IPSec-VPN中隧道模式和傳輸模式區(qū)別

IPSecVPN基本原理IPSecVPN是目前VPN技術(shù)中點(diǎn)擊率非常高的一種技術(shù)，同時提供VPN和信息加密兩項(xiàng)技術(shù)，這一期專欄就來介紹一下IPSecVPN的原理。IPSecVPN應(yīng)用場景IPSecVPN應(yīng)用需求出差房工IPSecVPN的應(yīng)用場景分為3種：Site-to-Site（站點(diǎn)到站點(diǎn)或者網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)）：如彎曲評論的3個機(jī)構(gòu)分布在互聯(lián)網(wǎng)的3個不同的地方，各使用一個商務(wù)領(lǐng)航網(wǎng)關(guān)相互建立VPN隧道，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)（若干PC）之間的數(shù)據(jù)通過這些網(wǎng)關(guān)建立的IPSec隧道實(shí)現(xiàn)安全互聯(lián)。End-to-End（端到端或者PC到PC）：兩個PC之間的通信由兩個PC之間的IPSec會話保護(hù)，而不是網(wǎng)關(guān)。End-to-Site（端到站點(diǎn)或者PC到網(wǎng)關(guān)）：兩個PC之間的通信由網(wǎng)關(guān)和異地PC之間的IPSec進(jìn)行保護(hù)。VPN只是IPSec的一種應(yīng)用方式，IPSec其實(shí)是IPSecurity的簡稱，它的目的是為IP提供高安全性特性，VPN則是在實(shí)現(xiàn)這種安全特性的方式下產(chǎn)生的解決方案。IPSec是一個框架性架構(gòu)，具體由兩類協(xié)議組成：AH協(xié)議（AuthenticationHeader，使用較少）：可以同時提供數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)、數(shù)據(jù)來源確認(rèn)、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（單向Hash函數(shù)）乂口5和SHA1實(shí)現(xiàn)該特性。ESP協(xié)議（EncapsulatedSecurityPayload，使用較廣）：可以同時提供數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)、數(shù)據(jù)加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，使用MD5或SHA1來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性。為何AH使用較少呢？因?yàn)锳H無法提供數(shù)據(jù)加密，所有數(shù)據(jù)在傳輸時以明文傳輸，而ESP

提供數(shù)據(jù)加密；其次AH因?yàn)樘峁?shù)據(jù)來源確認(rèn)（源IP地址一旦改變，AH校驗(yàn)失?。詿o法穿越NAT。當(dāng)然，IPSec在極端的情況下可以同時使用AH和ESP實(shí)現(xiàn)最完整的安全特性，但是此種方案極其少見。IPSec封裝模式介紹完IPSecVPN的場景和IPSec協(xié)議組成，再來看一下IPSec提供的兩種封裝模式（傳輸Transport模式和隧道Tunnel模式）IPSec的兩種應(yīng)用方式一傳輸模式田頭源、目的地址【P田頭源、目的地址【P數(shù)據(jù)

TCP/UDP/1CMPMDS/SHA工摘婆算法IP頭

源、目的地址AH認(rèn)證頭摘要IP數(shù)據(jù)TCP/UDP/ICMP _ EncapsulatedSecurity

Payload

安金封裝舞荷IP頭

源.目的地址IP數(shù)捱TCP/UDP/1CMP源.目的地址IP頭

源、目的地址AH認(rèn)證頭摘要IP數(shù)據(jù)TCP/UDP/ICMP _ EncapsulatedSecurity

Payload

安金封裝舞荷IP頭

源.目的地址IP數(shù)捱TCP/UDP/1CMP源.目的地址頭IP頭ESP1P數(shù)據(jù)

加密后密文埴充E5P摘要VDES/1DES/AES加密/MD5/SHA1摘要舞法IP加密后葭文上圖是傳輸模式的封裝結(jié)構(gòu)，再來對比一下隧道模式:IPSec的兩種應(yīng)用方式——隧道模式外網(wǎng)IP頭外網(wǎng)IP頭海，目的地址IE內(nèi)網(wǎng)IP頭源、目的地址||源、目的地址1P病TCP/UDP/1CMP」MD5/占HR1摘要尊注AH認(rèn)證良外網(wǎng)IP頭外網(wǎng)IP頭海，目的地址IE內(nèi)網(wǎng)IP頭源、目的地址||源、目的地址1P病TCP/UDP/1CMP」MD5/占HR1摘要尊注AH認(rèn)證良摘要內(nèi)網(wǎng)1P頭

