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IPSec VPN 报文介绍以及协商建立过程

• IPSec VPN 报文介绍以及协商建立过程
  • 介绍
  • ISAKMP报文介绍
  • IPSec VPN协商建立过程
    • 主模式（Main mode）
      • 主模式第1个和第2个数据包
      • 主模式第3个和第4个数据包
      • 主模式第5个和第6个数据包
    • 快速模式（Quick mode）
  • 参考文献

介绍

1. ISAKMP报文介绍
2. IPSec VPN协商建立过程（IKEv1）

ISAKMP报文介绍

ISAKMP头部信息如下。

Nitiator Cookie（Initiator SPI）(8 octets)：发起SA建立实体Cookie，SA通知或SA删除
Responder Cookie（Responder SPI）(8 octets)：响应SA建立请求的实体的Cookie，SA通知或SA删除
Next Payload (1 octet)：表示第一有效负荷的消息中的类型

 Next Payload Type           Value
 NONE                        0
 Security Association (SA)   1
 Proposal (P)                2
 Transform (T)               3
 Key Exchange (KE)           4
 Identification (ID)         5
 Certificate (CERT)          6
 Certificate Request (CR)    7
 Hash (HASH)                 8
 Signature (SIG)             9
 Nonce (NONCE)               10
 Notification (N)            11
 Delete (D)                  12
 Vendor ID (VID)             13
 RESERVED                    14 - 127
 Private USE                 128 - 255

Major Version (4 bits)：标识正在使用的ISAKMP协议的主要版本。
Minor Version (4 bits)：标识正在使用的ISAKMP协议的次要版本
Exchange Type(1 octet)：标识使用的交换（exchange） 的类型

 Exchange Type          Value
 NONE                   0
 Base                   1
 Identity Protection    2 
 Authentication Only    3
 Aggressive             4
 Informational          5
 ISAKMP Future Use      6 - 31
 DOI Specific Use       32 - 239
 Private Use            240 - 255

Flags (1 octet)：标识为ISAKMP交换设置的特定选项
··· E(ncryption Bit) (1 bit)：如果设置（1），则使用在ISAKMP SA中标识的加密算法对报头之后的所有有效载荷进行加密。对于第4.1节中描述的所有ISAKMP交换，加密应该在双方交换密钥交换有效载荷之后开始。 如果E（ncryption Bit）未设置（0），则有效载荷不加密。
···C(ommit Bit) (1 bit) ：该位用于通知密钥交换同步。它用于确保在完成SA建立之前没有接收到加密材料。这个bit可以在双方任意一端设置，并且在isakmp建立的两个阶段上均可以使用。这个值必须在第一阶段协商完成之后复位。
···A(uthentication Only Bit) (1 bit) ：需要和Notify Payload一起使用，具有完整性检查，但是没有加密的信息传输。第4.8节规定，第二阶段信息交换必须在ISAKMP SA的保护下发送。 这是该策略的唯一例外。如果设置了Authentication Only位（1），那么只有认证安全服务将应用于信息交换的整个Notify有效负载，并且有效负载不会被加密。

Length (4 octets)：以八位字节为单位的消息总长（报头+有效载荷）。 加密可以扩展ISAKMP消息的大小。

在ISAKM中可以添加一个或多个有效负载（Payloads），由于负载较多就不一一列举了，具体详见RFC2408。

IPSec VPN协商建立过程

建立过程主要分为两步，首先是主模式（Main mode）的建立，然后是快速模式（Quick mode）的建立。

数据包在此下载。

之前IPSec vpn谈到过，VPN的目的就是为了保证私密性、完整性、源认证。然而在公网上显然不能将加密信息明目张胆的发送出去，所以在传递这些业务信息之前，需要预先建立起一个安全可靠的连接来传递这些加解密的信息。而主模式就是预先建立的这个连接。

主模式（Main mode）

主模式主要的目的是建立ISAKMP SA（Internet Security Association and Key Management Protocol Security association）。为了建立起ISAKMP SA，在IKEv1 Main mode 中需要交互6个报文。这6个报文会在下面有所介绍。由于ISAKMP的建立并不像OSPF邻居认证一样，只需要password正确就能建立，而是有一整套协商的条件。所以单一的预共享密钥相同也不一定就能保证ISAKMP的建立。

主模式第1个和第2个数据包

主模式的第一个和第二个数据包主要用来协商ISAKMP策略信息，这些策略信息包括。
· 加密类型（Encryption-Algorithm）
· 密钥长度（Key-Length）
· 散列算法（Hash-Algorithm）
· DH强度（Group-Description）
· 认证模式（Authentication-Method）
· 密钥更新时间单位（Life-Type）
· 密钥时间（Life-Time）
如上部分在报文中体现如下，如果对端发送过来的ISAKMP协商信息与本地信息不符，那么将协商失败，且不会反馈本端ISAKMP配置信息。

主模式第3个和第4个数据包

第1和第2个数据包确认了策略之后和散列函数之后，要想加密数据还需要一个关键的参数（密钥），这个密钥正是通过DH交换而得来的。有关DH算法工作原理已超出笔者能力，有兴趣的可以参见。Diffie–Hellman key exchange，Diffie-Hellman Key Agreement Method。
在报文中体现如下。

主模式第5个和第6个数据包

获取到彼此的密钥信息之后，就可以开始进行认证了，这部分就是加密的报文。

总的来说，主模式首先协商ISAKMP策略，确定双方策略一致的时候，开始使用非对称密钥算法来交换彼此的预共享密钥，当预共享密钥匹配的时候来交换彼此的加密密钥，使用这个加密的密钥来完成第5和第6的数据包的认证功能。这样就保证了私密性（数据加密），源认证（加密认证来实现），完整性（如果报文有修改ISAKMP SA无法建立）

快速模式（Quick mode）

在快速模式下主要用来建立IPSec SA，协商以下参数
· 封装方式（ESP或AH）
· 认证算法
· 传输模式（隧道模式或传输模式）
· 加密算法（业务报文的加密算法）
· DH信息
· IPSec生命周期信息
另外需要注意的就是密钥更新，密钥更新主要使用的是PSF，虽然 有周期性更新密钥的这个功能，但是如果没有启用PSF那么新生成的密钥与之前的密钥存在衍生关系，思科默认没有启用PSF功能，如果启用了PSF那么新生成的密钥与之前的密钥就不存在衍生关系，可以提供更安全的服务。
这一部分在报文中均以加密方式进行显示。

快速模式协商完成之后，建立起IPSec SA，开始传输加密数据。

参考文献

1. Diffie–Hellman key exchange
2. Diffie-Hellman Key Agreement Method
3. Phase 1、Phase 2
4. IPSec Virtual Private Network Fundamentals–IKE and ISAKMP
5. RFC2408
6. RFC2409
7. RFC4306

2017年10月13日更新