起源

随着Internet的发展，越来越多的企业直接通过Internet进行互联，但由于IP协议未考虑安全性，而且Internet上有大量的不可靠用户和网络设备，所以用户业务数据要穿越这些未知网络，根本无法保证数据的安全性，数据易被伪造、篡改或窃取。因此，迫切需要一种兼容IP协议的通用的网络安全方案。

为了解决上述问题，IPSec（Internet Protocol Security）应运而生。IPSec是对IP的安全性补充，其工作在IP层，为IP网络通信提供透明的安全服务。

定义

IPSec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，包括认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两个安全协议、密钥交换和用于验证及加密的一些算法等。

通过这些协议，在两个设备之间建立一条IPSec隧道。数据通过IPSec隧道进行转发，实现保护数据的安全性。

受益

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。

安全联盟

安全联盟SA（Security Association）是通信对等体间对某些要素的协定，它描述了对等体间如何利用安全服务（例如加密）进行安全的通信。这些要素包括对等体间使用何种安全协议、需要保护的数据流特征、对等体间传输的数据的封装模式、协议采用的加密和验证算法，以及用于数据安全转换、传输的密钥和SA的生存周期等。

IPSec安全传输数据的前提是在IPSec对等体（即运行IPSec协议的两个端点）之间成功建立安全联盟。IPSec安全联盟简称IPSec SA，由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括安全参数索引SPI（Security Parameter Index）、目的IP地址和使用的安全协议号（AH或ESP）。其中，SPI是为唯一标识SA而生成的一个32位比特的数值，它被封装在AH和ESP头中。

IPSec SA是单向的逻辑连接，通常成对建立（Inbound和Outbound）。因此两个IPSec对等体之间的双向通信，最少需要建立一对IPSec SA形成一个安全互通的IPSec隧道，分别对两个方向的数据流进行安全保护，如图1所示。

图1 IPSec安全联盟

另外，IPSec SA的个数还与安全协议相关。如果只使用AH或ESP来保护两个对等体之间的流量，则对等体之间就有两个SA，每个方向上一个。如果对等体同时使用了AH和ESP，那么对等体之间就需要四个SA，每个方向上两个，分别对应AH和ESP。

安全协议

IPSec使用认证头AH（Authentication Header）和封装安全载荷ESP（Encapsulating Security Payload）两种IP传输层协议来提供认证或加密等安全服务。

Efficient VPN仅支持ESP协议。

• AH协议

  AH仅支持认证功能，不支持加密功能。AH在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头，如封装模式所示。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。

• ESP协议

  ESP支持认证和加密功能。ESP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 Trailer和ESP Auth data），如封装模式所示。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，除非IP头被封装在ESP内部（采用隧道模式）。

密钥交换

使用对称密钥进行加密、验证时，如何安全地共享密钥是一个很重要的问题。有两种方法解决这个问题：

• 带外共享密钥

  在发送、接收设备上手工配置静态的加密、验证密钥。双方通过带外共享的方式（例如通过电话或邮件方式）保证密钥一致性。这种方式的缺点是安全性低，可扩展性差，在点到多点组网中配置密钥的工作量成倍增加。另外，为提升网络安全性需要周期性修改密钥，这种方式下也很难实施。

• 使用一个安全的密钥分发协议

  通过IKE协议自动协商密钥。IKE采用DH（Diffie-Hellman）算法在不安全的网络上安全地分发密钥。这种方式配置简单，可扩展性好，特别是在大型动态的网络环境下此优点更加突出。同时，通信双方通过交换密钥交换材料来计算共享的密钥，即使第三方截获了双方用于计算密钥的所有交换数据，也无法计算出真正的密钥，这样极大地提高了安全性。

IKE协议

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。