源.目的地址AuthenticationHeader，

驗(yàn)證頭軍一IP數(shù)據(jù)TCP/UDP/ICMP1…,—//fncapsubtedSecurity

Payload

安叁封裝轉(zhuǎn)荷內(nèi)網(wǎng)IP頭源.目的地址IP數(shù)框TCP/UDP/ICMPDE5/1DES/AES加密,MD5/SHA1摘要算法外網(wǎng)IP頭源,目的地址ESP頭IP數(shù)據(jù) 加密后密文填充ESP摘要|Ps?-WkipMd,the.jDocunwcs-FWe即睜c?efD5e.?ip-QpenO..openQfflt^.mgn可以發(fā)現(xiàn)傳輸模式和隧道模式的區(qū)別：傳輸模式在AH、ESP處理前后IP頭部保持不變，主要用于End-to-End的應(yīng)用場景。隧道模式則在AH、ESP處理之后再封裝了一個外網(wǎng)IP頭，主要用于Site-to-Site的應(yīng)用場景。從上圖我們還可以驗(yàn)證上一節(jié)所介紹AH和ESP的差別。下圖是對傳輸模式、隧道模式適用于何種場景的說明。

IPSec膻道模式和傳輸模式的適用場蹙PC與PC之間IPSec保護(hù)PC之間流量可使用傳輸模式,也可使用隧道模式PC與網(wǎng)關(guān)之間IPSec保護(hù)PC之間流H只靛使用屣道模式_從這張圖的對比可以看出：隧道模式可以適用于任何場景傳輸模式只能適合PC到PC的場景隧道模式雖然可以適用于任何場景，但是隧道模式需要多一層IP頭（通常為20字節(jié)長度）開銷，所以在PC到PC的場景，建議還是使用傳輸模式。為了使大家有個更直觀的了解，我們看看下圖，分析一下為何在Site-to-Site場景中只能使用隧道模式：Internet企業(yè)內(nèi)囑應(yīng)方2.17.1.26.24.1.2192.168.1.2【監(jiān)改會話源192.168.L2目的1<U.L2四配興趣麻對興趣就進(jìn)行加密使用瞳道模式，問題迎刃而解；可以使用傳輸模式的充要條怦:Internet企業(yè)內(nèi)囑應(yīng)方2.17.1.26.24.1.2192.168.1.2【監(jiān)改會話源192.168.L2目的1<U.L2四配興趣麻對興趣就進(jìn)行加密使用瞳道模式，問題迎刃而解；可以使用傳輸模式的充要條怦:我黑潦瘧｛發(fā)起方、畤成方LP地址】如興趣浦為府議:IP/GRE/TCP/UDP源:6.24.1.2/32目的：2.17.1.2/32朦192.168.1.2目的10.1.1.2L0XU.'源.目的地址都“

是私有地址,因

為私網(wǎng)路由問/題,該數(shù)據(jù)包在入互聯(lián)網(wǎng)中植強(qiáng)肆..源192J68.L2目的101.1.2設(shè)數(shù)據(jù)包成功穿越了

