一、综述
1、引由
在互联网（Internet）上已有多种安全保密软件，但大都是针对特定应用采用加密技术而实现的。例如，针对电子邮件的PGP（Pretty Good Privacy）/Web-of-trust技术，以及在浏览器与3W服务器间用于保护商用3W信息流的验证与加密的技术安全套接层（SSL）协议。这类技术的局限性在于它们是针对特定应用而设计的，因而不能普遍适于企业网的各种应用需求和ISP（Internet Service Provider）今后可能的新应用需求。因此，IETF有关工作组的任务是要制订一种通用的安全保密技术标准，能够应对将来可能的挑战。
IP网的重要特点是以IP协议为其网络层的惟一选择，任何借助IP网的通信，包括Internet，都必须使用IP协议。因此，如果能保证IP层（即OSI/RM的网络层，详见下图1-1）的安全，就在很大程度上保证了IP网上的通信安全，也为组织安全的虚拟专用网（VPN）奠定了基础。这就是IETF网络安全组制订IPSec协议族的基本思路。下表1-1列出了IPSec协议族的核心目标及其优缺点。
图 1-1：IPSec协议与SSL协议的工作层（OSI/RM）
表 1-1：IPSec协议族的核心目标及其优缺点
2、IPsec定义与框架
因此，IPsec（Internet Protocol Security）是为IP网络提供安全性的一系列协议和服务的集合，通过这些协议和服务，可以在两个设备之间建立一条IPsec加密隧道。数据通过IPsec加密隧道进行传输，能够有效保证数据的安全性。IETF的 RFC中定义了IPsec的框架标准如下图1-2所示，框架的说明详见下表1-2。
图 1-2：IPsec的框架标准
表 1-2：IPsec标准框架的说明
3、IPSec协议族的版本
为此，IETF制定的IPSec协议族版本已从1995年的第一代（RFC 1800系列）演进至目前的在2005年发布的第三代（RFC 4300系列），其中第一代的RFC 1800系列和第二代的RFC 2400系列标准已被废止了，2005年发布的第三代（RFC 4300系列）已成为当前部署和实现所依据的权威版本，当然后续又发布有相关RFC，是为权威版本内容的增补与改进。下表1-3-1概括了IPSec协议族关键标准的发展脉络。第一代为IPSec协议最初的标准，因复杂性和互操作性问题而被取代；而第二代与第三代IPSec协议族的关键标准版本差异，主要体现在其框架标准和配套的密钥交换协议（IKE）两方面的演进上。下图1-3概括了从第二代到第三代核心框架（RFC标准）的主要变化；除了框架层面的演进，而日常所说的“IPSec版本”通常更直接地关联到密钥交换协议（IKE， Internet Key Exchange）的版本，即 IKEv1 与 IKEv2，它们的主要特性区别详见下表1-3-2的简述。简单来说，从“第二代”到“第三代”，IPSec实现了架构的简化和安全性的增强；而从 IKEv1 到 IKEv2，则是效率、可靠性和功能的全面升级。
表 1-3-1：IPSec协议关键标准的发展脉络概览
图 1-3：IPSec协议关键标准第二代到第三代核心框架（RFC标准）的主要变化
表 1-3-2：IKEv1 与 IKEv2的主要特新区别
需要说明的是：第三代IPSec框架（RFC 4300系列）通常与IKEv2配合使用，而第二代框架（RFC 2400系列）则与IKEv1关联。但这并非强制，存在交叉使用的情况。许多现代设备和操作系统（如Windows、主流防火墙）已同时支持IKEv1和IKEv2，在VPN网络的配置时，通常可以选择协商模式。
二、IPSec协议构成
IPSec协议族由三个基本部分组成：分组头认证（AH，Authentication Header）协议、负载数据安全包装（ESP，Encapsulation Secure Payload）协议和因特网密钥交换（IKE，Internet Key Exchange）协议。另外必须提到安全联盟（SA，Security Association）的概念。下表2-0给出了这四个套件的基本特征。
表 2-0：IPSec协议族的基本特征
1、分组头认证（AH）协议
