四、IPSec NAT穿越

IPSec NAT穿越

1、IPSec NAT穿越
2、IPSec穿越NAT的处理
3、IKEv2与NAT穿越
- 3.1、NAT-T能力检测
- 3.2、NAT网关发现
- 3.3、NAT穿越的启用
- 3.4、NAT-keepalive
4、IPSec NAT穿越示例（网关之间存在NAT设备）
5、IPSec NAT穿越示例（两侧存在NAT设备）

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1、IPSec NAT穿越

NAT技术主要用于解决IPv4地址紧缺问题，在目前网络中NAT应用非常广泛，特别是在企业网出口网关大都使用了NAT技术解决公网地址不足的问题。IPSec提供了端到端的IP通信的安全性，可以实现同一企业集团不同地域分支之间的低成本安全互连。但是IPSec和NAT技术本身存在不兼容的问题。

1、NAT为了完成地址转换，会修改IP报文头的IP地址。

2、IPsec要保证数据的安全，因为会加密数据和校验数据，AH验证范围包含了IP报文头，而NAT修改IP报文头会导致AH检查失败。因此使用AH保护的IPSec隧道是不能穿越NAT网关的。

3、ESP协议保护的部分不包含IP报文头（对隧道方式而言是外层IP报文头）

还有个不兼容的问题，当NAT改变了某个包IP地址和端口，通常更新TCP和UDP校验和，当TCP或UDP校验使用了ESP来加密，就无法更新校验和。导致失败。

1、ESP封装传输模式：TCP和UDP报文头使用ESP加密，从而无法更改校验和，由于IP地址或端口号已经被NAT更改，目的地的校验和检验就会失败，导致ESP封装的传输模式无法与NAT并存。

2、ESP封装隧道模式：将整个原始IP包进行加密，且在ESP头外面新增加了一层IP头部，所以NAT如果只改变最前面的IP地址对后面受到保护的部分是不受影响的。因此，IPSec采用ESP的隧道模式来封装数据可以和NAT共存。

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2、IPSec穿越NAT的处理

IPSec穿越NAT的流程：

NAT穿越（简称NAT-T）：建立IPSec隧道的两端需要进行NAT穿越能力协商，这是在IKE协商的前两个消息中进行的，通过Vendor ID载荷指明的一组数据来标识。

NAT网关发现：通过NAT-D载荷来实现的，在IKE peer之间发现NAT网关的存在以及确定NAT设备在Peer的哪一侧，NAT侧的Peer作为发起者，定期发送NAT-Keepalive报文，使NAT网关确保安全隧道处于激活状态。

ESP报文正常穿越NAT网关：IPSec穿越NAT，简单来说就是在原报文的IP头和ESP头间增加一个UDP报文头，这样ESP报文穿越NAT网关时，NAT对该报文的外层IP和增加的UDP报文头进行地址和端口的转换。

转换后到达对端，与普通IPsec处理方式相同，但在发送响应报文时也要在IP头和ESP头之间增加一个UPD报文头。

在这里插入图片描述

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3、IKEv2与NAT穿越

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3.1、NAT-T能力检测

NAT-T能力检测在IKE协商的前两个消息中交换完成，通过在消息中插入一个标识NAT-T能力的Vendor ID载荷来告诉对方自己对该能力的支持。如果双方都在各自的消息中包含了该载荷，说明双方对NAT-T都是支持的。只有双方同时支持NAT-T能力，才能继续进行其他协商。

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3.2、NAT网关发现

当存在NAT设备时必须使用UDP传输，所以在IKEv2中的第一阶段协商中必须先探测是否存在NAT设备，也就是NAT探测。通过发送NAT-D载荷来实现NAT探测是目前比较流行的方法。

探测通信链路中是否存在NAT设备，在协商双方增加两个Notify载荷，一个包括NAT_DETECTION_SOURCE_IP，标识发起方的IP地址；一个包括NAT_DETECTION_DESTINATION_IP，标识目的方的IP地址。这两个载荷主要是为了探测通信双方是否存在NAT设备，并且确定哪一方处在NAT设备之后。

在IKEv2中，NAT_DETECTION_SOURCE_IP和NAT_DETECTION_DESTINATION_IP在Notify消息类型中的编号分别为：16388和16389。载荷使用通用的ISAKMP载荷头，载荷的值是SPIs、IP地址、发送数据包的端口号的hash值。

