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文档简介
第7讲安全协议
loIPSec协议
2oIPSec的安全性评价及其改进
3o密钥交换协议
.「1、IPSec协议
・1、IPSec体系结构
-2、IPSec协议框架
・3、AH协,议
•4、ESP协议
•5、IPSec传输模式
・6、IPSec隧道模式
•7、安全策略数据库(SPD)
・8、安全联盟数据库(SADB)
•9、数据包输出处理
•10、数据包输入处理
•11、包处理组件实现模型
1。1、IPSec体系结构
图IPSec安全体系结构
•1。2、IPSec协议框架(1)
综合了密码技术和协议安全机制,IPSec协议
的设计目标是在IPV4和IPV6环境中为网络层
流量提供灵活的安全服务。IPSec协议提供的
安全服务包括:访问控制、无连接完整性、数
据源鉴别、重传攻击保护、机密性、有限的流
量保密等。IPSec协议主要内容包括:
・协议框架一RFC2401;
・安全协议:AH协议一RFC2402、ESP协议一
RFC2406;
•1。2、IPSec协议框架(2)
・密钥管理协议:IKE-RFC2409、
ISAKMP—RFC2408、OAKLEY协议一
RFC2412o
・密码算法:HMAC-RFC2104/2404>CAST
-RFC2144、ESP加密算法一RFC2405/2451等。
・其他:解释域DOI—RFC2407、IPComp-
RFC2393、Roadmap-RFC2411o
Io2、IPSec协议框架(3)
IPSec协议文件框架图
r-----
lo3、AH协议
—r—认证的(ip头中可变字段除外)fIPv4
原IP头一屈买一TCP头数据传输模式
_____
下一负载头标(8)|净载荷长度(8)|保留(16)
安全参数索弓l(SPI)_______________________
序列号
认证数据(32比特的整数倍)
图AH的格式
1。5、IPSec传输模式
认证的(原IP头的可变字段除外)
IPv4
原IP头AHTCP头数据
AH传输模式
认证的
加密的
IPv4
原IP头ESP头部TCP头数据ESP尾部ESP认证数据
ESP传输模式
图IPSec传输模式下的AH、ESP数据封装格式
鬲
Lo6、IPSec隧道模式
VPN网关X经认证(加密)的数据VPN隧道VPN网关X
数据|B»-数据BAYXT数据.~|
BA数据一一;Y|XBA数据|/BA数据」::,:,二!
<IP分组N(SPD)(SPD)主机B
新IP头信息-原IP头信息
(源地址Y、目的地址X)(源地址B、目的地址A)
原IP头TCP头数据原IP包
IPv4
新IP头AH原IP头TCP头数据
AH隧道模式
认证的(新IP头的可变字段除外)
------认证的--------
-加密的------►
IPv4
新IP头ESP头部原IP头TCP头数据ESP尾部ESP认证数据
ESP隧道模式
图IPSec隧道模式下的AH、ESP的数据封装格式
Ho7、安全策略数据库(SPD)
(1)
・SP是一个描述规则,定义了对什么样的
数据流实施什么样的安全处理,至于安
全处理需要的参数在SP指向的一个结构
SA中存储。
•SP描述:对本地子网和远程网关后的子
四间的Telnet通信流,实施ESP通道保护,
采用3DES加密算法和HMAC-SHA1验证
算法。
Ho7、安全策略数据库(SPD)
、(2)
•系统中的安全策略组成了SPD,每个记录
就是一条SP,定义类似上例中的描述规则,
一般分为应用IPSec处理、绕过、丢弃。
•从通信数据包中,可以提取关键信息填
充到一个称为“选择符”的结构中去,
包括目标IP、源IP、传输层协议、源和目
标端口等等。然后利用选择符去搜索
SPD,找到描述了该通信流的SP。
Io8、安全联盟数据库(SADB)
1'(1)
•SA(SecurityAssociation)是两个IPSec通信
实体之间经协商建立起来的一种共同协
定,它规定了通信双方使用哪种IPSec协
议保护数据安全、应用的算法标识、加
密和验证的密钥取值以及密钥的生存周
