转者注：

此篇转载曹世宏先生博文；本人在自己 IPSec 实践应用基础上，对此篇博文内容增加章节编号；在封装协议章节中、删减两张抓包图片。
IPSec 通讯两端是互为 client 、server 的方式，双方对等加密和认证。

1. IPSec 概念简介

什么是IPSec？

IPSec（Internet Protocol Security）是IETF（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议。它并不是一个单独的协议，而是一系列为IP网络提供安全性的协议和服务的集合。

IPSec用来解决IP层安全性问题的技术。IPSec被设计为同时支持IPv4和IPv6网络。

IPSec主要包括安全协议AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload），密钥管理交换协议IKE（Internet Key Exchange）以及用于网络认证及加密的一些算法等。

IPSec主要通过加密与验证等方式，为IP数据包提供安全服务。

IPSec提供的服务：

IPSec通过加密与验证等方式，从以下几个方面保障了用户业务数据在Internet中的安全传输：

数据来源验证：接收方验证发送方身份是否合法。
数据加密：发送方对数据进行加密，以密文的形式在Internet上传送，接收方对接收的加密数据进行解密后处理或直接转发。
数据完整性：接收方对接收的数据进行验证，以判定报文是否被篡改。
抗重放：接收方拒绝旧的或重复的数据包，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。

为什么要实施IPSec?

实施的最大动机是省钱。

2. IPSec 框架

IPSec是一个框架，它不是具体指某个协议，而是定义了一个框架，由各种协议组和协商而成。该框架涉及到的主要有，加密算法、验证算法、封装协议、封装模式、秘钥有效期等等。

转载者注：
个人理解，IPSec 框架属于网络应用的一种解决方案，描述业务流流转规则和细节规定；

2.1 加密：

加密算法分为两类。对称算法和非对称算法。

对称加密算法：

特点：对称秘钥算法：用相同的秘钥进行加减密。

加解密过程：

加密：明文数据 -----共享秘钥加密 --------密文数据

解密：密文数据 -----共享秘钥解密 --------明文数据

对称加密算法优点：

速度快
安全
紧凑

对称加密算法缺点：

明文传输共享秘钥，容易出现中途劫持和窃听的问题。
秘钥数量是以参与者数量平方的速度增长。即指数增长。
因为数量过多，所以管理和存储会有很大问题。
不支持数字签名和不可否认性。

适用做大数据加密。

常见对称算法：

DES，数据加密标准DES（Data Encryption Standard）它使用56位的密钥对一个64位的明文块进行加密。
3DES，3DES（Triple Data Encryption Standard），3DES是一种增强型的DES标准，它在需要保护的数据上使用3次DES，即使用三个不同的56位的DES密钥（共168位密钥）对明文进行加密。
AES, 先进加密标准AES（Advanced Encryption Standard）
AES被设计用来替代3DES，提供更快和更安全的加密功能。AES可以采用三种密钥：AES-128、AES-192和AES-256，其密钥长度分为128位、192位、256位。

随着密钥长度的提升，加密算法的保密及安全性要求越高，但计算速度也越慢。一般情况下128bit就可以充分满足安全需求。

非对称加密算法：

特点：非对称秘钥算法，一对密钥，公钥和私钥。公钥加密，私钥解密。

用私钥加密，公钥解密叫做数字签名。

仅仅只用于密钥交换（加密密钥）和数字签名（加密散列）。

非对称加密算法的优点：

安全
因为不必发送密钥给接受者，所以非对称密钥不必担心密钥被中途截获的问题。
密钥数目和参与者数目一样。
不需要事先在各参与者之间建立关系以交换密钥。
技术支持数字签名和不可否认性。

非对称加密算法的缺点：

非常非常慢。
密文会很长。

适用于小数据加密。

常见非对称加密算法：

RSA， 512/768/1024/2048bit ro lager。
DH，768,、102/1536bit or lager。只适用于虚拟专用网。

转载者注:
数字信封 ----完美解决方案：

加密过程本质上、是对称加非对称算法应用过程：

加密过程：

适用对称密钥加密明文得到密文。

用非对称密钥的私钥加密明文的对称密钥得到密钥包。

解密过程：

适用对方的公钥解密密钥包从而得到明文的对称密钥。

用对称密钥解密密文，得到明文数据。

2.2 验证：

验证算法，也叫HASH算法，散列函数。

目的：

验证数据的完整性

特点:

固定大小
雪崩效应
单向不可逆
冲突避免（SHA-2）

工作原理：

明文数据-----------散列算法（MD5算法）--------算出散列值1（12345）
明文数据+散列值一起发给对端

验证：
明文数据----------同样的散列算法（MD5算法）---------算出散列值2（67890）
如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败

常见的验证算法：

MD5
消息摘要MD5（Message Digest 5），输入任意长度的消息，MD5产生128位的签名。
MD5比SHA更快，但是安全性稍差。
SHA1
安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm）是由NIST开发的。在1994年对原始的HMAC功能进行了修订，被称为SHA1。输入长度小于264bit的消息，SHA1产生160位的消息摘要。

