传送，实现了对身份数据的保护。 3. ike的交换阶段 ike使用了两个阶段为ipsec进行密钥协商并建立安全联盟：第一阶段，通信各方彼此间建立了一个已通过身

7、份验证和安全保护的通道，此阶段的交换建立了 一个isakmp安全联盟，即isakmp sa（也可称ike sa）；第二阶段，用在第一阶段建立的安全通道为ipsec协商安全服务，即为ipsec协商具体的安全联盟，建立ipsec sa，ipsec sa用于最终的ip数据安全传送。 (1)当一个报文从某接口外出时，如果此接口应用了ipsec，会进行安全策略的匹配。 (2)如果找到匹配的安全策略，会查找相应的安全联盟。如果安全联盟还没有建立，则触发ike进行协商。ike首先建立阶段1的安全联盟，即ike sa。 (3)在阶段1安全联盟的保护下协商阶段2的安全联盟，即ipsec sa。 (4)使用ips

8、ec sa保护通讯数据。 4. ike的协商模式 在rfc2409（the internet key exchange）中规定，ike第一阶段的协商可以采用两种模式：主模式（main mode）和野蛮模式（aggressive mode）。 主模式被设计成将密钥交换信息与身份、认证信息相分离。这种分离保护了身份信息；交换的身份信息受已生成的diffie-hellman共享密钥的保护。但这增加了3条消息的开销。 野蛮模式则允许同时传送与sa、密钥交换和认证相关的载荷。将这些载荷组合到一条消息中减少了消息的往返次数，但是就无法提供身份保护了。 虽然野蛮模式存在一些功能限制，但可以满足某些特定的网络

9、环境需求。例如：远程访问时，如果响应者（服务器端）无法预先知道发起者（终端用户）的地址、或 者发起者的地址总在变化，而双方都希望采用预共享密钥验证方法来创建ike sa，那么，不进行身份保护的野蛮模式就是唯一可行的交换方法；另外，如果发起者已知响应者的策略，或者对响应者的策略有全面的了解，采用野蛮模式能够更 快地创建ike sa。1.3 ipsec基本概念 1. 安全联盟 ipsec在两个端点之间提供安全通信，端点被称为ipsec对等体。 ipsec能够允许系统、网络的用户或管理员控制对等体间安全服务的粒度。例如，某个组织的安全策略可能规定来自特定子网的数据流应同时使用ah和esp 进行保护，

10、并使用3des（triple data encryption standard，三重数据加密标准）进行加密；另一方面，策略可能规定来自另一个站点的数据流只使用esp保护，并仅使用des加密。通过sa （security association，安全联盟），ipsec能够对不同的数据流提供不同级别的安全保护。 安全联盟是ipsec的基础，也是ipsec的本质。sa是通信对等体间对某些要素的约定，例如，使用哪种协议（ah、esp还是两者结合使用）、协议的操作模式（传输模式和隧道模式）、加密算法（des和3des）、特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等。 安全联盟是单向的，在两个对等体之间

11、的双向通信，最少需要两个安全联盟来分别对两个方向的数据流进行安全保护。同时，如果希望同时使用ah和esp来保护对等体间的数据流，则分别需要两个sa，一个用于ah，另一个用于esp。 安全联盟由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括spi（security parameter index，安全参数索引）、目的ip地址、安全协议号（ah或esp）。spi是为唯一标识sa而生成的一个32比特的数值，它在ah和esp头中传输。 安全联盟具有生存周期。生存周期的计算包括两种方式： 以时间为限制，每隔指定长度的时间就进行更新； 以流量为限制，每传输指定的数据量（字节）就进行更新。 2. 安全联盟的协商方式

12、可以有两种协商方式建立安全联盟，一种是手工方式（manual），一种是ike自动协商（isakmp）方式。前者配置比较复杂，创建安全联盟所需的全 部信息都必须手工配置，而且ipsec的一些高级特性（例如定时更新密钥）不被支持，但优点是可以不依赖ike而单独实现ipsec功能。而后者则相对比 较简单，只需要配置好ike协商安全策略的信息，由ike自动协商来创建和维护安全联盟。 当与之进行通信的对等体设备数量较少时，或是在小型静态环境中，手工配置安全联盟是可行的。对于中、大型的动态网络环境中，推荐使用ike协商建立安全联盟 3. ipsec协议的操作模式 ipsec协议有两种操作模式：传输模式和隧

