IPSecVPN两个阶段协商过程分析李心春.docx
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IPSecVPN两个阶段协商过程分析李心春
(一)IPSecVPN隧道的建立过程分为两个阶段:
第一个阶段:
分为两种模式主模式(MainMode和野蛮模式(又称主动模式Aggressive)
第二个阶段:
快速模式(QuickMode)
区别:
主模式与野蛮模式的区别:
(1)野蛮模式协商比主模式协商更快。
因为主模式需要交互6个消息,而野蛮模式只需要交互3个消息;
(2)主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。
因为主模式在“消息5&消息6”中对ID信息进行了加密。
而野蛮模式由于受到交换次数的限制,ID消息在“消息1&消息2”中以明文的方式发送给对端。
即主模式对对端身份进行了保护,而野蛮模式则没有。
(二)两个阶段分别完成任务:
(1)第一个阶段IKE设置,有三个任务需要完成:
(a)协商一系列算法和参数(这些算法和参数用于保护隧道建立过程中的数据);
(b)必须计算出两边使用的加密KEY值,例如,两边使用3DES算法加密,3DES算法则需要一个密码,这个密码两端必须一样,但又不能在链路上传递。
(c)对等体的验证,如何才能知道对端就是我要与之通信的对端。
这里验证有三种方法:
预共享、数字签名和加密临时值。
上面一系列过程都是IKE(Internet密钥交换协议,大多数厂商都把这个叫做VPNsGateway)这个协议来实现。
对于第一阶段需要注意以下几点:
(a1)只有remotevpn和easyvpn是积极模式的,其他都是用主模式来协商的;
(a2)让IKE对等体彼此验证对方并确定会话密钥,这个阶段用DH进行密钥交换,创建完IKESA后,所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。
(a3)第一阶段帮助在对等体之间创建了一条安全通道,使后面的第二阶段过程协商受到安全保护。
(2)第二阶段:
协商IPSecSA使用的安全参数,创建IPSecSA(SA可以加密两个对等体之间的数据,这才是真正的需要加密的用户数据),使用AH或ESP来加密IP数据流。
至此IPSecVPN隧道才真正建立起来。
(三)综上,有如下结论:
第一阶段作用:
对等体之间彼此验证对方,并协商出IKESA,保护第二阶段中IPSecSA协商过程;
第二阶段作用:
协商IPSec单向SA,为保护IP数据流而创建;
(四)举例验证:
以主模式,AH协议来简单分析一下IPSecVPN链接建立的过程(附带报文):
第一个阶段三个任务,分别用6个消息来完成,每两个为一组,这些消息的具体格式取决于使用的对等体认证方法,使用预共享密钥进行验证的主模式(6条)协商过程使用ISAKMP消息格式来传递(基于UDP,端口号为500)。
6条消息如下:
(1)准备工作:
在前2条消息发送之前,发送者和接受者必须先计算出各自的cookie(可以防重放和DOS攻击),这些cookie用于标识每个单独的协商交换消息。
cookie——RFC建议将源目的IP、源目的端口、本地生成的随机数、日期和时间进行散列操作。
Cookie成为留在IKE协商中交换信息的唯一标识,实际上cookie是用来防止DOS攻击的,它把和其他设备建立IPSec所需要的连接信息不是以缓存的形式包存在路由器里,而是把这些信息HASH成个cookie值。
(2)1&2消息:
消息1:
由发送方(协商发起端)发起,携带一些参数,发送方向接收方发送一条包含一组或多组策略提议(Raisecom工业路由器中是多组),在策略提议中包括5元组信息:
加密算法——DES;
散列算法——MD5-HMAC;
DH——Diffie-Hellman组-2;
认证方式——预共享;
IKESA寿命。
如下是Raisecom中高级选项配置的策略:
(认证方式采用“预共享”方式)
(对于DPD,具体作用不知道,默认是关闭)
下面简要介绍一下上述五元组信息:
(a)协商模式:
可以选择主模式(MainMode)或者野蛮模式(Aggressive)。
当选择主模式时,只能使用IP地址作为ID的类型。
当用户端设备的IP地址为动态获取的情况时,需要选择野蛮模式。
IKE野蛮模式相对于主模式来说更加灵活,可以选择根据协商发起端的IP地址或者ID来查找对应的身份验证字,并最终完成协商。
(b)验证方法AH(AuthenticationHeader):
身份验证确认通信双方的身份。
目前在IKE提议中,仅可用pre-shared-key(预共享密钥)身份验证方法,使用该验证方法时必须配置身份验证字,并且两端的密钥要完全一致。
(c)加密算法:
包括DES和3DES加密算法;DES算法采用56bits的密钥进行加密,3DES算法采用168bits的密钥进行加密;AES128(AdvancedEncryptionStandard,即高级加密标准)采用Rijndael中的128bits的密钥进行加密;AES192(AdvancedEncryptionStandard,即高级加密标准)采用Rijndael中的192bits的密钥进行加密;AES256(AdvancedEncryptionStandard,即高级加密标准)采用Rijndael中的256bits的密钥进行加密;
一般来说,密钥越长的算法强度越高,受保护数据越难被破解,但消耗的计算资源会更多。
(d)Diffie-Hellman组标识(DH):
用户可以选择Group1即768bit或Group2即1024bit。
(e)ISAKMP-SA生存周期:
IKE使用了两个阶段为IPSec进行密钥协商并建立安全联盟。
第一阶段,通信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道,即ISAKMP安全联盟(ISAKMPSA);第二阶段,用在第一阶段建立的安全通道为IPSec协商安全服务,即为IPSec协商具体的安全联盟,建立IPSecSA,IPSecSA用于最终的IP数据安全传送。
