（通信与信息系统专业论文）基于android系统的ipsec+vpn的研究与改进.pdf

基于a n d r o i d 系统的i p s e cv p n 的研究与改进 摘要 随着无线通信技术的快速发展，以及手持的广泛普及，基于手持 设备的i p s e cv p n 能够很好的满足用户进行异地局域网之间的安全 访问。a n d r o i d 系统是一个适用于各种手持设备的，以l i n u x 为基础 的开放源码操作系统。本文对基于a n d r o i d 系统的i p s e cv p n 进行了 研究与改进，并对实现所需的相关技术进行了深入分析。 本文首先介绍了i p s e c 协议体系、i k e 协议的数据交换过程以及 a n d r o i d 操作系统，在此基础上提出了基于a n d r o i d 系统的i p s e cv p n 的系统架构与需要解决的关键问题。然后对开源项目s t r o n g s w a n 的 源码进行了剖析并成功将其移植到a n d r o i d 系统的手机上，利用 m o b l k e 协议解决了移动设备的地址更换问题，接着采用硬件加密 卡，成功实现在i k e v 2 中使用国家密码局的s m l 算法替换其中通用 的加密算法，并提出了i kv 2 协议存在的缺陷以及改进的方法。最 后在实际应用环境中，对移植到a n d r o i d 系统的i p s e cv p n 进行功能 及性能测试，验证了相关实现的合理性与正确性。 关键词：i p s e cv p n ，i k e v 2 ，m o b i k e ，a n d r o i d 系统，硬件加密卡 r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to fi p s e c v p nb a s e do nt h ea n d r o i ds y s t e m a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， a sw e l la st h eu n i v e r s a lo fh a n d h e l dd e v i c e s ，i p s e cv p nb a s e do n h a n d h e l dd e v i c e sc a nb ew e l lp o s i t i o n e dt om e e tt h eu s e r s s e c u r i t ya c c e s s b e t w e e nt h er e m o t el a n a n d r o i ds y s t e mi sal i n u x - b a s e do p e ns o u r c e o p e r a t i n gs y s t e m , w h i c h c a nb es u i t a b l ef o rav a r i e t yo fh a n d h e l dd e v i c e s i nt h i sp a p e r ，i p s e cv p nb a s e do na n d r o i ds y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n d i m p r o v e d ，a n dh a sa c h i e v e dt h er e q u i r e dd e p t ho fa n a l y s i si nr e l a t e d t e c h n o l o g i e s t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ep r o t o c o l a r c h i t e c t u r eo fi p s e c ，t h ed a t a e x c h a n g ep r o c e s so fl k ep r o t o c o la n dt h ea n d r o i do p e r a t i n gs y s t e m o n t h i sb a s i s ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fi p s e cv p nb a s e do nt h ea n d r o i d s y s t e ma n dt h ek e yi s s u e st ob er e s o l v e dh a sb e e np r o p o s e d t h e nt h e s o u r c ec o d e o fo p e ns o u r c ep r o j e c t ss t r o n g s w a nw e r ea n a l y z e da n d s u c c e s s f u l l yp o r t e dt o t h ea n d r o i dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a n du s e m o b i k