前言

本章将会讲解网络层的安全协议，了解IPSec体系结构，与工作原理。

一.IPSec体系结构

1.IPSec体系结构

IPSec(Internet协议安全)是一个工业标准网络安全协议，为IP网络通信提供透明的安全服务，保护TCP/IP通信免遭窃听和篡改，可以有效抵御网络攻击，同时保持易用性。

IPSec有两个基本目标：

①保护IP数据包安全。

②为抵御网络攻击提供防护措施。

IPSec基于一种端到端的安全模式。这种模式有一个基本前提假设，就是假定数据通信的传输媒介是不安全的，因此通信数据必须经过加密。

而掌握加解密方法的只有数据流的发送端和接收端，两者各自负责相应的数据加解密处理，而网络中其他只负责转发数据的路由器或主机无须支持IPSec。

该特性有助于企业用户在下列方案中成功地配置IPSec。

(1)局域网：C/S模式，对等模式。

(2)广域网：路由器到路由器模式，网关到网关模式。

(3）远程访问：拨号客户机，专网对Internet的访问。

IPSec结合安全联盟、安全协议组和动态密钥管理三者来实现上述两个目标，如图所示，不仅能为企业局域网与拨号用户、域、网站、远程站点以及Extranet（外联网）之间的通信提供强有力且灵活的保护，而且还能用来筛选特定数据流。

IPSec(IP Security)协议是IETF安全工作组制定的一套可以用于IPv4和IPv6上的、具有互操作性的、基于密码学的安全协议。IPv4可选支持IPSec,IPv6必须支持IPSec。

IPSec提供的安全服务包括访问控制、无连接的完整性、数据源头的认证、防重放功能、数据保密和一定的数据流保密等。IPSec协议产生的初衷是解决Internet上IP传输的安全性问题，它包括从RFC2401到RFC2412的一系列RFC，定义了一套默认的、强制实施的算法，以保证不同的实施方案可以互通。

IPSec标准包含了IP安全体系结构、IP认证AH头、IP封装安全载荷ESP和Internet密钥交换（IKE）4个核心的基本规范，组成了一个完整的安全体系结构，如图所示。

（1）安全体系结构。包含一般的概念、安全需求和定义IPSec的技术机制。

（2）ESP协议。加密IP数据包的默认值、头部格式以及与加密封装相关的其他条款。

（3）AH协议。验证IP数据包的默认值、头部格式以及与认证相关的其他条款。

（4）加密算法。描述各种加密算法如何用于ESP中。

（5）验证算法。描述各种身份验证算法如何用于AH和ESP身份验证选项。

（6）密钥管理。描述因特网IETF标准密钥管理方案。其中IKE是默认的密钥自动交换协议。

（7）解释域DOI。是因特网统一协议参数分配权威机构中数字分配机制的一部分，它描述的值是预知的。包括彼此相关各部分的标志符及运作参数。

（8）策略。决定两个实体之间能否通信，以及如何进行通信。策略的核心由三部分组成：SA、SAD、SPD。

SA（安全关联)）表示了策略实施的具体细节，包括源/目的地址、应用协议、SPI（安全策略索引）等；SAD为进入和外出包处理维持一个活动的SA列表；SPD决定了整个VPN的安全需求。

2. IPSec驱动程序

① IPSec驱动程序

IPSec驱动程序负责监视、筛选和IP通信。它负责监视所有出入站的IP数据包，并将每个IP数据包与作为IP策略一部分的IP筛选器相匹配。一旦匹配成功，IPSec驱动程序通知IKE开始协商，图3-3为IPSec驱动程序服务示意图。

协商成功完成后，发送端IPSec驱动程序执行以下步骤。

（1）从IKE处获得SA和会话密钥。

（2）在IPSec驱动程序数据库中查找相匹配的出站SA，并将SA中的SPI插人IPSec包头。

（3）对数据包签名(完整性检查)；如果要求机密，则另外加密数据包。

（4）将数据包随同SPI发送IP层，然后进一步转发至目的主机。

接收端IPSec驱动程序执行以下步骤。

（1）从IKE处获得会话密钥，SA和SPI。

（2）通过目的地址和SPI，在IPSec驱动程序数据库中查找相匹配的人站SA。

（3）检查签名，对数据包进行解密(如果是加密包的话)。

（4）将数据包递交给TCP/IP驱动程序，然后再交给接收应用程序。

② IPSec工作流程

IPSec的流程如下所述，为简单起见，本章假设这是一个Intranet例子，每台主机都有处于激活状态的IPSec策略。

 (1)用户甲(在主机A上)向用户乙(在主机B上)发送一消息。

 (2)主机A上的IPSec驱动程序检查IP筛选器，查看数据包是否需要以及需要受到何种保护。

 (3）驱动程序通知IKE开始协商。

 (4)主机B上的IKE收到请求协商通知。

 (5)两台主机建立第一阶段SA，各自生成共享“主密钥”。若两机在此前通信中已经建立起第一阶段SA，则可直接进行第二阶段SA协商。

（6）协商建立第二阶段SA对：入站SA和出站SA。SA包括密钥和SPI。

 (7) 主机A上的IPSec驱动程序使用出站SA，对数据包进行签名(完整性检查)与加密。

 (8) 驱动程序将数据包递交IP层，再由IP层将数据包转发至主机B。

（9）主机B网络适配器驱动程序收到数据包并提交给IPSec驱动程序。

（10)主机B上的IPSec驱动程序使用入站SA，检查签名完整性并对数据包进行解密。

（11）驱动程序将解密后的数据包提交上层TCP/IP驱动程序，再由TCP/IP驱动程序将数据包提交主机B的接收应用程序。

以上是IPSec的一个完整工作流程，虽然看起来很复杂，但所有操作对用户是完全透明的。