期等等安全属性值。
Io8、安全联盟数据库(SADB)
--(2)
•安全联盟常用参数
•加密及验证密钥。
密码算法在系统中的标识。
•序列号,32位的字段,在处理外出的数据包时,一个SA被应用一次,
它的序列号号字段就递增一,并被填充到数据包的IPSec头中,接收方
可以利用此字段进行抗重播攻击。
•抗重播窗口。接收方使用滑动窗口算法来进行对恶意主机重复发出的
数据包进行检测。
•生存周期。规定了该SA的有效使用周期,可以按照建立至今的时间
或者处理的流量来计算。
•实施模式。即通道模式还是传输模式。
•IPSec隧道目的地址。
•安全参数索引(SPI)。参与唯一标识某SA。
►eIo.9、数据包输出处理
数据包被从网络设备发送出去之前,截取到
IP包,然后从中提取选择符信息,依据之搜索
SPD,产生如下可能结果:
•SP决定丢弃此包,于是直接丢弃,或者还可
以向源主机发送ICMP信息;
•SP决定通过此包,直接将数据包投放到网络设
备的发送队列;
•SP决定应用IPSec,此时SP要么指向一个SA,可
以根据它进行安全处理,要么需要的SA不存在,
则触发IKE模块协商建立SA,协商周期内数据
包进入等待队列等待协商完成,若协商超时,
也会丢弃该包。
Io10>数据包输入处理
系统收到IP包后,判断如果是IPSec包,则从
头部取到<dst_ip,protocol,SPI>,搜索SADB。
•若找不到SA,丢弃包;
•若找到,根据其进行解封装,得到去通道
化后的原始IP包,再从原始IP包中提取选择符,
搜索到SPD中某一条目,检查收到包的安全处理
是否符合描述规则,不符合则丢弃包,符合则转
入系统IP协议栈进行后继处理。
Ioq11、包处理组件实现模型
ESPAHCrypotolib
2。IPSec的安全性评价及其
.、改进
•1、IPSecVPN的优势
•2、IPSec过于复杂
•3、IPSec协议存在的问题
•4、对IKE协议的改进
•5、IPSec与NAT的共处
■6、远程拨号接入
•7、支持组播
•8、对先加密后认证顺序的评价
•9、对IPSec的总体评价
2o1、IPSecVPN的优势(1)
VPN技术虽然种类众多,但IETF下的IPSec
工作组推出的IPSec协议是目前工业界IP
VPN标准,以IPSec协议构建虚拟专用网已成
为主流。
基于IPSec构建IPVPN是指利用实现IPsec协
议的安全网关(SecurityGateway)充当边界
路由器,完成安全的远程接入和在广域网上
内部网络的“虚拟”专线互联等。
2。1、IPSecVPN的优势(2)
为数据的安全传输提供了身份鉴别、数据完
整性、机密性保证等措施,并且其提供的安
全功能与密钥管理系统松散耦合。
•端到端的IPSecVPN专线租费比PVC等物理
专线的租用费低很多。
•远程接入IPSecVPN接入成本比长途电话费
用低(只考虑本地拨号和VPN隧道占用费)。
2o2、IPSec过于复杂(1)
举例说明。比如在IPSec中,存在两种模式,两种
协议AH和ESP。若要对两台主机之间的数据包
进行认证,存在以下六种方案:
传送模式+AH;
隧道模式+AH;
传送模式+ESP(无加密);
隧道模式+ESP(无加密);
传送模式+ESP(加密);
隧道模式+ESP(加密);
2。2、IPSec过于复杂(2)建
议去掉传送模式
•去掉传送模式;
,去掉AH协议;
•在ESP中,数据源认证是必须的,而加密
功能是可选的;
•先加密后认证的顺序存在问题
2o2、IPSec过于复杂(3)建
1议去掉AH协议
•AH和ESP在功能上重叠
・AH的认证存在的问题
•隧道模式+ESP
-提供和AH几乎同样强度的认证
-通过压缩机制来节省带宽
-2o3、IPSec协议存在的问题
网络新技术不断涌现,对IPSec协议提出了
新的挑战;针对IPSec协议的各种不足,IETF
下的IPSec工作组正在酝酿IPSec协议的改进,
包括IKEV2。
国内外研究发现,IPSec协议大致存在下列
问题:
LIKE协议的安全性;
2.与现有网络机制的兼容性;
3.缺乏对远程拨号接入的支持;
4.不支持组播、多协议;