e p r o t o c o lr e s o l v e st h ea d d r e s se q u i p m e n tr e p l a c e m e n tp r o b l e m o ft h em o b i l e t h e nu s i n gah a r d w a r ee n c r y p t i o n c a r d ，s u c c e s s f u l m 1 1 111 1 1 1i i i i1 1 1 1 1 1 1 iii y 2 0 7 0 0 9 6 r e p l a c e dt h ec o m m o ne n c r y p t i o na l g o r i t h mb ys m 1a l g o r i t h mo fn a t i o n a l b u r e a up a s s w o r di nt h eu s eo fi k e v 2 m e a n w h i l e ，t h ed e f e c t so f m v 2 p r o t o c o la n di m p r o v e dm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d f i n a l l y ，i nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t , t h ei p s e cv p nf u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c e t e s t i n go f t h em i g r a t i o nt ot h ea n d r o i d s y s t e mh a sb e e nd o n et ov e r i f yt h e r e a s o n a b l e n e s so ft h er e l a t e di m p l e m e n t a t i o na n da c c u r a c y k e y w o r d s ：i p s e cv p n ，i k e v 2 ，m o b i k e ，a n d r o i do p e r a t i n g s y s t e m ，h a r d w a r ee n c r y p f i o nc a r d i i i 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着a n d r o i d 手机系统和i p h o n e 手机系统的发布，各类移动终端设备如雨 后春笋般冒了出来，宣告着后p c 时代正式来临。当前，移动互联网行业正在发 生翻天覆地的变化，智能手机用户将超过1 5 亿，a n d r o i d 、i p h o n e 平台在以令 人咂舌的速度崛起，3 g 技术日趋成熟，4 g 概念正深入人心。高速的发展给行业 带来了太多的机遇，从移动办公、娱乐到医疗、军事应用，移动互联网已渗透到 了每一个领域中。但伴随它的高速发展，最为核心的移动安全问题也正日益突显。 以前移动设备功能比较单一，恶意入侵所需要采用的技术与获得的利益并不 成正比。近两年来，随着智能手机的快速普及，与之相关的安全问题的报道也越 来越多地见诸于报端。据j u n i p e rn e t w o r k s 的调查数据显示，2 0 1 0 年在移动设备 上发生的恶意软件和病毒攻击数量与此前相比增加了2 ，而在被调查的1 5 个国家中，有5 ( 2 5 ，0 0 0 部) 的手机都在办公区域内遭到了恶意软件的袭击。 此外，普遍采用的开放式a n d r o i d 平台，它所带来的安全威胁也不容忽视。移动 专业公司a d a p t i v e m o b i l e 的调查数据显示，恶意软件攻击g o o g l ea n d r o i d 移动操 作系统的数量在2 0 1 0 年翻了4 倍。与i p h o n e 和s y m b i a n 等其他智能手机相比， 发生在a n d r o i d 平台手机上的攻击数明显更多。 在2 0 1 0 年，i p h o n e 、i p a d 以及类似的移动设备产品逐渐流行，而且正在逐 步的从用于通信、娱乐向移动办公转变。越来越多的企业允许员工使用自己的移 动和无线设备进行工作交流，而员工们也希望携带自己的设备如智能手机、平板 电脑等从事各项工作。f o r r e s t e r 研究公司的数据显示，现在全球移动办公人员的 数量已超过了十亿，大约占世界劳动力人口总数的三分之一。从最基本的收发邮 件，到访问公司数据、应用和网络，个人移动设备通常要兼顾个人应用和企业应 用的双重目的。可以预见的是，企业移动安全将成为继个人移动安全之后的另一 技术热点，它包括各种移动设备安全、移动设备管理以及终端安全等领域。 其实现在已经开始有一些病毒、恶意程序出现在各类移动终端里，不过总体 来说，这些还仅仅只是黑色产业链一次又一次的技术试探。在安全厂商研究探寻 移动设备存在的安全隐患时，恶意攻击者也在不遗余力的挖掘移动设备潜藏的漏 洞。