IPSec VPN基本原理及案例

一、基本原理介绍：

IPSec VPN是目前VPN技术中点击率较高的一种技术，同时提供VPN和信息加密两项技术，这一期专栏就来介绍一下IPSec VPN的原理。

一.IPSec VPN应用场景

1.IPSec VPN的应用场景分为3种：

1). Site-to-Site（站点到站点或者网关到网关）：如弯曲评论的3个机构分布在互联网的3个不同的地方，各使用一个商务领航网关相互建立VPN隧道，企业内网（若干PC）之间的数据通过这些网关建立的IPSec隧道实现安全互联。

2). End-to-End（端到端或者PC到PC）：两个PC之间的通信由两个PC之间的IPSec会话保护，而不是网关。

3). End-to-Site（端到站点或者PC到网关）：两个PC之间的通信由网关和异地PC之间的IPSec进行保护。

VPN只是IPSec的一种应用方式，IPSec其实是IP Security的简称，它的目的是为IP提供高安全性特性，VPN则是在实现这种安全特性的方式下产生的解决方案。IPSec是一个框架性架构，具体由两类协议组成：

1. AH协议（Authentication Header，使用较少）：可以同时提供数据完整性确认、数据来源确认、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1实现该特性。

2. ESP协议（Encapsulated Security Payload，使用较广）：可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现数据完整性。

为何AH使用较少呢？因为AH无法提供数据加密，所有数据在传输时以明文传输，而ESP提供数据加密；其次AH因为提供数据来源确认（源IP地址一旦改变，AH校验失败），所以无法穿越NAT。当然，IPSec在极端的情况下可以同时使用AH和ESP实现最完整的安全特性，但是此种方案极其少见。

2.IPSec封装模式

介绍完IPSec VPN的场景和IPSec协议组成，再来看一下IPSec提供的两种封装模式（传输Transport模式和隧道Tunnel模式）

上图是传输模式的封装结构，再来对比一下隧道模式：

可以发现传输模式和隧道模式的区别：

1. 传输模式在AH、ESP处理前后IP头部保持不变，主要用于End-to-End的应用场景。

2. 隧道模式则在AH、ESP处理之后再封装了一个外网IP头，主要用于Site-to-Site的应用场景。

从上图我们还可以验证上一节所介绍AH和ESP的差别。下图是对传输模式、隧道模式适用于何种场景的说明。

从这张图的对比可以看出：

1. 隧道模式可以适用于任何场景

2. 传输模式只能适合PC到PC的场景

隧道模式虽然可以适用于任何场景，但是隧道模式需要多一层IP头（通常为20字节长度）开销，所以在PC到PC的场景，建议还是使用传输模式。

为了使大家有个更直观的了解，我们看看下图，分析一下为何在Site-to-Site场景中只能使用隧道模式：

如上图所示，如果发起方内网PC发往响应方内网PC的流量满足网关的兴趣流匹配条件，发起方使用传输模式进行封装：

1. IPSec会话建立在发起方、响应方两个网关之间。

2. 由于使用传输模式，所以IP头部并不会有任何变化，IP源地址是92.168.1.2，目的地址是10.1.1.2。

3. 这个数据包发到互联网后，其命运注定是杯具的，为什么这么讲，就因为其目的地址是10.1.1.2吗？这并不是根源，根源在于互联网并不会维护企业网络的路由，所以丢弃的可能性很大。

4. 即使数据包没有在互联网中丢弃，并且幸运地抵达了响应方网关，那么我们指望响应方网关进行解密工作吗？凭什么，的确没什么好的凭据，数据包的目的地址是内网PC的10.1.1.2，所以直接转发了事。

5. 最杯具的是响应方内网PC收到数据包了，因为没有参与IPSec会话的协商会议，没有对应的SA，这个数据包无法解密，而被丢弃。

我们利用这个反证法，巧妙地解释了在Site-to-Site情况下不能使用传输模式的原因。并且提出了使用传输模式的充要条件：兴趣流必须完全在发起方、响应方IP地址范围内的流量。比如在图中，发起方IP地址为6.24.1.2，响应方IP地址为2.17.1.2，那么兴趣流可以是源6.24.1.2/32、目的是2.17.1.2/32，协议可以是任意的，倘若数据包的源、目的IP地址稍有不同，对不起，请使用隧道模式。

3.IPSec协商

IPSec除了一些协议原理外，我们更关注的是协议中涉及到方案制定的内容：

1. 兴趣流：IPSec是需要消耗资源的保护措施，并非所有流量都需要IPSec进行处理，而需要IPSec进行保护的流量就称为兴趣流，最后协商出来的兴趣流是由发起方和响应方所指定兴趣流的交集，如发起方指定兴趣流为192.168.1.0/24→10.0.0.0/8，而响应方的兴趣流为10.0.0.0/8→192.168.0.0/16，那么其交集是192.168.1.0/24←→10.0.0.0/8，这就是最后会被IPSec所保护的兴趣流。

2. 发起方：Initiator，IPSec会话协商的触发方，IPSec会话通常是由指定兴趣流触发协商，触发的过程通常是将数据包中的源、目的地址、协议以及源、目的端口号与提前指定的IPSec兴趣流匹配模板如ACL进行匹配，如果匹配成功则属于指定兴趣流。指定兴趣流只是用于触发协商，至于是否会被IPSec保护要看是否匹配协商兴趣流，但是在通常实施方案过程中，通常会设计成发起方指定兴趣流属于协商兴趣流。

