17.1.1 IPSec VPN相关概念
1.IPSec概念
IPSec是一种开放标准的安全框架结构，特定的通信方之间在IP 层通过加密和数据摘要（Hash）等手段来保证数据包在Internet上传输时的私密性、完整性和真实性。
IPSec只能工作在IP层，要求乘客协议和承载协议都是IP，如图17-1所示。
图17-1 IPSec数据包结构
（1）通过加密保证数据的私密性
私密性：防止信息泄漏给未经授权的个人。
通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性。
（2）对数据进行Hash运算来保证完整性
完整性：数据没有被非法篡改。
通过对数据进行Hash运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性。
（3）对数据和密钥一起进行Hash运算
攻击者篡改数据后，可以根据修改后的数据生成新的摘要，以此掩盖自己的攻击行为。通过对数据和密钥一起进行Hash运算，可以有效抵御上述攻击。
2.IPSec架构
IPSec主要由AH（Authentication Header）、ESP（Encapsulating Security Payload）和IKE（Internet Key Exchange）协议套件组成，如图17-2所示。
图17-2 IPSec架构
AH 协议：主要提供的功能有数据源验证、数据完整性校验和防报文重放。然而，AH并不加密所保护的数据报。
ESP协议：除提供AH 协议的所有功能外（其数据完整性校验不包括IP头），还可提供对IP报文的加密功能。
IKE协议：用于自动协商AH 和ESP所使用的密码算法，建立和维护安全联盟等服务。
IPSec不是一个单独的协议，它通过AH 和ESP这两个安全协议来实现IP数据报的安全传送。
3.安全联盟
安全联盟（Security Association，SA）定义了IPSec通信对等体间将使用的数据封装模式、认证和加密算法、密钥等参数。SA 是单向的，两个对等体之间的双向通信至少需要两个SA。如果两个对等体希望同时使用AH 和ESP安全协议来进行通信，则对等体针对每一种安全协议都需要协商一对SA。
SA 由一个三元组来唯一标识，这个三元组包括安全参数索引（Security Parameter Index，SPI）、目的IP地址、安全协议（AH 或ESP），如图17-3所示。建立SA 的方式有以下两种。
图17-3 安全联盟
①手动方式：SA 所需的全部信息都必须手动配置。手动方式建立SA 比较复杂，但优点是可以不依赖IKE而单独实现IPSec功能。当对等体设备数量较少时，或在小型静态环境中，手动配置SA 是可行的。
②IKE动态协商方式：只需要通信对等体间配置好IKE协商参数，由IKE 自动协商来创建和维护SA。动态协商方式建立SA 相对简单，对于中大型的动态网络环境，推荐使用IKE协商建立SA。
4.IPSec封装模式
IPSec有两种封装模式：传输模式和隧道模式。
（1）传输模式
传输模式中，在IP报文头和高层协议之间插入AH 或ESP头。传输模式中的AH 或ESP主要对高层协议数据提供保护，如图17-4所示。
图17-4 传输模式
传输模式中的AH：在IP头部之后插入AH 头，对整个IP数据报进行完整性校验。
传输模式中的ESP：在IP头部之后插入ESP头，在数据字段后插入ESP尾部以及认证字段，对高层数据和ESP尾部进行加密，对IP数据报中的ESP报文头、高层数据和ESP尾部进行完整性校验。
传输模式中的AH+ESP：在IP头部之后插入AH 和ESP头，在数据字段后插入ESP尾部以及认证字段，对高层数据和ESP尾部进行加密，对整个IP数据报进行完整性校验。
（2）隧道模式
隧道模式中，AH 或ESP头封装在原始IP 报文头之前，并生成一个新的IP 头封装到AH 或ESP之前，如图17-5所示。隧道模式可以完全地对原始IP报文进行认证和加密，而且可以使用IPSec对等体的IP地址来隐藏客户机的IP地址。
图17-5 隧道模式
隧道模式中的AH：对整个原始IP 报文进行完整性校验和认证，认证功能优于ESP。但AH 不提供加密功能，所以通常和ESP联合使用。
隧道模式中的ESP：对整个原始IP报文和ESP尾部进行加密，对ESP报文头、原始IP报文和ESP尾部进行完整性校验。
隧道模式中的AH+ESP：对整个原始IP报文和ESP尾部进行加密，对除新IP头之外的整个IP数据报进行完整性校验。