这是一次赛跑，没有终点，比的就是谁更快。 于此同时，思科于2 0 1 1 年1 月2 3 发布安全报告表示，由于g r m d o w sp c 正 日渐变得难以突破，所以网络犯罪分子把焦点转移到了其它o s 、智能手机和平 板产品上，因为这些厂商对平台安全性和漏洞修补的关注度不足。几年来，利用 移动设备推动网络犯罪的犯罪分子利用设备缺陷、第三方应用等各种手段锁定被 害人。 同时，i n f o n e t i e s 公司的预期数据显示移动安全客户端软件市场将以每年5 0 复利，计算至2 0 1 4 年可达1 6 亿美元。这也正证明了手持智能设备平台存在着很 大的安全漏洞，市场对解决这一问题的需求非常迫切。 思科还指出，2 0 1 0 年安全业界发生了深远的变化，传统的垃圾邮件整体数 量第一次减少、僵尸网络逐渐被控制，但在一些发达经济体，垃圾邮件却有增无 减。并且，网络犯罪还在向金融方向发展，尽管被抓的风险很高，但犯罪分子依 然铤而走险。 另外，随着移动互联网产业的飞速发展，移动电子商务用户规摸和业务应用 都进入了崭新的阶段。有关市场调查显示，2 0 0 9 年中国移动电子商务用户规摸 己达到3 6 6 8 4 万，同比增长11 7 7 ；营收规模达5 5 0 0 万，同比增长1 3 0 。随 着3 g 业务的深入推进，我国移动电子商务产业正急不可待的要复制传统互联网 中蓬勃发展的网络购物和电子支付等业务，并形成新的阵地。这样大规模的变动 和宽广的市场前景，对于网络犯罪分子而言，无疑是个美味的诱惑。因此，交易 市场的安全问题成了移动电子商务发展道路上必须攻克的难关。 所有的这些都预示着移动终端的安全问题将成为接下来网络安全研究的重 点。以上种种都预示着保护移动终端安全运行是今后网络安全研究的首要任务。 1 2 国内外研究现状 自1 9 9 5 年始，i e t f 制定了第一套i p s e c 安全协议用于保护m 通信，标志着 国外对i p s e c 的研究正式起步。三年后，i e t f 又迅速制订了p 安全框架 r f c 2 4 0 1 。因此，就着i p s e c 协议族的快速扩展，各路厂商大量推广i p s e cv p n 2 ( 虚拟专用网技术) 产品。这些新兴产品不仅拥有i p s e cv p n 的加密认证功能， 还可结合防火墙、i d s 等设备形成具有v p n 功能的网络安全设备。国外对i p s e c t i j 的研究相比国内要早得多，从1 9 9 5 年开始，i e t f 就着手研究制定了一套用于保 护口通信的i p s e c 安全协议族，1 9 9 8 年便制订了口安全框架( r f c 2 4 0 1 ) 。经过 实现和扩展i p s e c 协议族，国外厂商纷纷推出了面向不同市场的i p s e cv p n 2 ( 虚 拟专用网技术v m u a lp r i v a t en e t w o r k ) 产品。这些产品除拥有i p s e cv p n 基本的 加密、认证等功能外，还和防火墙、i d s ( 入侵检测系统) 等设备结合，形成了具 有v p n 功能的网络安全设备。同时，由于研究团队f r e e s w a n 将支持r f c 标准 的v p n 源码和开发过程公之于众，使得i p s e ev p n 的发展更加迅速。虽然后来 f r e e s w a n 分裂成了两个：o p e n s w a n 与s t r o n g s w a n l 3 】，不过他们仍然在致力于i p s e c v p n 的研究。 到目前为止，国内i p s e cv p n 产品也有数年的研发历史。国家密码局根据 r f c 标准的i k e 4 1 协议与i p s e e 协议推出了适用于我国的i p s e cv p n 规范协议 5 1 。 国内厂商也自主研发了适合我国的i p s e c v p n 产品，同时在加密算法和认证方式 以及n a t 穿越技术上小有所成。国内安全产品生产厂商也开发出了具有自主知 识产权的i p s e cv p n 产品，并在加密算法、认证方式以及n a t ( 网络地址转换1 穿越等技术上取得了一定的成绩。 2 0 0 6 年6 月m o b i k e 6 】协议标准的出现，使得i k e 协议开始支持移动设备 的使用，于是国外开始了各种基于移动设备的i p s e cv p n 开发。不过由于当时手 机等设备的硬件性能问题，并没有支持p s v p n 功能。 近几年，随着消费性电子产品的热销，嵌入式系统得到了充分发展空间，嵌 入式软件开发也在软件领域愈显突出。近年来，随着以消费性电子产品为代表的 嵌入式系统的迅速发展，嵌入式软件开发在软件领域的比重越来越大。同时智能 手持设备的普及与硬件性能的大幅提升，使得w i n d o w sc e ，a n d r o i d ，i p h o n e ， s y m b i a n 等操作简单、功能强大的手机系统在智能机、掌上机以及终端机上大展 拳脚。手机操作系统凭借其简单易用、功能强大的优点在智能手机、p d a 以及 终端机上大展拳脚。为此，国外基于这些操作系统的v p n 开发也迅速发展了起 来。 再到2 0 1 0 年9 月，i k e v 2 t 7 1 的r f c 5 9 9 6 标准出现。