【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 akley和SKEME這三個(gè)協(xié)議為IKE的基礎(chǔ)，IKE沿用了ISAKMP的基礎(chǔ)、Oakley的模式以及SKEME的共享和密鑰更新技術(shù)，并定義了自己獨(dú)特的密鑰素材導(dǎo)出方式，以及協(xié)商共享策略的方法。另外IKE定義了它自身的兩種密鑰交換方式。IKE的相關(guān)概述對(duì)于IPSec而言，IKE則定義了其需要的密鑰交換技術(shù)。IKE交換的結(jié)果就是一個(gè)已經(jīng)認(rèn)證的密鑰以及建立在雙方協(xié)議基礎(chǔ)上的服務(wù)，即IPSec SA。 IKE協(xié)議簇圖IKE使用了兩個(gè)階段的ISAKMP，其中第1階段建立一個(gè)保密的和已認(rèn)證無誤的通信信道，即IKE SA，以及建立通過認(rèn)證的密鑰，為雙方的IKE通信提供機(jī)密性、消息完整性以及消息源認(rèn)證服務(wù)。第2階段則利用第1階段的IKE SA來協(xié)商建立IPSec 具體的SA。在IKE定義的兩個(gè)階段中， IKE體系結(jié)構(gòu)圖所示，階段1包含兩種模式，筆者稱之為主模式和主動(dòng)模式，而階段2只有一種模式，稱之為快速模式。 IKE體系結(jié)構(gòu)圖在上述所說的階段1為IKE建立的IKE SA提供了一套保護(hù)套件，其中包括各種實(shí)踐中所需的參數(shù)，包括加密算法、散列算法、認(rèn)證方法以及DiffieHellman組，其在協(xié)商過程中是作為整個(gè)套件進(jìn)行協(xié)商。IKE的以上交換均屬于信息方面的交換。在這種交換中，IKE通信雙方可相互間傳達(dá)有關(guān)錯(cuò)誤信息和狀態(tài)咨詢，而且一種新的組交換模式可是各方協(xié)商如何在它們之中使用一個(gè)新的DiffieHellman組（以下簡(jiǎn)稱DH組）。DH組決定了在進(jìn)行一次DH交換時(shí)通信雙方需要采用的參數(shù)。IKE中定義了5個(gè)組，并為每個(gè)組分配了獨(dú)有的值。而對(duì)IKE影響最大的當(dāng)屬認(rèn)證方法，通過通信雙方協(xié)商的認(rèn)證方法，可以改變一次IKE交換，常用的認(rèn)證方法有：預(yù)共享密鑰（Preshared Keys，簡(jiǎn)稱PSK）、PKI（系統(tǒng)默認(rèn)）、使用RSA或者DES得到的數(shù)字簽名、使用交換加密的Nonce。在通信雙方第一條信息時(shí)，通信各方在向?qū)Ψ桨l(fā)送一部分外部可見的特征外，彼此都會(huì)保留一些私密信息，用于認(rèn)證和保護(hù)IKE消息，以及為其他的安全服務(wù)衍生出相應(yīng)的密鑰。這些私密信息包括以下四種：1）SKEID：經(jīng)過交換密鑰信息后得到的共享密鑰ID，后面三種均是建立它之上的。2）SKEYID_d：用于為IPSec和其他協(xié)議的SA衍生出加密的材料；3）SKEYID_a：用來為IKE消息保障數(shù)據(jù)的完整性以及對(duì)數(shù)據(jù)源的身份認(rèn)證；4）SKEYID_e：用于對(duì)IKE消息進(jìn)行加密。SKEID的生成取決于使用何種認(rèn)證方法，其他的以SKEID為基礎(chǔ)的私密信息都是以相同方式衍生出來。對(duì)于SKEID的生成，通信各方都要分別提供一個(gè)Cookie和Nonce。（2）主模式前文中筆者提到，IKE分為兩個(gè)階段，其中第1階段有兩種模式，分別為主模式和主動(dòng)模式，第2階段只有一種模式，則為快速模式。主模式主要應(yīng)用于協(xié)商階段1的ISAKMP SA，其將密鑰交換信息與身份認(rèn)證信息分離開來，保護(hù)了身份信息，而交換的身份信息受到了前面生成的DH共享密鑰的保護(hù)，因此這些增加了3個(gè)消息的開銷。而在整個(gè)主模式下共有3個(gè)步驟并包含6條消息，三個(gè)步驟分別為SA協(xié)商、1次DH交換和1次Nonce交換以及對(duì)ISAKMP協(xié)商能力的完全利用。、由于本課題方案中采用的是預(yù)共享密鑰認(rèn)證方式，所以下面以預(yù)共享密鑰認(rèn)證為例，來講述主模式的體系結(jié)構(gòu)，而其他認(rèn)證方式的主模式交換體系結(jié)構(gòu)與此類似。 