IPSEC
VPN（虛擬專用網）我們最常提到的就是GRE隧道技術，除了實現隧道功能以外，還要實現數據安全，而在數據安全方面，其實就是要讓數據加密傳輸，至於如何對數據進行加密傳輸，這就是 IPsec（IP Security），IPsec 最突出，也是最主要的功能就是保證 VPN 數據的安全傳輸。
IPsec 能夠起到的功能有：
- 數據源認證（保證數據是從真正的發送者發來的，而不是來自於第三方攻擊者）
- 保護數據完整性（保證數據不會被攻擊者改動）
- 數據私密性（保證數據不會被攻擊者讀取）
- 防攻擊（防止數據被中間人截獲）
- 防重放（可以認為是防止數據被讀取和改動）
IPsec 定義了使用什麼樣的方法來管理相互之間的認證，以及使用什麼樣的方法來保護數據，IPsec 只是定義了一些方法，而 IPsec 本身並不是一個協議。
IPsec 服務的三個協議
IKE（Internet Key Exchange）
ESP（Encapsulating Security Protocol）
AH（Authentication Header）
IKE是個混合協議，其中包含部分Oakley協議以及內置在ISAKMP協議中的部分 SKEME 協議，它是針對密鑰安全的，是用來保證密鑰的安全傳輸、交換以及存儲，主要是對密鑰進行操作，並不對用戶的實際數據進行操作。
ESP（Encapsulating Security Protocol）和 AH（Authentication Header）主要工作是如何保護數據安全，也就是如何加密數據，是直接對用戶數據進行操作的。
在實施 VPN 時，除了實現隧道功能以外，還要實現數據安全，兩者缺一不可；傳統的隧道技術，只能實現隧道而不能實現安全，而 IPSec 則可以為隧道提供數據保護功能，從而構建一個完整的 VPN 體系。IPsec 除了能夠為隧道提供數據保護來實現 VPN 之外，IPsec 還可以自己單獨作為隧道協議來提供隧道的建立。
IKE
由於公鑰加密算法的速度明顯慢於私鑰加密算法，IPsec 在保護數據時選擇了使用私鑰加密算法，保證密鑰的安全傳遞與交換。在密鑰的交換過程中，必須在雙方有認證機制，以防止被冒充。
認證
IKE 會在 VPN 對等體之間採用認證機制（Authentication），IKE 的認證方式有三種：
- Pre-Shared Keys (PSK) 預共享密密鑰
- X.509數字證書（第三方證書認證，即CA認證）
- RSA（不經常用）
密鑰算法
在密鑰方面，IKE 使用了稱為 Diffie-Hellman（簡稱DH算法） 的算法在 VPN 對等體之間建立安全的密鑰用來加密數據，Diffie-Hellman 使用了極為複雜的數學算法，最後將在 VPN 對等體之間計算出只有它們自己才知道的密鑰。
Diffie-Hellman 算法目前有 3 種密鑰長度可選：
- Groups 1 密鑰長度768bit，默認的密鑰長度
- Groups 2 密鑰長度1024bit
- Groups 5 密鑰長度 1536bit
用於數據加密的密鑰的值是靠算法計算出來的，是不能由管理員定義和修改的
SA（Security Association）
IPsec 的所有會話都是在通道中傳輸的，包括協商密鑰，傳遞用戶數據；這樣的通道稱為 SA，SA 並不是隧道，而是一組規則。SA 中的規則能夠保證所有數據的安全傳遞，因此 SA 中包含了之前提到的保證數據和密鑰安全時必不可少的認證、加密等安全策略，這些都要在 SA 中定義。
SA 並不是只有一個，由於密鑰安全和數據安全我們是分開對待的，所以 SA 有兩個，分別定義瞭如何保護密鑰和如何保護數據。
- ISAKMP Security Association（IKE SA）
- IPsec Security Association（IPsec SA）
每個SA都有lifetime，過期後SA便無效，IKE SA 要保護的對象是與密鑰有關的，IKE 並不直接關心用戶數據，並且 IKE SA是為安全協商 IPsec SA 服務的。 lifetime 默認為 86400秒，即一天。
IPsec SA 直接為用戶數據流服務，IPsec SA 中的所有安全策略都是為了用戶數據流的安全。IPsec SA 的 lifetime 默認為 3600 seconds，即 1 小時。
所以呢，我們也可以將 IKE 的整個運行過程分成兩個 Phase（階段），即 ：
- IKE Phase One
- IKE Phase Two
IKE Phase One 的主要工作就是建立 IKE SA（ISAKMP SA），IKE SA 的協商階段被稱為 main
mode（主模式）。IKE SA 之間需要協商的套安全策略包括：
- 認證方式：PSK、PKI、RSA
- 加密算法：DES，3DES，AES 128，AES 192，AES 256，默認為 DES
- HASH算法：SHA-1，MD5，默認為 SHA-1
- 密鑰算法：Groups 1，Group 2，Group 5，默認為 Groups 1
IKE Phase Two 的目的是要建立 IPsec SA，IPsec SA 是基於 IKE SA 來建立的，建立 IPsec SA 的過
程稱為 快速模式（quick mode）。IPsec SA 同樣也需要協商出一整套安全策略，其中包括：
- 加密算法：DES，3DES，AES 128，AES 192，AES 256，默認為 DES
- HASH算法：SHA-1，MD5，默認為 SHA-1
IPSEC模式
IPsec Mode 分兩種：
- Tunnel mode
- Transport mode
隧道模式：
IPsec 中的 Tunnel mode 就擁有著與 GRE 相同的隧道功能，那就是將數據包原來的私有 IP 地址先隱藏起來，在外部封裝上公網 IP，等數據包通過公網 IP 被路由到該 IP 的路由器後，再由該路由器剝除數據包外層的公網 IP，從而發現數據包的私有IP 後，再通過私有 IP 將數據包發到真正的目的地。
當 IPsec 工作在 Tunnel mode 時，數據包的封裝過程如下：
Tunnel模式
傳輸模式：
IPsec 除了為隧道提供數據保護之外，也可以提供隧道的建立，如果 IPsec 自己單獨作為隧道協議來使用，那麼 IPsec 就不需要藉助任何其它隧道協議就能獨立實現 VPN 功能；這些都是由 IPsec Mode 來控制的。如果 IPsec 要自己獨立實現隧道來完成 VPN 功能，就需要工作在 Tunnel mode。
Tunnel模式的 IPsec 不僅實現了隧道功能，也保留了數據安全，實現了完整的 VPN功能。如果 IPsec 不需要實現隧道功能，而只需要實現保護數據的安全功能，就只要工作在 Transport mode 即可，因為 Transport 模式的 IPsec 只有安全功能而沒有隧道功能，所以還要再配合其它隧道協議，最終實現完整的 VPN 功能。
當 IPsec 工作在 Transport mode 時，數據包的封裝過程如下：
傳輸模式
從圖中可以看出，當 IPsec 工作在 Transport mode 時，IPsec 包頭是添加在原始 IP包頭與上層協議（如傳輸層）之間的，所以當通過 Internet 連接的遠程網絡之間需要直接使用對方私有 IP 地址來互訪時，此封裝不可行，因為 Transport mode 沒有實現隧道功能，所以如果要實現 VPN 功能，Transport 模式的 IPsec 就應該配合 GRE over IPsec 來使用。
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