📖 网络体系结构各层采取的安全措施—网络层

🎯 课程摘要：本课介绍网络层安全实例——IPsec（IP 安全协议）族。内容包括 IPsec 的两种工作方式（传输模式与隧道模式）、安全关联（SA）、IP 安全数据报格式与 ESP 协议要点，以及安全关联数据库（SAD）、安全策略数据库（SPD）和因特网密钥交换协议（IKE）等辅助机制。

📝 详细笔记

1. IPsec 协议族概述

  • 概念定义：IPsec（IP Security，IP 安全协议）是为因特网的网际层提供安全服务的协议族。
  • 算法灵活性：IPsec 不限定用户使用何种特定的加密和鉴别算法，通信双方可选择合适的算法和参数（如密钥长度）。为保证互操作性，IPsec 包含一套所有 IPsec 实现都必须实现的加密算法。
  • 支持范围：IPsec 既支持 IPv4 也支持 IPv6；在 IPv6 中，AH 协议和 ESP 协议都是扩展首部的一部分。

2. IPsec 的两种工作方式

对比项传输模式（Transport Mode）隧道模式（Tunnel Mode）
封装方式IPsec 将运输层报文作为 IPsec 数据载荷，添加 IPsec 首部和尾部，再添加新 IP 首部网际层给运输层报文添加 IP 首部构成 IP 数据报，IPsec 将整个 IP 数据报作为 IPsec 数据载荷，添加 IPsec 首部和尾部，再添加新 IP 首部
保护范围仅保护 IP 载荷（运输层报文）保护整个原始 IP 数据报（含原始首部）
使用情况较少目前使用最多
  • ⚠️ 重点/考点：无论哪种方式，IP 安全数据报的新 IP 首部都不加密，以便因特网中各路由器能识别首部信息，将 IP 安全数据报从不安全的因特网中从源点安全转发到终点。所谓"IP 安全数据报"是指数据报的数据载荷是经过加密并能够被鉴别的。

3. 隧道模式 IPsec 封装过程

4. 安全关联（SA）

  • 概念定义：在使用隧道模式传送 IP 安全数据报前，应为通信双方建立一条网际层的逻辑连接，称为安全关联（SA，Security Association），也称安全隧道。这使得传统无连接的网际层变为具有逻辑连接的层。
  • 单向性：SA 是从源点到终点的单向连接；若需双向安全通信，两个方向都需要建立 SA。
  • 应用场景举例：
    • 路由器之间建立 SA：公司总部与分公司之间，SA 建立在总部路由器 R1 和分公司路由器 R2 之间。主机 A 发送的 IP 数据报（源地址为 A，目的地址为 B）经 R1 进行 IPsec 加密并添加新 IP 首部（源地址为 R1，目的地址为 R2），成为 IP 安全数据报，经因特网转发到 R2 后解密还原，再交付给主机 B。
    • 路由器与主机之间建立 SA：公司总部主机 A 与外地出差员工主机 B 安全通信，SA 建立在 R1 与主机 B 之间。R1 加密后添加新 IP 首部（源地址为 R1，目的地址为 B），主机 B 中 IPsec 进行鉴别和解密。
  • 内部通信无需 SA：公司内部主机之间通信不经过不安全的因特网，无需建立 SA。

5. SA 的状态信息

建立 SA 的路由器或主机需维护以下状态信息：

状态信息说明
安全参数索引（SPI）32 位连接标识符，用于标识该 SA
SA 源点和终点的 IP 地址如路由器 R1 和主机 B 的 IP 地址
加密类型如 DES 或 AES
加密的密钥用于数据加密
完整性检查的类型如使用 MD5 或 SHA-1 的报文鉴别码
鉴别使用的密钥用于报文鉴别

6. AH 协议与 ESP 协议

IPsec 协议族中有两个主要协议：

对比项AH（鉴别首部）ESP（封装安全有效载荷）
功能提供鉴别功能提供加密和鉴别功能
复杂度较简单复杂得多
加密支持不提供加密提供加密
功能包含关系AH 的功能已包含在 ESP 中使用 ESP 则无需使用 AH
本课重点不再详述重点介绍