13、道模式。sa中指定了协议的操作模式。 在传输模式下，ah或esp被插入到ip头之后但在所有传输层协议之前，或所有其他ipsec协议之前。在隧道模式下，ah或esp插在原始ip头之前， 另外生成一个新头放到ah或esp之前。不同安全协议在传输模式和隧道模式下的数据封装形式（传输协议以tcp为例）如下图所示： 传输模式 隧道模式 从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始ip数据报进行验证和加密；此外，可以使用ipsec对等体的ip地址来隐藏客户机的ip地址。 从性能来讲，隧道模式比传输模式占用更多带宽，因为它有一个额外的ip头。因此，到底使用哪种模式需要在安全性和性能间进行权衡。 4

14、. 验证算法与加密算法 (1)验证算法 ah和esp都能够对ip报文的完整性进行验证，以判别报文在传输过程中是否被篡改。验证算法的实现主要是通过杂凑函数，杂凑函数是一种能够接受任意长的 消息输入，并产生固定长度输出的算法，该输出称为消息摘要。ipsec对等体计算摘要，如果两个摘要是相同的，则表示报文是完整未经篡改的。一般来说 ipsec使用两种验证算法： md5：md5通过输入任意长度的消息，产生128bit的消息摘要。 sha-1：sha-1通过输入长度小于2的64次方比特的消息，产生160bit的消息摘要。 sha-1的摘要长于md5，因而是更安全的。 (2)加密算法 esp能够对ip报文

15、内容进行加密保护，防止报文内容在传输过程中被窥探。加密算法实现主要通过对称密钥系统，它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。一般来说ipsec使用两种加密算法： des：使用56bit的密钥对一个64bit的明文块进行加密。 3des：使用三个56bit的des密钥（共168bit密钥）对明文进行加密。 无疑，3des具有更高的安全性，但其加密数据的速度要比des慢得多。 3.1.4 ipsec的nat穿越 1. nat穿越（nat traversal） ipsec的一个主要应用是建立vpn，但在实际组网应用中，有一种情况会对部署ipsec vpn网络造成障碍：如果发起者位于一个私网内部，而它希

16、望在自己与远端响应者之间直接建立一条ipsec隧道；这就涉及到ipsec与nat的配合，主 要问题在于，ike在协商过程中如何发现两个端点之间存在nat网关，以及如何使esp报文正常穿越nat网关。 首先，建立ipsec隧道的两端需要进行nat穿越能力协商，这是在ike协商的前两个消息中进行的，通过vendor id载荷指明的一组数据来标识，该载荷数据的定义与所采用草案（draft）版本的不同而不同。 而nat网关发现是通过nat-d载荷来实现的，该载荷用于两个目的：在ike peer之间发现nat的存在；确定nat设备在peer的哪一侧。nat侧的peer作为发起者，需要定期发送nat-ke

17、epalive报文，以使nat网关确保安全隧道处于激活状态。 2. ipsec穿越nat的处理 ipsec穿越nat，简单来说就是在原报文的ip头和esp头（不考虑ah方式）间增加一个标准的udp报头。这样，当esp报文穿越nat网关时， nat对该报文的外层ip头和增加的udp报头进行地址和端口号转换；转换后的报文到达ipsec隧道对端时，与普通ipsec处理方式相同，但在发送响 应报文时也要在ip头和esp头之间增加一个udp报头。 3.1.5 ipsec在secpath上的实现 1. ipsec在secpath上的实现 secpath实现了上述所介绍的ipsec的全部内容。 其实现方式是

18、基于下列思路：通过ipsec，对等体之间（此处是指secpath及其对端）能够对不同的数据流实施不同的安全保护（验证、加密或两者同时 使用）。其中数据流的区分通过配置acl来进行；安全保护所用到的安全协议、验证算法和加密算法、操作模式等通过配置安全提议来进行；数据流和安全提议的 关联（即定义对何种数据流实施何种保护）、sa的协商方式、对等体ip地址的设置（即保护路径的起/终点）、所需要的密钥和sa的生存周期等通过配置安全 策略来进行；最后在路由器接口上实施安全策略即完成了ipsec的配置。 具体介绍如下： (1)定义被保护的数据流 数据流是一组流量（traffic）的集合，由源地址/掩码、目的

