ipsec原理介绍

Ipsec VPN调研总结

一、Ipsec原理

Ipsec vpn指采用IPSec协议来实现远程接入的一种VPN技术，IPSec全称为Internet Protocol Security，是由Internet Engineering Task Force (IETF) 定义的安全标准框架，用以提供公用和专用网络的端对端加密和验证服务。

Ipsec是一个协议集，包括AH协议、ESP协议、密钥管理协议（IKE协议）和用于网络验证及加密的一些算法。

1、IPSec支持的两种封装模式

传输（transport）模式：只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被放置在原IP包头后面。

隧道（tunnel）模式：用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。

2、数据包结构

◆传输模式：不改变原有的IP包头，通常用于主机与主机之间。

◆隧道模式：增加新的IP头，通常用于私网与私网之间通过公网进行通信。

3、场景应用图

4、网关到网关交互图

5、Ipsec体系结构：

6、ipsec中安全算法

●源认证

用于对对等体的身份确认,具体方法包含:PSK(pre-share key);PK3(public key infrustructure公钥基础设施)数字证书,RSA等,后两种为非对称加密算法。

●数据加密

对传输的数据进行加密,确保数据私密性,具体对称加密算法包含:des(data encrypt standard)共有2种密钥长度40bits,56bits,3des密钥长度为56bits的3倍;aes(advanced encrypted standard)AES 加密共有三种形式，分为AES 128（128-bit 长度加密），AES 192（192-bit 长度加密）以及AES 256（256-bit 长度加密）。

●完整性校验

对接收的数据进行检查,确保数据没有被篡改,主要使用hash算法(HMAC hashed message authentication code),包含MD5(message digest输出128bit校验结

果);SHA-1(secure hash algorithm 1)输出160bits校验结果。

●密钥交换算法

安全交换加密数据时使用的密钥,采用DH(Diffie-Hellman)算法,是一种确保共享KEY 安全穿越不安全网络的方法，它是OAKLEY的一个组成部分,分为group1(768

位),group2(1024位),group5(1536)等。

二、Ipsec工具编译及使用

针对Ipsec-tools、openswan、strongswan三个ipsec工具做编译和实例测试。

1、AR9344原厂SDK编译

ipsec-tools和openswan都编译不通、出错，出错原因分析是工具包与内核以相关依赖库都有版本匹配问题。

2、openwrt最新版本编译

代码配置菜单中没有ipsec-tools\openswan\strongswan三个VPN的配置选项，还未调查如何添加这三个工具包。

3、openwrt旧版本编译

Openwrt固件版本：BARRIER BREAKER (Bleeding Edge, r39028)

内核版本：linux-3.10.21

●编译结果

ipsec-tool 编译通过

openswan 编译出错（相关使用的结构体与内核版本不匹配）

strongswan 编译通过

●内核配置

无论使用哪种ipsec工具都需要内核模块ipsec的支持：

●Ipsec-tools工具配置

选上network->vpn->ipsec-tools配置选项。

●Strongswan 工具配置

network->vpn->strongwan相关配置，选上strongswan和strongswan-default两项，其它相关依赖选项会自动选上。

4、测试环境搭建

●网络拓扑结构图

●网络环境

将两台路由GW1和GW2的WAN口直连、LAN口分别直连A和B两台PC。

GW1添加对端子网路由：route add –net 192.168.0.0/24 gw 172.16.113.163

GW2添加对端子网路由：route add –net 192.168.1.0/24 gw 172.16.113.173

GW1和GW2打开路由转发功能：echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

GW1和GW2关闭防火墙和NAT：iptables –F iptables –t nat -F

在此环境下A机可以ping通B机。

5、openwrt旧版本测试ipsec功能

●Ipsec-tools工具

（1）点对点测试：

使用传输模式， PC机（linux系统里安装ipsec-tools）与路由器直连测试，配置文件修改后分别在两端主动发起ping包请求。

PC主动发起ping包可以ping通，路由器主动发起ping包不通。

原因：路由端ipsec-tools发协商包时认定网络环境为nat-t，导致使用4500端口用nat-t的功能发送协商包给PC端的500端口、PC端收到无法协商导致不能进行数据传数，查看日志路由端始终一直多次发协商包、而PC端一直多次回应是否是协商包。