互聯(lián)網(wǎng)，因?yàn)槟康牡刂?-是不是嘀應(yīng)方網(wǎng)關(guān)217A.2，所以酹放育并不進(jìn)行解密,而是直接轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)PC /響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC因?yàn)闆]有進(jìn)行IPS8協(xié)商,所以密文數(shù)據(jù)無法解密而被PC丟棄如上圖所示，如果發(fā)起方內(nèi)網(wǎng)PC發(fā)往響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC的流量滿足網(wǎng)關(guān)的興趣流匹配條件，發(fā)起方使用傳輸模式進(jìn)行封裝：IPSec會話建立在發(fā)起方、響應(yīng)方兩個網(wǎng)關(guān)之間。由于使用傳輸模式，所以IP頭部并不會有任何變化，IP源地址是192.168.1.2,目的地址是10.1.1.2。這個數(shù)據(jù)包發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)后，其命運(yùn)注定是杯具的，為什么這么講，就因?yàn)槠淠康牡刂肥?0.1.1.2嗎？這并不是根源，根源在于互聯(lián)網(wǎng)并不會維護(hù)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的路由，所以丟棄的可能性很大。即使數(shù)據(jù)包沒有在互聯(lián)網(wǎng)中丟棄，并且幸運(yùn)地抵達(dá)了響應(yīng)方網(wǎng)關(guān)，那么我們指望響應(yīng)方網(wǎng)關(guān)進(jìn)行解密工作嗎？憑什么，的確沒什么好的憑據(jù)，數(shù)據(jù)包的目的地址是內(nèi)網(wǎng)PC的10.1.1.2,所以直接轉(zhuǎn)發(fā)了事。最杯具的是響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC收到數(shù)據(jù)包了，因?yàn)闆]有參與IPSec會話的協(xié)商會議，沒有對應(yīng)的SA，這個數(shù)據(jù)包無法解密，而被丟棄。我們利用這個反證法，巧妙地解釋了在Site-to-Site情況下不能使用傳輸模式的原因。并且提出了使用傳輸模式的充要條件：興趣流必須完全在發(fā)起方、響應(yīng)方IP地址范圍內(nèi)的流量。比如在圖中，發(fā)起方IP地址為6.24.1.2,響應(yīng)方IP地址為2.17.1.2,那么興趣流可以是源6.24.1.2/32、目的是2.17.1.2/32,協(xié)議可以是任意的，倘若數(shù)據(jù)包的源、目的IP地址稍有不同，對不起，請使用隧道模式。IPSec協(xié)商IPSec方案聚焦發(fā)起方響應(yīng)方確定IPSec會話所使用,?身份確認(rèn)方式密朗協(xié)商方式及刷新周期-Ips《保護(hù)的流麗而汽槿流-Ips《保護(hù)的流麗而汽槿流I -- 「一^— :AH/ESP使用算法興趣流傳輪模式/隧道模式'IPSec會話發(fā)t喘點(diǎn)都為發(fā)起方f IPSecSiS'IPSec會話發(fā)t喘點(diǎn)都為發(fā)起方[IPSec會話響應(yīng)端融應(yīng)五發(fā)起方、響血所協(xié)商出所使用密鑰、言法、興趣流等內(nèi)容稱為發(fā)起方安全聯(lián)盟(SecurityAssociationSA)IPSec除了一些協(xié)議原理外，我們更關(guān)注的是協(xié)議中涉及到方案制定的內(nèi)容：興趣流：IPSec是需要消耗資源的保護(hù)措施，并非所有流量都需要IPSec進(jìn)行處理，而需要IPSec進(jìn)行保護(hù)的流量就稱為興趣流，最后協(xié)商出來的興趣流是由發(fā)起方和響應(yīng)方所指定興趣流的交集，如發(fā)起方指定興趣流為192.168.1.0/24沅0.0.0.0/8，而響應(yīng)方的興趣流為10.0.0.0/8已192.168.0.0/16，那么其交集是192.168.1.0/24BA10.0.0.0/8，這就是最后會被IPSec所保護(hù)的興趣流。發(fā)起方：Initiator，IPSec會話協(xié)商的觸發(fā)方，IPSec會話通常是由指定興趣流觸發(fā)協(xié)商，觸發(fā)的過程通常是將數(shù)據(jù)包中的源、目的地址、協(xié)議以及源、目的端口號與提前指定的IPSec興趣流匹配模板如ACL進(jìn)行匹配，如果匹配成功則屬于指定興趣流。