因特网密钥交换IKE（Internet Key Exchange）协议建立在Internet安全联盟和密钥管理协议ISAKMP定义的框架上，是基于UDP（User Datagram Protocol）的应用层协议。它为IPSec提供了自动协商密钥、建立IPSec安全联盟的服务，能够简化IPSec的配置和维护工作。

IKE与IPSec的关系如下图所示，对等体之间建立一个IKE SA完成身份验证和密钥信息交换后，在IKE SA的保护下，根据配置的AH/ESP安全协议等参数协商出一对IPSec SA。此后，对等体间的数据将在IPSec隧道中加密传输。

IKE安全机制

IKE具有一套自保护机制，可以在网络上安全地认证身份、分发密钥、建立IPSec SA。

身份认证

身份认证确认通信双方的身份（对等体的IP地址或名称），包括预共享密钥PSK（pre-shared key）认证、数字证书RSA（rsa-signature）认证和数字信封认证。

预共享密钥

在预共享密钥认证中，通信双方采用共享的密钥对报文进行Hash计算，判断双方的计算结果是否相同。如果相同，则认证通过；否则认证失败。

当有1个对等体对应多个对等体时，需要为每个对等体配置预共享的密钥。该方法在小型网络中容易建立，但安全性较低。

数字证书认证

在数字证书认证中，通信双方使用CA证书进行数字证书合法性验证，双方各有自己的公钥（网络上传输）和私钥（自己持有）。发送方对原始报文进行Hash计算，并用自己的私钥对报文计算结果进行加密，生成数字签名。接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，并对报文进行Hash计算，判断计算结果与解密后的结果是否相同。如果相同，则认证通过；否则认证失败。

使用数字证书安全性高，但需要CA来颁发数字证书，适合在大型网络中使用。

数字签名认证

在数字信封认证中，发送方首先随机产生一个对称密钥，使用接收方的公钥对此对称密钥进行加密（被公钥加密的对称密钥称为数字信封），发送方用对称密钥加密报文，同时用自己的私钥生成数字签名。接收方用自己的私钥解密数字信封得到对称密钥，再用对称密钥解密报文，同时根据发送方的公钥对数字签名进行解密，验证发送方的数字签名是否正确。如果正确，则认证通过；否则认证失败。

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。

DH（Diffie-Hellman）密钥交换算法

DH是一种公共密钥交换方法，它用于产生密钥材料，并通过ISAKMP消息在发送和接收设备之间进行密钥材料交换。然后，两端设备各自计算出完全相同的对称密钥。该对称密钥用于计算加密和验证的密钥。在任何时候，通信双方都不交换真正的密钥。DH密钥交换是IKE的精髓所在。

完善的前向安全性PFS

完善的前向安全性PFS（Perfect Forward Secrecy）通过执行一次额外的DH交换，确保即使IKE SA中使用的密钥被泄露，IPSec SA中使用的密钥也不会受到损害。

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。IPSecSA的密钥是从IKE SA的密钥导出的，由于一个IKE SA协商生成一对或多对IPSecSA，当IKE的密钥被窃取后，攻击者将可能收集到足够的信息来导出IPSec SA的密钥，PFS通过执行一次额外的DH交换，保证IPSecSA密钥的安全。

IKE版本

IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本。IKEv2与IKEv1相比有以下优点：

简化了安全联盟的协商过程，提高了协商效率。
修复了多处公认的密码学方面的安全漏洞，提高了安全性能。
加入对EAP（Extensible Authentication Protocol）身份认证方式的支持，提高了认证方式的灵活性和可扩展性。

下面对IKEv1和IKEv2协商安全联盟的过程进行介绍

IKEv1协商安全联盟的过程

采用IKEv1协商安全联盟主要分为两个阶段：第一阶段，通信双方协商和建立IKE协议本身使用的安全通道，即建立一个IKE SA；第二阶段，利用第一阶段已通过认证和安全保护的安全通道，建立一对用于数据安全传输的IPSec安全联盟。

IKEv1协商阶段1

IKEv1协商阶段1的目的是建立IKE SA。IKE SA建立后对等体间的所有ISAKMP消息都将通过加密和验证，这条安全通道可以保证IKEv1第二阶段的协商能够安全进行。

IKEv1协商阶段1支持两种协商模式：主模式（Main Mode）和野蛮模式（Aggressive Mode）。

主模式包含三次双向交换，用到了六条ISAKMP信息，协商过程如上图所示。这三次交换分别是：

消息①和②用于提议交换
发起方发送一个或多个IKE安全提议，响应方查找最先匹配的IKE安全提议，并将这个IKE安全提议回应给发起方。匹配的原则为协商双方具有相同的加密算法、认证算法、认证方法和Diffie-Hellman组标识。如果没有匹配的安全提议，响应方将拒绝发起方的安全提议。
消息③和④用于密钥信息交换
双方交换Diffie-Hellman公共值和nonce值，用于IKE SA的认证和加密密钥在这个阶段产生。

