IPSec 基于端对端的安全模式,在源 IP 和目标 IP 地址之间建立信任和安全性。考虑认为 IP 地址本身没有必要具有标识,但 IP 地址后面的系统必须有一个通过身份验证程序验证过的标识。只有发送和接收的计算机需要知道通讯是安全的。每台计算机都假定进行通讯的媒体不安全,因此在各自的终端上实施安全设置。除非两台计算机之间正在进行防火墙类型的数据包筛选或网络地址转换,否则仅从源向目标路由数据的计算机不要求支持 IPSec。该模式允许为下列企业方案成功部署 IPSec:
  局域网 (LAN):客户端/服务器和对等网络
  广域网 (WAN):路由器到路由器和网关到网关
  远程访问:拨号客户机和从专用网络访问 Internet
  通常,两端都需要 IPSec 配置(称为 IPSec 策略)来设置选项与安全设置,以允许两个系统对如何保护它们之间的通讯达成协议。Windows 2000、Windows XP 和 Windows Server 2003 家族实施 IPSec 是基于“Internet 工程任务组 (IETF)”IPSec 工作组开发的业界标准。IPSec 相关服务部分是由 Microsoft 与 Cisco Systems, Inc. 共同开发的。
  IPSec 协议不是一个单独的协议,它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构,包括网络认证协议 Authentication Header(AH)、封装安全载荷协议Encapsulating Security Payload(ESP)、密钥管理协议Internet Key Exchange (IKE)和用于网络认证及加密的一些算法等。IPSec 规定了如何在对等层之间选择安全协议、确定安全算法和密钥交换,向上提供了访问控制、数据源认证、数据加密等网络安全服务。
一、安全特性
  IPSec的安全特性主要有:
  ·不可否认性
  "不可否认性"可以证实消息发送方是唯一可能的发送者,发送者不能否认发送过消息。"不可否认性"是采用公钥技术的一个特征,当使用公钥技术时,发送方用私钥产生一个数字签名随消息一起发送,接收方用发送者的公钥来验证数字签名。由于在理论上只有发送者才唯一拥有私钥,也只有发送者才可能产生该数字签名,所以只要数字签名通过验证,发送者就不能否认曾发送过该消息。但"不可否认性"不是基于认证的共享密钥技术的特征,因为在基于认证的共享密钥技术中,发送方和接收方掌握相同的密钥。
  ·反重播性
  "反重播"确保每个IP包的唯一性,保证信息万一被截取复制后,不能再被重新利用、重新传输回目的地址。该特性可以防止攻击者截取破译信息后,再用相同的信息包冒取非法访问权(即使这种冒取行为发生在数月之后)。
  ·数据完整性
  防止传输过程中数据被篡改,确保发出数据和接收数据的一致性。IPSec利用Hash函数为每个数据包产生一个加密检查和,接收方在打开包前先计算检查和,若包遭篡改导致检查和不相符,数据包即被丢弃。
  ·数据可靠性(加密)
  在传输前,对数据进行加密,可以保证在传输过程中,即使数据包遭截取,信息也无法被读。该特性在IPSec中为可选项,与IPSec策略的具体设置相关。
  ·认证
  数据源发送信任状,由接收方验证信任状的合法性,只有通过认证的系统才可以建立通信连接。
二、基于电子证书的公钥认证
  一个架构良好的公钥体系,在信任状的传递中不造成任何信息外泄,能解决很多安全问题。IPSec与特定的公钥体系相结合,可以提供基于电子证书的认证。公钥证书认证在Windows 2000中,适用于对非Windows 2000主机、独立主机,非信任域成员的客户机、或者不运行Kerberos v5认证协议的主机进行身份认证。
三、预置共享密钥认证
  IPSec也可以使用预置共享密钥进行认证。预共享意味着通信双方必须在IPSec策略设置中就共享的密钥达成一致。之后在安全协商过程中,信息在传输前使用共享密钥加密,接收端使用同样的密钥解密,如果接收方能够解密,即被认为可以通过认证。但在Windows 2000 IPSec策略中,这种认证方式被认为不够安全而一般不推荐使用。
四、公钥加密
  IPSec的公钥加密用于身份认证和密钥交换。公钥加密,也被称为"不对称加密法",即加解密过程需要两把不同的密钥,一把用来产生数字签名和加密数据,另一把用来验证数字签名和对数据进行解密。
  使用公钥加密法,每个用户拥有一个密钥对,其中私钥仅为其个人所知,公钥则可分发给任意需要与之进行加密通信的人。例如:A想要发送加密信息给B,则A需要用B的公钥加密信息,之后只有B才能用他的私钥对该加密信息进行解密。虽然密钥对中两把钥匙彼此相关,但要想从其中一把来推导出另一把,以目前计算机的运算能力来看,这种做法几乎完全不现实。因此,在这种加密法中,公钥可以广为分发,而私钥则需要仔细地妥善保管。
五、Hash函数和数据完整性
