IPSec安全策略及實現
阿新 • • 發佈：2019-02-05
IP安全結構(SA)：RFC2401，涉及IP安全技術的一般概念、安全目標、安全服務、構成元素和關鍵機制等方面，是整個協議棧的基礎和指導。
IP認證報頭(AH)：RFC2402，提供資料來源身份認證、資料完整性和重放攻擊保護幾項功能。
IP封裝安全負載 (ESP，Encapsulating Security Payload)：RFC2406，提供資料保密、資料來源身份認證、資料完整性和重放攻擊保護幾項功能，和AH協議一起構成協議棧的主體。
因特網安全聯盟和金鑰管理協議(ISAKMP)：RFC2408和因特網金鑰交換(IKE)-RFC2409，描述金鑰的產生、協商和交換的標準過程。
加密和驗證演算法：RFC2403，RFC2404，RFC2405和RFC2410，描述用於AH和ESP協議中的各種加密和鑑別演算法，對安全協議的實現提供具體的演算法描述。
IP安全DOI(Domain of Interpretation)文件：RFC2407，為其他文件提供標準程式碼。
PF_KEY金鑰管理API：RFC2367，提供IKE模組和IPSec核心之間的介面。
3 總體介紹
IPSec使用兩個協議來提供傳輸安全——認證報頭(AH)、封裝安全負載(ESP)。IPSec實現是通過在原始IP資料包中新增插入AH或ESP頭，達到IP資料加密和認證的目的。
IPSec協議族在因特網中所處的位置可以認為和IP層平行，在具體的資料包外出處理中，一般都是在原始IP包新增插入IPSec報頭(AH&ESP)。故可確切的認為IPSec層處於IP層和資料鏈路層之間，更偏向IP層。
IPSec安全體系既可用來保護一個完整的IP包，也可以保護某個IP包的上層協議。這兩種保護分別是由IPSec兩種不同的“模式”來提供。其中，傳輸模式(transport)用於兩臺主機之間，保護上層協議，在IP頭和上層協議頭之間插入IPSec頭，如：〔IP頭〕 〔IPSec頭〕〔上層協議〕;隧道模式(tunnel)保護整個IP包，只要安全聯盟的任意一端是安全閘道器，就必須使用隧道模式。在其外部新增IPSec頭，加密驗證原IP包，然後用外部IP頭封裝整個處理過的資料包。如：〔外部IP頭〕〔IPSec頭〕〔內部IP頭〕〔上層協議〕。
另外，SA中如果應用不同的安全協議，所受保護資料包的內容範圍也有所不同。對於ESP，傳輸模式SA提供的安全服務只保護上層協議，而對IP頭和擴充套件頭不提供保護。隧道模式SA對外部頭並不提供保護；而對於AH，傳輸模式SA提供的安全服務還可以對IP頭、擴充套件頭和某些選項的部分內容進行保護。隧道模式SA可以對其外部頭的一部分提供保護。
在IPSec中，安全聯盟(SA)就是兩個IPSec系統之間的一個單向邏輯連線，是安全策略的具體化和例項化，它提供了保護通訊的具體細節。通常用一個三元組唯一的表示：<安全引數索引(SPI)，IP目的地址，安全協議(AH和ESP)識別符號>。
SA規定了用於保密通訊的一組安全引數，包括：驗證演算法、加密演算法、協議模式、安全聯盟的源地址、SA的生存期(TTL)和序列號計數器等。
通過使用AH或ESP之一，SA為它所承載的資料通訊提供安全服務。IPSec的實現需維護兩個與SA有關的資料庫，安全策略資料庫SPD和安全聯盟資料庫SAD。安全策略資料庫是為IPSec實現提供安全策略配置，包括源、目的IP地址、掩碼、埠，傳輸層協議，動作(丟棄、繞過、應用)，進出標誌，識別符號，SA和策略指標。SAD是SA的集合，其內容(RFC要求的必須項)包括目的IP地址、安全協議，SPI，序列號計數器，序列號溢位標誌、抗重播視窗、SA的生命期、進出標誌，SA狀態，IPSec協議模式(傳輸或隧道)、加密演算法和驗證演算法相關專案。
3.1 SPD
