IPSec原理与实践1－原理(组图)

随着越来越多的企业、单位接入Internet和接入速度的不断提高，网络安全正日益成为网络管理的一个重要课题。作为广泛部署的Windows（NT）Server系统自身的安全受到越来越多的关注。市场上也出现了很多软、硬件防火墙产品来保证内网服务器的安全。其实，Windows（NT）Server系统自身便带有功能强大的防火墙系统－IPSec，其全面的安全保护功能并不输于其它商业防火墙产品。本文将介绍基于Windows操作系统的防火墙系统－IPSec的原理与实现。

1　TCP/IP过滤

在深入探讨IPSec之前，我们首先来看一下Windows系统的TCP/IP过滤功能。

Windows 2000 Server系统内部集成了很多安全特性，这包括"本地安全及审核策略"、"加密文件系统"、"TCP/IP过滤"、"IP安全（IPSec）"等等。其中的"TCP/IP过滤"为用户提供了一个简单、易于配置、易于使用的网络安全保障工具。它是用于入站本地主机TCP/IP通讯的一组筛选器。使用TCP/IP筛选可以为每个IP接口严格指定所处理的传入TCP/IP通讯类型。这个功能设计用于隔离Internet或Intranet服务器所处理的通信。

如图1所示，使用"TCP/IP"筛选，可以根据以下三种方式来限制本地主机的入站TCP/IP通讯：

●目标TCP端口

●目标UDP端口

●IP协议（号）

"TCP/IP筛选"的使用有很多限制，如不能根据源地址来区别对待数据包的入站、不能对出站通信进行筛选、不能对已允许的通信进行加密等等。如果想要实现更加灵活、安全的设计，则必须使用IPSec。

2　IPSec原理

使用internet协议安全（Internet Protocol Security，IPSec）是解决网络安全问题的长久之计。它能针对那些来自专用网络和internet的攻击提供重要的防线，并在网络安全性与便用性之间取得平衡。IPSec是一种加密的标准，它允许在差别很大的设备之间进行安全通信。利用IPSec不仅可以构建基于操作系统的防火墙，实现一般防火墙的功能。它还可以为许可通信的两个端点建立加密的、可靠的数据通道。

2.1　术语解释

为了便于理解IPSec的工作原理，首先介绍一些数据加密和安全方面常用的一些术语和基本知识，然后再介绍IPSec的实现以及它如何在网络中提供安全通信的。这种介绍仅仅是一个概述并为后面讨论IPSec做一个铺垫。加密是一个复杂的领域，它包含了许多规则、算法以及数学方面的知识。这里我们将着重讨论加密技术的实际实现，对于它内在的理论只作一个简要的概述。

2.1.1　数据加密标准

数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）是美国国家标准局于1977年开发的对称密钥算法。它是一种对称密钥算法，可以使用40~56位长的密钥。另一种称为3DES的加密策略也使用同样的DES算法，但它并不只是加密一次，而是先加密一次，再加密（解密）一次，最后做第三次加密，每一次加密都使用不同的密钥。这一过程显著地增加了解密数据的难度。

2.1.2　RSA算法

RSA是一种根据它的发明者Rivest，Shamir和Adleman命名的公开密钥算法。它方便了对称密钥加密中的密钥交换过程。它还可以用来产生数字签名。

2.1.3　Diffie-Hellman

Diffie-Hellman是一种简化在非安全网络上交换秘密密钥的公开密钥加密算法。算法是以Diffie和Hellman命名的，他们在1977年出版了第一个公开密钥加密的公开搜索。它的主要目的是简化在不安全网络上交换秘密会话密钥的过程。

2.1.4　散列函数

散列（Hash）函数是一种单向的算法，它提取任意长度的一段信息并产生固定长度的乱序的摘要。摘要是文本的一个截取，只包含与文本最相关的部分，这就是Hash函数所产生的结果。Hash是一种单向的定义。我们可以在给定的文本上运行算法来获得固定长度的Hash值，但不能从Hash过程中获得最初的文本。Hash函数可以唯一地定义文本。它对每个唯一的消息而言就像是指纹一样。不同的消息可以产生不同的值，并且相同的消息会产生完全相同的Hash，Hash值可以用于维持数据的完整性。如果A发送一个消息给B，并给B消息的Hash。B可以在消息上运行用在该消息上的同一Hash算法，并用计算得到的Hash值与B收到的Hash值相比较。如果发现根据消息计算出来的Hash与B收到的Hash值不同，就可以知道数据在传输的过程中出错了。

