【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)協(xié)商完成時(shí)產(chǎn)生密鑰 ,該密鑰用于生成實(shí)際加密數(shù)據(jù)的密鑰資源 . 第二階段為快速模式 (3 條消息 ): 主要目標(biāo)是允許二個(gè)對(duì)等協(xié)商一些用于產(chǎn)生 IPsec 安全聯(lián)盟的屬性 ,安全聯(lián)盟可以加密二個(gè)主機(jī)間的 數(shù)據(jù) (ESP). IKE 如何用來形成一條 IPsec 隧道的呢 ? 這一系列過程都是 IKE 這個(gè)協(xié)議來實(shí)現(xiàn) ,IKE 這個(gè)協(xié)議也存在著一些不足 ,“ IKE 之子”或第二版 IKE 正在開發(fā)之中 . 主模式 (6 條消息 )或主動(dòng)模式 (3 條消息 ) 第一階段三個(gè)任務(wù) ,分別用 6個(gè)消息 (主模式 )來完成 ,每二個(gè)為一組 . 第一個(gè)消息由隧道的發(fā)起者發(fā)起 ,攜帶了如這樣一些參數(shù) ,如加密機(jī)制 DES,散列機(jī)制 MD5HMAC,DiffieHellman 組 2,認(rèn)證機(jī)制 預(yù)共享 . 第二個(gè)消息由響應(yīng)者回應(yīng) ,內(nèi)容基本一樣 ,主要與發(fā)起者比較 ,是否與發(fā)起者匹配 ,不匹配就進(jìn)行下一組的比較 .如果最終都找不到匹配 ,隧道就停止建立 . 第三個(gè)消息由發(fā)起者發(fā)出 ,但是在發(fā)出這個(gè)消息之前 ,有個(gè)過程必須先完成 ,就是DiffieHellman算法過程 .該過程的目的是什么呢？剛剛第一二條消息中所協(xié)商的算法它們必須需要一個(gè) KEY,這個(gè) KEY 在二個(gè)對(duì)等體上必須一樣 ,但同時(shí)這個(gè) KEY 不能在鏈路中傳遞 ,因?yàn)閭鬟f KEY 是一個(gè)不安全的手段 .所以 ,該過程的目的是分別在二個(gè)對(duì)等間獨(dú)立地生成一個(gè) DH公共值 (該 DH公共值不是我們上面所說的 KEY),該公共值有什么用呢？因?yàn)槎€(gè)對(duì)等體上都生成該 DH 公共值 后 ,它們會(huì)在接下來的第三第四消息中傳送給對(duì)方 ,打個(gè)比方 ,就是 A收到了 B的 DH 公共值 Xb,B 收到了 A的 DH公共值 A,B 都收到了對(duì)方的該公共值后 ,問題就好解決了 .因?yàn)橛幸粋€(gè)公式在數(shù)學(xué)中被論證成立 ,借助該 公式 ,就可以在二個(gè)對(duì)等上生成一個(gè)只有他們二個(gè)對(duì)等體知道的相同的 KEY,該公式為 發(fā)起者密秘 =(Xb)amod p=(Xa)bmod p=響應(yīng)者密秘 Xb為對(duì)等體 B 的 DH 公共值 ,Xa 為對(duì)等體 A的 DH 公共值 a 為只有對(duì)等體 A知道的秘密 . b 為只有對(duì)等體 B 知道的秘密 . 注意 ,這里發(fā)起者秘密和響應(yīng)者密秘相等 ,但這個(gè) 秘密不是最終算法中使用的 KEY,但對(duì)等體可通過該秘密材料來生 成另外三個(gè)密鑰 ,分別是 : SKEYID_d此密鑰被用于計(jì)算后續(xù) IPsec 密鑰資源 . 基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 SKEYID_a此密鑰被用于提供后續(xù) IKE 消息的數(shù)據(jù)完整性以及認(rèn)證 . SKEYID_e此密鑰被用于對(duì)后續(xù) IKE 消息進(jìn)行加密 . 所以由發(fā)起者發(fā)起的第三條消息主要是向?qū)Φ润w發(fā)送自己的 DH公共值和一個(gè)臨時(shí)值 . 臨時(shí)值被用作生成上述 3個(gè) SKEYID 的材料 . 第四條消息由響應(yīng)者向發(fā)起者發(fā)送 ,主要是向發(fā)送者發(fā)送自己的 DH公共值和臨時(shí)值 . 由于第一二條消息 協(xié)商算法 ,第三四條消息生成 KEY,所以在后續(xù)的第五六條消息就能被加密傳送 . 第五條消息由發(fā)起者向響應(yīng)者發(fā)送 ,主要是為了驗(yàn)證對(duì)端就是自己想要與之通信的對(duì)端 .