IPSec VPN

一、背景

企业处于异地的分部、异地出差员工需要与公司总部进行通信时，需要经过公网上传输完成私网访问。公网上传输企业可以通过直接拉专线、电路交换等广域网技术连接其分部或出差员工，对于这个方法除了部署成本高、移动用户远程拨号接入费用高外还存在着信息泄露、被篡改等安全问题。我们可以通过VPN技术在公网上建立一个专用、具有一定安全性和服务质量保障的隧道，确保数据能够被传输的同时不被未经授权的第三方截取或篡改。

二、简介

1、概述

IPSec VPN：是一个安全协议框架，具有基于密码学、可操作性、高质量的安全保护机制。

VPN类型：3层VPN，利用IPSec隧道构建的网络层VPN

场景：经过公网完成私网之间的访问，远程访问VPN、站点到站点VPN、云服务安全等

2、协议架构

IPSec VPN不是具体的协议，是由一系列安全协议组成的安全协议框架

①安全协议：

作用：业务数据经过IPSec加密后的报文,保护业务数据。保护的数据主要是IP数据包（包括应用层数据、TCP/UDP报头、原始IP报头）

类型：认证头（AH）、封装安全载荷（ESP）

AH：基于IP协议号51，验证头部。

ESP：基于IP协议号50，封装安全载荷。

特点：都支持提供身份验证、完整性检测、抗重放攻击；数据加密上，AH不支持，ESP支持；完整性和认证上，AH通过散列计算是对整个报文计算包括报文头和数据部分，ESP通过散列计算是只对数据部分做验证。

推荐使用ESP，ESP支持加密更加安全且可以在NAT环境下工作。NAT环境是对报文的源或目的IP地址进行转换，报文头发生变化AH认证不能通过。

②封装模式：

作用：定义报文的封装结构

概念：加密点、通信点

加密点：部署VPN的设备

通信点：业务数据的收发设备

类型：传输模式、隧道模式

封装前报文格式：IPH+DATA （IPH：IP头部；DATA：数据部分包括TCP/UDP头部）

传输模式：只保护IP数据包的有效负载（Payload），不保护IP头部。在传输模式下，原始IP包的头部保持不变，只有数据部分（以及TCP/UDP头）受到保护

封装后报文格式：IPH+安全协议（AH/ESP）+DATA

AH：在传输模式下，AH会对整个IP包（包括IP头和数据部分）进行完整性检查和认证。

ESP：在传输模式下只加密数据部分，并可选择对数据部分进行完整性检查。

场景：加密点和通信点在同一台设备上，业务本身可达

隧道模式：将整个IP包（包括原始IP头和数据部分）封装在一个新的IP包中。这个新的封装IP包具有新的IP头部。

封装后报文格式：IPH（新）+安全协议（AH/ESP）+IPH（原始）+DATA。新的IP头大多情况下是封装公网的IP地址实现公网上通信，原始的IP头指私网IP地址。