-2o4、对IKE协议的改进(1)
1.网络新技术不断涌现,对IPSec协议提出
了新的挑战;针对IPSec协议的各种不足,
IETF下的IPSec工作组正在酝酿对IPSec协议的
改进,即IKEV2。
2.J.Zhou在分析IKE协议基础上,提出
HASH」和HASH_R的计算公式存在安全隐患。
3.BruceSchneier等人认为IKE协议过于复杂
,某些细节描述不够清楚,与ISAKMP协议有
冲突。
--2o4、对IKE协议的改进(2)
4.J.M.Sierra等人提出利用新的协商模式-
发生器模式(GeneratorMode)实现IKESA的
快速更新。
5.RadiaPerlman等研究发现,IKE协议提
供的用户身份保密功能与采用的身份认证方
法直接相关,对激进模式进行适当的修改也
能提供身份保护。J.Zhou提出采用数字签名
认证方式的主模式可能导致发起方的身份信
息泄漏。
2。5、IPSec与NAT的共处(1)
网络地址转换一NAT技术通过修改IP包
内容实现包的正常传输;而IPSec协议通过采
用MAC技术保护IP包中数据完整性,因此
NAT与IPSec是一对矛盾。
IETF下的网络工作组提出了在隧道模式下
使用IPC-NAT(IPSecControlNAT)的解
决方案O
对于端到端的IPSec与NAT的共处,网络工
作组建议使用RSIP(RealmSpecificIP)协
议。
2o5、IPSec与NAT的共处(2)
♦BalajiSivasubramanian等提出适用于协作
IP网络的一种的端到端安全解决方案。
该方案的巧妙之处在于IPSec处理预先使
用NAT变换之后的数据(公共IP地址或
端口),数据包经过NAT设备时,NAT
设备对它的修改正好与IPSec提供的数据
完整性保护相吻合。
♦IPSec工作组提出利用UDP协议封装
IPSec处理后的数据包,则NAT设备最多
需要涉及对UDP头的数据修改。
2。6、远程拨号接入
IPSec协议本身只提供IP层的安全服务,无
法在更高层实施更小颗粒的访问控制,这样
就有必要借鉴高层机制,帮助IPSec协议改进
对远程接入的支持。
安全远程接入解决方案大致有:
联合L2Tp协议
利用MobileIP协议;
♦:♦修改IKE协议一Xauth协议、Crack协
议、Hybrid鉴别协议;
PIC协议;
-2o7、支持组播(1)
IPSec协议文件虽然指出协议支持使用组
播(Multicast)地址,但实质上协议缺乏对组
播的完整支持。
将IPSec协议应用到组播环境中,迫切需
要解决的问题包括:
♦SA的唯一性问题;
。组机密性问题;
。单个源鉴别问题;
防重传攻击服务失效;
2o7、支持组播(2)
组播源鉴别:G_R方案基于数字签名技术和摘要技
术,将对多个消息单个源鉴别分解为对第一个消
息的签名和其他消息摘要的链式组合。CKWong等
人提出多个包的一次签名可等价转化为对每个包
的摘要的集中签名;为减少每个包的尺寸,可采
用树形链或星形链技术,安排每个包中携带的摘
要。C.Canetti等提出利用MAC技术实现组播
源鉴别:发送方拥有K个密钥,每个接收方只
与其共享£个密钥(ZXK),发送方发送每个
包时同时附带K个MAC值。
:二2。7、支持组播(3)
组播密钥管理方案
C.KWong等提出分级树组密钥方案,利
用密钥服务器(KS)负责产生所有密钥,并
按照虚拟的分级树组织每个成员存储的密钥。
A.Ballardie>H.Harney等人分别提出可扩
展的组播密钥分发协议(SMKD)和组密钥
管理协议(GKMP),这两种协议的共同缺
点是缺乏针对组成员关系变化的密钥更新机
制,SMKD依赖特殊的组播体系(CBT)。
在lolus方案中,S.Mitra采用分级架构将组
播组细分为若干个独立的子组;组安全接口
(GSI)负责跨组通信的转换。
2o&对先加密后认证顺序的
评价
・IPSec中的加密和认证顺序;
・Horton定理:认证协议应当基于消息本
身的含义进行认证;
•如果出于效率考虑,应当认证解密密钥
2o9、对IPSec的总体评价
•优点
-安全性明显优于其它隧道协议