2.1.5　消息摘要：MD5

消息摘要（Message Digest 5，MD5）是一种符合工业标准的单向128位的Hash算法，由RSA Data Security Inc.开发，它可以从一段任意长的消息中产生一个128位的Hash值。（例如，质询握手身份验证协议 （CHAP）通过使用MD5来协商一种加密身份验证的安全形式。CHAP在响应时使用质询－响应机制和单向MD5散列。用这种方法，用户可以向服务器证明自己知道密码，但不必实际将密码发送到网络上，从而保证了密码本身的安全性。）

2.1.6　安全散列算法：SHA-1

Secure Hash Algorithm（SHA-1）是一种产生160位Hash值的单向Hash算法。它类似于MD5，但安全性比MD5更高。

2.1.7　Hash信息验证码HMAC（Hash message authentication codes）

HMAC可以用来验证接收消息和发送消息的完全一致性（完整性）。

2.1.8　数字签名

数字签名标准（Digital Signature Standard，DSS）是国家标准技术研究所开发的数字签名算法。数字签名（Digital Signature，DS）是一种用使用者的私有密钥加密的Hash值。它可以像正常签名一样用于认证，但它也可以用做与签名相关的信息完整性的认证。

2.1.9　认证授权

认证授权（Certificate Authority，CA）是一个实体，通常是一台计算机，它保存了一些公开密钥。事实上，它保存的一些称为认证的目标包含了用户或设备的信息，其中包括它们的公开密钥。认证包含某个公开密钥的所有者的认证信息，如：姓名、地址、公司等。认证的目的有两个：

●标志一个用户或设备的公开密钥。

●确认假设的公开密钥的拥有者是公开密钥的真实拥有者。

认证授权（CA）是一个记录了所有认证的第三方。使用CA，用户可以有一个认证的集中贮藏处，它允许用户获得其他用户的公开密钥并认证那些用户。它提供了一个记录用户和设备公开密钥的集中存放点。它还提供了认证授权，当用户从CA中获得用户A的公开密钥时，密钥确实是用户A的而不是其他人的。

2.1.10　OAKLEY密钥决定协议

Hilarie Orman提出的"OAKLEY密钥决定协议"，Oakley和SKEME各自定义了一种建立已认证密钥交换的方法，包括载荷的结构、所承载载荷信息、处理它们的顺序以及如何使用它们。Oakley描述了一系列的密钥交换模式，提供密钥交换和刷新功能。

2.1.11　SKEME: Secure Key Exchange Mechanism

Hugo Krawczik提出的"安全密钥交换机制(SKEME)"SKEME描述了通用密钥交换技术，提供匿名性、防抵赖和快速刷新。

2.1.12　互连网安全联盟及密钥管理协议

互连网安全联盟及密钥管理协议（Internet Security Association and Key Management Protocol，ISAKMP）是一个定义在主机之间交换密钥和协商安全参数的框架。ISAKMP定义密钥在非安全网络上交换的一般机制，ISAKMP定义的信息包括报文中消息的位置和通信过程发生的机制，但它不指明使用的协议和算法。

2.1.13　互连网密钥交换

互连网密钥交换（Internet Key Exchange，IKE）是一种实现密钥交换定义的协议。IKE是一种在ISAKMP框架下运行的协议。它是从其他密钥交换协议OaKley和SKEME中派生而来的。IKE用于在对等端之间认证密钥并在它们之间建立共享的安全策略。IKE用于确认，譬如标志一个要求加密会话的对等端，以及决定对等端使用何种算法和何种密钥。

IKE考虑了IPSec使用的所有算法交换秘密密钥的复杂性。通过将密钥管理函数替代普通的密钥管理协议，简化了将新的算法添加进IPSec协议栈的过程。IKE使用公开密钥加密算法在非安全网络上安全地交换秘密密钥。

2.1.14　Kerberos V5身份验证

Kerberos V5是用于处理用户和系统身份的身份验证的Internet标准安全协议，是在Windows 2000 Server域中进行身份验证的主要安全协议。使用Kerberos V5，通过网络线路所发送的密码将经过加密而不作为纯文本进行发送。Kerberos V5协议校验了用户的身份和网络服务。这种双重验证被称为相互身份验证。

2.2　IPSec基本概念

2.2.1　IPSec基本概念

IPSec通过使用基于密码学的保护服务、安全协议和动态密钥管理，可以实现以下这几个目标：

1、认证IP报文的来源

基于IP地址的访问控制十分脆弱，因为攻击者可以很容易利用伪装的IP地址来发送IP报文。许多攻击者利用机器间基于IP地址的信任，来伪装IP地址。IPSec允许设备使用比源IP地址更安全的方式来认证IP数据报的来源。IPSec的这一标准称为原始认证（Origin