主模式交換結(jié)構(gòu)圖 IKE協(xié)商會(huì)話，下面將針對(duì)圖中的6條消息進(jìn)行闡述。消息1和消息2發(fā)起者首先向響應(yīng)者發(fā)送其所有的SA載荷信息，響應(yīng)者收到發(fā)起者的消息1之后，將向發(fā)起者發(fā)送1個(gè)SA載荷，用于說明它所接受的正在協(xié)商的SA。在本次交換中通信雙方需要協(xié)商IKE SA的各項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)交換的其余部分?jǐn)M定規(guī)范。消息3和消息4發(fā)起者和響應(yīng)者交換DH公開值和輔助數(shù)據(jù)，如Nonce，Nonce是計(jì)算共享秘密（用來生成加密密鑰和認(rèn)證密鑰）所必需的。本次交換中通信雙方會(huì)交換DH公開值以及偽隨機(jī)Nonce，并生成SKEYID狀態(tài)。消息5和消息6發(fā)起者和響應(yīng)者交換標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)并認(rèn)證DH交換。這兩條消息中傳遞的信息是經(jīng)過加密的，而用于加密的密鑰來自于消息3和消息4中交換的密鑰信息，因此身份信息受到了保護(hù)。本次交換中通信雙方各自標(biāo)定自己的身份，并相互交換認(rèn)證散列摘要，交換過程中，用SKEYID_e進(jìn)行加密。對(duì)于各種認(rèn)證方式的主模式交換，可用一個(gè)比較形象且易于理解的圖示來說明。（3）主動(dòng)模式主動(dòng)模式和主模式的作用相同，都是建立一個(gè)已認(rèn)證的SA和密鑰，隨后IKE可用它們?yōu)槠渌麉f(xié)議建立SA。二者的主要差別在于主動(dòng)模式只需用到主模式一半的消息。由于對(duì)消息的數(shù)量進(jìn)行了限制，主動(dòng)模式同時(shí)也限制了它的協(xié)商能力，而且不會(huì)提供身份保護(hù)。主動(dòng)模式允許同時(shí)傳送與SA、密鑰交換和認(rèn)證相關(guān)的載荷，而將這些載荷組合到一條信息中，減少了信息的交換次數(shù)，但這樣正如前述而無法提供身份保護(hù)。主動(dòng)模式運(yùn)用的場(chǎng)合很少，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也能碰到，比如在需要運(yùn)行遠(yuǎn)程訪問的環(huán)境下，由于發(fā)起者的地址是響應(yīng)者無法預(yù)先知曉，而且雙方都打算使用預(yù)共享密鑰認(rèn)證方法，則要想建立IKE SA，主動(dòng)模式便是唯一可行的交換方式。另外，如果發(fā)起者已知響應(yīng)者的策略，或者對(duì)策略有著非常全面的理解，此時(shí)發(fā)起方?jīng)]有必要利用IKE和響應(yīng)者協(xié)商全部功能，則此時(shí)也可以用主動(dòng)模式交換，這樣它們可以更加快捷地建立IKE SA。（4）快速模式在經(jīng)過階段1建立好IKE SA之后，可用這些IKE SA為其他安全協(xié)議生成相應(yīng)的SA，而這些SA則是通過快速模式交換建立起來的。同時(shí)，在單獨(dú)一個(gè)IKE SA的保護(hù)下，可以執(zhí)行一次甚至并發(fā)地執(zhí)行多次快速模式交換。在本模式交換中，通信雙方需要協(xié)商擬定IPSec SA的各項(xiàng)特征，并為其生成密鑰。IKE保護(hù)快速模式的方式主要是對(duì)其進(jìn)行加密，并對(duì)消息進(jìn)行認(rèn)證。其中消息的認(rèn)證時(shí)通過相關(guān)散列函數(shù)進(jìn)行，來自IKE SA的SKEYID_a的值作為一個(gè)密鑰，對(duì)快速模式進(jìn)行相關(guān)認(rèn)證，這樣除了保障了快速模式下數(shù)據(jù)的完整性之外，還能提供對(duì)數(shù)據(jù)源的身份認(rèn)證。因?yàn)樵谙⑹盏街?，只有來自通過認(rèn)證的實(shí)體，而且消息在傳輸過程中并未發(fā)生改變。至于加密則是通過使用SKEYID_e的值來完成的。：1）消息1，發(fā)起者向接收者分別發(fā)送散列載荷、SA載荷、Nonce載荷各一個(gè)，以及可選的密鑰交換信息和標(biāo)識(shí)信息。如果需要PFS，則此消息中必須包含密鑰交換信息。