•缺点
-过于复杂
—存在安全漏洞
-安全性分析困难
•根本的解决方案:对IPSec进行修补不能解决根
本问题,必须彻底诙变制定IPSec的委员会模式
(committeeprocess)
3O互联网密钥交换
(InternetKeyExchange)
1、IKE功能
2、密钥交换包格式(ISAKMP)-
3、安全联盟的协商
4、密钥交换的两个阶段
5、Diffie-HeiIman密钥交换
6、交换流程
3。1、IKE功能
•用IPSec保护数据包,必须首先建立一个IPSec的安全
联盟,这个安全联盟可以手工建立,也可以动态由特定进
程来创建。这个特定的进程就是InternetKeyExchange,即
IKEoIKE的用途就是在IPSec通信双方之间通过协商建立
起共享安全参数及验证过的密钥,也就是建立安全联盟。
•IKE协议是Oakley和SKEME协议的混合,在由
ISAKMP规定的一个框架内运作,可以为多种需要安全服
务的协议进行策略磋商和密钥建立,比如
SNMPv3,OSPFv2,IPSec等。
3o2、密钥交换包格式(ISAKMP)--
-3o2、密钥交换包格式
(ISAKMP)-2
•安全联盟载荷,
•转码载荷表示协商时供对方选择的一组安全属性字段的取
值,比如算法,安全联盟的存活期,密钥长度等等。
•密钥交换载荷,表示了实施密钥交换必需的信息。散列载
荷,是一个散列函数的运算结果值。
•nonce载荷,是一串伪随机值,用以衍生加密材料。
•证书载荷,在身份验证时向对方提供证书。
■证书请求载荷。
3o3、安全联盟的协商
通信双方要建立共享的安全联盟,必须进行协商。
双方根据本方的实际安全需求,制定采用的算法,密钥刷新频
率,密钥的长度等等策略。发起方在发送的安全联盟载荷中,
根据策略的优先级顺序,将计划采用的安全参数的组合以提案
载荷和转码载荷的形式级联表示出来,响应方收到后,依据策
略选择最合适的一种,再构建应答的安全联盟,此时应答方只
包含了选中的一种安全参数组合。这样,一个共享的安全联盟
就可以获得了。
在协商的进程中,双方也通过计算得到共享的密钥。
3。4、密钥交换的两个阶段
1.阶段一交换(phase1exchange):在“阶段一”周期里,两个
IKE实体建立一个安全的,经验证的信道进行后续通信,要
建立这样的安全信道,双方会建立一对ISAKMP安全联盟。
阶段一交换可以用身份保护模式(也叫主模式)或野蛮模式来
实现,而这两种模式也仅用于阶段一中。
2.阶段二交换(phase2exchange):“阶段二"周期里,IKE实体
会在阶段一建立起来的安全信道中,为某种进程协商和产生
需要的密钥材料和安全参数,在VPN实现中,就是建立
IPSec安全联盟。快速模式交换可用来实现阶段二交换并且
仅用于此阶段中。
3o5、Diffie-Hellman密钥交换
D-H交换的安全性源于在有限域上计算离散对
数比计算指数更为困难。
DH交换的原理简述如下。
通信双方为Alice和Bob,双方均定好一个参数组,其中指定了运算中使用隹
质致P和底效g,Alice和Bob分别选择一个随机的私人数字a和b,然后两人分
别计算:
Alice:A=gttmodpBob:5=gdmodp
通过开放信道,两人交换A和B,然后再次进行乘幕运算,使用收到的数字作
底数,生成共享的一个公共值:
32modp=modp=dmodp
在交换运算过程中,只有私人数字a和b需要保密,其他数字A,B,g,p都不必保
抵交换双方生成共享密钥后,就可以用之来保护后续的通信,这样,原来不生
全的信道就变得安全了。
3o6、交换流程(1)
(阶段一身份保护模式)
IntiatorDirectionNote
(l)HDR;SA=>发起协商
(2)<=HDR;SA对SA达成一致
(3)HDR;KE;NONCE=>交换DH公开值
(4)<=HDR;KE;NONCE交换DH公开值
(5)HDR*;IDi;AUTHDATA=>发送验证身份数
据.加密传送
⑹<=HDR*;I
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