這可以通過預(yù)共享 ,數(shù)字簽名 ,加密臨時(shí)值來實(shí)現(xiàn) . 第六條消息由響應(yīng)者向發(fā)起者發(fā)送 ,主要目的和第五條一樣 . 在這六條消息過后 ,也就是驗(yàn)證一旦通過 ,就進(jìn)入了第二階段 :快速模式 ,快速模式使用二條消息來實(shí)現(xiàn) .快速模式發(fā)起者會(huì)在第一條消息中發(fā)送 IPsec SA 的轉(zhuǎn)換集屬性 ,如 :封裝 ESP,完整性檢驗(yàn) SHAHMAC,DH 組 2,模式 隧道響應(yīng)者向發(fā)起者發(fā)送 第二條消息 ,同意第一條消息中的屬性 ,同時(shí)也能起到確認(rèn)收到對(duì)端消息的作用 .這一步一旦完成 ,隧道就建立起來了 ,用戶的數(shù)據(jù)就能被放入隧道中傳送 . 圖 28 快速模式交換 示意圖 2) IPSEC VPN 的安全基礎(chǔ) 基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 【機(jī)密性保護(hù) 】 機(jī)密性保護(hù)的作用：防止信息泄漏給未經(jīng)授權(quán)的個(gè)人。 A和 B要進(jìn)行安全通信，假設(shè) A 要發(fā)送給 B：“ hello“這個(gè)信息，肯定不可能直接明文發(fā)送，所以要對(duì)發(fā)出去的信息進(jìn)行加密處理，然后 B收到后再進(jìn)行解密處理，這樣的過程就是保護(hù)數(shù)據(jù)機(jī)密性的 過程。 幾個(gè)概念： 算法：在加密和解密過程中采用的一組規(guī)則。 密鑰：可以看作是密碼算法的參數(shù)，用來控制加密，解密操作。分為加密密鑰 Ke和解密密鑰 Kd。就上面的例子，比如 A的消息“ hello”就是明文，假設(shè)算法是這樣的一組規(guī)則：加密的時(shí)候?qū)⒆帜竿笠?x個(gè)字母，解密的時(shí)候往前移位三個(gè)字母。密鑰是x，這里假設(shè)密鑰為 3。根據(jù)這個(gè)算法，加密后的密文就成了：“ khoor”，這樣別人看到這串字母就不知道什么意思了。解密密鑰也是 x（這里也是 3），接受方根據(jù)解密算法就可以將密文向前移位三個(gè)字母，就可以得到明文。 因此我們可以 這樣理解，加密是要由算法和密鑰共同組成的。 目前，很多加密算法都是公開的，也就是大家可以知道這些算法是怎么算的，都是有標(biāo)準(zhǔn)的。但是密鑰是要保護(hù)的，這樣即時(shí)知道了算法，也不能解密。就上面的例子來說，你知道算法是加密后移 k位，解密前移 k 位，但是你不知道密鑰 k是多少，所以也就不能解密了。算法是公開的，密鑰是私有的，如何管理和分配私鑰成為重要問題。 現(xiàn)在來看下圖中的 Ke 和 Kd， Ke 是加密時(shí)候用的密鑰， Kd是解密時(shí)候用的密鑰。 如果在算法中 Ke 和 Kd 是相同的，我們說這是個(gè)對(duì)稱密鑰算法。 如果在算法中 Ke 和 Kd 是不一樣 的，我們就說這是個(gè)非對(duì)稱密鑰算法。 在這里不對(duì)比這兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，這里只需知道不管是對(duì)稱還是非對(duì)稱，都是加密算法，都可以用來作加密，只是密鑰不同。 對(duì)稱加密算法有： DES， 3DES， AES， IDEA， RC4， A5， （記住常用的三個(gè)即可） 非對(duì)稱加密算法有： RSA， DiffieHellman， Rabin， ELGmal 機(jī)密性總結(jié)： 。 ，算法是可以公開的，需要保護(hù)的是密鑰。 ： DES， 3DES， AES；常用 的非對(duì)稱加密算法： RSA，DiffieHellman（簡稱 DH） 【完整性保護(hù)】 通過對(duì)主機(jī) A 的原始數(shù)據(jù)加密形成密文再傳送保護(hù)了數(shù)據(jù)的機(jī)密性，但是在傳輸過程中，如果密文因?yàn)槟承┰騺G失了一部分，或者被別人篡改了，那么在主機(jī) B中就不能收到完整的 A所發(fā)送的的信息了。因此我們需要一種方法來解決這個(gè)問題，即驗(yàn)證數(shù)基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 據(jù)的完整性。