ISAKMP-SA生存周期可以设定为60-604800之间的一个整数。
(f)定时发送keepalive报文(不是必须携带):
IKE通过ISAKMPSA向对端定时发送KeepAlive报文维护该条ISAKMPSA的链路状态。
当对端在配置的超时时间内未收到此KeepAlive报文时,如该ISAKMPSA带有timeout标记,则删除该ISAKMPSA及由其协商的IPSecSA;否则,将其标记为timeout。
如下是抓包获取到的信息(设备为Raisecom工业路由器):
由上图可知,模式为主模式,载荷类型为SA。
SA的数目和内容详见下图:
将载荷类型SA展开如下:
由下图可知,该SA中携带了三组策略,正好Raisecom中web页面配置的三组策略:
第一组TypePayload:
Transform(3)#0展开如下:
SA生存时间为10800;加密机制为DES;认证算法为SHA;认证方法选择PSK(预共享密钥);DH为Group2;
第二组TypePayload:
Transform(3)#1展开如下:
第三组
TypePayload:
Transform(3)#2展开如下:
报文中的组顺序和web页面上组顺序不一致,这个无所谓,只要能对上即可,因为实际中只要这三个组能匹配上即可。
消息2:
由响应者(即对端设备)回应,内容基本一样,主要与发起者比较,是否与发起者的IKE策略匹配,不匹配则进行下一组比较,如果最终都找不到匹配,隧道就停止建立;
(note:
发起者将其所有IKE策略发给接受者,接受者则在自己的策略中寻找与之匹配的策略;对比顺序从优先级号小的到大的;默认策略实际就是个模板没作用,如果认证只配置预共享的话,其他参数就会copy默认策略里的)
报文如下:
由上图可知,接受端回应的消息中,匹配了发送端的一条策略,如果有一条匹配,则不需要匹配其他策略。
在消息1和消息2中报错可能出现的原因:
(a)peer路由不通(即,外层的IP地址不通,这里对应的是发送发10.1.1.3和接收方10.1.1.2这两个地址不通,这里配置简单属于直连,而实际大型组网中,中间会有很多其他网元,往往是通过配置动态路由);
(b)cryptoiskmpkey没有设置(即,没有配置预共享密钥);
(c)一阶段的策略不匹配(这时需要检查两端设备的策略有不一致地方么)
(3)3&4消息:
密钥交换过程
消息3:
由发起者(即,隧道建立的发起者)发出,但是在发出消息3之前,有个过程必须要完成,就是Diffie-Hellman算法过程。
Diffie-Hellman算法过程目的:
在消息1和消息2中所协商的算法,它们必须需要一个KEY(即,共享密钥中设置的密码),这个KEY在两个对等体上必须一样,但同时这个KEY不能在链路中传递,因为传递KEY是一个不安全的手段。
所以,该过程的目的是分别在两个对等体间独立地生成一个DH公共值,该公共值有什么作用?
因为两个对等体上都生成该DH公共值后,它们会在接下来的消息3和消息4中传送给对方,打个比方,A收到了B的DH公共值,B收到了A的DH公共值。
当A、B都收到了对方的该公共值后,问题就好解决了。
因为有一个公式在数学中被论证成立,那么现在借助公式,就可以在两个对等体上生成一个只有它们两个对等体知道的相同的KEY,该公式为:
发起者密钥=(Xb)amodp=(Xa)bmodp=响应者密钥
note:
这个密钥不是最终算法中使用的KEY,但两个对等体通过该KEY材料来生成另外三个密钥,分别是:
SKEYID_d——此密钥被用于计算后续IPSec密钥资源;
SKEYID_a——此密钥被用于提供后续IKE消息的数据完整性以及认证;
SKEYID_e——此密钥被用于对后续IKE消息进行加密;
所以,由发起者发起的第三条消息主要是向对等体发送自己的DH公共值和Nonce随机数;
实际报文如下:
由上述报文可知,发送方开始向接收方发送自己的DH公共值以及随机数;
对端收到后,可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法,以及发送端在消息3中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥;
消息4:
同消息3,告知发送端自己的DH公共值和Nonce随机数;
报文如下:
由上述报文可知,接受方开始向发送方发送自己的DH公共值以及随机数;
对端收到后,可以根据“消息1&消息2”中协商的DH算法,以及接受端在消息4中给出的DH和nonce值来生成SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e三个密钥;
(3)5&6消息:
用于双方彼此验证。
由“于消息1&消息2”的算法,以及“消息3&消息4”生成的三个KEY,所以在后续的“消息5&消息6”就能被加密传送,这个过程是受SKEYID_e加密保护的。
预共享密钥的作用:
为了正确生成密钥,每一个对等体必须找到与对方相对应的预共享密钥,当有许多对等体连接时,每一对对等体两端都需要配置预共享密钥,每一对等体都必须使用ISAKMP分组的源IP来查找与其对等体对应的预共享密钥(此时,由于ID还没到,彼此先用HASH来彼此验证对方)HASH认证成分——SKEYID_a、cookieA、cookieB、preshare_key、SApayload、转换集和策略。
消息5:
由发起者向响应者发送,主要是为了验证对端自己就是自己想要与之通信的对端。
这可以通过预共享、数字签名、加密临时值来实现。
消息6:
由响应者向发起者发送,主要目的和第五条一样:
在消息5和消息6中报错可能出现的原因:
(1)cryptoiskmpkey设置错了;(即,两端的预共享密钥值设置的不一样)
(五)第二阶段:
第2阶段用三个消息来完成,目标是协商IPSecSA,而且只有一种模式,快速
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