ipsec

IPSec是IETF（Internet Engineering Task Force，即國際互聯網工程技術小組）提出的使用密碼學保護IP層通信的安全保密架構 ^[4]  ，是一個協議簇，通過對IP協議的分組進行加密和認證來保護IP協議的網絡傳輸協議簇（一些相互關聯的協議的集合）。 ^[1] 

IPSec可以實現以下4項功能:①數據機密性：IPSec發送方將包加密後再通過網絡發送。② 數據完整性：IPSec可以驗證IPSec發送方發送的包，以確保數據傳輸時沒有被改變。③數據認證：IPSec接受方能夠鑑別IPsec包的發送起源。此服務依賴數據的完整性。④反重放:IPSec接受方能檢查並拒絕重放包。 ^[4] 

IPSec主要由以下協議組成：

一、認證頭（AH），為IP數據報提供無連接數據完整性、消息認證以及防重放攻擊保護；

二、封裝安全載荷（ESP），提供機密性、數據源認證、無連接完整性、防重放和有限的傳輸流（traffic-flow）機密性；

三、安全關聯（SA），提供算法和數據包，提供AH、ESP操作所需的參數。

四、密鑰協議（IKE），提供對稱密碼的鑰匙的生存和交換。

從1920-70年代初開始，美國高級研究項目局贊助了一系列實驗性的ARPANET加密設備，起初用於本地ARPANET數據包加密，隨後又用於TCP/IP數據包加密。從1986年到1991年，美國國家安全局在其安全數據網絡系統（SDN）計劃下贊助了互聯網安全協議的開發，包括摩托羅拉在內的各種供應商聚集在一起，於1988年生產了一種網絡加密設備，這項工作於1988年由NIST公開發表，其中第3層的安全協議（SP3）演變為ISO標準的網絡層安全協議（NLSP）。

從1992年到1995年，有三個研究小組對IP層加密分別進行了獨立研究：

1. 1992年，美國海軍研究實驗室（NRL）開始了simpleinternetprotocolplus（SIPP）項目來研究IP加密協議。

2. 1993年，實驗性軟件IP加密協議（swIPe）是由 JohnIoanndis等人在哥倫比亞大學SunOS和AT&T貝爾實驗室開始研發。

3. 1994年，Trusted Information Systems（TIS）的科學家徐崇偉（Wei Xu）在白宮信息高速公路項目的支持下，開發了第一代 IPSec 協議，它是在4.1BSD內核中編碼，同時支持x86和SUNOS CPU架構，增強了刷卡安全協議，併為數據加密標準開發了設備驅動程序。到1994年12月，TIS發佈了由DARPA贊助的開放源代碼的“手銬防火牆”產品，集成了3DES硬件加密，第一次實現IPSec VPN速度超過T1的商用產品。

在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助的研究工作下，1996年，NRL為IPsec開發了IETF標準跟蹤規範（rfc1825到rfc1827），它是在4.4 BSD內核中編碼的，同時支持x86和SPARC CPU架構。

1992年，互聯網工程任務組（IETF）成立了IP安全工作組，以規範對IP的公開指定的安全擴展，稱為IPSec。1995年，工作組批准了NRL開發的IPSec標準，從RFC-1825到RFC-1827發佈，NRL在1996年USENIX會議論文集中，描述 NRL 的開放源代碼IPSec，由麻省理工學院在線提供，併成為大多數初始商業實現的基礎。

隨着Internet的飛速發展,IPSec的應用領域越來越廣。與此同時,互聯網安全問題也日趨嚴重,網絡上的數據非常容易被他人惡意竊聽和篡改。IPSec協議是一個標準的網絡安全協議,也是一個開放標準的網絡架構,通過加密以確保網絡的安全通信。IPSec的作用主要包括確保IP數據安全以及抵抗網絡攻擊。 ^[3] 

IPv6是IETF為IP協議分組通信制定的新的因特網標準，IPSec在RFC 6434以前是其中必選的內容，但在IPv4中的使用則一直只是可選的。這樣做的目的，是為了隨着IPv6的進一步流行，IPSec可以得到更為廣泛的使用。第一版IPSec協議在RFC2401-2409中定義。在2005年第二版標準文檔發佈，新的文檔定義在RFC 4301和RFC 4309中。

IPSec被設計用來提供（1）入口對入口通信安全，在此機制下，分組通信的安全性由單個節點提供給多台機器（甚至可以是整個局域網）；（2）端到端分組通信安全，由作為端點的計算機完成安全操作。上述的任意一種模式都可以用來構建虛擬專用網（VPN），而這也是IPSec最主要的用途之一。應該注意的是，上述兩種操作模式在安全的實現方面有着很大差別。

因特網範圍內端到端通信安全的發展比預料的要緩慢，其中部分原因，是因為其不夠普遍或者説不被普遍信任。公鑰基礎設施能夠得以形成（DNSSEC最初就是為此產生的），一部分是因為許多用户不能充分地認清他們的需求及可用的選項，導致其作為內含物強加到賣主的產品中（這也必將得到廣泛採用）；另一部分可能歸因於網絡響應的退化（或説預期退化），就像兜售信息的充斥而帶來的帶寬損失一樣。