7. ESP 协议—IP 安全数据报格式与构建

ESP 各组成部分

部分字段说明
ESP 首部安全参数索引（SPI）32 比特，同一 SA 中传送的 IP 安全数据报使用同样的 SPI 值
序号32 比特，用于鉴别时防止重放攻击；分组重传时序号不重复
ESP 有效载荷原始 IP 数据报（隧道模式）作为 ESP 的有效载荷
ESP 尾部填充字段全零字节填充，使数据块长度为若干字节整数倍（如 4 字节）
填充长度8 比特，指出填充字段长度（字节为单位），最大值 255
下一首部指明接收端应将 ESP 有效载荷交给什么协议处理；隧道模式取值为 4（原始 IP 数据报首部），传输模式取值相应改变
报文鉴别码（MAC）MAC对需要鉴别的部分（ESP 首部 + 加密部分）生成，添加在 ESP 尾部后面

构建过程

  1. 原始 IP 数据报作为 ESP 有效载荷；
  2. 添加 ESP 尾部（填充字段 + 填充长度 + 下一首部）；
  3. 按 SA 指明的加密算法和密钥，对 ESP 有效载荷 + ESP 尾部进行加密；
  4. 在加密部分前添加 ESP 首部（SPI + 序号），构成需要鉴别的部分；
  5. 按 SA 指明的算法和密钥，对需要鉴别的部分生成报文鉴别码 MAC，添加在 ESP 尾部后面；
  6. 添加新 IP 首部（协议字段取值为 50，表明接收端应将数据载荷交给 ESP 协议处理），构成 IP 安全数据报。

接收方处理过程

  1. 根据 IP 安全数据报首部中协议字段取值 50，将数据载荷交由 ESP 协议处理；
  2. 检查 ESP 首部中 SPI 字段值，确定该数据报属于哪个 SA；
  3. 对鉴别部分计算报文鉴别码并与尾部的 MAC 比较，验证数据来源真实性；
  4. 根据 ESP 首部中序号判断是否遭受重放攻击；
  5. 用 SA 指明的加密算法和密钥对加密部分进行解密；
  6. 根据填充长度删除填充的全零字节，还原 ESP 有效载荷（原始 IP 数据报）；
  7. 根据解密后 ESP 尾部中下一首部字段取值 4，将 ESP 有效载荷交付给 IP 处理。

8. IPsec 的安全保障效果

  • 保密性：攻击者截获 IP 安全数据报后，仅能知道首部信息（源/目的 IP 地址），无法看懂数据载荷含义。
  • 完整性：攻击者若故意删除数据载荷中的字节，接收端能进行完整性验证，不会接受含有差错的数据报。
  • 防重放攻击：IP 安全数据报使用有效的序号，使重放攻击不能成功。

9. IPsec 辅助机制

机制全称功能
SAD安全关联数据库（Security Association Database）存储可能要用到的多条 SA；发送/接收 IP 安全数据报时在 SAD 中查找相应 SA，获取安全保护或检查安全性的必要信息
SPD安全策略数据库（Security Policy Database）指明什么样的 IP 数据报需要 IPsec 处理（取决于源地址、源端口、目的地址、目的端口、协议类型等）；指出是否需要 IP 安全数据报，若需要则由 SAD 指出使用哪个 SA
IKE因特网密钥交换协议（Internet Key Exchange）为 IP 安全数据报自动创建 SA 而无需人工配置；适用于大型地理位置分散的系统
  • ⚠️ 重点/考点：小型系统可用人工配置建立 SAD；大型系统必须使用 IKE 自动生成 SA。并非所有 IP 数据报都需 IPsec 处理，很多信息用明文普通 IP 数据报发送即可。

💡 核心总结

  • IPsec 在网际层提供安全服务，有传输模式和隧道模式两种，隧道模式使用最多。
  • 安全关联（SA） 是网际层的单向逻辑连接，维护 SPI、地址、加密/鉴别类型及密钥等状态信息。
  • ESP 协议提供加密和鉴别，构建 IP 安全数据报时对有效载荷和尾部加密、对首部和加密部分生成 MAC，新 IP 首部协议字段取值为 50。
  • 辅助机制：SAD 存储 SA、SPD 决定处理策略、IKE 自动创建 SA。

❓ 课后思考 / 经典考题

  1. 比较 IPsec 传输模式与隧道模式的区别，为什么隧道模式使用最多？
  2. 什么是安全关联（SA）？它包含哪些状态信息？为什么 SA 是单向的？
  3. 详细描述隧道模式下 ESP IP 安全数据报的构建过程和接收方处理过程。
  4. 比较 AH 协议与 ESP 协议的功能差异。
  5. 简述 SAD、SPD 和 IKE 的作用及其相互关系。
  6. IP 安全数据报如何实现保密性、完整性和防重放攻击？
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Contributors: yangwenguang