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技术点详解!IPSec VPN基本原理

网络技术 Lee 3年前 (2016-11-21) 1404次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

IPSec VPN是目前VPN技术中点击率较高的一种技术,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 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。

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 头部并不会有任何变化,IP 源地址是 192.168.1.2,目的地址是 10.1.1.2。

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 10.1.1.2 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 10.1.1.2,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 6.24.1.2,响应方 IP 地址为 2.17.1.2,那么兴趣流可以是源 6.24.1.2/32、目的是 2.17.1.2/32,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 192.168.1.0/24→10.0.0.0/8,而响应方的兴趣流为 10.0.0.0/8→192.168.0.0/16,那么其交集是 192.168.1.0/24←→10.0.0.0/8,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,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 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 192.168.1.0/24 目的 10.0.0.0/8,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。


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