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E-mail: hjbin@infosec.pku.edu.cn
IP安全 胡建斌 北京大学网络与信息安全研究室
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目 录 TCP/IP协议 IPSec的结构 认证头AH 封装安全载荷 ESP 安全关联(SA)和安全策略(SP)
ISAKMP和Internet密钥交换模式
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TCP/IP协议栈
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用户数据经过协议栈的封装过程
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网络层安全
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传输层安全
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应用层安全
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IPV4数据报
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IPv4的缺陷 缺乏对通信双方身份真实性的鉴别能力 缺乏对传输数据的完整性和机密性保护的机制
由于IP地址可软件配置以及基于源IP地址的鉴别机制 ，IP层存在业务流被监听和捕获、IP地址欺骗、信息泄露和数据项篡改等攻击
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IPv6
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目 录 TCP/IP协议 IPSec的结构 认证头AH 封装安全载荷 ESP 安全关联(SA)和安全策略(SP)
ISAKMP和Internet密钥交换模式
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IPSec 两个通信协议：AH , ESP 两种操作模式：传输模式，隧道模式 一个密钥交换管理协议：IKE
两个数据库：安全策略数据库SPD，安全关联数据库SAD
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IPSec的体系结构
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IPSec的实现
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目 录 TCP/IP协议 IPSec的结构 认证头AH 封装安全载荷 ESP 安全关联(SA)和安全策略(SP)
ISAKMP和Internet密钥交换模式
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认证头 AH
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AH 为IP包提供数据完整性和鉴别功能 利用MAC码实现鉴别，双方必须共享一个密钥 鉴别算法由SA指定 － 鉴别的范围：整个包
两种鉴别模式： － 传输模式：不改变IP地址，插入一个AH － 隧道模式：生成一个新的IP头，把AH和原来的整个IP包放到新IP包的载荷数据中
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AH 提供的服务包括 数据源认证 无连接的完整性 可选的抗重放服务 不提供保密性
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AH头格式
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AH头说明－ Next Header 8比特，指出AH后的下一载荷的类型(RFC1700)
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AH头说明－Payload Length 包含以32比特为单位的AH的长度减 2
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AH头说明－SPI 32bit 用于和源/目的IP地址、IPSec协议(ESP/AH)共同唯一标识一个SA
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AH头说明－Sequence Number
SA建立时，发送方和接收方SN初始化为0 通信双方每使用一个特定的SA发送一个数据报则将它们增1，用于抵抗重放攻击 AH规范强制发送者必须发送SN给接收者，而接收者可以选择不使用抗重放特性，这时它不理会该SN 若接收者启用抗重放特性，则使用滑动接收窗口机制检测重放包。具体的滑动窗口因IPSec的实现而异
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AH头说明－Authentication Data
该变长域包含数据报的认证数据，称为完整性校验值(ICV) 生成ICV的算法由SA指定，具体视IPSec的具体实现而定 为保证互操作性，AH强制所有的IPSec必须实现两个MAC: HMAC-MD5, HMAC-SHA-1
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AH使用模式 传输模式 通道模式
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AH传输模式的特点 保护端到端通信 通信的终点必须是IPSec终点
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AH认证
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AH传输模式失效案例－1 NAT 网关
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AH传输模式失效案例－2 代理网关
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AH隧道模式的特点 保护点到点通信 通信的终点必须是IPSec终点 克服了传输模式的一些缺点
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AH认证
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完整性校验值(ICV)的计算 ICV用于验证IP包的完整性 ICV采用MAC生成
计算MAC时需要密钥，因此通信双方需要共享密钥，该密钥在SA 中定义，由通信双方协商生成 ICV的长度依赖于所使用的MAC算法： HMAC-MD5: 128位 HMAC-SHA-1:160位
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AH输出－输入处理流程
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ISAKMP和Internet密钥交换模式
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封装安全载荷 ESP
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ESP 提供保密功能，包括报文内容的机密性和有限的通信量的机密性，也可以提供鉴别服务（可选）
将需要保密的用户数据进行加密后再封装到一个新的IP包中，ESP只鉴别ESP头之后的信息 加密算法和鉴别算法由SA指定 两种模式：传输模式和隧道模式
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ESP 提供的服务包括 数据保密性 有限的数据流保密性 数据源认证（认证是可选的） 无连接的完整性 抗重放服务
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初始化向量(IV）
