IPSec概述
本章將詳細介紹secpath防火牆ipsec功能的配置，此時的secpath完全可以等同爲路由器來看待，在文中我們將沿用路由器方面的術語和標識來描述secpath，即本章所提及的路由器均可使用secpath來取代。
1.1 ipsec協議簡介
ipsec（ip security）協議族是ietf制定的一系列協議，它爲ip數據報提供了高質量的、可互操作的、基於密碼學的安全性。特定的通信方之間在ip層通過加密與數據源驗證等方式，來保證數據報在網絡上傳輸時的私有性、完整性、真實性和防重放。
私有性（confidentiality）指對用戶數據進行加密保護，用密文的形式傳送。
完整性（data integrity）指對接收的數據進行驗證，以判定報文是否被篡改。
真實性（data authentication）指驗證數據源，以保證數據來自真實的發送者。
防重放（anti-replay）指防止惡意用戶通過重複發送捕獲到的數據包所進行的***，即接收方會拒絕舊的或重複的數據包。
ipsec通過ah（authentication header，認證頭）和esp（encapsulating securitypayload，封裝安全載荷）兩個安全協議實現了上述目標。爲簡化ipsec的使用和管理，ipsec還可以通過ike（internet key exchange，因特網密鑰交換協議）進行自動協商交換密鑰、建立和維護安全聯盟的服務，以簡化ipsec的使用和管理。
(1)ah協議
ah是報文頭驗證協議，主要提供的功能有數據源驗證、數據完整性校驗和防報文重放功能；然而，ah並不加密所保護的數據報。
(2)esp協議
esp是封裝安全載荷協議。它除提供ah協議的所有功能外（但其數據完整性校驗不包括ip頭），還可提供對ip報文的加密功能。
ah和esp可以單獨使用，也可以同時使用。對於ah和esp，都有兩種操作模式：傳輸模式和隧道模式。工作模式將在後文介紹。
(3)ike協議
ike協議用於自動協商ah和esp所使用的密碼算法，並將算法所需的必備密鑰放到恰當位置。
ike協商並不是必須的，ipsec所使用的策略和算法等也可以手工協商。關於兩種協商方式的比較，將在後文介紹。
1. 2 ike協議簡介
1. ike協議
ipsec的安全聯盟可以通過手工配置的方式建立，但是當網絡中節點增多時，手工配置將非常困難，而且難以保證安全性。這時就要使用ike（internet key exchange，因特網密鑰交換）自動地進行安全聯盟建立與密鑰交換的過程。
ike協議是建立在由internet安全聯盟和密鑰管理協議isakmp（internet securityassociation and key management protocol）定義的框架上。它能夠爲ipsec提供了自動協商交換密鑰、建立安全聯盟的服務，以簡化ipsec的使用和管理。
ike具有一套自保護機制，可以在不安全的網絡上安全地分發密鑰、驗證身份、建立ipsec安全聯盟。
2. ike的安全機制
dh（diffie-hellman）交換及密鑰分發。diffie-hellman算法是一種公共密鑰算法。通信雙方在不傳送密鑰的情況下通過交換一些數據，計算出共享的密鑰。加密的前提是交換加密數據的雙方必須要有共享的密鑰。ike的精髓在於它永遠不在不安全的網絡上直接傳送密鑰，而是通過一系列數據的交換，最終計算出雙方共享的密鑰。即使第三者（如***）截獲了雙方用於計算密鑰的所有交換數據，也不足以計算出真正的密鑰。
完善的前向安全性（perfect forward secrecy，pfs）。pfs是一種安全特性，指一個密鑰被破解，並不影響其他密鑰的安全性，因爲這些密鑰間沒有派生關係。pfs是由dh算法保障的。
身份驗證。身份驗證確認通信雙方的身份。對於pre-shared key驗證方法，驗證字用來作爲一個輸入產生密鑰，驗證字不同是不可能在雙方產生相同的密鑰的。驗證字是驗證雙方身份的關鍵。
身份保護。身份數據在密鑰產生之後加密傳送，實現了對身份數據的保護。
3. ike的交換階段
ike使用了兩個階段爲ipsec進行密鑰協商並建立安全聯盟：第一階段，通信各方彼此間建立了一個已通過身份驗證和安全保護的通道，此階段的交換建立了一個isakmp安全聯盟，即isakmp sa（也可稱ike sa）；第二階段，用在第一階段建立的安全通道爲ipsec協商安全服務，即爲ipsec協商具體的安全聯盟，建立ipsec sa，ipsec sa用於最終的ip數據安全傳送。