使用DH算法交换与密钥相关的信息，并生成密钥。由获得的密钥信息推导出4个密钥。其中SKEYID为基础密钥，通过它可以推导出SKEYID_a，为ISAKMP消息完整性验证密钥；可以推导出SKEYID_e，为ISAKMP消息加密密钥；可以推导出SKEYID_d，用于衍生出IPSec报文加密、验证密钥。
消息⑤和⑥用于身份和认证信息交换（双方使用生成的密钥发送信息），双方进行身份认证和对整个主模式交换内容的认证。
两个对等体通过两条ISAKMP消息（5、6）交换身份信息（预共享密钥方式下为IP地址或名称，数字证书方式下还需要传输证书的内容），身份信息通过SKEYID_e加密，故可以保证身份信息的安全性。
两个对等体使用IKE安全提议中定义的加密算法、验证算法、身份验证方法和SKEYID_a、SKEYID_e对IKE消息进行加解密和验证。

野蛮模式只用到三条信息，协商过程如上图所示：

发起方发送ISAKMP消息，携带建立IKE SA所使用的参数、与密钥生成相关的信息和身份验证信息。
响应方对收到的第一个数据包进行确认，查找并返回匹配的参数、密钥生成信息和身份验证信息。
发起方回应验证结果，并建立IKE SA。

与主模式相比，野蛮模式减少了交换信息的数目，提高了协商的速度，但是没有对身份信息进行加密保护。

IKEv1协商阶段2

IKEv1协商阶段2的目的就是建立用来安全传输数据的IPSec SA，并为数据传输衍生出密钥。这一阶段采用快速模式（Quick Mode）。该模式使用IKEv1协商阶段1中生成的密钥对ISAKMP消息的完整性和身份进行验证，并对ISAKMP消息进行加密，故保证了交换的安全性。IKEv1协商阶段2的协商过程如下图所示。

IKEv1协商阶段2通过三条ISAKMP消息完成双方IPSec SA的建立：

协商发起方发送本端的安全参数和身份认证信息。
说明：
安全参数包括被保护的数据流、安全协议、加密算法和认证算法等需要协商的参数。
身份认证信息包括第一阶段计算出的密钥和第二阶段产生的密钥材料等，可以再次认证对等体。
协商响应方发送确认的安全参数和身份认证信息并生成新的密钥。
说明：
IPSec SA数据传输需要的加密、验证密钥由第一阶段产生的密钥、SPI、协议等参数衍生得出，以保证每个IPSec SA都有自己独一无二的密钥。
如果启用PFS，则需要再次应用DH算法计算出一个共享密钥，然后参与上述计算，因此在参数协商时要为PFS协商DH密钥组。
发送方发送确认信息，确认与响应方可以通信，协商结束。

IKEv2协商安全联盟的过程

采用IKEv2协商安全联盟比IKEv1协商过程要简化的多。IKEv2定义了三种交换类型：初始交换（Initial Exchanges）、创建子SA交换（Create_Child_SA Exchange）以及通知交换（Informational Exchange）。IKEv2通过初始交换就可以完成一个IKE SA和第一对IPSecSA的协商建立。如果要求建立的IPSec SA大于一对时，每一对SA值只需要额外增加一次创建子SA交换（IKEv1仍然需要经历两个阶段）。

初始交换

正常情况下，IKEv2通过初始交换就可以完成第一对IPSec SA的协商建立。IKEv2初始交换对应IKEv1的第一阶段，初始交换包含两次交换四条消息，如下图所示。

消息①和②属于第一次交换（称为IKE_SA_INIT交换），以明文方式完成IKE SA的参数协商，包括协商加密和验证算法，交换临时随机数和DH交换。IKE_SA_INIT交换后生成一个共享密钥材料，通过这个共享密钥材料可以衍生出IPSec SA的所有密钥。

消息③和④属于第二次交换（称为IKE_AUTH交换），以加密方式完成身份认证、对前两条信息的认证和IPSec SA的参数协商。

创建子SA交换

当一个IKE SA需要创建多对IPSec SA时，需要使用创建子SA交换来协商多于一对的IPSec SA。另外，创建子SA交换还可以用于IKE SA的重协商。

创建子SA交换包含一个交换两条消息，对应IKEv1协商阶段2，交换的发起者可以是初始交换的协商发起方，也可以是初始交换的协商响应方。创建子SA交换必须在初始交换完成后进行，交换消息由初始交换协商的密钥进行保护。

如果启用PFS，创建子SA交换需要额外进行一次DH交换，生成新的密钥材料。生成密钥材料后，子SA的所有密钥都从这个密钥材料衍生出来。

通知交换

运行IKE协商的两端有时会传递一些控制信息，例如错误信息或者通告信息，这些信息在IKEv2中是通过通知交换完成的，如下图所示。

通知交换必须在IKE SA保护下进行，也就是说通知交换只能发生在初始交换之后。控制信息可能是IKE SA的，那么通知交换必须由该IKE SA来保护进行；也可能是某子SA的，那么该通知交换必须由生成该子SA的IKE SA来保护进行。

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