以此契机，国内外又开 3 始了基于i k e v 2 的新一轮开发与研究。因为国内全部的i p s e e 协议都是基于 i k e v l 的国家密码局的协议，而国家并未颁布i k e v 2 的协议，因此所有的实际设 备都未开发出售。 上述提到的几个国外的手机操作系统都已经支持了i k e v l 的i p s e c v p n ，但 并未使用i k e v 2 协议。虽然国内也有部分关于手机i p s e ev p n 的研究，但基本 上都是关于用户界面和相应的用户应用程序的开发，仅仅是停留在这些手机下层 提供的v p n 接口的调用而已。 1 3 本文的研究内容和主要贡献 1 3 1 研究内容 为了解决用户高效、安全地使用手持设计进行无线网络的访问，本文主要进 行了以下几方面的研究工作： 1 ) 研究了i p s e e 协议的体系结构 i p s e c 用于为通讯双方验证数据源、完整无连接数据，保证数据、有线业务 流机密性和抵抗重放攻击。它是基于网络层的安全协议，相对于其他协议的优点 在于它是在t c p i p l 8 1 协议的关键点实现安全机制，从而有效保障了高层各协议的 安全性，减少了在t c p i p 网络上部署安全的复杂性。本文通过介绍a h 9 1 协议、 e s p 1 0 i 协议与i k e 协议来阐述i p s e c 的体系结构，并分析了i k e v 2 针对i k e v l 进行的改进以及m o b i k e 协议的数据交互过程。 2 ) 研究了a n d r o i d 系统的架构 a n d r o i d 系统是g o o g l e 于2 0 0 7 年1 1 月0 5 日宣布的基于l i n u x 平台的开源 移动操作系统的名称。本文详细的说明了a n d r o i d 系统的运行架构以及源码的目 录结构，分析了应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和l i n u x 核心层， 并选择此系统作为i p s e ev p n 的移植平台。通过分析开源项目s t r o n g s w a n ，更改 a n d r o i d 源码，成功移植该项目到a n d r o i d 系统的手持设备上。 3 ) 研究了i k e v 2 协议实现中加密算法的替换 加密算法是保证i k e 协商过程中数据安全的一个重要部分，而i k e 的协商 过程则是保证i p s e ev p n 安全通信的保障。开源项目s t r o n g s w a n 中，i k e v 2 协 议的实现采用的是国际通用算法，并且采用的是软件实现方式。本论文将其替换 4 为国家密码局发布的s m l 加密算法，并采用硬件加密卡进行加密，大大增强了 i k e 协商的安全性。 1 3 2 主要贡献 本文主要贡献如下： 1 ) 在课题组前期研究i p s e cv p n 与手持设备的基础上，提出了基于a n d r o i d 系 统的i p s e cv p n ，成功解决了用户如何高效、安全的使用a n d r o i d 系统的手 持设备进行网络数据访问。 2 ) 根据无线网络环境下，手持设备随时可能更换m 地址的情况，采用了 m o b i k e 解决i p s e cv p n 隧道重新协商的问题，并移植到a n d r o i d 手持设备 上。 3 ) 分析开源项目s t r o n g s w a n ，将其中i k e v 2 协商过程下的加密算法，从软件实 现的国际通用算法替换为硬件加密的国家密码局s m l 算法。 4 ) 通过分析i k e v 2 的交互过程，提出了i k e v 2 数据交换时存在的漏洞，并给出 了相应的解决方案。 1 4 论文组织结构 本文共分为绪论、i p s e c 概述、手持设备体系结构、系统设计与实现、测试 及总结展望六章，内容安排如下： 第一章绪论，介绍本课题的研究背景，首先介绍了本课题的研究背景，然后 分析了移动设备的i p s e cv p n 的研究现状，以及i k e v 2 协议的研究现状。在此 基础上，提出了本文的研究内容、主要贡献和组织结构。 第二章首先介绍了i p s e c 的协议体系以及其中的几个主要协议，然后对其中 的i k e 协议进行了详细的叙述，并分析了i k e v 2 协议针对i k e v l 协议进行的改 进以及m o b i k e 协议的交换过程，最后再介绍了通用的加密算法及加密模式。 第三章主要介绍a n d r o i d 操作系统，详细阐述了系统的架构与源码组成，并 描述了源码的结构以及如何编译源码、构建开发环境。然后针对a n d r o i d 的手持 设备中的t f 加密卡进行了描述。 第四章主要讲述了系统的设计与实现。首先提出了系统设计的目标与需要解 决的关键问题，然后针对各个问题，利用前两章叙述的内容提出了相应的解决方 案并设计系统框架。接着在系统实现中分析了s t r o n g s w a n 的源码结构，替换其 中i k e v 2 的加密算法，并实现了a n d r o i d 系统的应用层程序开发。最后提出了 i k e v 2 协议存在的缺陷以及改进的方法。 