1、（一） IPSec VPN 隧道的建立过程分为两个阶段：第一个阶段：分为两种模式主模式（Main Mode 和野蛮模式（又称主动模式Aggressive）第二个阶段：快速模式（Quick Mode）区别：主模式与野蛮模式的区别：（1）野蛮模式协商比主模式协商更快。因为主模式需要交互 6 个消息，而野蛮模式只需要交互 3 个消息；（2）主模式协商比野蛮模式协商更严谨、更安全。因为主模式在“消息 5&消息 6”中对 ID 信息进行了加密。而野蛮模式由于受到交换次数的限制，ID 消息在“消息 1&消息 2”中以明文的方式发送给对端。即主模式对对端身份进行了保护，而野蛮模式则没有。（二） 两个阶段分别
2、完成任务：（1）第一个阶段 IKE 设置，有三个任务需要完成：（a）协商一系列算法和参数（这些算法和参数用于保护隧道建立过程中的数据）；（b）必须计算出两边使用的加密 KEY 值，例如，两边使用 3DES 算法加密，3DES 算法则需要一个密码，这个密码两端必须一样，但又不能在链路上传递。（c）对等体的验证，如何才能知道对端就是我要与之通信的对端。这里验证有三种方法：预共享、数字签名和加密临时值。上面一系列过程都是 IKE（Internet 密钥交换协议，大多数厂商都把这个叫做 VPNs Gateway）这个协议来实现。对于第一阶段需要注意以下几点：（a1）只有 remote vpn 和 ea
3、sy vpn 是积极模式的，其他都是用主模式来协商的；（a2）让 IKE 对等体彼此验证对方并确定会话密钥，这个阶段用 DH 进行密钥交换，创建完 IKE SA 后，所有后续的协商都将通过加密和完整性检查来保护。（a3）第一阶段帮助在对等体之间创建了一条安全通道，使后面的第二阶段过程协商受到安全保护。（2）第二阶段：协商 IPSec SA 使用的安全参数，创建 IPSec SA（SA 可以加密两个对等体之间的数据，这才是真正的需要加密的用户数据） ，使用 AH 或 ESP 来加密 IP 数据流。至此 IPSec VPN 隧道才真正建立起来。（三） 综上，有如下结论：第一阶段作用：对等体之间彼此
4、验证对方，并协商出 IKE SA，保护第二阶段中IPSec SA 协商过程；第二阶段作用：协商 IPSec 单向 SA，为保护 IP 数据流而创建；（四） 举例验证：以主模式，AH 协议来简单分析一下 IPSec VPN 链接建立的过程（附带报文）：第一个阶段三个任务，分别用 6 个消息来完成，每两个为一组，这些消息的具体格式取决于使用的对等体认证方法，使用预共享密钥进行验证的主模式（6 条）协商过程使用 ISAKMP 消息格式来传递（基于 UDP，端口号为 500） 。6 条消息如下：（1 ）准备工作：在前 2 条消息发送之前，发送者和接受者必须先计算出各自的 cookie（可以防重放和 D
5、OS 攻击） ，这些 cookie 用于标识每个单独的协商交换消息。cookieRFC 建议将源目的 IP、源目的端口、本地生成的随机数、日期和时间进行散列操作。Cookie 成为留在 IKE 协商中交换信息的唯一标识，实际上 cookie 是用来防止 DOS 攻击的，它把和其他设备建立 IPSec 所需要的连接信息不是以缓存的形式包存在路由器里，而是把这些信息 HASH 成个 cookie 值。（2 ） 1&2 消息：消息 1：由发送方（协商发起端）发起，携带一些参数，发送方向接收方发送一条包含一组或多组策略提议（Raisecom 工业路由器中是多组） ，在策略提议中包括5 元组信息：加密算
6、法DES ；散列算法MD5-HMAC ；DHDiffie-Hellman 组 -2；认证方式预共享；IKE SA 寿命。如下是 Raisecom 中高级选项配置的策略：（认证方式采用“预共享”方式）（对于 DPD，具体作用不知道，默认是关闭）下面简要介绍一下上述五元组信息：（a）协商模式：可以选择主模式（Main Mode）或者野蛮模式（Aggressive） 。当选择主模式时，只能使用 IP 地址作为 ID 的类型。当用户端设备的 IP 地址为动态获取的情况时，需要选择野蛮模式。IKE 野蛮模式相对于主模式来说更加灵活，可以选择根据协商发起端的 IP 地址或者 ID 来查找对应的身份验证字，
