因特網協議安全IPSecIETF定義一種***標準的安全框架結構，通信雙方在IP層通過加密、完整性校驗、數據源認證等方式，可以用來保證IP數據報文在網絡上傳輸的機密性、完整性和防重放；目前IPSec最主要的應用是構造虛擬專用網（VPN）；企業***分支機構可以通過使用IPSecVPN建立安全傳輸通道，接入到企業總部網絡。

--私密性：指對數據進行加密保護，用密文的形式傳送數據。

--完整性：指對接收的數據進行散列計算，以判定報文是否被篡改。

--防重放：指防止惡意用戶通過重復發送捕獲到的數據包所進行的攻擊，即接收方會拒絕舊的或重復的數據包。

--防抵賴：指基于簽名及簽名驗證，可以判斷數據的發送方是真實存在的用戶。

VPN技術的分類：

1、Peer-to-PeerVPN：例如MPLS-VPN，大部分配置在運營商的PE（ProviderEdge）路由器上做，在內網CE（CustomerEdge）路由器上做少量配置即可;此種是運營商提供的VPN解決方案，需要向運營商申請，費用較高。

2、OverlayVPN：例如GRE-VPN和IPsec-VPN；GRE-VPN可以支持任何路由選擇協議和任意類型的數據流量；IPsec-VPN只能支持IPv4、路由器兩端的參數需要完全匹配且只能支持單播流量；目前在兩者基礎上還有一種GREoverIPSecVPN，數據先通過GRE封裝再通過IPSec進行封裝，既保證了數據的兼容性又能保障了數據的安全性，是目前比較完善的VPN解決方案。

3、IPsec-VPN可分為Site-to-SiteVPN和Remote-AccessVPN。

--Site-to-SiteVPN；一般部署在兩個辦公場點的邊界路由器上。

--Remote-AccessVPN/撥號VPN；一般用于實現單個PC和公司內網之間的通信；需要結合客戶端軟件使用（easy-vpn）。

?散列算法：散列函數HASH哈希計算，進行數據幀的完整性校驗

計算***一：CRC（32bit）循環冗余校驗（Layer2的FCS校驗）

計算***二：MD5（128bit）SHA-1（160bit）SHA-2（256bit）

計算***三：HMAC散列信息驗證碼，原始數據+散列算法+（密鑰/簽名）

HASH的特點：1.不定長輸入，定長輸出2.雪崩效應3.計算不可逆

HMAC（HASHMessageAuthenticationCode）：散列信息認證碼，用于保證流量的完整性，基于DATA和KEY進行計算；一般的HASH算法只針對DATA進行計算

MD5輸出為128位，SHA-1的輸出為160位，SHA-2輸出為256位，但是IPSec只能攜帶前96位，存在著很大的漏洞。

?加密算法：對稱加密、非對稱加密、數字簽名和DH算法

1、對稱加密：使用一把相同的密鑰對數據進行加密和解密；加密速度快，報文緊湊，可以用于大流量數據的加密；如DES、3DES、AES（256bit以上）；

2.1、非對稱加密：使用一對密鑰對數據進行加密和解密，使用公鑰對數據集進行加密，使用私鑰對數據進行解密；加密速度慢，密文不緊湊，通常只用于數據簽名或加密一些小文件；如RSA、ECC（1024bit以上）；

2.2、數字簽名：私鑰加密，公鑰解密；先對完整數據數據做HMAC計算，再使用私鑰進行加密，用于防數據篡改和用戶身份認證；

3、DH算法：不用交互密鑰本身，通過交互密鑰的材料，生成一把相同的密鑰；還可以周期性生成新的密鑰并自動更換密鑰。

IPSec架構：

IPSec體系結構主要由IKE/SA、AH和ESP協議套件組成。

?IKE協議：包含三個協議的主要功能，用來完成第一階段的自動協商加密算法、散列算法和設備身份認證；包含協商參數；產生KEY、交換KEY、更新KEY；對雙方進行身份認證；對密鑰進行管理；組成協議如下：

1.ISAKMP；定義了信息交換的體系結構/格式；基于UDP，源目端口都是500

2.SKEME；實現公鑰加密認證的機制

3.Oakley；提供在兩個IPsec對等體間達成相同加密密鑰的基于模式的機制

?安全聯盟SA：指的一組對等體之間用來保護流量手段的***，定義了IPSec通信對等體間使用的數據封裝模式、認證和加密算法、密鑰等參數；SA是單向的，兩個對等體之間的雙向通信至少需要兩個SA，如果兩個對等體希望同時使用AH和ESP安全協議來進行通信，則對等體針對每一種安全協議都需要協商一對SA。SA由一個三元組來唯一標識，包括安全參數索引SPI、目的IP地址、安全協議。