AH：在隧道模式下，AH会对整个封装后的IP包（包括新的IP头和原始的整个IP包）进行完整性检查和认证。

ESP：在隧道模式下会对整个原始IP包进行加密，并封装在一个新的IP包中。ESP可以选择对加密后的数据进行完整性检查，但不保护新的IP头部。

场景：加密点和通信点不在同一台设备上，业务本身不可达

区别：封装后是否会产生新的报文；业务本身是否可达

③安全联盟（SA）：

作用：在两个通信实体之间建立一个安全通信的参数集合（看成是VPN双方安全参数的约定，是一份安全通信“合同”）

三要素：安全参数索引（SPI）、安全协议、目的地址

安全参数索引：唯一的标识符，用于区分不同的SA。SPI是方向性的，即发送方和接收方各自有一个用于加密和解密的SPI。

安全协议：使用AH/ESP

目的地址：跟谁建立VPN

安全联盟数据库（SADB）：存储所有活跃SA的数据库

④互联网秘钥交换协议（IKE）：

作用：实现在不安全的互联网上进行VPN交互，定义VPN双方的协商流程

阶段一：IKE SA

基于UDP端口号500

作用：建立一个安全的、加密的通道，用于接下来进行的密钥协商和SA协商。

模式：主模式、野蛮模式

主模式：最高的安全性，通过六个消息交换来完成，建立加密和认证。

第一对：SA交换，协商确认双方构建安全隧道策略的过程；

第二对：密钥交换

第三对：ID信息和验证数据的交换，验证对等体。    ![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/8f58b68ccec044748b4ec69c9d4c9667.png)

野蛮模式：快速，使用三个消息交换来完成。 

第一条：发起方发送本地IKE信息，包括建立IKE SA所使用的参数、与密钥生成相关的信息和身份验证信息。

第二条：接收方对收到的第一个消息进行确认，查找并返回匹配的参数、密钥生成信息和身份验证信息。

第三条：发起方通过第三条消息回应验证结果，并成功建立IKE SA。

区别： 交互的报文数量、对等体标识

场景：主模式适合安全需求高；野蛮模式适合已知对方所使用的VPN策略能够快速建立VPN

阶段二：IPSec SA

作用：在已经建立的IKE SA通道上协商实际的IPSec SA，用于保护IP数据包的传输

模式：快速模式。过程与野蛮模式相似

            ![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/2736434c396142fba74403ddbbef2bdd.png)

3、特点

不支持组播，也就是说不能直接使用路由协议（需要额外的配置或特定的网络设计让IPSec VPN支持组播）

分支之间无法直接访问，在一些IPSec VPN部署场景中，存在所谓的“孤岛”现象，它们需要通过一个中心点或总部来进行路由和通信

IPSecVPN是一对一的，端对端建立的

三、执行流程

数据包出站：

数据包入站：

四、基本配置

厂商间IPSec VPN技术的执行流程、协议架构等大同小异，差别主要还是在配置上。以下将通过思科的环境，来为大家展示相应配置，其他厂商可以参考厂商的产品文档

实验要求

RA为企业分支网关，RB为企业总部网关，分支与总部通过公网建立通信。分支子网为10.1.1.0/24，总部子网为10.1.2.0/24。

企业希望对分支子网与总部子网之间相互访问的流量进行安全保护。分支与总部通过公网建立通信，可以在分支网关与总部网关之间建立一个IPSec隧道来实施安全保护。由于维护网关较少，考虑采用手工方式建立IPSec隧道。

IPSec配置前的准备

四步走：确定保护的流量/业务、确定保护的路径、确定保护的策略、确定保护的强度

通过ACL来确定保护的流量，使用VPN路径进行保护，根据需要的保护强度确定两边安全策略

思科

RA和RB分别为企业公司分部、总部的出口路由器和子网的默认网关，PCA、PCB分别为企业分部、总部内的终端，ISP模拟运营商。

实验要求实现PCA能够通过IPSec VPN去访问PCB

1）路由器RA、RB上修改设备名称、配置端口IP地址、配置静态路由指向ISP实现公网可达

RA

Router>ena
Router#conf t
Router(config)#ho RA ---修改设备名称

RA(config)#int e0/1
RA(config-if)#ip add 10.1.1.1 255.255.255.0
RA(config-if)#no shu
RA(config-if)#exit
RA(config)#int e0/0
RA(config-if)#no shu
RA(config-if)#ip add 1.1.1.1 255.255.255.0 ---配置端口IP地址
RA(config-if)#exit
RA(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 1.1.1.2 ---配置静态路由

RB

Router>ena
Router#conf t
Router(config)#ho RB ---修改设备名称

RB(config)#int e0/1
RB(config-if)#ip add 10.1.2.1 255.255.255.0
RB(config-if)#no shu

RB(config-if)#exit
RB(config)#int e0/0
RB(config-if)#no shu
RB(config-if)#ip add 2.1.1.1 255.255.255.0 ---配置端口IP地址
RB(config-if)#exit
RB(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 2.1.1.2 ---配置静态路由