7、并最终完成协商。（b）验证方法 AH（Authentication Header）：身份验证确认通信双方的身份。目前在 IKE 提议中，仅可用 pre-shared-key（预共享密钥）身份验证方法，使用该验证方法时必须配置身份验证字，并且两端的密钥要完全一致。（c）加密算法：包括 DES 和 3DES 加密算法；DES 算法采用 56bits 的密钥进行加密，3DES 算法采用168bits 的密钥进行加密；AES128（Advanced Encryption Standard，即高级加密标准）采用 Rijndael 中的 128bits 的密钥进行加密； AES192（Advanced E
8、ncryption Standard，即高级加密标准）采用 Rijndael 中的 192bits 的密钥进行加密；AES256（Advanced Encryption Standard，即高级加密标准）采用 Rijndael 中的256bits 的密钥进行加密；一般来说，密钥越长的算法强度越高，受保护数据越难被破解，但消耗的计算资源会更多。（d）Diffie-Hellman 组标识（DH）：用户可以选择 Group 1 即 768bit 或 Group 2 即 1024bit。（e ）ISAKMP-SA 生存周期：IKE 使用了两个阶段为 IPSec 进行密钥协商并建立安全联盟。第一阶段，通
9、信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道，即 ISAKMP 安全联盟（ISAKMP SA） ；第二阶段，用在第一阶段建立的安全通道为 IPSec 协商安全服务，即为 IPSec 协商具体的安全联盟，建立 IPSec SA，IPSec SA 用于最终的 IP 数据安全传送。ISAKMP-SA 生存周期可以设定为 60-604800 之间的一个整数。（f）定时发送 keepalive 报文（不是必须携带）：IKE 通过 ISAKMP SA 向对端定时发送 KeepAlive 报文维护该条 ISAKMP SA 的链路状态。当对端在配置的超时时间内未收到此 KeepAlive 报文时，如该
10、 ISAKMP SA 带有timeout 标记，则删除该 ISAKMP SA 及由其协商的 IPSec SA；否则，将其标记为timeout。如下是抓包获取到的信息（设备为 Raisecom 工业路由器）：由上图可知，模式为主模式，载荷类型为 SA。SA 的数目和内容详见下图：将载荷类型 SA 展开如下：由下图可知，该 SA 中携带了三组策略，正好 Raisecom 中 web 页面配置的三组策略：第一组 Type Payload：Transform（3）# 0 展开如下：SA 生存时间为 10800；加密机制为 DES；认证算法为 SHA；认证方法选择 PSK（预共享密钥） ；DH 为 Gr
11、oup 2；第二组 Type Payload：Transform（3）# 1 展开如下：第三组Type Payload：Transform（3）# 2 展开如下：报文中的组顺序和 web 页面上组顺序不一致，这个无所谓，只要能对上即可，因为实际中只要这三个组能匹配上即可。消息 2：由响应者（即对端设备）回应，内容基本一样，主要与发起者比较，是否与发起者的 IKE 策略匹配，不匹配则进行下一组比较，如果最终都找不到匹配，隧道就停止建立；（note：发起者将其所有 IKE 策略发给接受者，接受者则在自己的策略中寻找与之匹配的策略；对比顺序从优先级号小的到大的；默认策略实际就是个模板没作用，如果认证
12、只配置预共享的话，其他参数就会 copy 默认策略里的）报文如下：由上图可知，接受端回应的消息中，匹配了发送端的一条策略，如果有一条匹配，则不需要匹配其他策略。在消息 1 和消息 2 中报错可能出现的原因：（a）peer 路由不通（即，外层的 IP 地址不通，这里对应的是发送发 10.1.1.3和接收方 10.1.1.2 这两个地址不通，这里配置简单属于直连，而实际大型组网中，中间会有很多其他网元，往往是通过配置动态路由） ；（b）crypto iskmp key 没有设置（即，没有配置预共享密钥） ；（c）一阶段的策略不匹配（这时需要检查两端设备的策略有不一致地方么）（3 ） 3&4 消息：
13、密钥交换过程消息 3：由发起者（即，隧道建立的发起者）发出，但是在发出消息 3 之前，有个过程必须要完成，就是 Diffie-Hellman 算法过程。Diffie-Hellman 算法过程目的：在消息 1 和消息 2 中所协商的算法，它们必须需要一个 KEY（即，共享密钥中设置的密码） ，这个 KEY 在两个对等体上必须一样，但同时这个 KEY 不能在链路中传递，因为传递 KEY 是一个不安全的手段。所以，该过程的目的是分别在两个对等体间独立地生成一个 DH 公共值，该公共值有什么作用？因为两个对等体上都生成该 DH 公共值后，它们会在接下来的消息 3 和消息 4 中传送给对方，打个比方，A