第五章主要呈现将前面的研究工作应用于实际环境下的测试结果，并对移植 到a n d r o i d 系统的i p s e cv p n 进行功能及性能测试。 第六章在总结当前研究工作的基础上，对下一步的研究工作做了一些展望。 6 2i p s e c 概述 2 1i p s e c 协议体系 2 1 1i p s e c 协议概述 目前，i n t e r n e t 应用日益广泛，私有网络数量也在高速增长，因此各个私有 网之间通过i n t e m e t 进行通讯时的安全问题日渐突显。为了增强m 网络的安全性， 人们试图利用基于t c p i p 网络层结构的安全协议来达到这一目的，比如基于传 输层的s s l t l s ：基于应用层的p g p 、p e m 、s m i m e 。i e t f ( 因特网工程任务 组) 更是早在1 9 9 8 年1 1 月就公布了p 安全标准：i p s e c 。i p s e c 主要为通讯双 方验证数据源、完整无连接数据，保证数据、有线业务流的机密性和抵抗重放攻 击。由此可知，i p s e c 协议的正确实现就是保证通讯安全的关键。i p s e c 是基于 网络层的安全协议，相对其他协议的优点是它实现安全机制的立足点就是 t c p i p 协议本身的关键点，从而有效保障了高层协议的安全性，简化了t c p i p 网络上关于安全问题部署的复杂性。这有利于各应用程序共享层提供的密钥 管理和安全服务，因而减少了密钥协商的开销，也缩小了安全漏洞的产生范围。 i p s e c 是现今唯一能为任何形式的i n t e m e t 通信提供安全保护的协议i l l 】。因此， 近几年来，i p s e c 一跃成为实现v p n 的主要方法，并得到越来越多的机构和企业 的广泛应用。 i p s e c 安全体系结构主要由三部分组成，分别如下： 1 ) 安全协议：认证头和封装安全有效载荷； 2 ) 安全策略与安全联盟； 3 ) 密钥管理：手工管理和自动管理( i k e ) 。 2 1 2 认证头a h 与封装安全有效载荷e s p 口认证( a h ) 是一种为疋报文提供强认证的安全机制，它能为球报文提 供m 报文源点认证、无连接数据完整性和抗重放攻击( 在i p s c c 中，这三项功 7 能混在一起成为认证) 。 口认证( a h ) 是一种安全机制。它为p 报文提供由p 报文源点验证、完 整无连接数据和抗重放攻击这三项功能组成的强认证。( 在i p s e c 中，这三项功 能混在一起成为认证) 。但是，a h 只能负责确认信息包的来源和完整性，并不 能保护信息内容的机密性，因此我们需要引入另一种机密性服务，这就是封装安 全有效载荷( e s p ) 的作用。 e s p 主要支持口数据项的机密性，其工作是先将需要保护的用户数据进行 加密，再封装到包中。另外，e s p 也可提供如a h 一般的认证服务，但与a h 相比认证范围较窄：a h 认证的是i p s e c 的外层p 头；e s p 认证的是e s p 头之 后的数据包信息。虽然，e s p 的加密服务可以单独选用，但若仅使用加密不使用 认证和完整性保护，其结果往往会造成特定类型的攻击【1 2 1 。因此，a h 与e s p 两者结合才能构成一个完整安全的协议。 a h 和e s p 这两种协议既可以保护一个完整的m 负载，也可以用于保护i p 负载中的上层协议，并分别采用隧道模式和传输模式提供支持。 a h 与e s p 相比较： 1 ) a h 协议( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，使用较少) ：可以同时提供数据来源确认、 数据完整性确认、防重放等安全特性；a h 通常使用摘要算法( 单向h a s h 函数) m d 5 和s h a l 实现该特性。 2 ) e s p 协议( e n c a p s u l a t e ds e c u r i t yp a y l o a d ，使用较广) ：可以同时提供数据加 密、数据完整性确认、防重放等安全特性；e s p 常用d e s 、a e s 、3 d e s 等 加密算法来实现数据加密，使用s h a l 或m d 5 实现数据完整性。 两相比较：首先，由于a h 无法提供数据加密，因此所有数据在传输时均以 明文形式传输，而e s p 则可以提供数据加密；其次，a h 因提供数据来源确认( 源 p 地址一旦改变，a h 校验失败) 而无法穿越n a t 。 图2 1 为a h 协议的头格式： 01234 下一个头载荷长度保留 安伞参数索引( s p i ) 序列号 认证数攥( 变长的) 8 图2 1a h 头格式 下一个头：表明了数据的类型，具体数据包含在“数据载荷”字段中。 载荷长度：载荷长度也是一个l 字节的字段，该字段的值是a h 头的长度减 去2 ”，其长度值以4 字节为单位。 保留：保留字段是一个2 字节的字段，留予将来使用。该字段应该被设置为 “o ”，并且参与完整性校验值i c v 的计算。 安全参数索引：安全参数索引s p i 是一个4 字节值，它与目的地址、安 全协议共同标识了当前数据报文的安全联盟。