工业路由器中的IPSec协议

一、概述

IPsec是一种网络安全协议，它通过对数据包进行认证和加密来在网络上提供安全的加密通信。IPsec使用加密安全服务来保护IP网络上的通信。它支持网络级的对端认证、数据源认证、数据完整性、数据保密性（加密）和回放保护。

二、IPsec基本概念

2.1安全关联（SA）

安全关联（Security Associations）提供了执行AH和/或ESP操作所需的算法和数据参数的捆绑。互联网安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）提供了一个认证和密钥交换的框架，实际的认证密钥材料可以通过预共享密钥的手动配置、互联网密钥交换（IKE和IKEv2）、密钥协商互联网（KINK）或IPSECKEY DNS记录提供。

2.2互联网密钥交换协议（IKE）

互联网密钥交换（IKE）是用于在两方之间建立安全、认证的通信渠道的协议。IKE通常使用X.509 PKI证书进行认证，并使用Diffie-Hellman密钥交换协议来设置共享的会话。IKE协议使用UDP数据包，通常在500端口上，通常需要4-6个数据包和2-3次往返来在双方创建SA（安全关联）。然后将协商的密钥材料交给IPsec堆栈。例如，这可能是一个AES密钥，标识要保护的IP端点和端口的信息，以及已创建的IPsec隧道的类型。IPsec堆栈进而在适当的情况下截取相关IP数据包，并根据需要执行加密/解密操作。

2.3加密和认证算法

IPsec是一个基于密码学的服务和安全协议集合，用于保护通过不受信任网络发送流量的设备之间的通信。

2.3.1加密算法

加密算法用于保护数据，使其在传输过程中不被第三方读取。以下是三种主要的加密算法：

1. DES（数据加密标准）— 使用56位长的加密密钥。这是三种算法中最弱的。
2. 3DES（三重DES）— 基于DES的加密算法，使用DES对数据进行三次加密。
3. AES（高级加密标准）— 最强的加密算法。AES加密密钥的长度为128、192或256位。

2.3.2认证算法

认证算法用于验证消息的数据完整性和真实性。以下是三种主要的认证算法：

1. HMAC-MD5：MD5产生128位（16字节）的消息摘要，比SHA1或SHA2更快。
2. HMAC-SHA1：SHA1产生160位（20字节）的消息摘要。虽然比MD5慢，但其更大的摘要大小使其对暴力攻击的防御力更为强大。
3. HMAC-SHA2：SHA2有三种不同消息摘要长度的变体。
4. 1) SHA2-256 — 产生256位（32字节）的消息摘要
5. 2) SHA2-384 — 产生384位（48字节）的消息摘要
6. 3) SHA2-512 — 产生512位（64字节）的消息摘要

SHA2比SHA1或MD5更强。

2.4 IPsec安全协议

2.4.1认证头（AH）

AH协议仅提供认证机制。AH通过使用如HMAC-MD5或HMAC-SHA等算法生成的消息摘要来确保数据完整性，通过使用共享密钥创建消息摘要来确保数据源认证，并通过使用AH头部的序列号字段来提供可选的回放保护服务。AH认证IP头及其有效载荷，但某些可在传输中合法更改的头部字段（如生存时间TTL字段）除外。 认证头（AH）为IP数据报提供无连接的数据完整性和数据源认证，并提供对重放攻击的保护。

2.4.2封装安全有效载荷（ESP）

ESP协议提供数据加密和认证（数据完整性、数据源认证和重放保护）功能。ESP可以单独使用加密或认证，或同时使用加密和认证。当ESP提供认证功能时，它使用与AH相同的算法，但覆盖范围不同。AH风格的认证认证整个IP数据包，包括外部IP头，而ESP的认证机制仅认证IP数据包的报文部分

2.5 IPsec运行模式

2.5.1隧道模式

在隧道模式中，整个IP数据包被加密和认证，然后封装到一个新的IP数据包中，带有新的IP头。隧道模式用于创建虚拟私人网络，用于网络到网络通信（例如，连接站点的路由器之间）、主机到网络通信和主机到主机通信。隧道模式支持NAT穿透。

2.5.2传输模式

在传输模式中，通常只有IP数据包的有效载荷被加密或认证。由于IP头部未被修改或加密，路由保持完整；然而，当使用认证头时，IP地址不能通过网络地址转换进行修改，因为这会使哈希值无效。传输层和应用层始终通过哈希进行保护，因此无法以任何方式修改，例如通过转换端口号。传输模式不支持NAT穿越。与隧道模式相比，传输模式的MSS值更高，因为不需要额外的头部。当使用另一个隧道协议（如GRE、L2TP）首先封装IP数据包时，通常使用传输模式，然后使用IPsec来保护GRE/L2TP隧道数据包。

三、 IPsec的工作原理

建立IPsec隧道有两个阶段，即IKE第一阶段和IKE第二阶段。

3.1 IKE第一阶段

在IKE第一阶段中，首先认证IPsec对端，从而保护对端的身份。然后在两端之间协商互联网密钥交换（IKE）安全关联（SA）政策。这导致双方拥有一个共享的秘密匹配密钥，有助于第二阶段的IKE。此阶段还建立了一个安全隧道，通过该隧道进行第二阶段的信息交换。

此阶段有两种操作模式。

1）主模式

在发起者和接收者之间有三次交换。第一次交换算法和哈希。第二次交换负责使用Diffie-Hellman交换生成共享的秘密密钥。最后一次交换用于验证对方的身份。这三次交换都是双向的。

2）积极模式

此模式中的交换次数较少。所有所需信息被压缩，使其使用速度更快。唯一的问题是，在有安全通道之前就共享了信息，使得此模式容易受到攻击。

3.2 IKE第二阶段

此阶段通过IKE SA协商IPsec SA参数的信息。在这里也分享了IPsec政策，然后建立IPsec SA。此阶段只有一种模式（快速模式）。它交换nonce提供回放保护。这些nonce生成新的共享秘密密钥材料。如果IPsec的寿命到期，可以重新协商新的SA

四、德传工业路由器中的IPSec配置界面