(1)當一個報文從某接口外出時，如果此接口應用了ipsec，會進行安全策略的匹配。
(2)如果找到匹配的安全策略，會查找相應的安全聯盟。如果安全聯盟還沒有建立，則觸發ike進行協商。ike首先建立階段1的安全聯盟，即ike sa。
(3)在階段1安全聯盟的保護下協商階段2的安全聯盟，即ipsec sa。
(4)使用ipsec sa保護通訊數據。
4. ike的協商模式
在rfc2409（the internet keyexchange）中規定，ike第一階段的協商可以採用兩種模式：主模式（main mode）和野蠻模式（aggressive mode）。
主模式被設計成將密鑰交換信息與身份、認證信息相分離。這種分離保護了身份信息；交換的身份信息受已生成的diffie-hellman共享密鑰的保護。但這增加了3條消息的開銷。
野蠻模式則允許同時傳送與sa、密鑰交換和認證相關的載荷。將這些載荷組合到一條消息中減少了消息的往返次數，但是就無法提供身份保護了。
雖然野蠻模式存在一些功能限制，但可以滿足某些特定的網絡環境需求。例如：遠程訪問時，如果響應者（服務器端）無法預先知道發起者（終端用戶）的地址、或者發起者的地址總在變化，而雙方都希望採用預共享密鑰驗證方法來創建ike sa，那麼，不進行身份保護的野蠻模式就是唯一可行的交換方法；另外，如果發起者已知響應者的策略，或者對響應者的策略有全面的瞭解，採用野蠻模式能夠更快地創建ike sa。
1.3 ipsec基本概念
1. 安全聯盟
ipsec在兩個端點之間提供安全通信，端點被稱爲ipsec對等體。
ipsec能夠允許系統、網絡的用戶或管理員控制對等體間安全服務的粒度。例如，某個組織的安全策略可能規定來自特定子網的數據流應同時使用ah和esp 進行保護，並使用3des（triple data encryptionstandard，三重數據加密標準）進行加密；另一方面，策略可能規定來自另一個站點的數據流只使用esp保護，並僅使用des加密。通過sa （security association，安全聯盟），ipsec能夠對不同的數據流提供不同級別的安全保護。
安全聯盟是ipsec的基礎，也是ipsec的本質。sa是通信對等體間對某些要素的約定，例如，使用哪種協議（ah、esp還是兩者結合使用）、協議的操作模式（傳輸模式和隧道模式）、加密算法（des和3des）、特定流中保護數據的共享密鑰以及密鑰的生存週期等。
安全聯盟是單向的，在兩個對等體之間的雙向通信，最少需要兩個安全聯盟來分別對兩個方向的數據流進行安全保護。同時，如果希望同時使用ah和esp來保護對等體間的數據流，則分別需要兩個sa，一個用於ah，另一個用於esp。
安全聯盟由一個三元組來唯一標識，這個三元組包括spi（security parameter index，安全參數索引）、目的ip地址、安全協議號（ah或esp）。spi是爲唯一標識sa而生成的一個32比特的數值，它在ah和esp頭中傳輸。
安全聯盟具有生存週期。生存週期的計算包括兩種方式：
以時間爲限制，每隔指定長度的時間就進行更新；
以流量爲限制，每傳輸指定的數據量（字節）就進行更新。
2. 安全聯盟的協商方式
可以有兩種協商方式建立安全聯盟，一種是手工方式（manual），一種是ike自動協商（isakmp）方式。前者配置比較複雜，創建安全聯盟所需的全部信息都必須手工配置，而且ipsec的一些高級特性（例如定時更新密鑰）不被支持，但優點是可以不依賴ike而單獨實現ipsec功能。而後者則相對比較簡單，只需要配置好ike協商安全策略的信息，由ike自動協商來創建和維護安全聯盟。
當與之進行通信的對等體設備數量較少時，或是在小型靜態環境中，手工配置安全聯盟是可行的。對於中、大型的動態網絡環境中，推薦使用ike協商建立安全聯盟
3. ipsec協議的操作模式
ipsec協議有兩種操作模式：傳輸模式和隧道模式。sa中指定了協議的操作模式。