从1 至2 5 5 范围内的s p i 值是保留 给将来使用的，“o ”值则保留给本地的特定实现使用并且不能在网络上传送，而 通过通信协商得到的s p i 值则不能小于2 5 6 。 序列号：序列号是一个无符号4 字节单调递增计数器。发送方事先会对使用 该s a 的每个数据报文进行计数，接收方则必须在接收时检测该字段来实现s a 的抗重放攻击服务。发送方和接收方的计数器在建立一个s a 时被初始化为0 ， 该序列号在一个s a 的生存期内不得循环使用，在计数器溢出之前，通信的双方 必须协商出一个新的s a 来使这个字段复位为0 。 认证数据：认证数据是一个变长字段，它是一个完整性校验值i c v ，用于校 验整个m 报文的完整性( 可变字段除外) 。该字段的长度必须是4 字节的整数倍， 具体长度取决于使用的完整性校验算法。 图2 - 2 为e s p 协议的头格式： ol2 3 4 安伞参数索引( s p i ) 序列哮 载荷数据( 变长) 填允( 交长)填允长度 下一个央 认证数据( 变长) 图2 2e s p 头格式 安全参数索引：同a h 头格式。 序列号：同a h 头格式。 9 载荷数据：载荷数据是e s p 保护的实际数据，这个字段的长度由口头中的 数据长度字段决定。加密算法需要的特殊参数，比如初始化向量( ) 等，也包 含在数据载荷字段中。这些特殊参数的长度，结构和位置由具体的算法规定。 填充长度：当接收端收到p 包时，接收端根据“填充长度一字段回复数据 真实长度。需要注意的是“填充长度”字段是一项硬性规定，即使没有填充，填充 长度字段也必须存在。 下一个头：同a h 头格式。在e s p 协议中，如果在通道模式下使用，下一 个头应是p ：如果在传送模式下使用，下一个头则是上层协议：t c p ，u d p 或 i c m p 等。 认证数据：认证数据是一个变长字段，它是一个完整性校验值i c v ，是对 e s p 报文去掉i c v 以外的其余部分进行完整性校验计算所得的值。该字段的长 度由选择的完整性校验算法决定。认证数据字段是可选的，只有当s a 选择了完 整性校验服务时，e s p 头才包含认证数据字段。 以下我们以e s p 协议为例，详细阐述i p g e cv p n 提供的两种封装模式：传 输模式和隧道模式。 1 ) 传输模式： 传输模式的工作原理：在m 包的包头与数据报之间插入一个e s p 头，通过 该e s p 头将数据报进行加密，然后在i n t c m e t 网上进行传输。这种模式的特点是 保留原口头信息，即信源和信宿地址不变，将所有与安全相关的信息包含在e s p 头中，通信双方依此进行安全封装传输和折封还原。e s p 传输模式主要适用于主 机与主机的安全通信，这种安全模式可将通信两端由信源到信宿基于虚拟连接的 传输信息进行加密。如图2 3 所示： 1 0 图2 3 传输模式下的e s p 协议 2 ) 隧道模式： e s p 隧道模式的工作原理：先将p 数据包进行加密，再加上e s p 头和新的 头。其中，新的m 头中包含了隧道源和隧道宿的地址。当数据包通过e s p 隧 道到达目的网关( 隧道的另一端) 后，利用e s p 头中提供的安全相关信息对已 加密过的原口包进行相关地安全处理，之后再将已还原的高层数据按原头标 示的口地址递交以完成信源到信宿的安全传输。这种安全相关对于源、宿地址 来说是双向的。如图2 4 所示： 图2 _ 4 隧道模式下的e s p 协议 e s p 隧道模式主要用于以下情况： 1 ) 用于网关与网关之间保护内部网络。通过正确配置，一个网关可与多个网关 建立i p s e c 安全互联，实现具有相同安全策略的v p n 。通过这种借助安全关 联的可配置保护模式，内部一部分主机可以经网关到网关的i p s e c 隧道进行 i n t e m e t 通信，另一部分主机则直接由网关到网关进行i n t e m e t 通信。这种 v p n 的应用就变得灵活多变。 2 ) 用于主机与网关之间的双向安全保护。i p s e c 隧道建在主机与网关之间，通 过配有i p s e c 模块的安全网关一边保护内部网络，另一边保护主机。 a h 的传输模式和隧道模式如图2 5 与2 - 6 所示： 图2 5 传输模式下的a h 协议 2 1 3 安全联盟 图2 - 6 隧道模式下的a h 协议 安全联盟( 简称s a ) 【1 3 】是i p s e c 的构成基础，它是由通信实体双方经协商 建立的一种协定，它描述了实体如何利用安全服务来进行安全的通信。安全联盟 包括了执行各种网络安全服务所需要的所有信息，例如口层服务( 如头认证和 载荷封装) 、传输层和应用层服务或者协商通信的自我保护。安全联盟决定了保 护数据包安全的转码方式、i p s c c 协议、密钥以及密钥的有效存在时间等。任何 i p s e c 实施方案都会构建一个s a 数据库( s a n s ) ，由它来维持i p s e c 协议，用来 保证数据包安全的s a 记录。s a 是单向的，并且设计非常简化。如果两个主机( 比 如a 和b ) 正通过e s p 进行安全通信，那么主机a 就需要有一个s a ，即s a ( o u t ) ， 用于处理外发数据包；此外还需要一个s a ( m ) ，用于处理进入数据包。