SHA1比MD5要慢，但是更安全。因为它的签名比较长，具有更强大的防攻破功能，并可以更有效的发现共享的密钥。

SHA2
SHA2是SHA1的加强版本，SHA2算法相对于SHA1加密数据长度有所上升，安全性能要远远高于SHA1。SHA2算法包括SHA2-256、SHA2-384和SHA2-512，密钥长度分别为256位、384位和512位。

随着密钥长度的上升，认证算法安全强度更高，但计算速度越慢。一般情况下256位就可以充分满足安全需求。

数字签名的工作过程示意图：

私钥加密，公钥解密------数字签名
实现完整性，源认证不可否认

实现过程：

明文数据---------hash算法（md5）----------hash值（128bit-例如12345）-------私钥加密------------数字签名    数字签名 --------用对方公钥解密------hash值12345明文数据--------hash算法（md5) ---hash值12345
如果散列值1和散列2相同，说明验证成功，如果散列值不相同，说明验证失败

数字签名的应用：

驱动程序签名
PDF签名
IPSec 虚拟专用网数字签名认证。
数字证书采用数字签名。

2.3 封装协议（安全协议）：

IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载ESP（Encapsulating Security Payload）两种安全协议来传输和封装数据，提供认证或加密等安全服务。

2.3.1 AH：

AH是一种基于IP的传输层协议，协议号为51。
只能支持认证，不支持加密。
对整个头部进行认证。

AH工作原理：
其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头。如下所示：

图：AH报文头结构
AH对数据包和认证密钥进行Hash计算，接收方收到带有计算结果的数据包后，执行同样的Hash计算并与原计算结果比较，传输过程中对数据的任何更改将使计算结果无效，这样就提供了数据来源认证和数据完整性校验。AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。
AH报文头字段含义：

字段	长度	含义

下一头部	8比特	标识AH报文头后面的负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）或ESP协议的编号；隧道模式下，是IP协议或ESP协议的编号。注意：当AH与ESP协议同时使用时，AH报文头的下一头部为ESP报文头。
负载长度	8比特	表示以32比特为单位的AH报文头长度减2，缺省为4。
保留字段	16比特	保留将来使用，缺省为0。
SPI	32比特	IPSec安全参数索引，用于唯一标识IPSec安全联盟。
序列号	32比特	是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
认证数据	一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。	该字段包含数据完整性校验值 ICV（Integrity Check Value），用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法有MD5、SHA1、SHA2、SM3。

2.3.2 ESP：

ESP支持加密和认证。

ESP是一种基于IP的传输层协议，协议号为50。其工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护。

ESP报文头字段：

字段	长度	含义
SPI	32比特	IPSec安全参数索引，用于唯一标识IPSec安全联盟。
序列号	32比特	是一个从1开始的单项递增的计数器，唯一地标识每一个数据包，用于防止重放攻击。
负载数据	—	包含由下一头部字段给出的变长数据。
填充字段	—	用于增加ESP报文头的位数。填充字段的长度与负载数据的长度和算法有关。当待加密报文的明文长度不是加密算法所要求的块长度时，需要进行填充补齐。
填充长度	8比特	给出前面填充字段的长度，置0时表示没有填充。
下一头部	8比特	标识ESP报文头后面的下一个负载类型。传输模式下，是被保护的上层协议（TCP或UDP）的编号；隧道模式下，是IP协议的编号。
认证数据	一个变长字段，长度为32比特的整数倍，通常为96比特。	该字段包含数据完整性校验值ICV，用于接收方进行完整性校验。可选择的认证算法与AH的相同。ESP的验证功能是可选的，如果启动了数据包验证，会在加密数据的尾部添加一个ICV数值。

2.4 封装模式

封装模式是指将AH或ESP相关的字段插入到原始IP报文中，以实现对报文的认证和加密，封装模式有传输模式和隧道模式两种。

2.4.1 传输模式：

在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。传输模式不改变报文头。

图：传输模式下报文封装
传输模式下，AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括IP头，因此ESP协议无法保证IP头的安全。ESP的加密部分包括传输层协议头、数据和ESP报尾。
判断方法：

通信点地址和加密点地址相同

通信点地址可以被路由

2.4.2 隧道模式：

在原IP头部之前插入ESP/AH头部，同时生成新的IP头部。

图：隧道模式
隧道模式下，AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括新IP头，因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。

判断方法：

通信点地址和加密点地址不相同
通信点地址到internet能不能被路由，肯定是隧道

2.4.3 传输模式和隧道模式比较：

传输模式和隧道模式的区别在于：
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。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。
从性能来讲，隧道模式因为有一个额外的IP头，所以它将比传输模式占用更多带宽。
当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式。

2.5 秘钥有效期：

默认为86400s，即24小时;在配置文件可修改。

3 IPSec 相关链接

3.1 认证、加密相关

IKEv1协议参考：IKEv1协议详解
IKEv2协议参考：IKEv2协议详解

数字证书PKI原理

3.2 IPSec各种场景配置示例

IPSec各场景配置示例

3.3 IPSec 应用

IPSec 虚拟专用网的NAT穿越技术NAT-T
IPSec 高可靠（高可用）
GRE over IPSec技术原理

原文链接：
https://cshihong.blog.csdn.net/article/details/89423551

延展阅读链接：
https://www.strongswan.org/documentation.html
IPSEC 的IKE协商过程，主模式和野蛮模式

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