将/feeds/packages/net/ipsec-tools/Makefile中configure配置时默认添加了nat-t 功能，注释掉--enable-natt关闭即可，重新编译再测试。

测试结果：去掉nat-t功能后，PC与路由器双方均可主动ping通。

（2）网关到网关测试：

使用隧道模式。

A机配置文件：

（1）/etc/raccoon/psk.txt内容：

172.16.113.163 0x123456

（2）/etc/setkey.conf内容：

flush;

spdflush;

spdadd 192.168.0.0/24 192.168.1.0/24 any -P in ipsec esp/tunnel/172.16.113.163-172.16.113.173/require;

spdadd 192.168.1.0/24 192.168.0.0/24 any -P out ipsec esp/tunnel/172.16.113.173-172.16.113.163/require;

（3）/etc/racoon/racoon内容：

path include "/etc/racoon";

path pre_shared_key "/etc/racoon/psk.txt";

path certificate "/etc/cert";

padding {

maximum_length 20;

randomize off;

strict_check off;

exclusive_tail off;

}

timer {

counter 5;

interval 20 sec;

persend 1;

phase1 30 sec;

phase2 15 sec;

}

remote anonymous {

exchange_mode main;

proposal {

encryption_algorithm aes 128;

hash_algorithm sha1;

authentication_method pre_shared_key;

dh_group 2;

lifetime time 24 hour;

}

}

sainfo anonymous {

pfs_group 2;

lifetime time 3600 sec;

encryption_algorithm aes 128;

authentication_algorithm hmac_sha1;

compression_algorithm deflate;

}

B机配置文件：

（1）/etc/raccoon/psk.txt内容：

172.16.113.173 0x123456

（2）/etc/setkey.conf内容：

flush;

spdflush;

spdadd 192.168.1.0/24 192.168.0.0/24 any -P in ipsec esp/tunnel/172.16.113.173-172.16.113.163/require;

spdadd 192.168.0.0/24 192.168.1.0/24 any -P out ipsec esp/tunnel/172.16.113.163-172.16.113.173/require;

（3）/etc/racoon/racoon内容：

同A机。

启动ipsec-tools工具：

setkey -FP

setkey -F

killall racoon

setkey -f /etc/setkey.conf

racoon -d -f /etc/racoon/racoon.conf -l /tmp/ipsec-log.txt -v

可查看/tmp/ipsec-log.txt文件内容分析交互过程。

测试过程：

B主机ping A主机地址，ping不通，在GW1路由的WAN口上使用tcpdump抓数据包、收到esp包和解析出的icmp包；LAN口上抓数据包没有收到ICMP包。

结论：

Ipsec-tools解密数据包后没将数据包转发给子网，目前不清楚为什么不转发。

Strongswan工具

A机配置：

（1）/etc/ipsec.conf配置文件：

config setup

uniqueids=never

conn %default

authby=psk

type=tunnel

conn net-net

keyexchange=ikev1

left=172.16.113.173

leftsubnet=192.168.1.0/24

leftid=172.16.113.173

right=172.16.113.163

rightsubnet=192.168.0.0/24

rightid=172.16.113.163

auto=route

ike=aes-sha1-modp1024

ikelifetime=86400s

esp=aes-sha1-modp1024

lifetime=86400s

type=tunnel

（2）/etc/ipsec.secrets文件内容：

172.16.113.173 172.16.113.163 : PSK "123456"

（3）/etc/strongswan.conf文件

# strongswan.conf - strongSwan configuration file

charon {

# number of worker threads in charon

threads = 16

# send strongswan vendor ID?

# send_vendor_id = yes

plugins {

sql {

# loglevel to log into sql database

loglevel = -1

# URI to the database

# database = sqlite:///path/to/file.db

# database = mysql://user:password@localhost/database }

}

filelog {

/tmp/strongswan.log {

time_format = %b %e %T

append = no

default = 4

flush_line = yes

}

}

}

pluto {

}

libstrongswan {

# set to no, the DH exponent size is optimized

# dh_exponent_ansi_x9_42 = no

}

B机配置：

（1）/etc/ipsec.conf配置文件：

config setup

uniqueids=never

conn %default

authby=psk

type=tunnel

conn net-net

keyexchange=ikev1

left=172.16.113.163

leftsubnet=192.168.0.0/24

leftid=172.16.113.163

right=172.16.113.173

rightsubnet=192.168.1.0/24

rightid=172.16.113.173

auto=route

ike=aes-sha1-modp1024

ikelifetime=86400s

esp=aes-sha1-modp1024

lifetime=86400s

type=tunnel

（2）/etc/ipsec.secrets文件内容：

172.16.113.163 172.16.113.173 : PSK "123456"

