网络层安全通信协议

网络层安全通信协议信息1201王璐茅依莎什么是IPsec协议？IPsec协议簇１．IPsec的产生背景2．IPsec的体系结构3．IPsec实现方式4．IPsec工作模式5．安全关联第二部分2023/2/5IPsec的产生背景以IPv4为代表的TCP/IP协议簇存在的安全缺陷：（1）IP协议没有为通信提供良好的数据源认证机制。（2）IP协议没有为数据提供强的完整性保护机制。（3）IP协议没有为数据提供任何形式的机密性保护。（4）协议本身的设计存在一些细节上的缺陷和实现上的安全漏洞，使各种安全攻击有机可乘。在1998年，由IETFIP工作组制定了一组基于密码学的安全的开放网络安全协议，总称IP体系安全体系结构。简称IPsec.返回IPsec的体系结构IPSec是一套协议包，而不是一个单独的协议RFC文号。IPSec协议族中三个主要的协议：IP认证包头AH（IPAuthenticationHeader）：AH协议为IP包提供信息源验证和完整性保证。IP封装安全负载ESP（IPEncapsulatingSecurityPayload）ESP协议提供加密保证。Internet密钥交换IKE（TheInternetKeyExchange）：IKE提供双方交流时的共享安全信息。IPsec的体系结构返回IPsec的实现方式常用的实现方式有集成方式、BITS方式和BITW方式3种。(1)集成方式：把IPsec集成到IP协议的原始实现中，需要处理IP源码，适用于在主机和安全网关中实现。(2)堆栈中的块BITS方式：把IPsec作为一个“楔子”插入原来的IP协议栈和链路层之间，不需要处理IP源码，适用于对原有系统升级，通常在主机中实现。(3)线缆中的块BITW方式：在一个直接接入路由器或主机的设备中实现IPsec,通常用于军事和商业目的。当用于支持主机时，实现与BITS相似，但用于支持路由器或防火墙时，必须起到安全网关的作用。返回IPsec的工作模式

IPSec有两种工作模式：传输模式(TransportMode)和隧道模式(TunnelMode)。1.传输模式(TransportMode)：

IPSec协议头插入到原IP头部和传输层头部之间，只对IP包的有效负载进行加密或认证。2.隧道模式:IPSec会先利用AH或ESP对IP包进行认证或者加密，然后在IP包外面再包上一个新IP头。返回只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被放置在原IP包头后面。通常，传输模式应用在两台主机之间的通讯，或一台主机和一个安全网关之间的通讯。返回用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。通常，隧道模式应用在两个安全网关之间的通讯。返回定义安全关联SA,用于记录每条IP安全通路的策略和策略参数。安全关联是IPSec的基础,是通信双方建立的一种协定,决定了用来保护数据包的协议、转码方式、密钥以及密钥有效期等。AH和ESP都要用到安全关联,IKE的一个主要功能就是建立和维护安全关联。类型传输模式SA：传输模式SA只能用于两个主机之间的IP通信。隧道模式SA：隧道模式SA既可以用于两个主机之间的IP通信也可用于两个安全网关之间或一个主机与一个安全网关之间的IP通信。生存期是一个时间间隔或IPsec协议利用该SA来处理的数据量的大小。

SA是安全策略通常用一个三元组唯一的表示：<SPI，IP目的地址，安全协议标识符>1）SPI：安全参数索引(SecurityParametersIndex)，说明用SA的IP头类型，它可以包含认证算法、加密算法、用于认证加密的密钥以及密钥的生存期；2）IP目的地址：指定输出处理的目的IP地址，或输入处理的源IP地址；3）安全协议标识符：指明使用的协议是AH还是ESP或者两者同时使用。安全关联概述安全关联数据库SPD决定了对数据包提供的安全服务，所有IPSec实施方案的策略都保存在该数据库中。IP包的处理过程中，系统要查阅SPD，每一个数据包，都有三种可能的选择：丢弃、绕过IPSec或应用IPSec:1）丢弃：根本不允许数据包离开主机穿过安全网关；2）绕过：允许数据包通过，在传输中不使用IPSec进行保护；3）应用：在传输中需要IPSec保护数据包，对于这样的传输SPD必须规定提供的安全服务、所使用的协议和算法等等。

安全关联数据库SAD存放着和安全实体相关的所有SA，每个SA由三元组索引。一个SAD条目包含下列域：1)序列号计数器：32位整数，用于生成AH或ESP头中的序列号；2)序列号溢出标志：标识是否对序列号计数器的溢出进行审核；3)抗重发窗口：使用一个32位计数器和位图确定一个输入的AH或ESP数据包是否是重发包；4)IPSec协议操作模式：传输或隧道；5)AH的认证算法和所需密钥；6)ESP的认证算法和所需密钥；7)ESP加密算法，密钥，初始向量（IV）和IV模式；8)路径最大传输单元；9)进出标志；SA生存期状态。返回(1)AH头格式(2)AH操作模式(3)AH的处理过程AH协议下一个头：AH之后的下一载荷的类型，如可能是ESP或是其他传输层协议。载荷长度：以32位字为单位的AH的长度减2。AH实际上是一个IPv6扩展头，按照RFC2460，它的长度是从64位字表示的头长度中减去一个64位字而来，由于AH采用32位字为单位，因此需要减去两个32位字。保留：该字段目前置为0。安全参数索引：该字段用于和源或目的地址以及IPsec相关协议（AH或ESP）共同唯一标识一个数据报所属的数据流的安全关联（SA）。序列号：该字段包含一个作为单调增加计数器的32位无符号整数，它用来防止对数据包的重放攻击。认证数据：这个变长域包含数据包的认证数据，通过该认证数据具体提供数据包的完整性保护服务返回AH传输模式AH隧道模式返回ESP协议(1)ESP包格式(2)ESP操作模(3)ESP的处理过程1)安全参数索引SPI(SecurityParametersIndex)：同AH；2)序列号(SequenceNumber)：同AH；3)填充域(Padding)：0-255个字节。用来保证加密数据部分满足块加密的长度要求，若数据长度不足，则填充；4)填充域长度(PaddingLength)：接收端根据该字段长度去除数据中的填充位；5)下一个包头(NextHeader)：同AH；6)认证数据(AuthenticationData)：包含完整性检查和。完整性检查部分包括ESP包头、传输层协议、数据和ESP包尾，但不包括IP包头，因此ESP不能保证IP包头不被篡改。ESP加密部分包括传输层协议、数据和ESP包尾。返回返回IKE协议？IPSec支持手工设置密钥和自动商两种方式管理密钥。手工设置密钥方式是管理员使用自己的密钥手协工设置每个系统。这种方法在小型网络环境和有限的安全需要时可以工作得很好。自动协商方式则能满足其它所有的应用需求。使用自动协商方式，通讯双方在建立SA时可以动态地协商本次会话所需的加密密钥和其它各种安全参数，无须用户的介入。当采用自动协商密钥时就需要使用IKE。IKE是一个混合型协议,用来管理IPSec所用加密密钥的产生及处理。IKE提供的好处如下：允许管理员不必在两个对等体中手工指定所有IPSecSA参数；可以安全地建立用于对等体之间的会话密钥；允许为IPSecSA指定一个生存期；允许加密密钥在IPSec会话过程中改变；允许IPSec提供防重发攻击服务；允许为一个可以管理的、可以扩展的IPSec实施采用CA支持；优势

IKE由三个不同的协议组成：Internet安全关联和密钥管理协议ISAKMP（InternetSecurityAssociationan