散列載荷中包含信息摘要，它是使用前面協(xié)商好的偽隨機(jī)函數(shù)對(duì)頭中的消息ID連同散列載荷后面的全部消息部分（包括所有載荷頭）進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。2）消息2消息2中的載荷和消息1中的載荷類型。散列2中包含指紋的生成和散列1中的類似，只是除去了載荷頭的發(fā)起者Nonce，Ni插入在消息ID之后、其他部分之前。3）消息3消息3是用于對(duì)前面的交換進(jìn)行認(rèn)證，僅由ISAKMP和散列載荷組成。本章簡(jiǎn)要地介紹了GRE與IPSec相關(guān)技術(shù)，下一張將結(jié)合前一章和本章內(nèi)容，來對(duì)本課題案例的系統(tǒng)進(jìn)行分析和概要設(shè)計(jì)。第三章 系統(tǒng)VPN分析與概要設(shè)計(jì)前面兩章介紹了VPN的基本概念，以及GRE與IPSec相關(guān)技術(shù)，后續(xù)內(nèi)容將從本章開始，結(jié)合合肥百大集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，開始本課題的設(shè)計(jì)與仿真。隨著合肥百大集團(tuán)不斷的壯大發(fā)展，不但在合肥擁有眾多百貨大樓，同時(shí)在安徽蚌埠、蕪湖、淮南、黃山等多個(gè)縣市擁有業(yè)務(wù)分支。根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，為了更好更穩(wěn)定的保證總部與分支的數(shù)據(jù)通訊，分支和中心之間采用OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)接入形式的多樣化，在考慮使用VPN對(duì)專線備份，來滿足業(yè)務(wù)延展性的需要，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)形式也增加了限制條件。如何在開放的Internet網(wǎng)絡(luò)上建立私有數(shù)據(jù)傳輸通道，將遠(yuǎn)程的分支連接起來，同時(shí)又要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?？以下將根?jù)實(shí)際需求和相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勝劣汰進(jìn)行闡述，以最終選擇出適合本課題的最佳技術(shù)方案。由于合肥百大集團(tuán)已經(jīng)發(fā)展到全省的各個(gè)市縣區(qū)均有業(yè)務(wù)分支機(jī)構(gòu)，分支機(jī)構(gòu)與合肥總部中心之間的數(shù)據(jù)交互密不可分，這樣就需要專門的鏈路來使得總部與各分支機(jī)構(gòu)之間互聯(lián)。然而，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，就如同前文所述（），穿越整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)，是不可能鋪設(shè)專門的物理鏈路來滿足業(yè)務(wù)的需求，因?yàn)榧茉O(shè)專用鏈路所需的代價(jià)太高，顯然這樣的設(shè)計(jì)是不切實(shí)際的。因此需要一種VPN技術(shù)來滿足集團(tuán)的業(yè)務(wù)需求。但是，前文中已經(jīng)描述過，VPN技術(shù)由很多種（），如何在諸多種VPN技術(shù)中選擇出適合本集團(tuán)所需的VPN技術(shù)呢，這要根據(jù)集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際設(shè)計(jì)和需求來決定。由于合肥百大集團(tuán)在分支與中心之間采用三層路由協(xié)議，顯然就應(yīng)該使用三層VPN技術(shù)，從而淘汰前文所述的二層VPN技術(shù)，如PPTP VPN、L2F VPN和L2TP VPN等，同時(shí)也可以淘汰掉SSL VPN技術(shù)，因?yàn)镾SL是高于IP層的第四層協(xié)議。