SPIs为HDR载荷中的安全索引参数。
IP为数据包发出方或接收方的IP地址。
Port为数据包发出方或接收方的端口号。

当接受方收到数据包后，对数据包中的SPIs、IP地址、端口号进行hash运算，并与Notify载荷进行比较，如果不匹配，则说明通信链路中存在NAT设备：如果与NAT_DETECTION_SOURCE_IP不匹配，则说明发起端在NAT设备之后；如果与NAT_DETECTION_DESTINATION_IP不匹配，则说明接受端在NAT设备之后。

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3.3、NAT穿越的启用

在第一阶段协商完成之后，协商双方均已经明确是否存在NAT，以及NAT的位置。至于是否启用NAT穿越，则由快速模式协商决定。

NAT穿越的启用协商在快速模式的SA载荷中进行。传输模式下，协商双方可向对端发送IPSec报文的原始地址，从而使对端有可能在NAT转换之后，对TCP/IP进行校验和修正。

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3.4、NAT-keepalive

在NAT网关上NAT会话有一定的存活时间，因此，隧道建立后如果中间长时间没有报文穿越，就会导致NAT会话被删除，这样将导致无法通过隧道传输数据。解决方法是在NAT会话超时前，发送一个NAT-keepalive给对端，维持NAT会话的存活。

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4、IPSec NAT穿越示例（网关之间存在NAT设备）

总部属于192.168.100.0/24子网，通过接口G1/0/1与FW2连接。
分支机构属于192.168.1.0/24子网，通过接口G1/0/1与FW1链接。
FW1和FW2路由可达。
AR2为NAT网关，分支用户必须经过NAT网关才能访问总部。

在这里插入图片描述

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配置接口，网络互通

FW1：

firewall zone trust 
add int g1/0/1
firewall zone untrust 
add int g1/0/0                             

security-policy
default action permit  

int g1/0/0
ip add 1.1.1.1 30
int g1/0/1
ip add 192.168.1.254 24

ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 1.1.1.2

FW2：

firewall zone trust 
add int g1/0/1
service-manage ping permit
firewall zone untrust 
add int g1/0/0    
service-manage ping permit                         

security-policy
default action permit  

int g1/0/0
ip add 2.1.1.2 30
service-manage ping permit
int g1/0/1
ip add 192.168.100.254 24
service-manage ping permit

ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 2.1.1.2

AR2：

int g0/0/0
ip add 1.1.1.2 30
int g0/0/1
ip add 3.1.1.1 30

ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 3.1.1.2
ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 1.1.1.1

acl number 3000  
 rule 5 permit ip source 192.168.1.0 0.0.0.255
 rule 10 permit ip source 1.1.1.0 0.0.0.3
interface GigabitEthernet0/0/1
 nat outbound 3000

AR1：

interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 3.1.1.2 255.255.255.252 
interface GigabitEthernet0/0/1
 ip address 2.1.1.2 255.255.255.252 

ip route-static 1.1.1.0 255.255.255.252 3.1.1.1
ip route-static 192.168.100.0 255.255.255.0 2.1.1.1

PC1-PC2已经经过转换了。

在这里插入图片描述
FW1-FW2之间也是通的。

在这里插入图片描述

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创建ACL，定义由子网192.168.1.0/24去子网192.168.100.0/24的数据流

FW1：
acl number 3100
rule permit ip source 192.168.1.0 0.0.0.255 destination 192.168.100.0 0.0.0.255

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创建IPSec安全提议

FW1：
ipsec proposal Sec                                                                                                 
esp au sha2-256                                                                                 
esp en aes-128 

FW2：
ipsec proposal Sec                                                                                                 
esp au sha2-256                                                                                 
esp en aes-128

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创建IKE安全提议及IKE对等体

FW1：
ike local-name fw1             **配置IKE协商时的名称类型ID**

ike proposal 5                 **配置IKE安全提议**
en aes-128 
au sha2-256 
dh group14  

ike peer fw1                    **配置IKE对等体**
undo version 2
exchange-mode aggressive
ike-proposal 5
pre-shared-key huawei@123 
local-id-type fqdn 
remote-address 2.1.1.1 
nat traversal

FW2：
ike local-name fw2             **配置IKE协商时的名称类型ID**

ike proposal 5                 **配置IKE安全提议**
en aes-128 
au sha2-256 
dh group14  

ike peer fw2                    **配置IKE对等体**
undo version 2
exchange-mode aggressive
ike-proposal 5
pre-shared-key huawei@123 
local-id-type fqdn 
nat traversal