IPSec協議工作在OSI模型的第三層，使其在單獨使用時適於保護基於TCP或UDP的協議（如安全套接子層（SSL）就不能保護UDP層的通信流）。這就意味着，與傳輸層或更高層的協議相比，IPSec協議必須處理可靠性和分片的問題，這同時也增加了它的複雜性和處理開銷。相對而言，SSL/TLS依靠更高層的TCP（OSI的第四層）來管理可靠性和分片。

認證頭（Authentication Header，AH）被用來保證被傳輸分組的完整性和可靠性。此外，它還保護不受重放攻擊。認證頭試圖保護IP數據報的所有字段，那些在傳輸IP分組的過程中要發生變化的字段就只能被排除在外。當認證頭使用非對稱數字簽名算法（如RSA）時，可以提供不可否認性（RFC 1826）。

認證頭分組圖示：

字段含義：

封裝安全載荷（Encapsulating Security Payload，ESP）協議對分組提供了源可靠性、完整性和保密性的支持。與AH頭不同的是，IP分組頭部不被包括在內。

ESP分組圖示：

字段含義：

FreeS/WAN項目已經開發了一個開源的GNU/Linux環境下的IPSec實現。且一個基於KAME項目的IPSec實現已經包含在NetBSD、FreeBSD以及2.6Linux內核中。從某種程度上説，也是因為這個原因，Free S/WAN項目的開發在2004年3月時被中止。Openswan和strongSwan是Free S/WAN延續。

至今已有許多IPSec協議和ISAKMP/IKE協議的實現。它們包括：

IPSec協議工作在OSI 模型的第三層，使其在單獨使用時適於保護基於TCP或UDP的協議（如 安全套接子層（SSL）就不能保護UDP層的通信流）。這就意味着，與傳輸層或更高層的協議相比，IPSec協議必須處理可靠性和分片的問題，這同時也增加了它的複雜性和處理開銷。相對而言，SSL/TLS依靠更高層的TCP（OSI的第四層）來管理可靠性和分片。

(1)AH(AuthenticationHeader) 協議。

它用來向 IP通信提供數據完整性和身份驗證,同時可以提供抗重播服務。

在 IPv6 中協議採用 AH 後, 因為在主機端設置了一個基於算法獨立交換的秘密鑰匙, 非法潛入的現象可得到有效防止, 秘密鑰匙由客户和服務商共同設置。在傳送每個數據包時,IPv6 認證根據這個秘密鑰匙和數據包產生一個檢驗項。在數據接收端重新運行該檢驗項並進行比較,從而保證了對數據包來源的確認以及數據包不被非法修改。

(2)ESP(EncapsulatedSecurityPayload) 協議。

它提供 IP層加密保證和驗證數據源以對付網絡上的監聽。因為 AH雖然可以保護通信免受篡改, 但並不對數據進行變形轉換, 數據對於黑客而言仍然是清晰的。為了有效地保證數據傳輸安全, 在IPv6 中有另外一個報頭 ESP,進一步提供數據保密性並防止篡改。

安全聯盟 SA,記錄每條 IP安全通路的策略和策略參數。安全聯盟是 IPSec 的基礎, 是通信雙方建立的一種協定,決定了用來保護數據包的協議、轉碼方式、密鑰以及密鑰有效期等。AH和 ESP都要用到安全聯盟,IKE的一個主要功能就是建立和維護安全聯盟。

密鑰管理協議 ISAKMP, 提供共享安全信息。Internet密鑰管理協議被定義在應用層,IETF規定了Internet安全協議和互聯網安全關聯和秘鑰管理協議ISAKMP(Internet Security Association and Key Management Protocol) 來實現 IPSec 的密鑰管理,為身份認證的 SA 設置以及密鑰交換技術

IPSec的安全特性主要有： ^[2] 

"不可否認性"可以證實消息發送方是唯一可能的發送者，發送者不能否認發送過消息。"不可否認性"是採用公鑰技術的一個特徵，當使用公鑰技術時，發送方用私鑰產生一個數字簽名隨消息一起發送，接收方用發送者的公鑰來驗證數字簽名。由於在理論上只有發送者才唯一擁有私鑰，也只有發送者才可能產生該數字簽名，所以只要數字簽名通過驗證，發送者就不能否認曾發送過該消息。但"不可否認性"不是基於認證的共享密鑰技術的特徵，因為在基於認證的共享密鑰技術中，發送方和接收方掌握相同的密鑰。

"反重播"確保每個IP包的唯一性，保證信息萬一被截取複製後，不能再被重新利用、重新傳輸回目的地址。該特性可以防止攻擊者截取破譯信息後，再用相同的信息包冒取非法訪問權（即使這種冒取行為發生在數月之後）。

防止傳輸過程中數據被篡改，確保發出數據和接收數據的一致性。IPSec利用Hash函數為每個數據包產生一個加密檢查和，接收方在打開包前先計算檢查和，若包遭篡改導致檢查和不相符，數據包即被丟棄。

在傳輸前，對數據進行加密，可以保證在傳輸過程中，即使數據包遭截取，信息也無法被讀。該特性在IPSec中為可選項，與IPSec策略的具體設置相關。