指定興趣流只是用于觸發(fā)協(xié)商，至于是否會被IPSec保護(hù)要看是否匹配協(xié)商興趣流，但是在通常實(shí)施方案過程中，通常會設(shè)計成發(fā)起方指定興趣流屬于協(xié)商興趣流。響應(yīng)方：Responder，IPSec會話協(xié)商的接收方，響應(yīng)方是被動協(xié)商，響應(yīng)方可以指定興趣流，也可以不指定(完全由發(fā)起方指定)。發(fā)起方和響應(yīng)方協(xié)商的內(nèi)容主要包括：雙方身份的確認(rèn)和密鑰種子刷新周期、AH/ESP的組合方式及各自使用的算法，還包括興趣流、封裝模式等。SA：發(fā)起方、響應(yīng)方協(xié)商的結(jié)果就是曝光率很高的SA，SA通常是包括密鑰及密鑰生存期、算法、封裝模式、發(fā)起方、響應(yīng)方地址、興趣流等內(nèi)容。我們以最常見的IPSec隧道模式為例，解釋一下IPSec的協(xié)商過程：發(fā)起方Internet企業(yè)內(nèi)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)IPSec隧道模式2響應(yīng)方2.17.1.2192168.L2源192,168.1.2目的10LL2■=四配興趣流源192.1S8.1.0/24目的10.0.0.0/8如果該聯(lián)趣流對成SA發(fā)起方Internet企業(yè)內(nèi)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)IPSec隧道模式2響應(yīng)方2.17.1.2192168.L2源192,168.1.2目的10LL2■=四配興趣流源192.1S8.1.0/24目的10.0.0.0/8如果該聯(lián)趣流對成SA已曼存在則無需1KE由商一階段SA二二二=二二——?興趣范明文協(xié)斶，5A協(xié)商條件；■SA不存在IKE一的段安全會話/隨道？.磐去多烏學(xué)維認(rèn)?EA過期■SA不可用，人為原因由赫西對興趣流進(jìn)行加密IKE講標(biāo)二階段SA二二〉〈二IKE二階段安全會話?HHPSm會話/隧道 二二一——A1KE梅商報文——A興趣潦密文解密對解密后流?進(jìn)行興趣流檢查源192,168.1.2目的10.1L2上圖描述了由興趣流觸發(fā)的IPSec協(xié)商流程，原生IPSec并無身份確認(rèn)等協(xié)商過程，在方案上存在諸多缺陷，如無法支持發(fā)起方地址動態(tài)變化情況下的身份確認(rèn)、密鑰動態(tài)更新等。伴隨IPSec出現(xiàn)的IKE(InternetKeyExchange)協(xié)議專門用來彌補(bǔ)這些不足：發(fā)起方定義的興趣流是源192.168.1.0/24目的10.0.0.0/8,所以在接口發(fā)送發(fā)起方內(nèi)網(wǎng)PC發(fā)給響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC的數(shù)據(jù)包，能夠得以匹配。滿足興趣流條件，在轉(zhuǎn)發(fā)接口上檢查SA不存在、過期或不可用，都會進(jìn)行協(xié)商，否則使用當(dāng)前SA對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。協(xié)商的過程通常分為兩個階段，第一階段是為第二階段服務(wù)，第二階段是真正的為興趣流服務(wù)的SA，兩個階段協(xié)商的側(cè)重有所不同，第一階段主要確認(rèn)雙方身份的正確性，第二階段則是為興趣流創(chuàng)建一個指定的安全套件，其最顯著的結(jié)果就是第二階段中的興趣流在會話中是密文。IPSec中安全性還體現(xiàn)在第二階段SA永遠(yuǎn)是單向的：IPSec瞳道模式交企業(yè)闖發(fā)內(nèi)網(wǎng)PC192.168.L2響應(yīng)方發(fā)起方Internetf.內(nèi)網(wǎng)PC10.1.1.2發(fā)掘方二、 ；陶應(yīng)萬6.24.1.2 2.17.1.2企業(yè)內(nèi)IV源192.168,1.2IPSec瞳道模式交企業(yè)闖發(fā)內(nèi)網(wǎng)PC192.168.L2響應(yīng)方發(fā)起方Internetf.內(nèi)網(wǎng)PC10.1.1.2發(fā)掘方二、 ；陶應(yīng)萬6.24.1.2 2.17.1.2企業(yè)內(nèi)IV源192.168,1.2目的1。1口IKE1辦商二附股SA-左靛方一〉響應(yīng)無二>U二使用單向隧道設(shè)計實(shí)現(xiàn)更好的安全性解密興理流檢查源10X1.2邨派J巡H興趣淹進(jìn)行加密源10A.1.2目的192.16&1.2