（3）/etc/strongswan.conf文件

同A机。

启动StrongSwan：

GW1和GW2上分别启动/重启StrongSwan：ipsec start或sudo ipsec restart 开启net-net的连接：ipsec up net-net。

查看进程会看到以下两个进程：

B机PingA机地址，GW1路由使用tcpdump在WAN口监听转发的数据包：

可以看网关收到的ESP密文数据包及解密后转发给子网的ICMP数据包及回应对方网关的加密本子网ICMP后的ESP数据包。

三、IKEV1中DH秘钥交换的测试和分析

在IPSec VPN中，IKE用于协商IPSec SA。此过程要求IPSec首先进行相互验证并建立ISAKMP共享密钥，过程分两个阶段进行。

IKE-阶段1：

main mode（主模式）：在对等体间进行三次双向交换（由6条消息组成），协商匹配对等体间的IKE SA值，为后续ISAKMP交换提供受保护的通道。（每个对等体的IKE SA都是双向的）

?第1次交换：协商用于保护IKE通信的哈希算法，确保每个对等体的IKE SA策略能够匹配一致；

?第2次交换：通过使用Diffie-Hellman在对等体间交换密钥生成材料后，各对等体可以生成一样的共享密钥；（真正的共享密钥不会通过DH交换）?第3次交换：验证对等体身份，其中身份信息是加密形式的对等体IP地址。

IKE-阶段2：

协商IPSec SA，建立IPSec隧道，主要进行以下工作：

●在阶段1的IKE SA保护下，进行IPSec SA的参数协商；

●建立IPSec SA；

●定期重新协商IPSec SA，以确保安全；

●进行额外的Diffie-Hellman交换（可选）。

阶段2只有一种工作模式：quick mode（快速模式）

在阶段1建立了安全隧道后，进入快速模式，协商共享的安全策略，派生出用于IPSec 安全算法的共享密钥材料，建立IPSec SA。每个对等体在协商后，至少会产生两个单向的IPSec SA（一个入站和一个出站）。

DH秘钥交换过程：

DH秘钥交换测试结果：

（1）Isakmp6个数据包（主模式）->Isakmp3个数据包（快速模式）->2个esp数据包->icmp 包。

（2）第3个Isakmp包数据中可看到发送到对方的自己的公钥：

（3）第4个Isakmp包数据中可以看到对方发过来的公钥：

（4）网关两端生成的shared Diffie Hellman secret、SKEYID、SKEYID_d、SKEYID_a、SKEYID_e、encryption key Ka一致。

A端日志：

B端日志：

（5）从测试日志中看到在第2阶段也进行了一次Diffie-Hellman交换。

四、修改DH秘钥交换的测试和分析

1、Strongswan源码版本：strongswan-5.1.1

2、Strongswan中DH协议的定义：

/strongswan-5.1.1/src/libstrongswan/crypto/diffie_hellman.c

/strongswan-5.1.1/src/libstrongswan/crypto/diffie_hellman.h

源文件中公开定义了各模式下的素数P整数群和g。

获取自己的公钥函数：

get_my_public_value(diffie_hellman_t *this, chunk_t *value)

设置对方的公钥函数：

set_other_public_value(diffie_hellman_t *this, chunk_t value)

3、对ikev1第1阶段进的DH交换的公钥数据行取反操作，即在发送前和接收后均做取反。发送自己的公钥前：

发送前获取自己的公钥填充到交换秘钥数据中，在

/strongswan-5.1.1/src/libcharon/encoding/payloads/ke_payload.c中，

key_exchange_data为获取到公钥值、可以将此数据进行加密。

ke_payload_t *ke_payload_create_from_diffie_hellman(payload_type_t type,

diffie_hellman_t *dh)

