人狠话不多，这份IPSec的体系结构详解请拿走~

IP安全 (IP Security)体系结构，简称 IPSec，是 IETF IPSec 工作组于1998年制定的一组基于密码学的安全的开放网络安全协议。IPSec工作在 IP 层，为 IP 层及其上层协议提供保护。

IPSec提供访问控制、无连接的完整性、数据来源验证、防重放保护、保密性、自动密钥管理等安全服务。IPSec独立于算法，并允许用户( 或系统管理员 ) 控制所提供的安全服务粒度。比如可以在两台安全网关之间创建一条承载所有流量的加密隧道，也可以在穿越这些安全网关的每对主机之间的每条TCP连接间建立独立的加密隧道。

IPSec在传输层之下，对应用程序和终端用户来说是透明的。当在路由器或防火墙上安装 IPSec时，无需更改用户或服务器系统中的软件设置即使在终端系统中执行 IPSec，应用程序之类的上层软件也不会受到影响。

1. IPSec的组成

IPSec是因特网工程任务组(IETF)定义的一种协议套件，由一系列协议组成，验证头(AH)、封装安全载荷(ESP)、 Internet安全关联和密钥管理协议 ISAKMP的 Internet IP 安全解释域 (DOI)、ISAKMP、Internet密钥交换( IKE)、 IP 安全文档指南、 OAKLE密Y 钥确定协议等，它们分别发布在RFC2401～RFC2412 的相关文档中。图2.3 显示了 IPSec的体系结构、组件及各组件间的相互关系。

• AH(认证头)和 ESP(封装安全载荷)：是IPSec体系中的主体，其中定义了 协议的载荷头格式以及它们所能提供的服务，另外还定义了数据报的处理规则， 正是这两个安全协议为数据报提供了网络层的安全服务。两个协议在处理数据报 文时都需要根据确定的数据变换算法来对数据进行转换，以确保数据的安全，其中包括算法、密钥大小、算法程序以及算法专用的任何信息。
• IKE(Internet密钥交换)：IKE利用 ISAKMP语言来定义密钥交换，是对安 全服务进行协商的手段。IKE交换的最终结果是一个通过验证的密钥以及建立在 通信双方同意基础上的安全服务——亦即所谓的“IPSec安全关联”。
• SA(安全关联)：一套专门将安全服务/ 密钥和需要保护的通信数据联系起 来的方案。它保证了IPSec数据报封装及提取的正确性，同时将远程通信实体和 要求交换密钥的IPSec数据传输联系起来。即SA解决的是如何保护通信数据、保 护什么样的通信数据以及由谁来实行保护的问题。
• 策略：策略是一个非常重要的但又尚未成为标准的组件，它决定两个实体之 间是否能够通信; 如果允许通信，又采用什么样的数据处理算法。如果策略定义不当， 可能导致双方不能正常通信。与策略有关的问题分别是表示与实施。“表 示”负责策略的定义、存储和获取， “实施”强调的则是策略在实际通信中的应用。

2. IPSec 的工作原理

设计IPSec是为了给 IPv4 和IPv6 数据提供高质量的、可互操作的、基于密码学的安全性。IPSec通过使用两种通信安全协议来达到这些目标：认证头(AH) 和封装安全载荷(ESP)，以及像 Internet密钥交换(IKE)协议这样的密钥管理 过程和协议来达到这些目标。

IP AH协议提供数据源认证，无连接的完整性， 以及一个可选的抗重放服务。ESP协议提供数据保密性，有限的数据流保密性，数据源认证，无连接的完整性 以及抗重放服务。对于AH和ESP都有两种操作模式：传输模式和隧道模式。IKE 协议用于协商 AH和ESP所使用的密码算法，并将算法所需要的密钥放在合适的位置。

IPSec所使用的协议被设计成与算法无关的。算法的选择在安全策略数据库(SPD)中指定。IPSec允许系统或网络的用户和管理员控制安全服务提供的粒度。通过使用安全关联(SA)， IPSec能够区分对不同数据流提供的安全服务。

IPSec本身是一个开放的体系，随着网络技术的进步和新的加密、验证算法 的出现，通过不断加入新的安全服务和特性，IPSec就可以满足未来对于信息安 全的需要。随着互联网络技术的不断进步，IPSec作为网络层安全协议，也是在 不断地改进和增加新的功能。其实在 IPSec的框架设计时就考虑过系统扩展问题。例如在 ESP和 AH的文档中定义有协议、报头的格式以及它们提供的服务，还定义有数据报的处理规则，但是没有指定用来实现这些能力的具体数据处理算法。AH默认的、强制实施的加密MAC是HMA-CMD5和HMA-CSHA，在实施方案中其它的加密算法 DES- CBC、CAST- CBC以及 3DES-CBC等都可以作为加密器使用。

3. IPSec的模式

IPSec协议(包括 AH和ESP)既可以用来保护一个完整的IP 载荷， 也可以用来 保护某个 IP 载荷的上层协议。这两个方面的保护分别由IPSec两种不同的“模式” 来提供：传输模式和隧道模式。

• 传输模式：在传输模式中，IP头与上层协议头之间需插入一个特殊的IPSec 头。传输模式保护的是IP包的有效载荷或者说保护的是上层协议(如TCP、UDP 和 ICMP)，如图 2.4所示。在通常情况下，传输模式只用于两台主机之间的安全通信。



• 隧道模式：隧道模式为整个IP 包提供保护。如图2.5 所示，要保护的整个IP 包都需封装到另一个IP 数据报中，同时在外部与内部IP头之间插入一个IPSec头。所有原始的或内部包通过这个隧道从IP 网的一端传递到另一端，沿途的路由器只 检查最外面的IP报头，不检查内部原来的IP报头。由于增加了一个新的IP报头，因此，新 IP 报文的目的地址可能与原来的不一致。

在千兆网络加密工程实现上，我们需要的是根据IPSec协议，实现一个安全 网关设备， 为了保证数据的机密性，考虑采用隧道模式的ESP封装。 由于 IKE协议 是通过软件实现的， 而本文着重讨论 IPSec的硬件实现部分， 故本文不再介绍 IKE 协议。

4. IPSec的实现方式

（编辑：晋中站长网）

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