3. 响应方：Responder，IPSec会话协商的接收方，响应方是被动协商，响应方可以指定兴趣流，也可以不指定（完全由发起方指定）。

4. 发起方和响应方协商的内容主要包括：双方身份的确认和密钥种子刷新周期、AH/ESP的组合方式及各自使用的算法，还包括兴趣流、封装模式等。

5. SA：发起方、响应方协商的结果就是曝光率很高的SA，SA通常是包括密钥及密钥生存期、算法、封装模式、发起方、响应方地址、兴趣流等内容。

我们以最常见的IPSec隧道模式为例，解释一下IPSec的协商过程：

上图描述了由兴趣流触发的IPSec协商流程，原生IPSec并无身份确认等协商过程，在方案上存在诸多缺陷，如无法支持发起方地址动态变化情况下的身份确认、密钥动态更新等。伴随IPSec出现的IKE（Internet Key Exchange）协议专门用来弥补这些不足：

1. 发起方定义的兴趣流是源192.168.1.0/24目的10.0.0.0/8，所以在接口发送发起方内网PC发给响应方内网PC的数据包，能够得以匹配。

2. 满足兴趣流条件，在转发接口上检查SA不存在、过期或不可用，都会进行协商，否则使用当前SA对数据包进行处理。

3. 协商的过程通常分为两个阶段，第一阶段是为第二阶段服务，第二阶段是真正的为兴趣流服务的SA，两个阶段协商的侧重有所不同，第一阶段主要确认双方身份的正确性，第二阶段则是为兴趣流创建一个指定的安全套件，其最显著的结果就是第二阶段中的兴趣流在会话中是密文。

IPSec中安全性还体现在第二阶段SA永远是单向的：

从上图可以发现，在协商第二阶段SA时，SA是分方向性的，发起方到响应方所用SA和响应放到发起方SA是单独协商的，这样做的好处在于即使某个方向的SA被破解并不会波及到另一个方向的SA。这种设计类似于双向车道设计。

二、案例分析：

1、拓扑

2、要求：

1．R2、R3、R4 模拟运营商网络，运行 ISIS 协议。

2．R1、R5 分别模拟企业网的边界路由器，其分别具备公网 IP 地址 12.1.1.1/24 和 45.1.1.5/24。

3． R1、R5 之间配置 IPSEC，保证企业数据可以通过加密安全传输。

4. R1、R5 背后的企业网可以正常访问 Internet。

3、配置

1．基本配置（省略）。

2．在 R2、R3、R4 上配置 ISP 网络。

① R3 上的配置

② R2 上的配置

③ R4 上的配置

配置完成之后，在 R3 上查看 ISIS 邻居关系。

使用 R2 的 e0/0 接口测试 R4 的 e0/1 接口，查看公网路由的连通性。

可以看到公网路由完好。

3. 企业边界路由器 R1、R5 上的配置

① R1 上配置Gre Tunnel

在配置 Gre Tunnel 前，必须保证企业边界路由器 R1、R5 之间的互通，并且要保证企业内的PC 可以正常访问 ISP 的公网，所以在 R1 和 R5 上配置缺省路由。

② R5 上配置Gre Tunnel

此时在 R1 和 R5 上测试 tunnel 的连通性。

③ 在 R1 和 R5 上配置 NAT 功能

因为企业网内部的 PC 要访问 ISP 上的公网，并且不需要加密，故需配置NAT 功能。

配置完 NAT 后，在 R1 上使用 loopback 访问 ISP 网络地址。

④ R1、R5 上配置 loopback0 互访的路由，用于模拟企业网中的 PC 互访，亦即需要加密的流量部分。

此时再测试 R1、R5 的 loopback0 的连通性。

此时说明 R1、R5 背后的企业网可以互通，我们下面对其进行加密。

⑥ R1 上的 IPSEC 配置

⑦ R5 上的 IPSEC 配置

此时 IPSEC 配置完成。

4、测试

① 测试 R1、R5 背后的企业网互访时是否加密。

明显看到 R1、R5 背后的企业网互访时是加密的。

② 测试 R1、R5 背后的企业网访问 ISP 网络时是否加密。

由于要 R5 的 e0/1 上进行了 NAT 转换，故抓包时使用的是 R5 的 e0/1 接口上的地址做为源地址。

③ 使用 R1 的 loopback0 访问 R5 的公网地址（即 R5 的 e0/1 接口）。

明显看到 R1 背后的企业网访问另一侧的边界路由器 R5 的公网 IP 时，还是加密的。

从抓包中可以看，企业网内部的 PC 访问公网中的任何地址时，不会对流量加密。

至此，带 NAT 功能的 IPSEC 配置完成，并且保证了该加密的流量，不该加密的不加密，综合考虑了效率和安全的需求。

最后思考：为什么可以在 GRE OVER IPSEC 中可以带上 NAT？

因为当 R1 背后的企业网访问公网中时，经过 NAT 转换，源 IP 地址转换为 R1 的公网 IP— —12.1.1.1/24，而目标地址却为公网中的 IP 地址，即并非为 R5 侧的企业网地址 5.5.5.0/24，故不会被访问控制列表 R1TOR5 抓取，这样就不会被加密。

而当 R1 背后的企业网访问 R5 背后的企业网时，则由于 R1 上定义了去往 R5 背后企业网的静态路由Ip route 5.5.5.0 255.255.255.0 tunnel 15 。故该流量会走 tunnel15，而走 tunnel15 时，必会带上 GRE 头部和 tunnel15 的源、目地址，即会加上 R1 的 e0/0 和 R5 的 e0/1 地址，这样，就会被 R1TOR5 抓取，这样就会进行加密。