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创建安全策略

FW1：                          **IKE动态协商方式安全策略**
ipsec policy ipvpn 10 isakmp
security acl 3100
ike-peer fw1
proposal Sec

FW2：                          **策略模板方式配置IKE动态协商方式安全策略**
ipsec policy-template temp1 10
ike-peer fw2
proposal Sec

ipsec policy ipvpn 10 isakmp  template temp1

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应用接口

FW1：
int g1/0/0 
ipsec policy ipvpn

FW2：    
int g1/0/0 
ipsec policy ipvpn

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检查结果

在PC1上仍然可以Ping通PC2，执行dis ipsec stat，查看数据包统计信息。

在这里插入图片描述

其他用户经过NAT是不受影响的，IPSec隧道建立成功后，PC1访问PC2直接穿透NAT。

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在IKEv1中的野蛮模式下，只有3个包。

在IKEv1协商：
相比主模式，减少了交换信息的数目，效率高，但是最大的问题是没有对身份信息进行加密保护，不安全。华为不推荐使用野蛮模式。

野蛮模式可以满足特定的网络环境需求：
1、当ipsec隧道中存在nat设备时，需要启用nat穿越功能，而NAT转换会改变对等体的ip地址，由于野蛮模式不依赖ip地址标识身份，使得采用预共享密钥验证方法时，nat穿越只能在野蛮模式中实现。主模式需要开启nat-t功能适应这种环境。
2、如果发起方的ip地址不固定或者无法预先知道，比如pppoe。而双方都希望采用预共享密钥验证方法来创建ike sa，则只能采用野蛮模式。除了野蛮模式，对于这一种场景，还可以使用模板方式。
3、如果发起方已知响应方的策略，或者对响应者的策略有全面的了解，采用野蛮模式能够更快创建ike sa。

更改为主模式后，ISAKMP协商交换的包6个。

在这里插入图片描述

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1、开启V1 NAT穿越时，协商第一阶段的前两个消息会发送标识 NAT 穿越（NAT Traversal，简称 NAT-T）能力的 Vendor ID 载荷（主模式和野蛮模式都是）。用于检查通信双方是否支持 NAT-T。当双方都在各自的消息中包含了该载荷时，才会进行相关的 NAT-T 协商。

在这里插入图片描述

2、主模式的消息3和4中，野蛮模式的2和3中发送NAT-D（NAT Discovery）载荷，用于探测两个要建立 IPSec 隧道的网关之间是否存在 NAT 网关以及 NAT网关的位置。进行HASH计算，是否一致，一致不存在NAT设备，不一致存在NAT设备。

FW1发送方：HASH值

在这里插入图片描述

第一个NAT-D载荷包含IKE对等体的IP地址和端口的Hash值，第二个NAT-D载荷包含本端的IP地址和端口的Hash值，接收方也计算这两个Hash值。两方计算的哪个Hash值不相等，表明哪个设备在NAT网关后面。

FW2接收方：HASH值（这个截图是在FW1上看的回包，所以下图结果是反的其实）

所以是FW1本段HASH值变化了。所以FW1在NAT网关后面。

在这里插入图片描述

3、发现 NAT 网关后，后续 ISAKMP 消息（主模式从消息 5、野蛮模式从消息 3 开始）的端口号转换为 4500。ISAKMP 报文标识了“Non-ESP Marker”。

当前UDP封装的是ISAKMP消息，此处增加了一个non-ESP marker（为4个值为0的字节），以示跟封装ESP报文有区别。
在这里插入图片描述

4、IKEv1阶段2的SA协商时，需确认是否使用NAT穿越以及NAT穿越的封装模式：UDP-Encapsulated-tunnel和UDP-Encapsulated-transport。确认后，后续传输的ESP报文将都采用UDP封装，UDP封装ESP报文时，没有non-ESP marker字段。

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使用IKEv2协商

在这里插入图片描述
KEv2的NAT穿越场景中，IKE协商的发起方和响应方在IKE_SA_INIT交换中增加两个N载荷，一个消息类型为NAT_DETECTION_SOURCE_IP，标识发起方的IP地址；另一个消息类型为NAT_DETECTION_DESTINATION_IP，标识响应方的IP地址。