这里，主 机a 的s a ( o u t ) 和主机b 的s a ( i n ) 将共享相同的加密参数( 比如密钥) 。同样地， 主机a 的s a ( i n ) 和主机b 的s a ( o u t ) 也共享同样的加密参数。由于s a 是单向的， 所以针对外发和进入处理使用的s a ，分别需要维护一张单独的数据表。另外， s a 还与协议相关，每种协议都有一个s a 。如果主机a 和b 同时通过a h 和e s p 进行安全通信，那么每个主机都将针对每一种协议构建一个独立的s a 。 在i p s c c 体系中还有一个组件，名为“安全策略数据库”( s p d b ) 。在包处理过 程中，s p d b 和s a d b 这两个数据库需要联合运用。安全策略数据库是i p s c c 结 构中至关重要的一个组件，它定义了两个实体间的安全通信特性、定义了在什么 模式下使用什么协议、定义了如何对待m 包。 安全联盟( s a ) 通过以下3 个参数进行唯一标识： s p i ：安全参数索引。它是一个长度为3 2 位的数据实体，用于唯一地标识本一 地的一个s a 。 目的口地址：目前只允许单播地址。这是s a 目标端点的地址，它可能是 网络系统或最终用户系统，如防火墙、路由器等。 安全协议标识符：标明该安全联盟是a h 还是e s p 协议。 2 2i k e 协议 i k e 协议涉及相关术语： h d r ：一个i s a k m p 头； h d r * ：表示i s a k m p 头后面的载荷是加密的； s a ：带有一个或多个建议载荷的安全联盟载荷； c k y - i ：i s a k m p 头中的发起方c o o k i e ； c k f r ：i s a k m p 头中的响应方c o o k i e ： i d i ：发起方的标识载荷； d r ：响应方的标识载荷； s i gi ：发起方的签名载荷； s i gr ：响应方的签名载荷； c e r t ：证书载荷； n i ：发起方的n o n c e 载荷； n r ：响应方的n o n c e 载荷； k e i ：发起方的d i f f i e h e l l m a n 密钥因子； k e r ：接收方的d i 伍e h e l l m a n 密钥因子： p r f ( k e y ，m s g ) ：使用密钥k e y 对消息m s g 进行数据摘要运算。 2 2 1i k e v l 协议概述 i p s e c 协议在处理交互数据前必须要先和通信方建立s a ，s a 的建立包括有 以下两种方式： 1 ) 人工密钥管理：系统管理员使用每个系统自己的密钥和其他通信系统的密钥 人为设置密钥管理系统。这种方式于小型的相对静态的环境来说比较实用 的。 2 ) 自动密钥管理：根据双方的需要自动为安全关联创建密钥，适合用于配置不 断变化的大型分布式系统中。 而i k e ( i n t e r n c tk e ye x c h a n g e ) 就是i p s e c 默认的自动密钥管理协议。i k e 协议是一个混合型的协议，由s k e m e 、i s a k m p 1 4 】【1 5 1 和o a k l e y 1 6 1 1 刀组成， 至今为止，它是唯一一个正式确定的密钥交换协议。它的框架建立在i s a k m p 协议之上，同时借鉴了o a k l e y 协议中不同模式的思想，定义了两种交换模式： 主模式和积极模式。主模式相较积极模式协商速度较慢，但是安全性更高。并且 它还使用了s k e m e 协议中的身份验证方式，实现了多种对交换过程进行验证的 方法。其中，i s a k m p 为认证和密钥交换提供了密钥交换协议，包括第一阶段和 第二阶段【1 8 】【1 9 1 。 在第一阶段交换中，通信双方建立了一个i k es a 。该s a 是协商双方为保护 1 4 它们之间的通信而使用的共享策略和密钥。用这个s a 来保护i p s e cs a 的协商过 程。一个i k es a 可以用于建立多个i p s e cs a 。 在第二阶段交换中，通信双方使用第一阶段i k es a 协商建立i p s e cs a ，i p s e c s a 是为保护它们之间的数据通信而使用的共享策略和密钥。 第一阶段的交换分成两种模式：主模式和积极模式，而每种模式都有四种建 立i k es a 的方法，四种方法之间的区别在于对对方身份的验证方法不同，分别 为：以预共享密钥作为验证的交换、以数字签名作为验证的交换、以公共密钥加 密作为验证的交换、以修改过的公共密钥加密作为验证的交换。 第二阶段的交换只有一种模式，即快速模式。 2 2 2i k e v l 协议交换过程 1 ) 第一阶段的交换有两种模式：主模式和积极模式。 主模式下，在第1 次交换中( 消息1 ，2 ) ，通信双方需要协商i k es a 的各项 参数、拟定其余部分的交换规范，并互换双方的随机 c o o k i e s ”；在第2 次交换 中( 消息3 ，4 ) ，双方交换d h 公共值( 在第1 次交换中协商好的组内交换) 以及伪 随机数；此后，通信双方生成s k e y i d ，并进而衍生一组密钥，包括加密材料生 成密钥s k e y i d - d 、验证密钥s k e y i d - a 以及加密密钥s k e y i d - e ；在最后一次交换 中( 消息5 ，6 ) ，双方各自标定自己的身份，并互换验证散列摘要。