14、 收到了 B 的 DH 公共值，B 收到了 A 的 DH 公共值。当A、B 都收到了对方的该公共值后，问题就好解决了。因为有一个公式在数学中被论证成立，那么现在借助公式，就可以在两个对等体上生成一个只有它们两个对等体知道的相同的 KEY，该公式为：发起者密钥=(Xb)amod p = (Xa)bmod p=响应者密钥note：这个密钥不是最终算法中使用的 KEY，但两个对等体通过该 KEY 材料来生成另外三个密钥，分别是：SKEYID_d此密钥被用于计算后续 IPSec 密钥资源；SKEYID_a此密钥被用于提供后续 IKE 消息的数据完整性以及认证；SKEYID_e此密钥被用于对后续 IKE
15、 消息进行加密；所以，由发起者发起的第三条消息主要是向对等体发送自己的 DH 公共值和 Nonce随机数；实际报文如下：由上述报文可知，发送方开始向接收方发送自己的 DH 公共值以及随机数；对端收到后，可以根据“消息 1&消息 2”中协商的 DH 算法，以及发送端在消息 3中给出的 DH 和 nonce 值来生成 SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e 三个密钥；消息 4：同消息 3，告知发送端自己的 DH 公共值和 Nonce 随机数；报文如下：由上述报文可知，接受方开始向发送方发送自己的 DH 公共值以及随机数；对端收到后，可以根据“消息 1&消息 2”中协商的 DH 算法，
16、以及接受端在消息 4中给出的 DH 和 nonce 值来生成 SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e 三个密钥；（3 ） 5&6 消息：用于双方彼此验证。由 “于消息 1&消息 2”的算法，以及“消息3&消息 4”生成的三个 KEY，所以在后续的“消息 5&消息 6”就能被加密传送，这个过程是受 SKEYID_e 加密保护的。预共享密钥的作用：为了正确生成密钥，每一个对等体必须找到与对方相对应的预共享密钥，当有许多对等体连接时，每一对对等体两端都需要配置预共享密钥，每一对等体都必须使用 ISAKMP 分组的源 IP 来查找与其对等体对应的预共享密钥（此时，由于 ID 还没到，彼此
17、先用 HASH 来彼此验证对方）HASH 认证成分SKEYID_a、cookieA、cookieB、preshare_key 、SA payload、转换集和策略。消息 5：由发起者向响应者发送，主要是为了验证对端自己就是自己想要与之通信的对端。这可以通过预共享、数字签名、加密临时值来实现。消息 6：由响应者向发起者发送，主要目的和第五条一样：在消息 5 和消息 6 中报错可能出现的原因：（1 ） crypto iskmp key 设置错了；（即，两端的预共享密钥值设置的不一样）（五） 第二阶段：第 2 阶段用三个消息来完成，目标是协商 IPSec SA，而且只有一种模式，快速模式（Quick
18、 Mode） ，快速模式的协商是受 IKE SA 保护的。对应设备上需要配置的参数（以 R202i-VM 为例）：（1 ） 1&2 消息：发送 IPSec SA 的属性，协商 IPSec SA消息 1：发起者会在第一条消息中发送 IPSec SA 的转换属性。其中包含：HASH、IPSec 策略提议、Nonce 可可选的 DH 以及身份 ID。（a）HASH：是用于给接受方作为完整性检验的，用于再次认证对等体（必须）HASH 的成分和 5-6 阶段一样；（b）IPSec 策略提议：其中包括了安全协议（ AH、ESP 或 AH-ESP） 、SPI 、散列算法、模式（隧道模式或传输模式） 、IPS
19、ec SA 生命周期（必选） ；（c） Nonce：用于防重放攻击，还被用作密码生成的材料，仅当启用 PFS 时用到；（d）ID ：描述 IPSec SA 是哪些地址、协议和端口建立的，即感兴趣流中的 IP 地址；（e ）PFS （利用 DH 交换，可选）：用了 PFS 后，就会在第二阶段重新 DH 出一个数据加密 KEY，这个 KEY 和以前 IKE 协商出来的 KEY 没有任何关系，然后由这个新 KEY 来加密数据，只有到这个 IPSec SA 的生命周期后，会再次 DH 出新的 KEY，这样，安全性就提高了（普通 IPSec SA 过期或密钥超时时，重新生成的数据加密密钥还是根据第一阶段