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加密和鉴别算法 加密算法 －3DES、RC5、IDEA、3IDEA、CAST、Blowfish 鉴别算法
－ICV计算应支持: HMAC-MD5-96、HMAC-SHA-1-96, 仅用96位
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ESP输出－输入处理流程
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SA组合 特定的通信量需要同时调用AH和ESP服务 特定的通信量需要主机之间和防火墙之间的服务 传输邻接：同一分组应用多种协议，不形成隧道
循环嵌套：通过隧道实现多级安全协议的应用
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机密与鉴别组合使用
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机密与鉴别组合使用 传输邻接使用两个捆绑的传输SA 内部是ESP SA（没有鉴别选项），外部是AH SA
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目 录 TCP/IP协议 IPSec的结构 认证头AH 封装安全载荷 ESP 安全关联(SA)和安全策略(SP)
ISAKMP和Internet密钥交换模式
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安全关联－SA
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安全关联－SA 用于通信对等方之间对某些要素的一种协定，如： IPSec协议 协议的操作模式：传输、隧道 密码算法 密钥
用于保护数据流的密钥的生存期
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安全关联－SA 通过像IKE这样的密钥管理协议在通信对等方之间协商而生成
当一个SA协商完成后，两个对等方都在其安全关联数据库(SAD)中存储该SA参数 SA具有一定的生存期，当过期时，要么中止该SA，要么用新的SA替换 终止的SA将从SAD中删除
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1
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安全关联－SA 安全参数索引 32位整数，唯一标识SA 1－255被IANA保留将来使用 0被保留用于本地实现 …… SA1 SA2 SA3
SAn …… SA3 SA2 SA1 安全参数索引 32位整数，唯一标识SA 1－255被IANA保留将来使用 0被保留用于本地实现
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 输出处理SA的目的IP地址 输入处理SA的源IP地址
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 AH ESP
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安全关联－SA 32位整数，刚开始通常为0 每次用SA来保护一个包时增1 用于生成AH或ESP头中的序列号域 在溢出之前，SA会重新进行协商
SAn …… SA3 SA2 SA1 32位整数，刚开始通常为0 每次用SA来保护一个包时增1 用于生成AH或ESP头中的序列号域 在溢出之前，SA会重新进行协商
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 用于外出包处理 标识序列号计数器的溢出时，一个SA是否仍 可以用来处理其余的包
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 使用一个32位计数器和位图确定一个输入的 AH或ESP数据包是否是一个重放包
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 AH认证密码算法和所需要的密钥
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 ESP认证密码算法和所需要的密钥
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安全关联－SA ESP加密算法，密钥，初始化向量(IV)和IV模式 IV模式：ECB，CBC，CFB，OFB …… SA1 SA2 SA3
SAn …… SA3 SA2 SA1 ESP加密算法，密钥，初始化向量(IV)和IV模式 IV模式：ECB，CBC，CFB，OFB
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安全关联－SA SAn …… SA3 SA2 SA1 传输模式 隧道模式 通配模式：暗示可用于传输隧道模式
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安全关联－SA 路径最大传输单元 是可测量和可变化的 它是IP数据报经过一个特定的从源主机到 目的主机的网络路由而无需分段的IP数据
SAn …… SA3 SA2 SA1 路径最大传输单元 是可测量和可变化的 它是IP数据报经过一个特定的从源主机到 目的主机的网络路由而无需分段的IP数据 包的最大长度
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安全关联－SA 包含一个时间间隔 外加一个当该SA过期时是被替代还是终止 采用软和硬的存活时间：软存活时间用于在
SAn …… SA3 SA2 SA1 包含一个时间间隔 外加一个当该SA过期时是被替代还是终止 采用软和硬的存活时间：软存活时间用于在 SA会到期之前通知内核，便于在硬存活时间 到来之前内核能及时协商新的SA
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安全策略－SP
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安全策略－SP SP：指定用于到达或源自特定主机/网络的数据流的策略 SPD：包含策略条目的有序列表 通过使用一个或多个选择符来确定每个条目
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安全策略－SP选择符 32位IPv4或128位IPv6地址 可以是：主机地址、广播地址、 单播地址、任意播地址、多播组
地址地址范围，地址加子网掩码 通配符号等 SRn …… SR3 SR2 SR1
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安全策略－SP选择符 32位IPv4或128位IPv6地址 可以是：主机地址、广播地址、 单播地址、任意播地址、多播组
地址地址范围，地址加子网掩码 通配符号等 SRn …… SR3 SR2 SR1
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安全策略－SP选择符 指定传输协议（只要传输协议 能访问） 许多情况下，只要使用了ESP, 传输协议便无法访问，此时需 使用通配符 ……
SRn …… SR3 SR2 SR1
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安全策略－SP选择符 SRn …… SR3 SR2 SR1 完整的DNS名 或 地址
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安全策略－SP选择符 完整的DNS用户名 如hjbin@infosec.pku.edu.cn 或X.500 DN …… SR1 SR2
SRn …… SR3 SR2 SR1 完整的DNS用户名 或X.500 DN
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安全策略－SP选择符 SRn …… SR3 SR2 SR1 应用端口 如无法访问，则使用通配符
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安全策略－SP SRn …… SR3 SR2 SR1 采取的动作 Discard Bypass IPSec Apply IPSec
