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IPsec

互聯網安全協定（英語：Internet Protocol Security，縮寫：IPsec）是一個協定套件，透過對IP協定的封包進行加密和認證來保護IP協定的網絡傳輸協定族（一些相互關聯的協定的集合）。

位於網絡層中的IPsec

IPsec主要由以下協定組成[1][2]：

  1. 認證頭（AH），為IP數據報提供無連接數據完整性、訊息認證（英語：Message_authentication）以及防重放攻擊保護[3][4]；
  2. 封裝安全載荷（ESP），提供機密性、數據源認證、無連接完整性、防重放和有限的傳輸流（traffic-flow）機密性[5]；
  3. 互聯網金鑰交換（英語： Internet Key Exchange ，簡稱IKE或IKEv2），為AH、ESP操作所需的安全關聯（SA）提供演算法、封包和金鑰參數[6]。

標準現狀

IPsec的源始編碼是在IPv4的環境中於1994年開發，第一版IPsec協定在RFC 2401-2409中定義。在2005年第二版標準文件發佈，新的文件定義在RFC 4301和RFC 4309中[7][8]。在IPv4中IPsec的使用是一個可選項，在IPv6 RFC 6434中為必選的內容 [9]，這樣做的目的，是為了隨着 IPv6的進一步流行，IPsec可以得到更為廣泛的使用。

歷史概要

從1920-70年代初開始，美國進階研究專案局贊助了一系列實驗性的ARPANET加密裝置，起初用於本地ARPANET封包加密，隨後又用於TCP/IP封包加密。

從1986年到1991年，美國國家安全域在其安全數據網絡系統（SDN）計劃下贊助了互聯網安全協定的開發，包括摩托羅拉在內的各種供應商聚集在一起，於1988年生產了一種網絡加密裝置，這項工作於1988年由NIST公開發表，其中第3層的安全協定（SP3）演變為ISO標準的網絡層安全協定（NLSP）。[10]

從1992年到1995年，有三個研究小組對IP層加密分別進行了獨立研究：

  • 1. 1992年，美國海軍研究實驗室（NRL）開始了Simple Internet Protocol Plus（SIPP）專案來進行IP加密協定的研究。
  • 2. 1993年，哥倫比亞大學SunOS和AT&T貝爾實驗室，開始由 JohnIoanndis等人研發實驗性軟件IP加密協定 (swIPe)。
  • 3. 1993年，在白宮資訊高速公路專案的支援下，Trusted Information Systems（TIS）科學家徐崇偉（Wei Xu）[11] 研究和開發了第一代軟件 IPSEC 協定，它的編碼是在BSD 4.1內核中完成的，支援x86和SUNOS CPU架構，同時開發了硬件安全3DES的加密技術，並為數據加密標準開發了裝置驅動程式。到1994年12月，TIS發佈了由DARPA贊助的開放原始碼的「手銬防火牆」產品，其VPN速度超過T1，首次用 IPSec VPN 實現了美國東西海岸安全連結，也是歷史上第一個 IPSec 商用產品。[12]
  • 4. 在美國國防部進階研究計劃局（DARPA）資助的研究工作下，1996年，NRL為IPsec開發了IETF標準跟蹤規範（rfc1825到rfc1827），它的編碼是在BSD 4.4內核中，同時支援x86和SPARC CPU架構[13] 。

互聯網工程任務組（IETF）於1992年成立了IP安全工作群組，以規範對 IPsec 的公開協定，1995年工作群組成員有 TIS、Cisco、FTP、Checkpoint 等五個企業組成，首次合作協商改進了 NRL 起草的 IPsec 協定標準，以及規範了 Cisco 和 TIS 提供的 IPsec 開放原始碼，此後，發佈了RFC-1825和RFC-1827，NRL在1996年 USENIX 會議論文集中進行了描述了，由麻省理工學院線上提供，並成為大多數初始商業實現的基礎。[14]

設計意圖

IPsec被設計用來提供（1）入口對入口通訊安全，在此機制下，封包通訊的安全性由單個節點提供給多台機器（甚至可以是整個區域網絡）；（2）端到端封包通訊安全，由作為端點的電腦完成安全操作。上述的任意一種模式都可以用來構建虛擬私人網路（VPN），而這也是IPsec最主要的用途之一。應該注意的是，上述兩種操作模式在安全的實現方面有着很大差別。

互聯網範圍內端到端通訊安全的發展比預料的要緩慢[來源請求]，其中部分原因，是因為其不夠普遍或者說不被普遍信任。公鑰基礎設施能夠得以形成（DNSSEC最初就是為此產生的），一部分是因為許多用戶不能充分地認清他們的需求及可用的選項，導致其作為內含物強加到賣主的產品中（這也必將得到廣泛採用）；另一部分可能歸因於網絡響應的退化（或說預期退化），就像兜售資訊的充斥而帶來的頻寬損失一樣。

