IPsec 安全扩展

为什么需要 IPsec

IP 协议设计之初没有考虑安全：

  • 源地址可以伪造（IP Spoofing）
  • 数据内容明文传输，任何人抓包都能看
  • 数据可能被篡改（中间人修改包内容）

IPsec（IP Security） 是网络层的安全框架，为 IP 通信提供认证、完整性校验、加密三种保护。它不依赖应用层，对上层透明——TCP、UDP、ICMP 等应用无需修改就能享受安全保护。

IPsec 的核心协议

IPsec 由三个核心协议组成：

协议RFC功能类比
AH4302认证 + 完整性校验封条（防拆，但不保密）
ESP4303加密 + 认证 + 完整性保险箱（防拆又保密）
IKEv27296密钥协商与管理保险箱密码的交换协议

AH（Authentication Header）

AH 提供：

  • 数据源认证：确认包确实来自声称的发送方
  • 完整性校验：确保传输过程中未被篡改
  • 防重放攻击：通过序列号机制

AH 不加密数据，所以抓包者仍能看到内容，只是无法伪造。

AH 在 IPv6 中作为扩展首部（Next Header=51）插入，在 IPv4 中作为协议号 51 的载荷。

ESP（Encapsulating Security Payload）

ESP 是 IPsec 的主力，提供：

  • 加密：用 AES、ChaCha20 等算法加密数据，抓包者看到的是乱码
  • 认证和完整性：同 AH
  • 可选的防重放

ESP 在 IPv6 中作为扩展首部（Next Header=50），在 IPv4 中作为协议号 50 的载荷。

为什么 ESP 可以替代 AH？ 因为 ESP 已经包含了认证功能，现代部署几乎只用 ESP，AH 很少单独使用。

两种工作模式

传输模式（Transport Mode）

原始 IP 首部 + [ESP 首部 + 加密(TCP/UDP 数据) + ESP 尾部] + 原始 IP 首部（修改 Protocol=50）
  • 只加密/认证上层数据（Payload），IP 首部不变
  • 用于端到端通信（两台主机之间直接建立 IPsec）
  • 优点：开销小，原始 IP 地址可见（适合 QoS 路由）

生活例子：你给朋友的信套一个透明信封，信封上有防伪标记（AH）或把信纸折成密文（ESP），但外面的收件地址还是明文。

传输模式只保护上层数据，IP 首部不变，适合端到端主机通信；隧道模式加密整个原始 IP 包并套新首部，适合 VPN 网关之间保护整个网络。

隧道模式（Tunnel Mode）

新 IP 首部（隧道端点）+ [ESP 首部 + 加密(原始 IP 首部 + TCP/UDP 数据) + ESP 尾部]
  • 加密整个原始 IP 包，外面套一个新的 IP 首部
  • 用于 VPN（虚拟专用网）：两个网关之间建立隧道，保护内部网络通信
  • 优点：隐藏原始 IP 地址，保护整个网络

生活例子：你把信装进一个铁盒，铁盒上写"寄给上海分公司"，上海分公司收到后打开铁盒，取出里面的信（原始 IP 包）再转发给真正的收件人。

IKEv2 的两阶段设计分离了"密钥协商"和"身份认证"：第一阶段用 Diffie-Hellman 建立临时加密通道，第二阶段在保护通道内完成身份认证和 IPsec 参数协商。即使第二阶段被截获，攻击者也无法解密第一阶段的内容。

IKEv2 密钥交换

IPsec 需要双方约定：

  • 用什么加密算法（AES-256？ChaCha20？）
  • 用什么认证算法（HMAC-SHA256？）
  • 密钥怎么生成
  • 密钥多久换一次

手动配置这些参数不现实，IKEv2（Internet Key Exchange v2） 自动完成：

IKEv2 两阶段

第一阶段（IKE_SA_INIT）：

  • 双方交换支持的算法列表
  • 用 Diffie-Hellman 算法协商出共享密钥
  • 建立 IKE 安全关联（IKE SA）

第二阶段（IKE_AUTH）：

  • 双方用证书或预共享密钥（PSK）认证身份
  • 协商 IPsec 参数（加密算法、SPI、序列号窗口）
  • 建立 Child SA（即 IPsec SA）

SA（Security Association，安全关联）

SA 是 IPsec 的核心数据结构，定义了"如何保护通信"。每个方向一个 SA：

SPI（Security Parameter Index，32 位）：SA 的唯一标识
目的 IP 地址
安全协议（AH 或 ESP）
加密算法 + 密钥
认证算法 + 密钥
序列号计数器
生存时间

SPI 的作用：接收方收到 ESP 包后，看 SPI 值就能找到对应的 SA，知道用哪个密钥解密。

IPsec 在 IPv6 中的位置

IPv6 强制要求支持 IPsec（虽然实际不一定启用）。AH 和 ESP 作为扩展首部插入链中：

[IPv6 首部, Next=50] → [ESP 首部] → [加密的数据] → [ESP 尾部]

Wireshark 中可以看到：

  • Next Header: 50 (ESP)
  • SPI: 0x12345678
  • Sequence Number: 1234

如果 Wireshark 配置了密钥，还能解密查看内部内容。

NAT 与 IPsec 的冲突

ESP 加密了 TCP/UDP 的端口号，NAT 设备无法修改端口号做端口映射。AH 认证了整个 IP 首部（包括 IP 地址），NAT 修改地址后认证失败。

解决方案：

  • NAT-T（NAT Traversal）：检测到有 NAT 时，用 UDP 4500 端口封装 ESP 包
  • ESP 不认证外层 IP：隧道模式下外层 IP 是 NAT 后的公网地址，内层 IP 不变

本篇小结

  • IPsec 提供网络层安全：认证、完整性、加密
  • AH（51）只认证不加密；ESP（50）加密+认证，现代主流
  • 传输模式保护端到端；隧道模式保护整个网络（VPN）
  • IKEv2 自动协商算法和密钥，建立 SA
  • SPI 标识 SA，接收方据此选择解密密钥
  • NAT 与 IPsec 冲突，用 NAT-T（UDP 4500）解决

动手实践

  1. Wireshark 抓取 VPN 流量，过滤 esp 或 udp.port == 4500，观察 SPI 和 Sequence Number

  2. 在 Linux 上配置 IPsec（StrongSwan），建立主机到主机的传输模式隧道：

    # 安装 strongswan
sudo apt install strongswan
# 配置 /etc/ipsec.conf

  3. 对比抓包：未加密 ping 和 IPsec 保护后的 ping，观察 ESP 包的内容是否为乱码

  4. 思考：为什么 AH 在现代网络中很少使用？如果 ESP 已经提供认证，AH 还有什么独立价值？