【文章內容簡介】 由于協(xié)議 IPv4最初設計時沒有過多地考慮安全性 ， 缺乏對通信雙方真實身份的驗證能力 ， 缺乏對網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性和機密性保護 ， 并且由于 IP地址可軟件配置等靈活性以及基于源 IP地址的認證機制 ， 使 IP層存在著網(wǎng)絡業(yè)務流易被監(jiān)聽和捕獲 、 IP地址欺騙 、 信息泄漏和數(shù)據(jù)項被篡改等多種攻擊 ， 而 IP是很難抵抗這些攻擊的 。 為了實現(xiàn)安全 IP， 因特網(wǎng)工程任務組 IETF于1994年開始了一項 IP安全工程 ， 專門成立了 IP安全協(xié)議工作組 IPSEC， 來制定和推動一套稱為IPSec的 IP安全協(xié)議標準 。 46 IPSec協(xié)議組 ? 網(wǎng)絡認證協(xié)議 Authentication Header（ AH） ? 封 裝 安 全 載 荷 協(xié) 議 Encapsulating Security Payload（ ESP） ? 密鑰管理協(xié)議 Inter Key Exchange （ IKE） ? 網(wǎng)絡認證及加密算法 47 IPSec安全體系結構 圖 IPSec安全體系結構 IPSec體系結構 ESP協(xié)議 AH協(xié)議 加密算法 DOI解釋域 密鑰管理 認證算法 48 ? ESP協(xié)議規(guī)定了為通信提供機密性和完整性保護的具體方案 ， 包括 ESP載荷的格式 、 語義 、 取值以及對進入分組和外出分組的處理過程等 。 ? DOI〔 Interpretation of Domain， DOI〕 規(guī)定了每個算法的參數(shù)要求和計算規(guī)則 ， 如算法的密鑰長度要求 、 算法強度要求以及初始向量的計算規(guī)則等 。 ? AH協(xié)議定義了認證的應用方法 ， 提供數(shù)據(jù)源認證和完整性保證 。 ? IKE協(xié)議是 IPSec目前唯一的正式確定的密別交換協(xié)議 ， 為 AH和 ESP提供密鑰交換支持 ， 同時也支持其他機制 ， 如密鑰協(xié)商 。 49 安全關聯(lián)（ Security Association， SA） 為了正確封裝及提取 IPSec數(shù)據(jù)包 ， 有必要采取一套專門的方案 ， 將安全服務 /密鑰與要保護的通信數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起；同時要將遠程通信實體與要交換密鑰的 IPSec數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)系到一起 。 換言之 ， 要解決如何保護通信數(shù)據(jù) 、 保護什么樣的通信數(shù)據(jù)以及由誰來實行保護的問題 。 這樣的構建方案稱為安全關聯(lián) （ Security Association， SA） 。 50 SA是單向的 ， 要么對數(shù)據(jù)包進行 “進入 ” 保護 ， 要么進行 “ 外出 ” 保護 。也就是說 ， 在一次通信中 ， IPSec 需要建立兩個 SA， 一個用于入站通信 ， 另一個用于出站通信 。 若某臺主機 ， 如文件服務器或遠程訪問服務器 ， 需要同時與多臺客戶機通信 ， 則該服務器需要與每臺客戶機分別建立不同的 SA。 51 AH（ Authentication Header） 協(xié)議 AH協(xié)議規(guī)定了 AH頭在 AH實現(xiàn)中應插入 IP頭的位置、 AH頭的語法格式、各字段的語義及取值方式，以及實施 AH時進入和外出分組的處理過程。 AH機制涉及到密碼學中的核心組件 ——鑒別算法。 ? AH的功能 ? AH的兩種模式 ? AH的格式 ? 認證算法 52 AH的功能 AH協(xié)議為 IP通信提供數(shù)據(jù)源認證、數(shù)據(jù)完整性和反重播保證，它能保護通信免受篡改，但不能防止竊聽，適合用于傳輸非機密數(shù)據(jù)。 AH的工作原理是在每一個數(shù)據(jù)包上添加一個身份驗證報頭。此報頭包含一個帶密鑰的 hash散列（可以將其當作數(shù)字簽名，只是它不使用證書），此hash散列在整個數(shù)據(jù)包中計算，因此對數(shù)據(jù)的任何更改將致使散列無效 ——這樣就提供了完整性保護。 