智汇华云 | IPSec VPN原理介绍与实现
IPSec VPN是目前应用最广泛、最安全的VPN，从个人手机到平板电脑再到路由器、企业的防火墙都能轻松的创建IPSec VPN，保护使用者的数据安全防止数据被劫持，嗅探，因此掌握IPSec VPN原理以及常见问题排查对于运维及开发人员来说都至关重要。本期华云数据“智汇华云”专栏将为您奉上IPSec VPN原理介绍与实现。
本期讲解人
张胜
华云数据集团
高级云计算工程师
IPSec全称是Internet Protocol Security，是由（Internet Engineering Task Force）制定的一组开放的网络安全协议。它并不是一个单独的协议，而是一系列为IP网络提供安全性的协议和服务的集合，主要包括：
1.IKE(Internet Key Exchange 因特网密钥交换协议)
2.ESP(encapsulating security payload 封装安全载荷)
3.AH(Authentication Header 认证头协议，无法经过NAT，基本不使用)
IKE因特网密钥交换
IKE协议有v1版本和v2版本，目前我们主要使用v1版本，v1版本是基于UDP500 和4500（NAT使用）端口号的应用层协议。IKE协议的主要作用是交换IPSec对等体两端的SA（Security Association），SA一般包括：
1.使用哪种协议（AH、ESP还是两者结合使用）
2.协议的封装模式（传输模式和隧道模式）
3.认证算法（MD5、SHA-1）
4.加密算法（DES、3DES和AES128、aes256）对称加密，用于加密数据
5.pfsgroup（diffie-hellman group）modp1024，modp1536，modp2048非对称加密，用于安全交换密钥
6.特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等
IKEv1版本的协商过程分为两个阶段。
第一阶段叫做IKE(ISAKMP) SA，协商出来的SA给第二阶段使用，这一阶段又有两种协商模式，使用中一般使用主模式，比较安全
main mode，安全，但是要6个数据包
aggressive（野蛮模式），只需要4个数据包，由于不安全容易被暴力破解，一般不使用
第二阶段叫做IPSec SA，协商出来的SA给用户数据流加密使用
封装协议（安全协议）
IPSec的封装协议有两种：
1.AH(Authentication Header) 认证头协议，协议号为51。工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个AH报文头，基本不使用。
2.ESP(encapsulating security payload) 封装安全载荷，协议号为50。工作原理是在每一个数据包的标准IP报头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。
*与AH不同的是，ESP将数据中的有效载荷进行加密后再封装到数据包中，以保证数据的机密性，但ESP没有对IP头的内容进行保护。
封装模式
IPSec的封装模式也有两种，实际使用的时候双方协商出封装协议和封装模式，一并使用：
1.传输模式(host-to-host transport mode)，在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。传输模式不改变报文头，基本不使用。
2.隧道模式(tunneling mode )，隧道模式下，AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括新IP头，因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。
IPSec实现-控制面
上面讲的都是IPSec协议上的定义和规范，具体到IPSec在linux系统的实现上主要有各种swan（openswan，strongswan，libreswan），这些应用程序负责协商双方的加密算法，加密方式，隧道模式，路由策略。并通过linux的xfrm内核接口调用下发到数据面中。
IPSec实现-数据面
IPSec在Linux上有两种数据面，目前一般使用第二种Linux内核的XFRM框架，除非是很老的机器没有这个的时候会用第一种：
1.KLIPS ，很古老，2.6版本以前的Linux版本使用。通过创建出虚拟IPSec接口，路由IPSec数据包，可以很方便添加firewall规则。
2.Linux内核XFRM/NETKEY（ipsec transform），执行具体的转发策略和封包解包，如果有offload还要执行offload提升速度。新版本内核也支持创建出虚拟IPSec接口，方便添加firewall规则。
控制面-Libreswan
这里我们主要讲一下libreswan，libreswan是目前使用较多的IPSec控制面实现，平常使用中需要掌握libreswan中的pluto和whack命令
1.pluto 命令是IPsec IKE keying守护进程，负责自动化ipsec之间的SA协商。
启动pluto守护进程命令：ipsec pluto
2.whack命令是用户和pluto守护进程进行交互使用的命令
# 添加一条ipsec连接(vpn1的具体配置写在文件中)
ipsec whack addconn vpn1 --config ipsec.config
# 允许pluto守护进程开始监听
ipsec whack --listen
# 初始化ipsec连接
ipsec whack --initiate --name vpn1
数据面-XFRM
Linux内核通过XFRM框架来支持IPSec的数据面实现，xfrm框架支持Linux的网络namespace。
xfrm使用两个数据库记录ipsec的数据面信息。
1.xfrm策略，存储在内核的SPD（security policy database）中。告诉ipsec哪些流量需要进行ipsec处理。
2.xfrm状态，存储在内核的SADB（security association database）中。表示单向流量，包含加密密钥，标志，请求ID，统计信息等信息。
手动创建ipsec隧道
ip xfrm命令可以手动创建两台之间使用ipsec隧道通信，跳过libreswan的控制面SA协商
192.168.0.6 <=======> 192.168.0.28，脚本如下：
A=192.168.0.6
B=192.168.0.28
ip xfrm state add src $A dst $B proto esp spi 0x00000301 mode tunnel auth md5 0x96358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xf6ddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm state add src $B dst $A proto esp spi 0x00000302 mode tunnel auth md5 0x99358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xffddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm policy add src $A dst $B dir out ptype main tmpl src $A dst $B proto esp mode tunnel
ip xfrm policy add src $B dst $A dir in ptype main tmpl src $B dst $A proto esp mode tunnel
ip xfrm state add src $A dst $B proto esp spi 0x00000301 mode tunnel auth md5 0x96358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xf6ddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm state add src $B dst $A proto esp spi 0x00000302 mode tunnel auth md5 0x99358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xffddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm policy add src $A dst $B dir in ptype main tmpl src $A dst $B proto esp mode tunnel
ip xfrm policy add src $B dst $A dir out ptype main tmpl src $B dst $A proto esp mode tunnel
tcpdump 抓包
抓包看两台机器之间的ping包，可以发现ping包已经被加密为ESP报文。
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