?IKE動態協商方式：只需要通信對等體間配置好IKE協商參數，由IKE自動協商來創建和維護SA，動態協商方式建立安全聯盟相對簡單些；對于中、大型的動態網絡環境中，推薦使用IKE協商建立SA。

?AH協議：認證報頭，協議號51；用來完成第二階段提供的功能是數據源驗證、數據完整性校驗和防報文重放功能；AH可以對整個數據包做認證然而AH并不加密所保護的數據。

?ESP協議：安全封裝載荷，協議號50；用來完成第二階段提供的功能是數據源驗證、數據完整性校驗和防報文重放功能；能提供AH的所有功能外，還可提供對數據的加密功能。

IPsec工作過程：

?第一階段：協商如何保護流量，協商加密算法、散列算法，使用哪個DH組、協商SA生存周期、協商設備認證方式；通過DH算法交互密鑰，密鑰供加密算法使用保護連接，此時形成一條雙向SA；為了確保兩個設備之間避免出現偽裝者，在做IPsec的時候需要進行設備認證。

-預共享密鑰（實驗室環境中使用，不夠安全）

-RSA加密的隨機數（使用很少）

-RSA數字證書/簽名（CA頒發的證書，使用范圍較廣）

第一階段協商的具體內容：

1、協商對等體之間采用何種方式做認證；預共享密鑰/RSA加密的隨機數/證書

2、協商雙方使用何種加密算法；AES/RSA/ECC

3、協商雙方使用何種散列算法；HMAC/MD5/SHA

4、協商雙方使用何種DH密鑰組

5、協商雙方使用何種模式；主模式/野蠻模式

6、協商SA的生存周期

第一階段有兩種工作模式：主模式和野蠻模式；

主模式：在三次交換中總共用到了六條消息，最終建立了SA；

主模式的好處：設備驗證的步驟發生在安全的管理連接中，因為這個連接是在前兩個步驟中構建的，因此，兩個對等體需要發送給對方的任何實體信息都可以免受攻擊；Site-to-SiteVPN默認使用主模式。

野蠻模式（積極模式）：對于兩端IP地址不是固定的情況（如ADSL撥號上網），并且雙方都希望采用預共享密鑰驗證***來創建IKESA，就需要采用野蠻模式。另外如果發起者已知回應者的策略，采用野蠻模式也能夠更快地創建IKESA。

注：使用Remote-AccessVPN時就一定要用野蠻模式來協商，如果用主模式的話，就會出現根據源IP地址找不到預共享密鑰的情況，以至于不能生成SKEY_ID。

兩種模式的區別：

1、野蠻模式協商比主模式協商更快。主模式需要交互6個消息，野蠻模式只需要交互3個消息。

2、主模式協商比野蠻模式協商更嚴謹、更安全。主模式在5、6個消息中對ID信息進行了加密。野蠻模式由于受到交換次數的限制，ID信息在1、2個消息中以明文的方式發送給對端。即主模式對對端身份進行了保護，而野蠻模式則沒有。

3、對NAT/PAT的支持：

①對預共享密鑰認證：主模式不支持NAT轉換，而野蠻模式支持。

②對于證書方式認證：兩種模式都能支持。

4、兩種模式在確定預共享密鑰的方式不同；主模式只能基于IP地址來確定預共享密鑰；而野蠻'模式是基于ID信息（主機名和IP地址）來確定預共享密鑰。

注：在按需鏈路中，可以啟用IKEKeepalive特性，路由器會周期性10秒/次發送IKEKeepalive報文，用于檢測路徑的實時連通性；在單向啟用即可。

?第二階段：協商使用哪一款安全協議加密數據（ESP或AH）、保護流量；使用ESP/AH的時候，選擇哪一種加密算法和散列算法、協商是否需要再次進行DH算法生成新的密鑰（PFS）、SA周期和IPSec封裝模式；協商完畢形成兩條單向SA。

第二階段協商的具體內容：

1、協商雙方使用何種封裝模式；隧道模式/傳輸模式

2、協商雙方使用何種加密算法；AES/RSA/ECC

3、協商雙方使用何種散列算法；HMAC/MD5/SHA

4、協商雙方使用何種DH密鑰組

5、協商雙方使用的密鑰更新周期

第二階段只有一種工作模式：快速模式；它定義了受保護數據連接是如何在兩個IPsec對等體之間構成的；快速模式有兩個主要的功能：

1.協商安全參數來保護數據連接。

2.周期性的對數據連接更新密鑰信息.