另外，MPLS VPN在此也不大適合集團(tuán)的VPN設(shè)計(jì)，因?yàn)镸PLS是獨(dú)立于二層和三層的協(xié)議，其適合更大的機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用，因?yàn)榇笮途W(wǎng)絡(luò)要結(jié)合IGP和BGP，而MPLS就是由于此種需求應(yīng)運(yùn)而生的，因此在本案例設(shè)計(jì)中，也不應(yīng)該用此技術(shù)。同時(shí)，綜合上述淘汰的諸多VPN技術(shù)，而產(chǎn)生的相互嵌套結(jié)合的VPN技術(shù)也隨之被棄選。因此，鑒于以上分析，適合三層VPN技術(shù)的有GRE VPN技術(shù)和IPSec VPN技術(shù)。但是如何在這兩種技術(shù)之間進(jìn)行優(yōu)選的決策呢？從前面章節(jié)（第二章）我們可以知道，IPSec VPN具有完好的加密認(rèn)證技術(shù)，但是其IP路由只支持靜態(tài)路由，顯然對(duì)于像百大集團(tuán)這樣一個(gè)大型公司來說，靜態(tài)路由指派顯然是一件效率極其低下的事情。在IPSec協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程中，研究機(jī)構(gòu)為了彌補(bǔ)IPSec的這種缺陷，也相繼研究出實(shí)現(xiàn)IPSec協(xié)議支持動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的特性，即IPSec Profile。但是這種技術(shù)即使實(shí)現(xiàn)了IPSec支持動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的功能，也無法滿足百大集團(tuán)的現(xiàn)實(shí)需求，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件版本來說，很多版本并不支持這種技術(shù)。所以需要選擇另外的、比較傳統(tǒng)的隧道技術(shù)來結(jié)合傳統(tǒng)的IPSec協(xié)議，這種比較傳統(tǒng)且較為常用的技術(shù)就是GRE隧道技術(shù)。由上一章關(guān)于GRE與IPSec的介紹，我們不難總結(jié)出關(guān)于這兩種協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)：GRE優(yōu)點(diǎn)：支持單播、組播、廣播和非IP數(shù)據(jù)流。 缺點(diǎn)：不提供安全加密功能。 適用場(chǎng)合：適用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、IP或非IP網(wǎng)絡(luò)及高安全性 能的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 IPSec優(yōu)點(diǎn)：為數(shù)據(jù)提供加密、完整性、源認(rèn)證和防重放功能。 缺點(diǎn)：只支持單播和IP數(shù)據(jù)流。 適用場(chǎng)合：適用于高安全性能、簡(jiǎn)單拓?fù)渑渲玫腎P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，結(jié)合1和2關(guān)于GRE與IPSec優(yōu)缺點(diǎn)的描述來看，為了滿足本案例的業(yè)務(wù)需求，可將GRE與IPSec相結(jié)合而互補(bǔ)優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過以上分析可知，GRE協(xié)議和IPSec協(xié)議具有互補(bǔ)性，結(jié)合二者這種互補(bǔ)性，可以滿足百大集團(tuán)的關(guān)于同時(shí)支持動(dòng)態(tài)路由協(xié)議和安全加密認(rèn)證的需求。而關(guān)于這兩種VPN技術(shù)的結(jié)合，有兩者結(jié)合方式，亦即GRE over IPSec VPN和IPSec over GRE VPN。