淺談常見的隧道技術(shù)之IPSec

作者：吳琪，單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心

IPSec（IP security）是IETF制定的三層隧道加密協(xié)議，它為Internet上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供了高質(zhì)量的、可互操作的、基于密碼學(xué)的安全保證。因?yàn)槠浒踩蕴攸c(diǎn)，IPSec被廣泛應(yīng)用。

IPSec不是一個(gè)單獨(dú)的協(xié)議，而是一套網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議族，包括網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證協(xié)議AH（Authentication Header，認(rèn)證頭）、ESP（Encapsulating Security Payload，封裝載荷）和密鑰管理協(xié)議IKE（Internet Key Exchange， 因特網(wǎng)密鑰交換）以及用戶網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證及加密的一些算法等。

IPSec工作模式分為：傳輸模式（transport）和隧道模式（tunnel）兩種。簡單來說傳輸模式是原始二層數(shù)據(jù)包不再附加二三四層頭、隧道模式是原始二層數(shù)據(jù)包經(jīng)過協(xié)議隧道封裝是添加上二三四層頭，IPSec的隧道模式就是在原始的ip數(shù)據(jù)包外面再封裝了一層ip頭，所以IPSec也經(jīng)常被大家稱作三層隧道協(xié)議。下面就帶大家詳細(xì)的了解一些這些具體的協(xié)議，以及IPSec協(xié)議實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)重要地位的穿越NAT實(shí)現(xiàn)。

Part 01●??安全協(xié)議——AH協(xié)議?●

AH協(xié)議是一種基于IP的傳輸協(xié)議，協(xié)議號(hào)為51。具體工作方式是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包的標(biāo)準(zhǔn)IP報(bào)文頭部后面添加一個(gè)AH報(bào)文頭：

AH協(xié)議發(fā)送方會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包和認(rèn)證密鑰進(jìn)行hash計(jì)算，接收方收到報(bào)文之后，按照一樣的算法進(jìn)行hash計(jì)算并與原計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如果不一致，可以推斷出數(shù)據(jù)包在傳輸過程中遭到了修改或者破壞。通過這樣的方式，能提供數(shù)據(jù)來源認(rèn)證和數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。值得一提的是AH協(xié)議的完整性校驗(yàn)范圍是整個(gè)IP報(bào)文。

AH報(bào)文頭中有幾個(gè)重要的字段值得關(guān)注：安全參數(shù)索引（SPI）用于唯一標(biāo)識(shí)IPSec安全聯(lián)盟，序列號(hào)唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)數(shù)據(jù)包，能用于防重放攻擊。

Part 02●? 安全協(xié)議——ESP協(xié)議?●

和AH協(xié)議一樣，ESP協(xié)議也是一種基于IP的傳輸層協(xié)議，協(xié)議號(hào)為50。具體的工作方式是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包的IP報(bào)文頭后面添加一個(gè)ESP報(bào)文頭，值得注意的是，在數(shù)據(jù)包尾部還追加一個(gè)ESP尾部（ESP Tail和ESP Auth Data），同時(shí)還有一點(diǎn)與AH協(xié)議不同的是，ESP協(xié)議僅對(duì)IP數(shù)據(jù)包的有效載荷進(jìn)行加密，對(duì)IP報(bào)文頭是沒有進(jìn)行加密保護(hù)的。

和AH協(xié)議類似，ESP報(bào)文頭中也有安全參數(shù)索引（SPI）和序列號(hào)兩個(gè)字段，并且，AH協(xié)議和ESP協(xié)議的認(rèn)證算法是相通的。

AH協(xié)議和ESP協(xié)議具體的比較如下：

總結(jié)：AH協(xié)議不能提供數(shù)據(jù)包加密功能，ESP協(xié)議驗(yàn)證范圍不包括IP頭部，故在安全性要求較高的場景中可以考慮聯(lián)合使用AH協(xié)議和ESP協(xié)議。

Part 03●??IKE協(xié)議?●

簡單來說，IKE協(xié)議是動(dòng)態(tài)協(xié)商IPSec隧道的協(xié)議，能完成身份驗(yàn)證、密鑰交換、生成IPSec SA，協(xié)商過程中，數(shù)據(jù)包具體采用AH協(xié)議還是ESP協(xié)議封裝以及身份認(rèn)證就定下來了。

IKE協(xié)議目前有兩個(gè)版本：IKEv1和IKEv2，IKEv2在v1的基礎(chǔ)上，不僅簡化了SA的協(xié)商過程，提高了協(xié)商效率，而且修復(fù)了多處公認(rèn)的密碼學(xué)方面的安全漏洞，提高了安全性能，所以實(shí)際IKEv2應(yīng)用更加廣泛。

以IKEv2為例，通過初始交換可以協(xié)商建立第一對(duì)IPSec SA，這其中包含兩次交互四條消息，包含加密和驗(yàn)證算法等參數(shù)協(xié)商，生成共享密鑰，完成身份認(rèn)證、消息認(rèn)證。如果需要?jiǎng)?chuàng)建多對(duì)IPSec SA，可以通過創(chuàng)建子SA交換過程協(xié)商出來，同時(shí)在協(xié)商過程中存在一些控制信息的傳遞，例如錯(cuò)誤消息或者通告消息，這些信息是通過通知交換完成的。