20、 DH 出来的 SKEYID_d 衍生出来的） ，PFS 启用后，数据加密部分使用的密钥就没有了衍生的过程。（f） DH：重新协商 IPSec SA 时使用的密钥（正常情况下，IPSec 阶段使用的密钥都是由 SKEYID_d 衍生而来的，密钥之间都有一定的关系，就算 IPSec SA 超时，新的 KEY 还是和 SKEYID_d 有一定的关系） 。以上数据均被加密处理；基于以上，第二阶段有几个概念需要理清：（a）封装模式： 包括传输模式（ Transport）和隧道模式（Tunnel） 。传输模式：不使用新的 IP 头部，IP 头部中的源/ 目的 IP 为通信的两个实点（当通信点等于加密点时
21、，使用传输模式） ；隧道模式：需要封装一个新的 IP 头部，新的 IP 头部中源/目的 IP 为中间的 VPN网关设备地址（当通信点不等于加密点时使用隧道模式） ；二者比较：从安全性来讲，隧道模式优于传输模式，隧道模式可以完全地对原始 IP 数据报进行验证和加密以及可以使用 IPSec 对等体的 IP 地址来隐藏客户机的 IP 地址；从性能来讲，隧道模式比传输模式占用更多带宽，一个额外的 IP 头；因此，到底使用哪种模式需要按照实际的应用场景进行权衡。（b）安全联盟生存周期：所有在安全策略视图下没有单独配置生存周期的安全联盟，都采用全局生存周期。IKE（因特网密钥交换协议）为 IPSec 协商
22、建立安全联盟（SA ）时，采用本地设置的和对端提议的生存周期中较小的一个（即，当两端配置的生存周期不一致时，那么就用最小的那个值） 。安全联盟生存周期的输入范围：30604800；所以，两端设备配置的生存周期不一致不会导致隧道无法建立。（c）采用的安全协议：安全提议中需要选择所采用的安全协议，用于为 IP 数据包提供安全。目前可选的安全协议有 AH（验证报头）和 ESP（封装安全有效负载） ，也可以指定同时使用 AH和 ESP（AH-ESP） 。安全隧道两端所选择的安全协议必须一致。所以，第二阶段协商不起来，两端协议是否一致是一个排查重点。AH 协议：类似于 ICMP、TCP 、UDP 的 I
23、P 协议，分配给它的协议号为 51。提供如下安全功能：数据完整性服务、提供抗数据回放攻击、不提供数据加密性（不加密）。（note：AH 是不提供数据的加密的，所以在报文中可以看到完整的 DATA 部分）AH 报文头格式：AH 在两种模式下的封装：ESP 协议 ：协议号为 50，提供如下功能：提供数据加密性（支持加密） 、提供数据完整性、提供抗回放攻击能力；ESP 的数据验证和完整性服务只包括 ESP 的头和有效载荷（不包括外部的 IP 头部）（note：ESP 是提供加密的，所以抓取的 ESP 报文，是看不到原来被封装的数据部分）ESP 在两种模式下的封装：AH-ESP 共用：隧道模式下：（d
24、）ESP 协议加密算法：ESP 能够对 IP 报文内容进行加密保护，防止报文内容在传输过程中被窥探。加密算法的实现主要通过对称密钥系统，即使用相同的密钥对数据进行加密和解密。一般来说 IPSec 使用两种加密算法： DES 和 3DES。（e） ESP 协议即 AH 协议的验证算法：AH 和 ESP 都能够对 IP 数据包的完整性进行验证，以判别报文在传输过程中是否被篡改。一般来说 IPSec 使用两种验证算法： MD5 和 SHA-1MD5：MD5 输入任意长度的消息，产生 128bit 的消息摘要；SHA-1：SHA-1 输入长度小于 2 的 64 次方比特的消息，产生 160bit 的消
25、息摘要。SHA-1 的摘要长于 MD5，因而是更安全的。（f）使用 NAT 穿越：在 IPSec/IKE 组建的 VPN 隧道中，若存在 NAT 安全网关设备，则必须配置 IPSec/IKE的 NAT 穿越功能。消息 2：响应者向发起者发送第二条消息，同意第一条消息中的属性，同时，也能起到确认收到对端消息的作用。在消息 1 和消息 2 中报错可能出现的原因：（1 ）双方的模式不匹配（即，可能一端用传输模式，另一端用隧道模式） ；（2 ）感兴趣流不对称（如上述消息 1 中的（d） ） ；消息 3：发送方发送第三条消息，其中包含一个 HASH，其作用是确认接收方的消息以及证明发送方处于 Active 状态（表示发送方的第一条消息不是伪造的）这一步一旦完成，隧道就建立起来了，用户的数据就能被放入隧道中传递。本文参考资料：http:/