IPsec與其它互聯網安全協定的對比

IPsec協定工作在OSI模型的第三層，使其在單獨使用時適於保護基於TCP或UDP的協定（如安全套接子層（SSL）就不能保護UDP層的通訊流）。這就意味着，與傳輸層或更高層的協定相比，IPsec協定必須處理可靠性和分片的問題，這同時也增加了它的複雜性和處理開銷。相對而言，SSL/TLS依靠更高層的TCP（OSI的第四層）來管理可靠性和分片。

技術細節

認證頭（AH）

認證頭（Authentication Header，AH）被用來保證被傳輸封包的完整性和可靠性。此外，它還保護不受重放攻擊。認證頭試圖保護IP數據報的所有欄位，那些在傳輸IP封包的過程中要發生變化的欄位就只能被排除在外。當認證頭使用非對稱數碼簽章演算法（如RSA）時，可以提供不可否認性（RFC 1826）[15]。

認證頭封包圖示：

位偏移 位元組 0 1 2 3
位 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
0 下一個頭 載荷長度 保留
32 安全參數索引（SPI）
64 序列號
96+ 認證數據（可變長度）

欄位含義：

下一個頭：標識被傳送數據所屬的協定。
載荷長度：認證頭包的大小。
保留：為將來的應用保留（目前都置為0）。
安全參數索引：與IP位址一同用來標識安全參數。
序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
認證數據：包含了認證當前包所必須的數據。

封裝安全載荷（ESP）

封裝安全載荷（Encapsulating Security Payload，ESP）協定對封包提供了源可靠性、完整性和保密性的支援。與AH頭不同的是，IP封包頭部不被包括在內。

ESP封包圖示：

位偏移 位元組 0 1 2 3
位 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
0 安全參數序列（SPI）
32 序列號
64+ 載荷*（可變長度）
  填充（0-255位元組）
    填充長度 下一個頭
認證數據（可變長度）

欄位含義：

安全參數索引：與IP位址一同用來標識安全參數
序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
載荷數據：如果沒使用ESP的加密功能，則載荷數據域的內容是「下一個頭」所指示的數據；如果使用了ESP的加密功能，則使用加密載荷數據和ESP尾部數據所得的密文作為payload data.
填充：某些塊加密演算法用此將數據填充至塊的長度。
填充長度：以位為單位的填充數據的長度。
下一個頭：標識載荷中封裝的數據所屬的協定。
認證數據：又叫做完整性校驗值（ICV）。包含了認證當前包所必須的數據。

安全關聯（SA）

主條目：安全關聯

實現

FreeS/WAN專案已經開發了一個開源的GNU/Linux作業系統下的IPsec實現。Free S/WAN專案的開發在2004年時被中止。Openswan、strongSwan和libreswan是Free S/WAN延續。

至今已有許多IPsec協定和ISAKMP／IKE協定的實現。它們包括：

參見

參考文獻

  1. ^ Thayer, R.; Doraswamy, N.; Glenn, R.. IP Security Document Roadmap. IETF. November 1998.
    doi:10.17487/RFC2411
    . RFC 2411.     
  2. ^ Hoffman, P.. Cryptographic Suites for IPsec. IETF. December 2005.
    doi:10.17487/RFC4308
    . RFC 4308.     
  3. ^ Kent, S.; Atkinson, R.. IP Authentication Header. IETF. November 1998.
    doi:10.17487/RFC2402
    . RFC 2402.     
  4. ^ Kent, S.. IP Authentication Header. IETF. December 2005.
    doi:10.17487/RFC4302
    . RFC 4302.     
  5. ^ Kent, S.; Atkinson, R.. IP Encapsulating Security Payload (ESP). IETF. November 1998.
    doi:10.17487/RFC2406
    . RFC 2406.     
  6. ^ The Internet Key Exchange (IKE), RFC 2409, §1 Abstract
  7. ^ RFC 4301
  8. ^ RFC 4309
  9. ^ "IPv6 Node Requirements", E. Jankiewicz, J. Loughney, T. Narten (December 2011)
  10. ^ Network Encryption - history and patents. [2022-01-18]. （原始內容存檔於2014-09-03）. 
  11. ^ Trusted Information Systems. （原始內容存檔於2020-06-21）. 
  12. ^ The history of VPN creation. （原始內容存檔於2020-09-29）. 
  13. ^ "https://www.usenix.org/legacy/publications/library/proceedings/sd96/atkinson.html （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）"
  14. ^ IETF IP Security Protocol (ipsec) Working group History. （原始內容存檔於2019-09-13）. 
  15. ^ RFC 1826

外部連結

IPsec相關RFC文件

RFC 2401
IP協定的安全架構
RFC 2402
認證頭
RFC 2406
封裝安全載荷
RFC 2407
ISAKMP的IPsec解釋域（IPsec DoI）
RFC 2408
網絡安全關聯與金鑰管理協定（ISAKMP）
RFC 2409
互聯網金鑰交換（IKE）
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