AH不能提供加密服務，這就意味著分組將以明文的形式傳送。由于 AH的速度比 ESP稍微快一點，因此僅當需要確保分組的源和完整性而不考慮機密性的時候，可以選擇使用 AH。 53 AH的兩種模式 ? 傳輸模式 ：傳輸模式用于兩臺主機之間，只對上層協(xié)議數(shù)據(jù)（傳輸層數(shù)據(jù)）和 IP頭中的固定字段提供認證，主要保護傳輸層協(xié)議頭，實現(xiàn)端到端的安全； ? 隧道模式 ：隧道模式對整個 IP數(shù)據(jù)項提供認證保護，把需要保護的 IP包封裝在新的 IP包中，既可用于主機也可用于安全網(wǎng)關，并且當 AH在安全網(wǎng)關上實現(xiàn)時，必須采用隧道模式。 54 AH的兩種模式 數(shù)據(jù) IP 包頭 數(shù)據(jù) IP 包頭 AH 數(shù)據(jù) 原 IP 包頭 AH 新 IP 包頭 傳輸模式 隧道模式 55 56 57 AH的格式 圖 AH報頭格式 下一個報頭 長度 安全參數(shù)索引(SPI) 序列號 認證數(shù)據(jù)(hash檢查和 ) AH報頭 58 ? Next Header（ 下一個報頭，占 8字節(jié)）：識別下一個使用 IP協(xié)議號的報頭，例如， Next Header值等于 6時，表示緊接其后的是 TCP報頭。對于 UDP， 它的值將是 17。 ? Length（ 長度，占 8字節(jié)）： AH報頭長度。 ? Security Parameters Index (SPI， 安全參數(shù)索引，占 32字節(jié) )： 這是一個為數(shù)據(jù)報識別安全關聯(lián)的 32 位偽隨機值。其中， SPI 值 0 被保留，用來表明 “ 沒有安全關聯(lián)存在 ” 。 59 ? Sequence Number（ 序列號，占 32字節(jié)）：這是一個無符號單調遞增的計數(shù)器，從 1開始的 32位單增序列號，不允許重復，唯一地標識了每一個發(fā)送數(shù)據(jù)包，為安全關聯(lián)提供反重播保護。接收端校驗序列號為該字段值的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)被接收過，若是，則拒收該數(shù)據(jù)包。對于一個特定的 SA，它實現(xiàn)反重傳服務。這些信息不被接收對等實體使用，但是發(fā)送方必須包含這些信息。當建立一個 SA時，這個值被初始化為 0。如果使用反重傳服務重傳，那么這個值決不允許重復。由于發(fā)送方并不知道接受方是否使用了反重傳功能，該字段中的值不能被重復的事實就要求終止 SA， 并且在傳送第 23個分組之前建立一個新的 SA。 60 ? Authentication Data（ AD， 認證數(shù)據(jù)，可變長）：包含完整性檢查和。接收端接收數(shù)據(jù)包后，首先執(zhí)行 hash計算，再與發(fā)送端所計算的該字段值比較，若兩者相等，表示數(shù)據(jù)完整，若在傳輸過程中數(shù)據(jù)遭修改，兩個計算結果不一致，則丟棄該數(shù)據(jù)包。通過這個值，通信雙方能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完整性保護、分組級數(shù)據(jù)源鑒別以及通信的抗重放攻擊。 61 傳輸模式下的AH數(shù)據(jù)包格式 隧道模式下的AH數(shù)據(jù)包格式 62 63 認證算法 用于計算完整性校驗值 (ICV)的認證算法由 SA指定，對于點到點通信，合適的認證算法包括基于對稱密碼算法 (如 DES)或基于單向 Hash函數(shù) (如MD5或 SHA1)的帶密鑰的消息認證碼 (MAC)。 64 ESP（ Encapsulating Security Payload） 協(xié)議 ESP涉及到密碼學中的核心組件 ——加密和鑒別算法。 ? ESP的功能 ? ESP的兩種模式 ? ESP的格式 ? 加密算法和認證算法 ? ESP處理 ESP的功能 ESP為 IP數(shù)據(jù)包提供完整性檢查 、 認證和加密 ， 可以看作是 “超級 AH”， 因為它提供機密性并可防止篡改 。 ESP服務依據(jù)建立的安全關聯(lián) （ SA） 是可選的 。 ? 一些限制： 完整性檢查和認證一起進行 。 