完整性，可以這樣理解，我們要通過某種方法，來判斷 B收到的信息和 A給的信息是一樣的，是完整的。 我們通過 hash 算法實(shí)現(xiàn)這一功能。（這里需要注意的是完整性可以通過 hash 函數(shù)來實(shí)現(xiàn) ，但是這些 hash 函數(shù)不僅僅只能用來做完整性保護(hù)，具體情況要看被 hash 的數(shù)據(jù)是什么而定，后續(xù)會(huì)提到。） HASH 算法是通過 HASH 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。 hash 函數(shù)有： MD5， SHA1 hash 函數(shù)的特點(diǎn)，必須記住的： ，輸出是固定長度的值的值（ MD5 是 128 位），叫 hash 值。 函數(shù)是單向的，即正向計(jì)算容易，求逆極其困難，我們這里認(rèn)為是不可能的。 【身份認(rèn)證】 身份認(rèn)證：一種用來驗(yàn)證發(fā)送者的身份的真實(shí)性，通過身份認(rèn)證可以發(fā)現(xiàn)那些假冒的頂替的入侵者。 從例子上看， A發(fā)給 B 消息， B 要驗(yàn)證消息確實(shí)是 A發(fā)出的，而不是別人發(fā)出的。 身份認(rèn)證可用公鑰密碼體制來驗(yàn)證。 首先了解一下公鑰的密鑰體制的一些重要概念 : ，分為公鑰和私鑰。 ，只有對(duì)應(yīng)的公鑰才能解密。 用于身份認(rèn)證 ，只有對(duì)應(yīng)的私鑰才能解密。 用于數(shù)據(jù)加密 公鑰密碼體制不僅可以用在保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性，而且可以用在身份認(rèn)證中。將公鑰公開，就是任何人都可以得到公鑰，發(fā)送者用相應(yīng)的私鑰加密，由于只有發(fā)送者才有私鑰，所以只要接受者能用公鑰解開，就能證明一定是擁有私鑰的人發(fā)送的。這樣就驗(yàn)證了 對(duì)方的身份。 總結(jié)一句話：私鑰加密，公鑰解密，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。 IPSEC VPN 加密通信中的四個(gè)概念： 消息認(rèn)證碼 算法 【 MAC 消息認(rèn)證碼】 消息認(rèn)證碼（ MAC）就是帶密鑰的 hash 函數(shù)，用來做驗(yàn)證用。 MAC 消息認(rèn)證碼是將共享密鑰和數(shù)據(jù)一起做 hash， 驗(yàn)證過程： 基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 和 B通信之前已經(jīng)協(xié)商好一個(gè)共享密鑰，只有 A和 B知道。 將發(fā)出的消息和密鑰一起做 hash 運(yùn)算，得到 mac 值，附在消息后面。 收到消息和 mac值，將消息和他共享密鑰做同樣的 hash 運(yùn) 算。 hash 值，因?yàn)橹挥邢⒑兔荑€都一樣， hash 值才可能一樣，所以如果 hash 值一樣，則說明消息是正確的，而且說明消息是由 A（擁有共享密鑰的人）發(fā)送的。達(dá)到認(rèn)證和完整性的目的。 注意： IPSEC VPN 里用的就是 HMAC。 完整性和數(shù)據(jù)源認(rèn)證的區(qū)別 本質(zhì)區(qū)別：完整性檢驗(yàn)只對(duì)消息做 hash 值，而數(shù)據(jù)源認(rèn)證對(duì)數(shù)據(jù)和密鑰做 hash。 第一，數(shù)據(jù)源認(rèn)證必須要求通信，而數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證不一定需要通信，例如存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性認(rèn)證。 第二，數(shù)據(jù)源認(rèn)證必然要求識(shí)別數(shù)據(jù)源，而數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)不一定需要，例如無源數(shù)據(jù) 識(shí)別中的數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。 