在傳輸模式下，ah或esp被插入到ip頭之後但在所有傳輸層協議之前，或所有其他ipsec協議之前。在隧道模式下，ah或esp插在原始ip頭之前，另外生成一個新頭放到ah或esp之前。不同安全協議在傳輸模式和隧道模式下的數據封裝形式（傳輸協議以tcp爲例）如下圖所示：
傳輸模式
隧道模式
從安全性來講，隧道模式優於傳輸模式。它可以完全地對原始ip數據報進行驗證和加密；此外，可以使用ipsec對等體的ip地址來隱藏客戶機的ip地址。從性能來講，隧道模式比傳輸模式佔用更多帶寬，因爲它有一個額外的ip頭。因此，到底使用哪種模式需要在安全性和性能間進行權衡。
4. 驗證算法與加密算法
(1)驗證算法
ah和esp都能夠對ip報文的完整性進行驗證，以判別報文在傳輸過程中是否被篡改。驗證算法的實現主要是通過雜湊函數，雜湊函數是一種能夠接受任意長的消息輸入，併產生固定長度輸出的算法，該輸出稱爲消息摘要。ipsec對等體計算摘要，如果兩個摘要是相同的，則表示報文是完整未經篡改的。一般來說 ipsec使用兩種驗證算法：
md5：md5通過輸入任意長度的消息，產生128bit的消息摘要。
sha-1：sha-1通過輸入長度小於2的64次方比特的消息，產生160bit的消息摘要。
sha-1的摘要長於md5，因而是更安全的。
(2)加密算法
esp能夠對ip報文內容進行加密保護，防止報文內容在傳輸過程中被窺探。加密算法實現主要通過對稱密鑰系統，它使用相同的密鑰對數據進行加密和解密。一般來說ipsec使用兩種加密算法：
des：使用56bit的密鑰對一個64bit的明文塊進行加密。
3des：使用三個56bit的des密鑰（共168bit密鑰）對明文進行加密。
無疑，3des具有更高的安全性，但其加密數據的速度要比des慢得多。
1.4 ipsec的nat穿越
1. nat穿越（nat traversal）
ipsec的一個主要應用是建立***，但在實際組網應用中，有一種情況會對部署ipsec ***網絡造成障礙：如果發起者位於一個私網內部，而它希望在自己與遠端響應者之間直接建立一條ipsec隧道；這就涉及到ipsec與nat的配合，主要問題在於，ike在協商過程中如何發現兩個端點之間存在nat網關，以及如何使esp報文正常穿越nat網關。
首先，建立ipsec隧道的兩端需要進行nat穿越能力協商，這是在ike協商的前兩個消息中進行的，通過vendor id載荷指明的一組數據來標識，該載荷數據的定義與所採用草案（draft）版本的不同而不同。
而nat網關發現是通過nat-d載荷來實現的，該載荷用於兩個目的：在ike peer之間發現nat的存在；確定nat設備在peer的哪一側。nat側的peer作爲發起者，需要定期發送nat-keepalive報文，以使nat網關確保安全隧道處於激活狀態。
2. ipsec穿越nat的處理
ipsec穿越nat，簡單來說就是在原報文的ip頭和esp頭（不考慮ah方式）間增加一個標準的udp報頭。這樣，當esp報文穿越nat網關時， nat對該報文的外層ip頭和增加的udp報頭進行地址和端口號轉換；轉換後的報文到達ipsec隧道對端時，與普通ipsec處理方式相同，但在發送響應報文時也要在ip頭和esp頭之間增加一個udp報頭。
1.5 ipsec在secpath上的實現
1. ipsec在secpath上的實現
secpath實現了上述所介紹的ipsec的全部內容。
其實現方式是基於下列思路：通過ipsec，對等體之間（此處是指secpath及其對端）能夠對不同的數據流實施不同的安全保護（驗證、加密或兩者同時使用）。其中數據流的區分通過配置acl來進行；安全保護所用到的安全協議、驗證算法和加密算法、操作模式等通過配置安全提議來進行；數據流和安全提議的關聯（即定義對何種數據流實施何種保護）、sa的協商方式、對等體ip地址的設置（即保護路徑的起/終點）、所需要的密鑰和sa的生存週期等通過配置安全策略來進行；最後在路由器接口上實施安全策略即完成了ipsec的配置。
具體介紹如下：
(1)定義被保護的數據流
數據流是一組流量（traffic）的集合，由源地址/掩碼、目的地址/掩碼、ip報文承載的協議號、源端口號、目的端口號等來規定。一個數據流用一個 acl來定義，所有匹配一個訪問控制列表規則的流量，在邏輯上作爲一個數據流。一個數據流可以小到是兩臺主機之間單一的tcp連接；也可以大到是兩個子網之間所有的流量。ipsec能夠對不同的數據流施加不同的安全保護，因此ipsec配置的第一步就是定義數據流。