交换的最后 两条消息是用s k e y i d - e 加密的，签名后得到的数据s i t i 、s i g 用来对交换进 行验证。 使用数字签名认证的i k e v l 阶段一交换( 主模式) 如图2 - 7 所示： 1 5 ( 1 ) i - i d r s a i j ( 2 ) b d r s a r , ( 3 ) i = i d r , k e i n i j 发响 起 ( 4 ) 卸d 旺n 如 应 方j方j ( 5 ) h d k * ，m l 【优哪，s i g _ i o ( 6 ) h d r * ，取【删，s i g _ r 一 图2 7i k e v l 协议主模式下签名验证交换的消息 积极模式的用途与主模式一样，不同的是，积极模式只用主模式一半的消息 且不提供身份保护，因此其协商能力受到大大限制。所以积极模式最大的优点是 速度快，而其代价则是在某种程度上降低了协议的安全性。积极模式的协商过程 为：发起者在第1 条消息中提供一个保护套件列表、d h 公共值、随机数以及身 份资料；响应者在第2 条消息中回应一个选定的保护套件、d h 公共值、随机数、 身份资料和一个验证载荷( 对于预共享密钥和公钥加密验证来说是一个散列，于 数字签名验证来说则是一个签名的载荷) ；发起者在最后一条消息中发送它的验 证载荷：响应者只有在收到第3 条消息并正确识别发起者的身份之后才生成d h 乘幂。因此，第3 条消息是不加密的。 使用数字签名认证的i k e v l 阶段一交换( 积极模式) 如图2 8 所示： 图2 - 8i k e v l 协议积极模式下签名验证交换的消息 2 ) 第二阶段的交换：快速模式 1 6 快速模式是在i k es a 保护下在阶段2 中进行的交换，而且在一个i k es a 的保 护下可并发地进行多个快速模式交换。在一次快速模式交换中，通信双方需要协 商i p s c cs a 的各项特征，并为其生成密钥。i k es a 提供两项保护：一是使用 s k e y i de 对消息进行加密以保证交换消息的机密性；二是使用s k e y i d 个消息进行验证以提供数据的完整性，并对数据源的身份进行验证。每个快速模 式交换都有一个独一无二的消息，所以当对i k e 协议消息进行多路复用时能够据 此判断消息从属于哪一次交换。 i k e v l 阶段二的交换( 快速模式) 如图2 9 所示： 图2 - 9 快速模式下交换的信息 消息l 发起方向响应方发送一个杂凑载荷、一个安全联盟载荷( 其中封装了 一个或多个建议载荷，而每个建议载荷中又封装一个或多个变换载荷) 、一个 n o n c e 载荷和标识载荷。 杂凑载荷中消息摘要的计算方法如下： h a s h ( 1 ) = p r f ( s k e y i d a ，m s g i dis a l n i 【ii d iii d r l ) 消息2 响应方向发起方发送一个杂凑载荷、一个安全联盟载荷、一 n o n c c 载荷和标识载荷。 杂凑载荷中消息摘要的计算方法如下： h a s h ( 2 ) = p r f ( s k e y i d a ，m s g l din ii s ajn r 【ii d iim r 】) 消息3 发起方向响应方发送一个杂凑载荷，用于对前面的交换进行认证。 杂凑载荷中消息摘要的计算方法如下： h a s h ( 3 ) = p r f ( s k e y i d a ，0lm s g i din ii n r ) 一次阶段- - s a 协商会产生两个s a ，一个迸一个出。每个方向上的s a 有不同 的s p i 值，保证了每个方向上有一个不同的密钥。使用快速模式，多个s a 和s a 1 7 的密钥能在一次交换中协商。 2 2 3i k e v 2 对i k e v l 的改进 i k e 第一版设计的复杂性导致其成为了整个i p s e e 系统速度的瓶颈。比如， 密钥交换协议i k e v l 的h a s hi 和h a s hr 字段存在定义缺陷，只提供了对s a i 的认证，而没有对s a t 进行认证，从而导致了安全缺陷，容易受到中间人攻击； 主模式的密钥交换中，第五、六条消息是进行加密处理的。而在积极模式下，3 条消息都没有进行加密处理。因此无法对协商双方的身份信息提供保护；i k e v l 没有包含n a t 穿越、扩展认证等规定，后来才发布了一些d r a t t 对相关功能进行 约束，但由于没有整合，所以各个厂商实现不尽相同，导致用户实际网络中不同 厂商设备兼容性很差，也难以扩展。鉴于i k e v l 的复杂性及其存在的缺陷，2 0 0 2 年2 月，i e t f 开始组织i k e 第2 版( 即江v 2 ) 的起草工作，草案历经1 7 次修 订和完善，最终确定为正式的r f c 标准。i k e v 2 协议在i k e v l 基础上进行针对 性的优化和强化，解决了一些问题。 i k e v 2 协议保留了i k e v l 的基本功能，并针对i k e v l 研究过程中发现的