19、地址/掩码、ip报文承载的协议号、源端口号、目的端口号等来规定。一个数据流用一个 acl来定义，所有匹配一个访问控制列表规则的流量，在逻辑上作为一个数据流。一个数据流可以小到是两台主机之间单一的tcp连接；也可以大到是两个子网 之间所有的流量。ipsec能够对不同的数据流施加不同的安全保护，因此ipsec配置的第一步就是定义数据流。 (2)定义安全提议 安全提议规定了对要保护的数据流所采用的安全协议、验证或加密算法、操作模式（即报文的封装方式）等。 secpath支持的ah和esp安全协议，两者既可单独使用，也可联合使用。其中，ah支持md5和sha-1验证算法；esp协议支持md5、sha-

20、1验证算法和des、3des加密算法。secpath支持的操作模式包括传输模式和隧道模式。 对同一数据流，对等体两端必须设置相同的协议、算法和操作模式。另外，对于两个安全网关（例如路由器间）实施ipsec，建议采用隧道模式，以隐藏实际通信的源和目的ip地址。 因此，请先根据需要配置好一个安全提议，以便下一步将数据流和安全提议相关联。 (3)定义安全策略或安全策略组 安全策略规定了对什么样的数据流采用什么样的安全提议。一条安全策略由“名字”和“顺序号”共同唯一确定。安全策略分为手工安全策略和ike协商安全策 略，前者需要用户手工配置密钥、spi、sa的生存周期等参数，在隧道模式下还需要手工配置安

21、全隧道两个端点的ip地址；后者则由ike自动协商生成这些 参数。 安全策略组是所有具有相同名字、不同顺序号的安全策略的集合。在同一个安全策略组中，顺序号越小的安全策略，优先级越高。 (4)接口实施安全策略 在接口上应用安全策略组，安全策略组中的所有安全策略同时应用在这个接口上，从而实现对流经这个接口的不同的数据流进行不同的安全保护。 2. ike在secpath上的实现 secpath支持ike的主模式和野蛮模式，并基于rfc2408、rfc2409实现，能够与大多数主流设备厂商互通。 目前，secpath上的ipsec，如果需要进行nat穿越，则ike第一阶段协商应采用野蛮模式，对端id类型

22、为对端名称，并在配置ipsec的安全提议时，安全协议采用esp，还需要以隧道模式（tunnel）封装报文。 secpath上ike的实现步骤如下： 设置ike交换过程中所使用的本地id； 指定对端（ike peer）的一系列属性（包括ike协商模式、预共享密钥值、对端地址或对端id、是否需要进行nat穿越等属性），以保证ike协商阶段的正确性； 创建ike安全提议，以确定ike交换过程中算法的强度，即安全保护的强度（包括身份验证方法、加密算法、验证算法、dh组等）：不同的算法的强度不同，强度越高的算法，受保护数据越难被破解，但消耗的计算资源越多。一般来说，密钥越长的算法强度越高； 此外，除上述

23、基本步骤外，ike还具有keepalive机制，可以判断对端是否能够正常通讯，因此还可配置keepalive的“interval”和“timeout”两个参数。当配置了ipsec的nat穿越时，还可配置发送nat更新报文的时间间隔。 当上述ike配置完毕后，需要在ipsec的安全策略视图下引用ike peer，以完成了自动协商的ipsec的配置。（ipsec引用ike peer已经在上一章中介绍） 3.1.6 ipsec在加密卡硬件上的实现 1. ipsec在加密卡硬件上的实现 ipsec加密卡在实现了上述全部功能的基础上，还扩展了部分功能。 如ipsec加密卡的加密算法，采用aes，即使用1

24、28bit的密钥对明文进行加密。 上述特性涉及的配置命令完成的功能只在加密卡硬件存在时生效，对于无加密卡或者用户指定使用纯软件处理ipsec特性时，不提供上述功能。 加密卡进行加密/解密的工作过程是： (1)防火墙主机将需要加密/解密的数据发送给加密卡 (2)加密卡对数据进行加密/解密运算 (3)加密卡将完成加密/解密的数据发送回主机 (4)主机对加密卡处理后的数据进行后续处理 目前的加密卡，是即插即用型。当加密卡被拔出或失效后，便会自动切换回软件处理加密/解密。 加密卡与vrp主体软件ipsec模块对数据的处理机制完全相同，区别仅仅在于加密卡是通过硬件实现加密/解密处理，而ipsec模块是通过软件实现加/解密处理。 2. ike在加密卡硬件上的实现 ipsec加密卡在实现软件的所有功能基础上，还扩展了部分功能。 secpath防火墙在ipsec高速加密卡中提供rsa加密nonce的身份验证方法。 上述特性涉及的配置命令完成的功能只在加密卡硬件存在时生效，对于无加密卡或者用户指定使用纯软件处理ipsec特性时，不提供上述功能。