對於一個IPSec實施點，進入包和外出包都需要參考安全策略資料庫（SPD）。對於進入或外出的每一份資料包，都有三種可能的選擇：丟棄、繞過IPSec或應用IPSec。丟棄是指根本不允許離開主機、穿過安全閘道器，或最終傳遞到某一應用程式。繞過是指允許通過而不用額外IPSec保護的傳輸。應用是指需要IPSec保護的傳輸並且對於這樣的傳輸SPD必須規定提供的安全服務，所使用的協議、演算法等等。
SPD包括策略入口的有序列表。每一個策略入口由一個或多個選擇符標識，這些選擇符定義了被這一策略入口包含的IP傳輸。這些選擇符定義了策略或IPSec處理的粒度。每一個入口包括一個標識，它標識匹配這一策略的傳輸是允許通過，丟棄，還是進行IPSec處理。如果運用IPSec處理，入口應包括SA(或SA束)的規範。該規範列舉了IPSec協議、模式和使用的演算法，包括了任何巢狀需求。
對於每一個IPSec實現，必須由一個可供管理的介面。它允許使用者或系統管理員管理SPD。特別的，每一個輸入或輸出包受制於IPSec的處理，SPD必須定義在每一種情況下什麼行為將被接受。因此可供管理的介面必須允許使用者（或系統管理者）定義安全處理，這一安全處理被運用於任何進出系統的包。
3.2 選擇符
SA的粒度取決於選擇符。例如，兩主機之間所有的傳輸可以通過單一SA來傳輸，並且給予一個統一的安全服務集。另外，一對主機間的傳輸可以通過多重SAs，而不同的SAs提供不同的安全服務，這有賴於使用的應用程式(正如下一代協議和埠域中定義)。
3.3 SAD
SAD中的記錄項定義了與SA相關的引數。每個SA都應在SAD中有一條記錄項相對應。對於進入處理，SAD的記錄用三元組<目的IP地址，SPI，安全協議>標識。對於外出處理，應在SPD中查詢指向SAD中SA的指標，從而查詢對應的SA或SA束。如果未建立SA，則應建立SA，並將SPD中的項與SAD的記錄項關聯起來。
3.4 AH和ESP的處理過程
AH處理：AH報頭格式和內容見RFC2402。設有兩臺配置IPSec的主機或閘道器、處理IPSec資料包的傳送和接收。在傳送方，程序根據SPD和SAD選擇恰當的協議模式和驗證演算法。然後將AH頭插入到IP包中，將資料包中的不定欄位清零，用驗證演算法和金鑰摘要驗證(預設為HMAc_MD5_96)整個封裝後的資料包、將摘要資料送到AH頭的驗證資料欄位。最後，IPSec層將資料包轉發到資料鏈路層。最終將安全資料包傳送到接收方。在接收方，程序配置有相應的SPD和SAD。接收到傳送方發來的安全資料包後，可選進行序列號檢查和抗重播檢查。然後，同樣對資料包的不定欄位清零，儲存驗證資料欄位內容並清零之。對整個資料包運用驗證演算法和金鑰處理，將驗證結果和儲存的驗證資料比較，匹配則驗證成功。然後，剝去AH頭和外部IP頭(隧道模式)。最後，再進行策略檢查。AH處理只負責對資料的完整性檢查，而不實現資料的加密。還要注意PMTU的問題，一般來說，儘量防止對資料包的分段，我們綜合考慮巢狀模式中所能新增的AH頭和ESP頭尾的最大位元組數，保證傳送到IPSec層的原始IP包比相應MTU少於AH頭和ESP頭尾的最大位元組數，這樣就不會導致在IPSec層的分段處理，減少IPSec的功能和負擔。
ESP處理：ESP報頭和報尾的格式和內容見RFC2406。ESP處理和AH處理類似。ESP處理完成AH處理的全部功能，並提供資料加密功能。對於輸出資料包處理，首先根據SPD和SAD進行加密處理(預設加密演算法為3DES，加密金鑰IKE協商生成或人工協商)。對傳輸模式，加密項包括上層協議頭(如TCP頭)，資料內容和ESP尾。對隧道模式，加密項還要包括內部IP頭(IP-in-IP)。然後，才是資料包的驗證。必須注意的是，驗證項不包括ESP頭外面的IP頭。ESP外出資料包處理的最後一步是重新計算位於ESP前面的IP頭的校驗和。其他處理同AH處理。對於輸入資料包處理，處理流程基本同AH。要注意的是，必須先驗證後解密。演算法和金鑰由通訊雙方協商的SA確定。策略檢查完之後，還要重新計算IP校驗和。
3.5 IPSec資料流處理
資料流輸入處理：
1)模組接收一個IP包；