测试公网可达

2）配置ACL匹配需要保护的业务/流量

使用高级访问控制列表（ACL）可以精确匹配并控制感兴趣的数据流，帮助确保只有符合特定条件的流量才能通过VPN隧道。

RA(config)#access-list 100 permit ip host 10.1.1.2 host 10.1.2.2 ---配置高级ACL，精准匹配保护流量

RB(config)#access-list 100 permit ip host 10.1.2.2 host 10.1.1.2

3）阶段一策略：加密、完整、认证方式、DH算法（生成密钥资源）

阶段一主要目的建立IKE安全关联（IKE SA），用于保护随后密钥交换过程的安全通道。在该阶段，两个通信端点（通常是两个IPSec网关）执行密钥交换，以建立一个安全且经过身份验证的通信会话。

RA(config)#crypto isakmp policy 10 ---创建一个名为10的ISAKMP策略组
RA(config-isakmp)#encryption 3des ---使用三重DES（3DES）作为加密算法
RA(config-isakmp)#hash md5 ---使用MD5哈希算法进行完整性检查
RA(config-isakmp)#authentication pre-share ---认证方式预共享密钥
RA(config-isakmp)#group 15 ---DH算法
RA(config-isakmp)#exit

RA(config)#crypto isakmp key 123 address 2.1.1.1 ---配置预共享密钥，其中key值为123，对端地址为2.1.1.1

RB(config)#crypto isakmp policy 10
RB(config-isakmp)#encryption 3des
RB(config-isakmp)#hash md5
RB(config-isakmp)#authentication pre-share
RB(config-isakmp)#group 15
RB(config-isakmp)#exit

RB(config)#crypto isakmp key 123 address 1.1.1.1

4）阶段二：协商IPSec参数、建立IPSec SA、密钥管理。同时在接口下调用

一旦阶段一成功完成，IKE SA建立后，就可以进入阶段二。阶段二的主要目的是建立IPSec安全关联（IPSec SA），用于保护实际数据传输的安全通道。在这个阶段，端点协商用于封装和加密IP数据报文的具体参数。

RA(config)#crypto ipsec transform-set ie esp-3des esp-sha-hmac ---创建名为
ie
的IPSec转换集，使用了3DES作为加密算法和SHA-HMAC作为认证算法。
RA(cfg-crypto-trans)#mode tunnel ---设置转换集
ie
在隧道模式下工作
RA(cfg-crypto-trans)#exit

RA(config)#crypto map ie 10 ipsec-isakmp ---创建名为
ie
的加密映射，并给它分配了一个优先级数字
10
。这个映射将使用IKE来协商安全参数。
% NOTE: This new crypto map will remain disabled until a peer
and a valid access list have been configured.
RA(config-crypto-map)#set peer 2.1.1.1 ---指定与本加密映射关联的对等体（即VPN对端）的IP地址为
2.1.1.1
。
RA(config-crypto-map)#set transform-set ie ---将之前定义的名为
ie
的转换集应用到这个加密映射上
RA(config-crypto-map)#match address 100 ---调用ACL列表
RA(config-crypto-map)#exit

RA(config)#int e0/0
RA(config-if)#crypto map ie ---在接口下调用加密映射
ie

RB(config)#crypto ipsec transform-set ie esp-3des esp-sha-hmac
RB(cfg-crypto-trans)#mode tunnel
RB(cfg-crypto-trans)#exit

RB(config)#crypto map ie 10 ipsec-isakmp
% NOTE: This new crypto map will remain disabled until a peer
and a valid access list have been configured.
RB(config-crypto-map)#set peer 1.1.1.1
RB(config-crypto-map)#set transform-set ie
RB(config-crypto-map)#match address 100
RB(config-crypto-map)#exit

RB(config)#int e0/0
RB(config-if)#crypto map ie

5）测试效果及相关查看命令