{

private_ke_payload_t *this = (private_ke_payload_t*)ke_payload_create(type);

dh->get_my_public_value(dh, &this->key_exchange_data);

this->dh_group_number = dh->get_dh_group(dh);

this->payload_length += this->key_exchange_data.len;

return &this->public;

}

因第2阶段也会使用DH，也会调到这个函数，所以如果只是第1阶段对DH进行加密，可以新建一个同样方法的函数、在其中添加取反操作。如下添加的红色数据为进行取反操作：

ke_payload_t *ke_payload_create_from_diffie_hellman_me(payload_type_t type,

diffie_hellman_t *dh)

{

private_ke_payload_t *this = (private_ke_payload_t*)ke_payload_create(type);

dh->get_my_public_value(dh, &this->key_exchange_data);

DBG4(DBG_IKE, "before date--------------key_exchange_data: %B",

&this->key_exchange_data);

char a[128]={0};

memcpy(a, this->key_exchange_data.ptr, 128);

int i=0;

for(i=0;i<128;i++)

a[i]=~a[i];

memcpy(this->key_exchange_data.ptr,a, 128);

DBG4(DBG_IKE, "after date-------------- key_exchange_data: %B",

&this->key_exchange_data);

this->dh_group_number = dh->get_dh_group(dh);

this->payload_length += this->key_exchange_data.len;

return &this->public;

}

收到对方的公钥后：

ikev1第1阶段收到对方公钥解析位置在

/strogswan-5.1.1/src/libcharon/sa/ikev1/phase1.c中的get_nonce_ke函数中：METHOD(phase1_t, get_nonce_ke, bool,

private_phase1_t *this, message_t *message)

{

nonce_payload_t *nonce_payload;

ke_payload_t *ke_payload;

ke_payload = (ke_payload_t*)message->get_payload(message, KEY_EXCHANGE_V1);

if (!ke_payload)

{

DBG1(DBG_IKE, "KE payload missing in message");

return FALSE;

}

this->dh_value = chunk_clone(ke_payload->get_key_exchange_data(ke_payload));

DBG4(DBG_IKE, " after--receive----------phase1.c--------------key_exchange_data: %B", &this->dh_value);

char a[128]={0};

memcpy(a, this->dh_value.ptr, 128);

int i=0;

for(i=0;i<128;i++)

a[i]=~a[i];

memcpy(this->dh_value.ptr,a, 128);

DBG4(DBG_IKE,

"after--receive----------phase1.c--------------key_exchange_data:%B",

&this->dh_value);

this->dh->set_other_public_value(this->dh, this->dh_value);

nonce_payload = (nonce_payload_t*)message->get_payload(message, NONCE_V1);

if (!nonce_payload)

{

DBG1(DBG_IKE, "NONCE payload missing in message");

return FALSE;

}

if (this->initiator)

{

this->nonce_r = nonce_payload->get_nonce(nonce_payload);

}

else

{

this->nonce_i = nonce_payload->get_nonce(nonce_payload);

}

return TRUE;

}

红色部分代码为我们添加的取反操作，在收到对方公钥并取反后调用了

set_other_public_value函数、将对方公钥配置到结构里。

五、其它加密算法源码分析

1、strongswan源码

(1)/src/libstrongswan/plugins下有各种加密算法的接口代码，可参照aes等添加我们自己的私有加密算法。

(2) configure配置文件中添加私有加密算法的配置，可参照aes。

（3）/feeds/packages/etc/strongswan/Makefile中添加私有加密算法的配置编译，可参照aes。

2、内核支持自己的私有加密算法

（1）在xfrm中只是定义这些算法的说明, 表示最大可以支持这些算法, 在使用时会探测这些算法是否在内核中存在从而确定可使用的算法。头文件中添加私有算法ID的宏定义：

/user_headers/include/linux/pfkeyv2.h

（2）向算法库添加私有算法：/net/xfrm/xfm_algo.c中的ealg_list数组中添加结构体。（3）添加算法模块：

IPSEC操作中用到的认证, 加密, 压缩等算法具体实现是在crypto目录下，私有加密算法代码添加到内核根目录crypto目录下，可参照aes算法的添加。

实现并注册一个struct crypto_alg结构体，将该算法注册到内核中的算法表里。modules.builtin添加私有算法的模块的编译。

/Crypto/Makefile添加私有算法代码文件的编译。