  Hash信息验证码HMAC(Hash message authentication codes)验证接收消息和发送消息的完全一致性(完整性)。这在数据交换中非常关键,尤其当传输媒介如公共网络中不提供安全保证时更显其重要性。
  HMAC结合hash算法和共享密钥提供完整性。Hash散列通常也被当成是数字签名,但这种说法不够准确,两者的区别在于:Hash散列使用共享密钥,而数字签名基于公钥技术。hash算法也称为消息摘要或单向转换。称它为单向转换是因为:
  1)双方必须在通信的两个端头处各自执行Hash函数计算;
  2)使用Hash函数很容易从消息计算出消息摘要,但其逆向反演过程以目前计算机的运算能力几乎不可实现。
  Hash散列本身就是所谓加密检查和或消息完整性编码MIC(Message Integrity Code),通信双方必须各自执行函数计算来验证消息。举例来说,发送方首先使用HMAC算法和共享密钥计算消息检查和,然后将计算结果A封装进数据包中一起发送;接收方再对所接收的消息执行HMAC计算得出结果B,并将B与A进行比较。如果消息在传输中遭篡改致使B与A不一致,接收方丢弃该数据包。
  有两种最常用的hash函数:
  ·HMAC-MD5 MD5(消息摘要5)基于RFC1321。MD5对MD4做了改进,计算速度比MD4稍慢,但安全性能得到了进一步改善。MD5在计算中使用了64个32位常数,最终生成一个128位的完整性检查和。
  ·HMAC-SHA 安全Hash算法定义在NIST FIPS 180-1,其算法以MD5为原型。 SHA在计算中使用了79个32位常数,最终产生一个160位完整性检查和。SHA检查和长度比MD5更长,因此安全性也更高。
六、加密和数据可靠性
  IPSec使用的数据加密算法是DES–Data Encryption Standard(数据加密标准)。DES密钥长度为56位,在形式上是一个64位数。DES以64位(8字节)为分组对数据加密,每64位明文,经过16轮置换生成64位密文,其中每字节有1位用于奇偶校验,所以实际有效密钥长度是56位。 IPSec还支持3DES算法,3DES可提供更高的安全性,但相应地,计算速度更慢。
七、密钥管理
  ·动态密钥更新
  IPSec策略使用"动态密钥更新"法来决定在一次通信中,新密钥产生的频率。动态密钥指在通信过程中,数据流被划分
成一个个"数据块",每一个"数据块"都使用不同的密钥加密,这可以保证万一攻击者中途截取了部分通信数据流和相应的密钥后,也不会危及到所有其余的通信信息的安全。动态密钥更新服务由Internet密钥交换IKE(Internet Key Exchange)提供,详见IKE介绍部分。
  IPSec策略允许专家级用户自定义密钥生命周期。如果该值没有设置,则按缺省时间间隔自动生成新密钥。
  ·密钥长度
  密钥长度每增加一位,可能的密钥数就会增加一倍,相应地,破解密钥的难度也会随之成指数级加大。IPSec策略提供多种加密算法,可生成多种长度不等的密钥,用户可根据不同的安全需求加以选择。
  ·Diffie-Hellman算法
  要启动安全通讯,通信两端必须首先得到相同的共享密钥(主密钥),但共享密钥不能通过网络相互发送,因为这种做法极易泄密。
  Diffie-Hellman算法是用于密钥交换的最早最安全的算法之一。DH算法的基本工作原理是:通信双方公开或半公开交换一些准备用来生成密钥的"材料数据",在彼此交换过密钥生成"材料"后,两端可以各自生成出完全一样的共享密钥。在任何时候,双方都绝不交换真正的密钥。
  通信双方交换的密钥生成"材料",长度不等,"材料"长度越长,所生成的密钥强度也就越高,密钥破译就越困难。 除进行密钥交换外,IPSec还使用DH算法生成所有其他加密密钥。
  AH报头字段包括:
  ·Next Header(下一个报头): 识别下一个使用IP协议号的报头,例如,Next Header值等于"6",表示紧接其后的是TCP报头。
  ·Length(长度): AH报头长度。
  ·Security Parameters Index (SPI,安全参数索引): 这是一个为数据报识别安全关联的 32 位伪随机值。SPI 值 0 被保留来表明"没有安全关联存在"。
  ·Sequence Number(序列号):从1开始的32位单增序列号,不允许重复,唯一地标识了每一个发送数据包,为安全关联提供反重播保护。接收端校验序列号为该字段值的数据包是否已经被接收过,若是,则拒收该数据包。
  ·Authentication Data(AD,认证数据): 包含完整性检查和。接收端接收数据包后,首先执行hash计算,再与发送端所计算的该字段值比较,若两者相等,表示数据完整,若在传输过程中数据遭修改,两个计算结果不一致,则丢弃该数据包。

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