2)如果IP包下一下協議proto=UDP&&port=500，繞過不處理，傳給上層協議；
3)判斷下一個協議proto是否AH或ESP，如果不是，根據其地址查SPD，如果有對應策略則丟棄該包否則繞過；(IPSec只負責IPSec包的處理)
4)查三元組，得said指標；
5)根據said查詢SAD
if SA為空
〔查詢策略；(根據selector，查詢相應的SPD，取SPD中的action)
if統過 不處理；
if丟棄 丟包；
if應用 丟包；
if無策略 不處理〕
if SA期滿 丟包；
if SA狀態異常 丟包；
6)檢查序列號seq，抗重播撿查；
7)根據下一個協議為AH或ESP，分別送交AH/ESP處理模組進行驗證解密，並剝去AH頭或ESP頭和尾；
8)從策略(或SA)中獲知是採用傳輸模式，還是隧道模式；
9)If tunnel mode，移走外部IP頭；
10)對這個處理後的新的IP包進行策略檢查(如果沒有策略則宣告失效)；
11)檢查新的內部IP頭的“nextproto”欄位，如果不是IPSec頭，處理結束、返回。
12)如果IP頭的目的地址不是自己，則轉發。
13)如果仍為IPSec包，轉4)。
資料流輸出處理：
1)模組取出一個IP包；
2)根據selector查詢策略資料庫SPD，根據action判斷是否應用或丟棄，若沒有SPD，則繞過；
3)查詢SPD對應的SA或SA束(真正的目的地址所有的)
if 沒有SA
手工建立；或IKE動態建立；或繞過；
if 有SA
SA生命期、狀態的判斷；
4)將策略，SA和原始IP包送給AH/ESP模組處理(負責根據傳輸模式和通道模式，插入AH頭(ESP頭和尾)和外部IP頭(此時可將外部IP頭源、目的地址設為和內部頭一樣))；
5) if策略中有閘道器應用且到該閘道器有策略；
6)根據策略查詢相應的SA
if 沒有SA
手工建立；或IKE動態建立；或繞過；
if 有SA
SA生命期、狀態的判斷；
7)將策略，SA(束)和處理後的IPSec包送結AH/ESP模組處理。(此時IP頭目的地址為閘道器)；
8)IPSec處理完畢。
IP認證報頭(AH)：RFC2402，提供資料來源身份認證、資料完整性和重放攻擊保護幾項功能。
IP封裝安全負載 (ESP，Encapsulating Security Payload)：RFC2406，提供資料保密、資料來源身份認證、資料完整性和重放攻擊保護幾項功能，和AH協議一起構成協議棧的主體。
因特網安全聯盟和金鑰管理協議(ISAKMP)：RFC2408和因特網金鑰交換(IKE)-RFC2409，描述金鑰的產生、協商和交換的標準過程。
加密和驗證演算法：RFC2403，RFC2404，RFC2405和RFC2410，描述用於AH和ESP協議中的各種加密和鑑別演算法，對安全協議的實現提供具體的演算法描述。
IP安全DOI(Domain of Interpretation)文件：RFC2407，為其他文件提供標準程式碼。
PF_KEY金鑰管理API：RFC2367，提供IKE模組和IPSec核心之間的介面。
3 總體介紹
IPSec使用兩個協議來提供傳輸安全——認證報頭(AH)、封裝安全負載(ESP)。IPSec實現是通過在原始IP資料包中新增插入AH或ESP頭，達到IP資料加密和認證的目的。
IPSec協議族在因特網中所處的位置可以認為和IP層平行，在具體的資料包外出處理中，一般都是在原始IP包新增插入IPSec報頭(AH&ESP)。故可確切的認為IPSec層處於IP層和資料鏈路層之間，更偏向IP層。
IPSec安全體系既可用來保護一個完整的IP包，也可以保護某個IP包的上層協議。這兩種保護分別是由IPSec兩種不同的“模式”來提供。其中，傳輸模式(transport)用於兩臺主機之間，保護上層協議，在IP頭和上層協議頭之間插入IPSec頭，如：〔IP頭〕 〔IPSec頭〕〔上層協議〕;隧道模式(tunnel)保護整個IP包，只要安全聯盟的任意一端是安全閘道器，就必須使用隧道模式。在其外部新增IPSec頭，加密驗證原IP包，然後用外部IP頭封裝整個處理過的資料包。如：〔外部IP頭〕〔IPSec頭〕〔內部IP頭〕〔上層協議〕。