Part 04●??NAT穿越?●

IPSec協(xié)議能得到廣泛應(yīng)用，除了能提供安全加密的傳輸之外，另一個(gè)重要原因是能夠?qū)崿F(xiàn)NAT穿越，這在現(xiàn)網(wǎng)傳輸中是極其重要的，因?yàn)楣W(wǎng)IP資源有限，絕大部分設(shè)備都是通過NAT轉(zhuǎn)換之后共享公網(wǎng)IP資源傳輸交換報(bào)文的，所以穿越NAT在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中是極其重要的。

如前文描述的AH協(xié)議和ESP協(xié)議的特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)AH協(xié)議不能穿越NAT，原因是NAT會(huì)修改報(bào)文的IP頭，但是AH完整性校驗(yàn)是基于整個(gè)IP報(bào)文的，所以導(dǎo)致AH協(xié)議下IPSec不能穿越NAT。而ESP報(bào)文的完整性校驗(yàn)不包括IP頭，IP地址轉(zhuǎn)換也不會(huì)破壞ESP的hash值，所以在只做IP轉(zhuǎn)換的NAT場景下，ESP協(xié)議封裝是支持NAT穿越的。但是很多時(shí)候，公網(wǎng)IP是共用的，所以NAT轉(zhuǎn)換不僅需要轉(zhuǎn)換IP，同時(shí)需要轉(zhuǎn)換端口，但是ESP協(xié)議對(duì)IP有效載荷進(jìn)行加密了，導(dǎo)致無法對(duì)端口號(hào)進(jìn)行修改，這也是很多IP in IP的隧道無法穿越NAT的根本原因，解決辦法是再加一個(gè)UDP報(bào)文頭——NAT-T（NAT Traversal），源目的端口號(hào)均是4500。

NAT-T的方式隧道能解決IPSec穿越NAT的問題，但是穿越NAT之后同樣存在以下兩個(gè)問題：一是穿越NAT后的身份認(rèn)證及IP地址復(fù)用的問題。在目前的IP網(wǎng)絡(luò)中，IP即為身份標(biāo)識(shí)，但是NAT之后IP會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)前國內(nèi)主要采用字符串取代IP地址作為身份標(biāo)識(shí)的方式，這樣就不受NAT影響了。二是ESP協(xié)議是基于IP的協(xié)議，當(dāng)NAT網(wǎng)關(guān)背后存在多個(gè)ESP應(yīng)用端，且

地址復(fù)用一個(gè)，那么無法只根據(jù)IP協(xié)議號(hào)進(jìn)行反向映射，ESP協(xié)議必須要做出改變。這一點(diǎn)在NAT-T流程中會(huì)有具體的體現(xiàn)，下面我們?cè)敿?xì)闡述NAT-T流程。

首先判斷雙方是否支持NAT-T。當(dāng)開啟NAT穿越時(shí)，IKE協(xié)商過程中會(huì)發(fā)送標(biāo)識(shí)NAT-T能力的vendor ID載荷，用于檢查通信雙方是否支持NAT-T，只有當(dāng)雙方都在各自的消息中包含了該載荷，后續(xù)才會(huì)進(jìn)行相關(guān)的NAT-T協(xié)商。

其次是判斷鏈路上是否存在NAT設(shè)備。在IKE協(xié)商中，會(huì)發(fā)送NAT-D（NAT Discovery）載荷，這個(gè)載荷用于探測NAT設(shè)備，雙方都會(huì)向?qū)Ψ桨l(fā)送源目的IP和端口的hash值，存放在該載荷中，如果在傳輸過程中發(fā)生改變，hash值會(huì)相應(yīng)的改變，判斷hash值就可以判斷鏈路中是否存在NAT轉(zhuǎn)換。

最后是ESP處理，在前兩步的前提下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)NAT網(wǎng)關(guān)之后，后續(xù)的IKE報(bào)文端口號(hào)轉(zhuǎn)換成4500。

上述技術(shù)雖然能實(shí)現(xiàn)NAT穿越，但是也存在一定的局限性：使用NAT-T功能會(huì)導(dǎo)致在IKE協(xié)商過程中增加大約200字節(jié)的開銷，數(shù)據(jù)傳輸過程中也會(huì)增加大約20字節(jié)的開銷；同時(shí)不能采用AH協(xié)議，一定程度上也會(huì)降低安全性；NAT設(shè)備無法保證始終固定的IP和固定的端口為內(nèi)部主機(jī)提供訪問映射，所以IPSec必須能夠自動(dòng)檢測變化，以保證通訊始終暢通。

Part 05●??后記?●

IPSec自從1990年被開發(fā)出來以來，目前為止已經(jīng)應(yīng)用超過30年，技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過一代代的積累也日漸成熟，基礎(chǔ)的交換流程也比較完備，未來的發(fā)展方向大概率是在認(rèn)證和加密算法上面。美國NIST在2020年也發(fā)布過特別出版物《IPSec VPNs指南》，文中指出IETF正著力于研究各類IKE與IPSec擴(kuò)展議題，同時(shí)也介紹了在組播與組認(rèn)證、ESP中的隱式IV、后量子密鑰交換等方面的努力。未來我們將及時(shí)關(guān)注最新的IPSec技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)和工作中進(jìn)行應(yīng)用，為中國移動(dòng)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)添磚加瓦。