(2)定義安全提議
安全提議規定了對要保護的數據流所採用的安全協議、驗證或加密算法、操作模式（即報文的封裝方式）等。
secpath支持的ah和esp安全協議，兩者既可單獨使用，也可聯合使用。其中，ah支持md5和sha-1驗證算法；esp協議支持md5、sha-1驗證算法和des、3des加密算法。secpath支持的操作模式包括傳輸模式和隧道模式。
對同一數據流，對等體兩端必須設置相同的協議、算法和操作模式。另外，對於兩個安全網關（例如路由器間）實施ipsec，建議採用隧道模式，以隱藏實際通信的源和目的ip地址。
因此，請先根據需要配置好一個安全提議，以便下一步將數據流和安全提議相關聯。
(3)定義安全策略或安全策略組
安全策略規定了對什麼樣的數據流採用什麼樣的安全提議。一條安全策略由“名字”和“順序號”共同唯一確定。安全策略分爲手工安全策略和ike協商安全策略，前者需要用戶手工配置密鑰、spi、sa的生存週期等參數，在隧道模式下還需要手工配置安全隧道兩個端點的ip地址；後者則由ike自動協商生成這些參數。
安全策略組是所有具有相同名字、不同順序號的安全策略的集合。在同一個安全策略組中，順序號越小的安全策略，優先級越高。
(4)接口實施安全策略
在接口上應用安全策略組，安全策略組中的所有安全策略同時應用在這個接口上，從而實現對流經這個接口的不同的數據流進行不同的安全保護。
2. ike在secpath上的實現
secpath支持ike的主模式和野蠻模式，並基於rfc2408、rfc2409實現，能夠與大多數主流設備廠商互通。
目前，secpath上的ipsec，如果需要進行nat穿越，則ike第一階段協商應採用野蠻模式，對端id類型爲對端名稱，並在配置ipsec的安全提議時，安全協議採用esp，還需要以隧道模式（tunnel）封裝報文。
secpath上ike的實現步驟如下：
設置ike交換過程中所使用的本地id；
指定對端（ike peer）的一系列屬性（包括ike協商模式、預共享密鑰值、對端地址或對端id、是否需要進行nat穿越等屬性），以保證ike協商階段的正確性；
創建ike安全提議，以確定ike交換過程中算法的強度，即安全保護的強度（包括身份驗證方法、加密算法、驗證算法、dh組等）：不同的算法的強度不同，強度越高的算法，受保護數據越難被破解，但消耗的計算資源越多。一般來說，密鑰越長的算法強度越高；
此外，除上述基本步驟外，ike還具有keepalive機制，可以判斷對端是否能夠正常通訊，因此還可配置keepalive的“interval”和“timeout”兩個參數。當配置了ipsec的nat穿越時，還可配置發送nat更新報文的時間間隔。
當上述ike配置完畢後，需要在ipsec的安全策略視圖下引用ike peer，以完成了自動協商的ipsec的配置。（ipsec引用ike peer已經在上一章中介紹）
1.6 ipsec在加密卡硬件上的實現
1. ipsec在加密卡硬件上的實現
ipsec加密卡在實現了上述全部功能的基礎上，還擴展了部分功能。
如ipsec加密卡的加密算法，採用aes，即使用128bit的密鑰對明文進行加密。
上述特性涉及的配置命令完成的功能只在加密卡硬件存在時生效，對於無加密卡或者用戶指定使用純軟件處理ipsec特性時，不提供上述功能。
加密卡進行加密/解密的工作過程是：
(1)防火牆主機將需要加密/解密的數據發送給加密卡
(2)加密卡對數據進行加密/解密運算
(3)加密卡將完成加密/解密的數據發送回主機
(4)主機對加密卡處理後的數據進行後續處理
目前的加密卡，是即插即用型。當加密卡被拔出或失效後，便會自動切換回軟件處理加密/解密。
加密卡與vrp主體軟件ipsec模塊對數據的處理機制完全相同，區別僅僅在於加密卡是通過硬件實現加密/解密處理，而ipsec模塊是通過軟件實現加/解密處理。
2. ike在加密卡硬件上的實現
ipsec加密卡在實現軟件的所有功能基礎上，還擴展了部分功能。
secpath防火牆在ipsec高速加密卡中提供rsa加密nonce的身份驗證方法。
上述特性涉及的配置命令完成的功能只在加密卡硬件存在時生效，對於無加密卡或者用戶指定使用純軟件處理ipsec特性時，不提供上述功能。