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安全策略－SP 包括： 指向一个SA或SA集的指针 应用的IPSec协议 运用的密码算法 生成ICV的算法 …… SR1 SR2 SR3
SRn …… SR3 SR2 SR1 包括： 指向一个SA或SA集的指针 应用的IPSec协议 运用的密码算法 生成ICV的算法
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SPD SAD 输入数据报处理
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SPD SAD 输出数据报处理
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目 录 TCP/IP协议 IPSec的结构 认证头AH 封装安全载荷 ESP 安全关联(SA)和安全策略(SP)
ISAKMP和Internet密钥交换模式
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Internet安全关联密钥 管理协议 (ISAKMP)
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ISAKMP定义协商、建立、修改和删除SA的过程和包格式 (RFC2408)
ISAKMP消息可通过TCP和UDP传输：Port 500
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主题 ISAKMP头格式 ISAKMP载荷格式 ISAKMP协商阶段 ISAKMP交换类型
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ISAKMP头格式
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ISAKMP头格式- Initiator cookie
8bit串，由ISAKMP交换的发起者生成 会话过程中保持不变，用于验证 生成的方法可不同，建议采用MD5、SHA-1或其它支持的杂凑函数利用通信方源地址、目的地址、UDP/TCP源端口、目的端口、生成时间等生成 必须保证唯一
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ISAKMP头格式- Next payload
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ISAKMP头格式- Exchange type
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ISAKMP头格式- Flag 使用8bit中的低3位 1－加密比特 2－提交比特 3－仅认证比特
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ISAKMP载荷格式
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SA数据属性
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ESP加密算法
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ISAKMP载荷类型 通用载荷 安全关联载荷 建议载荷 变换载荷 密钥交换载荷 标识载荷 证书载荷 证书请求载荷 杂凑载荷 签名载荷
nonce载荷 通知载荷 删除载荷 厂商ID载荷
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Internet密钥交换
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交换阶段 交换模式 生成密钥信息 Oakley群 模式配置 混合认证
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IKE －ISAKMP IKE是一个混合协议，使用到三个不同协议的相关部分：
－Oakley密钥确定协议 －SKEME IKE实际定义了一个密钥交换，而ISAKMP仅仅提供了一个可由任意密钥交换协议使用的通用密钥交换框架
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Internet 密钥两阶段协商
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阶段1协商 ISAKMP通信双方建立一个ISAKMP SA，即用于保护双方后面的协商通信的一个协定
然后用这个ISAKMP SA为保护其它协议(如AH和ESP)建立SA的协商
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阶段2协商 用于为其它安全服务，如AH和ESP建立SA 一个阶段1的SA可用于建立多个阶段2的SA
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Internet 密钥交换模式
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主模式 野蛮模式 快速模式 新群模式
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主模式 用于协商阶段1的SA 这种交换模式被设计成将密钥交换信息与身份、认证信息相隔离，便于保护什么信息
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主模式 1－发起者发送一个封装有建议载荷的SA载荷，而建议载荷重又封装有变换载荷 2－响应者发送一个SA载荷，表明接受协商的SA的建议
3、4－发起者和接受者交换D-H公开值和各种辅助数据，如nonce。Nonce是计算共享密钥（用来生成加密密钥和认证密钥）所必须的 5、6－双方交换标识数据并认证D-H交换。这两个消息中传递的信息是加密的，用于加密的密钥由消息3－4中交换的密钥信息生成，所以身份信息受到保护
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野蛮模式 在不需要保护身份信息时，用于协商阶段1的SA
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野蛮模式 1－发起者发送一个封装有单个建议载荷的SA载荷，而建议载荷重又封装有变换载荷。在野蛮模式中，只提供带有一个变换的建议载荷，响应者可以选择接受或拒绝该建议。D-H公开值、需要的随机数和身份信息也在其中发送 2－响应者发送一个SA载荷，其中封装有一个包含发起者的建议和推荐的变换的建议载荷。 D-H公开值、需要的随机数和身份信息也在其中发送 3－发送者发送应用一致同意的认证函数生成的结果
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快速模式 用于协商阶段2的SA，协商受到阶段1协商好的ISAKMP SA的保护 这种交换模式下交换的载荷都是加密的
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新群(new group)模式 用于为D-H密钥交换协商一个新的群 这种交换模式受到阶段1协商好的ISAKMP SA的保护
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IPSec和IKE小结 IPSec在网络层上提供安全服务：定义了两个协议AH和ESP
IKE提供了密钥交换功能：利用ISAKMP提供的框架、以及Oakley和SKEME的密钥交换协议的优点 通过SA把两部分连接起来 已经发展成为Internet标准
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IPSec和IKE小结 IPSec太复杂 － 协议复杂性，导致很难达到真正的安全性 － 管理和配置复杂，使得安全性下降 实现上的兼容性
攻击：DOS，网络层之下的协议、之上的协议的弱点 还在进一步完善
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