消息認(rèn)證碼總結(jié)： 主要功能是用來做消息認(rèn)證的。 hash 算法來實(shí)現(xiàn)的。 算法可以用來做完整性檢驗(yàn)，也可以用來做消息認(rèn)證，取決于所 hash 的內(nèi)容有沒有包含密鑰。 【數(shù)字簽名】 數(shù)字簽名，目的是認(rèn)證，防止欺騙或抵賴。數(shù)字簽名涉及的技術(shù)：公鑰密碼體制和完整性檢驗(yàn)。 回顧公鑰密碼體制的最重要特性：密鑰是成對(duì)的，而且公鑰加密只有私鑰能解，同樣私鑰加密只有公鑰能解。 p： L bits 長的素?cái)?shù)。 L是 64的倍數(shù)，范圍是 512 到 1024； q：是 p 1 的 160bits 的素因子； g： g = h^((p1)/q) mod p， h 滿足 h p 1, h^((p1)/q) mod p 1； x：秘密密鑰，正整數(shù)， x q； y： y = g^x mod p ， ( p, q, g, y )為公鑰； k為隨機(jī)數(shù)， 0〈 k〈 q； H( x )： OneWay Hash 函數(shù)。 DSS 中選用 SHA( Secure Hash Algorithm )。 p, q, g可由一組用戶共享，但在實(shí)際應(yīng)用中，使基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 14 公共模數(shù)可能會(huì)帶來一定的威脅。 簽名 過程如下： 圖 211 數(shù)字簽名示意圖 數(shù)字簽名方案有兩個(gè)部分：簽名算法和驗(yàn)證算法。 圖 211 和圖 212 表示簽名算法和驗(yàn)證算法。 圖 212 簽名算法 圖示說明：數(shù)據(jù)用 hash 函數(shù)哈希得到定長的輸出，然后用私鑰簽名 hash 值。 數(shù)字簽名的核心在于用私鑰加密。 這里 hash 函數(shù)的作用有兩個(gè)： 1）得到的定長輸出，位數(shù)短，私鑰簽名的時(shí)候速度快。 2）保證數(shù)據(jù)的完整性。 驗(yàn)證算法： 基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 15 圖 213 驗(yàn)證算法 數(shù)字簽名總結(jié)： 的技術(shù)支持：完整性算法和公鑰密碼體制。 ： DSS 。 【數(shù)字證書】 數(shù)字證書，數(shù)字證書將身份標(biāo)識(shí)與公鑰綁定在一起，并由可信任的第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)用其私鑰簽名。 數(shù)字證書可以防止“中間人攻擊”。 圖 214 中間人攻擊 圖示解說： ，（即“公鑰”）指的是 hacker 的公鑰，并不是真正的公鑰，但是 Alice 認(rèn)為是 BOb 的公鑰。 。 從中間人攻擊過程可以看出，不安全的因素在于不能識(shí)別公鑰的來源。數(shù)字證書就是為解決這個(gè)問題而來的。 數(shù)字證書的解決辦法： 基于 Cisco 設(shè)備 IP Sec VPN 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 ，形成證書，這樣公鑰就和身份相對(duì)應(yīng)。 。 注意： 數(shù)字證書安全的前提是第三方是可信任的，如果第三方被偽造，數(shù)字證書就沒有安全性可言。 數(shù)字證書總結(jié)： 1. 驗(yàn)證過程： A 從第三方下載證書，內(nèi)有 B的公鑰和 B的身份標(biāo)識(shí)，由第三方證明公鑰是由 B 所持有。 2. 數(shù)字證書用來防止中間人攻擊。 【 DH 算法】 DH 算法，全稱： Diffie — Hellman 算法，是一種非對(duì)稱密鑰算法。 目的： 在一個(gè)非安全的通道上安全地建立一個(gè)共享密鑰，用來建立安全的信道。 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：基于求離散對(duì)數(shù)難。 詳細(xì)過程： 有兩個(gè)全局公開的參數(shù)，一個(gè)素?cái)?shù) q 和一個(gè)整數(shù) a， a是 q的一個(gè)原根。 假設(shè)用戶 A和 B希望交換一個(gè)密鑰，用戶 A選擇一個(gè)作為私有密鑰的隨機(jī)數(shù) XAq，