僅當與完整性檢查和認證一起時 ， “ 重播 （ Replay） ”保護才是可選的 。 “ 重播 ” 保護只能由接收方選擇 。 ESP的加密服務是可選的，但如果啟用加密，則也就同時選擇了完整性檢查和認證。因為如果僅使用加密，入侵者就可能偽造包以發(fā)動密碼分析攻擊。 ESP可以單獨使用，也可以和 AH結合使用。 66 ESP的兩種模式 數(shù)據(jù) IP 包頭 加密后的數(shù)據(jù) IP 包頭 ESP頭部 ESP頭 新 IP 包頭 傳輸模式 隧道模式 ESP尾部 ESP驗證 ESP尾部 ESP驗證 數(shù)據(jù) 原 IP 包頭 加密部分 67 68 69 ESP的格式 ESP協(xié)議包括 ESP報頭、 ESP報尾、 ESP認證報尾三個部分。 圖 ESP報頭、報尾和認證報尾 兩種模式下的 ESP數(shù)據(jù)包格式 70 傳輸模式 隧道模式 71 加密算法和認證算法 ESP所采用的加密算法由 SA指定 。 為了提高加密效率 ， ESP設計使用的是對稱密碼算法 。 由于 IP包可能會失序到達 ， 因此每個 IP包必須攜帶接收者進行解密所要求的密碼同步數(shù)據(jù) (如初始化向量IV)。 這個數(shù)據(jù)可以在有效負載字段中明確攜帶 ，也可以從包頭中推導出來 。 由于機密性是可選擇的 ， 因此加密算法可以是 “空 ”。 ESP中的認證算法同 AH的認證算法一樣 。 由于認證算法是可選的 ， 因此認證算法也可以是 “空 ”。 雖然加密和認證算法都可為空 ， 但二者不能同時為空 。 因為這樣做不僅毫無安全保證可言 ， 而且也為系統(tǒng)帶來了無謂的負擔 。 72 ESP處理 ESP 的處理過程發(fā)生在發(fā)送時的 IP分割之前以及接受時的 IP重新組合之后 。 ? 發(fā)送時的處理 ① ESP頭定位：在傳輸模式下 ， ESP頭插在 IP頭和上一層協(xié)議頭之間；在隧道模式下 ， ESP頭在整個源 IP數(shù)據(jù)項之前 。 ② 查找：只有當與此會話相關的有效的 SA存在時 ， 才進行 ESP處理 。 ③ 包加密：把數(shù)據(jù)封裝到 ESP的有效負載字段 ， 在傳輸模式下 ， 只封裝上層協(xié)議數(shù)據(jù)；在隧道模式下 、封裝整個原 IP數(shù)據(jù)項 。 應使用由 SA指定的密鑰和加密算法對上述結果加密 。 73 ? 接受時的處理過程 當接收方收到一個 IP數(shù)據(jù)項時，先根據(jù)包中目的 IP地址、安全協(xié)議 ESP和 SPI查找 SA， 若沒有用于此會話的 SA存在，則接收者必須丟棄此包，并記入日志，否則就按 SA中指定的算法進行解密并重新構造原 IP數(shù)據(jù)項格式。 74 IKE（ Inter Key Exchange） 協(xié)議 ? IKE主要完成兩個作用： ①安全關聯(lián)的集中化管理，減少連接時間； ②密鑰的生成和管理。 ? IKE協(xié)議是 IPSec目前唯一的正式確定的密鑰交換協(xié)議，它為 AH和 ESP提供密鑰交換支持，同時也支持其他機制，加密鑰協(xié)商。 ? IKE是由另外三種協(xié)議（ ISAKMP、 Oakley 和 SKEME） 混合而成的一種協(xié)議。 實驗： 利用 IPSec保證遠程數(shù)據(jù)傳輸安全性 ? 任務： 在 windows server 2023/2023和 winxp上配置IPSec策略 ， 驗證配置 IPSec策略后 ， 通過抓包工具抓取兩臺機 器 上的通信數(shù)據(jù) ， 檢查數(shù)據(jù)是否被重新封裝 ? 實驗環(huán)境： 需要兩臺虛擬機 ： (1)Windows server 2023/2023:操作系統(tǒng)為 win2023， IP： ， 充當 tel服務器 (2) winxp:操作系統(tǒng)為 winxp， IP： ，安裝 wireshark/sniffer抓包軟件，充當 tel客戶端 75 Windows中的 Ipsec安全策略 76 實驗步驟 ? （ 1） 在 win server 2023/2023上開啟 tel服務 服務器管理器 功能 添加功能 tel服務器 啟動服務 ? （ 2） 由 winxp通過 tel登錄到 win server 2023/2023上，并且開啟抓包工具，抓取通信時輸入的用戶名和密碼 ? （ 3） 在 win server 2023/2023上配置 IPSec策