另外，SA中如果應用不同的安全協議，所受保護資料包的內容範圍也有所不同。對於ESP，傳輸模式SA提供的安全服務只保護上層協議，而對IP頭和擴充套件頭不提供保護。隧道模式SA對外部頭並不提供保護；而對於AH，傳輸模式SA提供的安全服務還可以對IP頭、擴充套件頭和某些選項的部分內容進行保護。隧道模式SA可以對其外部頭的一部分提供保護。
在IPSec中，安全聯盟(SA)就是兩個IPSec系統之間的一個單向邏輯連線，是安全策略的具體化和例項化，它提供了保護通訊的具體細節。通常用一個三元組唯一的表示：<安全引數索引(SPI)，IP目的地址，安全協議(AH和ESP)識別符號>。
SA規定了用於保密通訊的一組安全引數，包括：驗證演算法、加密演算法、協議模式、安全聯盟的源地址、SA的生存期(TTL)和序列號計數器等。
通過使用AH或ESP之一，SA為它所承載的資料通訊提供安全服務。IPSec的實現需維護兩個與SA有關的資料庫，安全策略資料庫SPD和安全聯盟資料庫SAD。安全策略資料庫是為IPSec實現提供安全策略配置，包括源、目的IP地址、掩碼、埠，傳輸層協議，動作(丟棄、繞過、應用)，進出標誌，識別符號，SA和策略指標。SAD是SA的集合，其內容(RFC要求的必須項)包括目的IP地址、安全協議，SPI，序列號計數器，序列號溢位標誌、抗重播視窗、SA的生命期、進出標誌，SA狀態，IPSec協議模式(傳輸或隧道)、加密演算法和驗證演算法相關專案。
3.1 SPD
對於一個IPSec實施點，進入包和外出包都需要參考安全策略資料庫（SPD）。對於進入或外出的每一份資料包，都有三種可能的選擇：丟棄、繞過IPSec或應用IPSec。丟棄是指根本不允許離開主機、穿過安全閘道器，或最終傳遞到某一應用程式。繞過是指允許通過而不用額外IPSec保護的傳輸。應用是指需要IPSec保護的傳輸並且對於這樣的傳輸SPD必須規定提供的安全服務，所使用的協議、演算法等等。
SPD包括策略入口的有序列表。每一個策略入口由一個或多個選擇符標識，這些選擇符定義了被這一策略入口包含的IP傳輸。這些選擇符定義了策略或IPSec處理的粒度。每一個入口包括一個標識，它標識匹配這一策略的傳輸是允許通過，丟棄，還是進行IPSec處理。如果運用IPSec處理，入口應包括SA(或SA束)的規範。該規範列舉了IPSec協議、模式和使用的演算法，包括了任何巢狀需求。
對於每一個IPSec實現，必須由一個可供管理的介面。它允許使用者或系統管理員管理SPD。特別的，每一個輸入或輸出包受制於IPSec的處理，SPD必須定義在每一種情況下什麼行為將被接受。因此可供管理的介面必須允許使用者（或系統管理者）定義安全處理，這一安全處理被運用於任何進出系統的包。
3.2 選擇符
SA的粒度取決於選擇符。例如，兩主機之間所有的傳輸可以通過單一SA來傳輸，並且給予一個統一的安全服務集。另外，一對主機間的傳輸可以通過多重SAs，而不同的SAs提供不同的安全服務，這有賴於使用的應用程式(正如下一代協議和埠域中定義)。
3.3 SAD
SAD中的記錄項定義了與SA相關的引數。每個SA都應在SAD中有一條記錄項相對應。對於進入處理，SAD的記錄用三元組<目的IP地址，SPI，安全協議>標識。對於外出處理，應在SPD中查詢指向SAD中SA的指標，從而查詢對應的SA或SA束。如果未建立SA，則應建立SA，並將SPD中的項與SAD的記錄項關聯起來。
3.4 AH和ESP的處理過程