關(guān)于這兩種技術(shù)（即GRE over IPSec VPN技術(shù)和IPSec over GRE VPN技術(shù)）的細(xì)則問題，則后文第四章的相關(guān)章節(jié)有詳細(xì)的介紹，此處不多做解釋，而最終的選擇則是GRE over IPSec VPN技術(shù)，下面將針對(duì)此技術(shù)進(jìn)行本系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)，則表示的是合肥百大集團(tuán)GRE over IPSec VPN的公網(wǎng)接入拓?fù)鋱D，其中路由器Center代表百大集團(tuán)在合肥的總部中心路由器，而VPN1~VPN5的五個(gè)路由器則分別代表分布在全省各個(gè)市縣區(qū)的分支機(jī)構(gòu)的接入網(wǎng)路由器（此處只選擇其中的五個(gè)，因?yàn)槊總€(gè)分支機(jī)構(gòu)的配置都大同小異），亦即經(jīng)OSPF劃分區(qū)域后，這些路由器則為普通區(qū)域與骨干區(qū)域的邊界路由器。路由器ISP則代表互聯(lián)網(wǎng)，其接口serial0/0~s1/1則代表運(yùn)營(yíng)商提供給總部和每個(gè)分支機(jī)構(gòu)的出口，、。與路由器ISP的接口serial0/0~s1/1直連的總部以及分支機(jī)構(gòu)的接入網(wǎng)路由器的接口，除總部路由器Center接口為serial0/0外，其余分支機(jī)構(gòu)的分別為每個(gè)分支機(jī)構(gòu)路由器的接口serial0/0，、。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行OSPF區(qū)域劃分合肥總部網(wǎng)絡(luò)中心的區(qū)域?yàn)锳rea 6，其中服務(wù)器分別為WWW服務(wù)器、Email服務(wù)器、FTP服務(wù)器以及Database服務(wù)器，；，依次分別為Area Area Area Area Area 5，；穿越互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域?yàn)锳rea 0。同時(shí)，Area 1~ Area 6與Area 、。GRE隧道設(shè)計(jì)合肥總部路由器Center的接口serial0/0與各個(gè)分支機(jī)構(gòu)的OSPF區(qū)域邊界路由器的接口serial0/0，通過互相指派為源和目的來建立GRE隧道，然后在每個(gè)隧道運(yùn)行0SPF協(xié)議，使得能夠動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)到相關(guān)的網(wǎng)段。IPSec隧道設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)是基于GRE over IPSec VPN技術(shù)，故而在各個(gè)分支機(jī)構(gòu)內(nèi)部以及總部的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，到達(dá)邊界路由器時(shí)便通過GRE隧道接口進(jìn)行GRE封裝，然后將經(jīng)過封裝后的GRE數(shù)據(jù)包再通過IPSec隧道接口進(jìn)行加密封裝。由此可見，針對(duì)于GRE數(shù)據(jù)包，各分支機(jī)構(gòu)的邊界路由器與總部的邊界路由器之間相互通信的加密點(diǎn)和通信點(diǎn)均落在所有的邊界路由器上，故而可以選擇的IPSec的數(shù)據(jù)包封裝模式為傳輸模式，而不是選擇隧道模式，主要是因?yàn)樗淼滥Ｊ揭葌鬏斈Ｊ蕉嗔艘粋€(gè)20B的、和傳輸模式一樣的報(bào)頭，這樣就使得每個(gè)隧道模式的數(shù)據(jù)包比傳輸模式的數(shù)據(jù)包少傳輸20B的數(shù)據(jù)，影響到數(shù)據(jù)的傳輸速率。同時(shí)，隧道模式因?yàn)槎嘣黾恿藬?shù)據(jù)報(bào)頭，就會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)存和CPU資源，影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的整體性能，增大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t，等等。鑒于上述原因，最終選擇了GRE over IPSec VPN技術(shù)中的IPSec傳輸模式。對(duì)于IPSec通信對(duì)等點(diǎn)，總部路由器的接口serial0/0與各個(gè)分支機(jī)構(gòu)路由器的接口serial0/0之間相互認(rèn)證為IPS