快速模式需要交換3個報文，這些消息都是使用IKE進行保護，這意味著將使用IKEphase1中導出來的SKEYIDe和SKEYIDa對所有分組進行加密和驗證。

注：針對Remote-AccessVPN；思科還使用了一個1.5階段，包含擴展認證Xauth和Modeconfig兩種模式。

在這個階段，如果啟用了DPD特性，路由器會周期性發送DPD報文，用于檢測路徑的實時連通性；需要在雙向啟用。

IPSec封裝模式：傳輸模式，適用于同一個園區網內的兩臺主機之間的安全連接

1、在IP報頭和上層協議之間插入AH或ESP報頭；對上層協議數據提供保護。

--在IP頭部之后插入AH頭，會對整個IP數據包進行完整性校驗。

--在IP頭部之后插入ESP頭，在數據字段后插入尾部以及認證字段；只對IP數據包中的ESP報頭，上層數據和ESP尾部進行完整性校驗。

2、傳輸模式中的AH+ESP：在IP頭部之后插入AH和ESP頭，在數據字段后插入尾部以及認證字段（可選的）；對高層數據和ESP尾部進行加密，對整個IP數據包進行完整性校驗。

3、在GREoverIPSec環境中必須使用傳輸模式，數據封裝格式為：

Ethernet2|IPV4（新）|ESP|GRE|IPv4|TCP|HTTP|FCS

IPSec封裝模式：隧道模式，適用于跨園區網的兩臺邊界路由器間建立安全連接

1、AH或ESP頭封裝在原始IP報文頭之前，并另外生成一個新的IP報頭封裝到AH或ESP之前；隧道模式可以完全地對原始IP數據報進行認證和加密，而且可以使用新的IP報頭來隱藏內網主機的私有IP地址。

--在IP頭部之后插入AH頭，會對整個IP數據包進行完整性校驗。

--在IP頭部之后插入ESP頭，在數據字段后插入尾部以及認證字段（可選的）；只對IP數據包中的ESP報頭，上層數據和ESP尾部進行完整性校驗。

2、隧道模式中的AH+ESP：對整個原始IP報文和ESP尾部進行加密，對除新IP頭之外的整個IP數據包進行完整性校驗。

注：ESP散列封裝的是數據載荷，對新封裝的IP報頭不會保護，這種在NAT環境中不會影響正常使用，但是在PAT環境中因為四層接口被保護，就無法實現PAT端口轉換；為了支持PAT，需要開啟NAT穿越功能（IPSecNAT-T），在IPSec封裝報文中添加UDP字段，默認端口號為4500，PAT路由器通過記錄端口號來放行對應流量；封裝格式：Ethernet2|IPV4（新）|UDP|ESP|GRE|IPv4|TCP|HTTP|FCS

通過ESP和AH做散列計算時是不包含三層報頭中TTL和校驗和字段；AH散列保護的是整個數據包，所以是不支持NAT和PAT。

推薦書籍：思科VPN完全配置手冊

普通的IPsec-VPN主要適用于不同廠家VPN之間的對接，兼容性非常好，思科路由器和ASA可以和大部分非思科廠家的VPN設備進行IPsec-VPN對接。然而這種普通的IPsec-VPN并不適用于復雜的網絡環境，主要存在如下問題：

1、由于沒有虛擬隧道接口，不支持通過運行動態路由協議來實現路由互通；

2、由于沒有虛擬隧道tunnel接口，不能對通信點之間的明文流量進行控制和監測（如ACL、QOS、NAT、Netflow等）；

3、配置復雜，每增加一個站點或網段，都要增加許多感興趣流，排錯復雜。

為了解決IPsec-VPN存在的問題，思科提供的解決方案是GREoverIPsec

?GREOverIPsec技術；通過GRE來建立虛擬隧道（tunnel口），運行動態路由協議來學習路由；通過在tunnel接口上配置ACL、QOS等技術來控制數據流，通過IPsec技術將GRE隧道中的數據進行保護。

首先在兩個站點之間，使用GRE在兩臺路由器之間建立了一條隧道（tunnel口），GRE隧道的作用就是虛擬地把兩個站點連接在一起，就像是拉了一根專線一樣把站點A和站點B連接起來，中間沒有其他設備；這樣就可以在這根"線"兩端的兩個接口上配置IP地址，并且運行動態路由選擇協議，使得兩臺路由器分別學習到對方身后網絡的路由；然后在tunnel接口進行數據控制和采集，由于站點A和B分別使用的是兩個站點的公網IP地址，即不管GRE封裝之前的原始數據如何，封裝之后的源IP都是A，目標IP都是B，也就是我們只需要將A到B和B到A的流量分別在A和B上配置為興趣流量即可，這樣就可以把所有的GRE流量都進行了加密；通過GREoverIPSec，即解決了安全問題，也解決了普通IPSECVPN感興趣流過多，配置復雜的問題。

注：GREoverIPSEC，加密點等于通信點，是一個典型的傳輸模式的IPsec-VPN，因此GREoverIPSEC推薦使用傳輸模式；如果使用隧道模式，就會增加一個20字節的IP頭部，因此，GRE技術經過IPSEC加密使用傳輸模式更加優化。