AH處理：AH報頭格式和內容見RFC2402。設有兩臺配置IPSec的主機或閘道器、處理IPSec資料包的傳送和接收。在傳送方，程序根據SPD和SAD選擇恰當的協議模式和驗證演算法。然後將AH頭插入到IP包中，將資料包中的不定欄位清零，用驗證演算法和金鑰摘要驗證(預設為HMAc_MD5_96)整個封裝後的資料包、將摘要資料送到AH頭的驗證資料欄位。最後，IPSec層將資料包轉發到資料鏈路層。最終將安全資料包傳送到接收方。在接收方，程序配置有相應的SPD和SAD。接收到傳送方發來的安全資料包後，可選進行序列號檢查和抗重播檢查。然後，同樣對資料包的不定欄位清零，儲存驗證資料欄位內容並清零之。對整個資料包運用驗證演算法和金鑰處理，將驗證結果和儲存的驗證資料比較，匹配則驗證成功。然後，剝去AH頭和外部IP頭(隧道模式)。最後，再進行策略檢查。AH處理只負責對資料的完整性檢查，而不實現資料的加密。還要注意PMTU的問題，一般來說，儘量防止對資料包的分段，我們綜合考慮巢狀模式中所能新增的AH頭和ESP頭尾的最大位元組數，保證傳送到IPSec層的原始IP包比相應MTU少於AH頭和ESP頭尾的最大位元組數，這樣就不會導致在IPSec層的分段處理，減少IPSec的功能和負擔。
ESP處理：ESP報頭和報尾的格式和內容見RFC2406。ESP處理和AH處理類似。ESP處理完成AH處理的全部功能，並提供資料加密功能。對於輸出資料包處理，首先根據SPD和SAD進行加密處理(預設加密演算法為3DES，加密金鑰IKE協商生成或人工協商)。對傳輸模式，加密項包括上層協議頭(如TCP頭)，資料內容和ESP尾。對隧道模式，加密項還要包括內部IP頭(IP-in-IP)。然後，才是資料包的驗證。必須注意的是，驗證項不包括ESP頭外面的IP頭。ESP外出資料包處理的最後一步是重新計算位於ESP前面的IP頭的校驗和。其他處理同AH處理。對於輸入資料包處理，處理流程基本同AH。要注意的是，必須先驗證後解密。演算法和金鑰由通訊雙方協商的SA確定。策略檢查完之後，還要重新計算IP校驗和。
3.5 IPSec資料流處理
資料流輸入處理：
1)模組接收一個IP包；
2)如果IP包下一下協議proto=UDP&&port=500，繞過不處理，傳給上層協議；
3)判斷下一個協議proto是否AH或ESP，如果不是，根據其地址查SPD，如果有對應策略則丟棄該包否則繞過；(IPSec只負責IPSec包的處理)
4)查三元組，得said指標；
5)根據said查詢SAD
if SA為空
〔查詢策略；(根據selector，查詢相應的SPD，取SPD中的action)
if統過 不處理；
if丟棄 丟包；
if應用 丟包；
if無策略 不處理〕
if SA期滿 丟包；
if SA狀態異常 丟包；
6)檢查序列號seq，抗重播撿查；
7)根據下一個協議為AH或ESP，分別送交AH/ESP處理模組進行驗證解密，並剝去AH頭或ESP頭和尾；
8)從策略(或SA)中獲知是採用傳輸模式，還是隧道模式；
9)If tunnel mode，移走外部IP頭；
10)對這個處理後的新的IP包進行策略檢查(如果沒有策略則宣告失效)；
11)檢查新的內部IP頭的“nextproto”欄位，如果不是IPSec頭，處理結束、返回。
12)如果IP頭的目的地址不是自己，則轉發。
13)如果仍為IPSec包，轉4)。
資料流輸出處理：
1)模組取出一個IP包；
2)根據selector查詢策略資料庫SPD，根據action判斷是否應用或丟棄，若沒有SPD，則繞過；
3)查詢SPD對應的SA或SA束(真正的目的地址所有的)
if 沒有SA
手工建立；或IKE動態建立；或繞過；
if 有SA
SA生命期、狀態的判斷；
4)將策略，SA和原始IP包送給AH/ESP模組處理(負責根據傳輸模式和通道模式，插入AH頭(ESP頭和尾)和外部IP頭(此時可將外部IP頭源、目的地址設為和內部頭一樣))；
5) if策略中有閘道器應用且到該閘道器有策略；
6)根據策略查詢相應的SA
if 沒有SA
手工建立；或IKE動態建立；或繞過；
if 有SA
SA生命期、狀態的判斷；
7)將策略，SA(束)和處理後的IPSec包送結AH/ESP模組處理。(此時IP頭目的地址為閘道器)；
8)IPSec處理完畢。