认证头（AH）协议用来对IP报文进行数据源认证和完整性校验，即用来保证传输的IP报文的来源可信和数据不被篡改，但它并不提供加密功能。AH协议在每个数据包的标准IP报文头后面添加一个AH报文头，AH协议对报文的完整性校验的范围是整个IP报文。下图2-1为AH格式示意图，下表2-1-1是各字段的说明。在IPv4时，AH头标紧跟在IP头标之后、传输层头标之前；IPv6时，由于IPv6头标之后会有一些扩展头标、则AH的头标需要满足特定的位置，根据RFC 1883标准规定，IPv6主头标之后的扩展头顺序见下表2-1-2。
图 2-1：AH格式示意图
表 2-1-1：AH格式各字段的说明
表 2-1-2：IPv6主头标之后的扩展头顺序
2、负载数据安全包装（ESP）协议
负载数据安全包装（ESP）协议除了对IP报文进行数据源认证和完整性校验以外，还能对数据进行加密。ESP协议在每一个数据包的标准IP报头后方添加一个ESP报文头，并在数据包后方追加一个ESP尾（ESP Trailer和ESP Auth data）。ESP协议利用严格的加密手段提供安全性服务，通过将各分组中的数据和某些敏感IP地址搅混（Scrambling），使网络窃听者不能获得任何有用信息。ESP字段紧跟在IP报头或AH之后，内含数据及高层协议头，共分6个固定字段和1个可选项字段，其格式如下图2-2所示；下表2-2-1是各字段的说明。ESP的一些特征罗列于下表2-2-2中。
图 2-2：ESP格式示意图
表 2-2-1：ESP格式各字段的说明
表 2-2-2：ESP的相关特性
注意：AH协议和ESP协议可以单独使用，也可以同时使用。AH和ESP同时使用时，报文会先进行ESP封装，再进行AH封装；IPsec解封装时，先进行AH解封装，再进行ESP解封装。AH和ESP都是根据密钥分发和与相关安全协议有关的“流的管理”而提供访问控制的手段。两个协议的比较详见下表2-2-3。
表 2-2-3：AH协议和ESP协议的特性比较
3、因特网密钥交换（IKE）协议
因特网密钥交换（IKE）协议是一种功能极强而灵活性大的协议，它使用户就身份验证方法、加密方式、采用的密钥以及再次修改密钥前原密钥可使用的时间长短等问题，经过协商达成一致。IKE协议是一种基于UDP的应用层协议，它主要用于安全联盟（SA）协商和密钥管理。IKE协议属于一种混合型协议，它综合了ISAKMP（Internet Security Association and Key Management Protocol）、Oakley协议和SKEME协议这三个协议。其中，ISAKMP定义了IKE SA的建立过程，Oakley和SKEME协议的核心是DH（Diffie-Hellman）算法，主要用于在Internet上安全地分发密钥、验证身份，以保证数据传输的安全性。IKE SA和IPsec SA需要的加密密钥和验证密钥都是通过DH算法生成的，它还支持密钥动态刷新。IKE协议分IKEv1和IKEv2两个版本，IKE与AH/ESP间的关系详见图2-3。
图 2-3：IKE与AH/ESP间的关系
4、关于安全联盟（SA）
安全联盟（SA，Security Association）是IPSec协议中的一个重要概念，AH和ESP协议都需要使用这一概念；IKE协议的主要功能则是建立和维护SA。IPsec SA由一个三元组来唯一标识，即安全参数索引（Security Parameter Index，SPI）、目的IP地址和安全协议（AH或ESP）。其中，SPI是为唯一标识SA而生成的一个32比特的数值，它被封装在AH和ESP头中传输。一个SA是一条能够对在其上运载的数据流提供安全服务的单工（单向传输）连接，因此，要在两主机间或两个安全网关间对双向通信提供安全保障，应在各方向上分别建立一个SA，如下图2-4所示。如果需要把AH和ESP协议的保护功能同时施加给数据流，则需要创建更多的SA。
图 2-4：IPSec的安全联盟（SA）示意
三、IPSec 的原理机制
1、两种工作模式
IPSec协议可能工作于两种模式：传送模式（Transport Mode）和隧道模式（Tunnel Mode）。前一种模式主要用于对IP以上的协议保护；后一种模式主要用于对IP报文利用隧道进行传输。下表3-1揭示了两种工作模式的相关特征。显然隧道模式的使用较广，常用于虚拟专用网（VPN，Virtual Private Network）的安全保护。
表 3-1：传送模式和隧道模式的特征
2、两种组网需求
从组网需求的维度划分，IPsec可分为点到点IPsec和点到多点IPsec。其中，点到点IPsec主要用于两个设备之间建立IPsec隧道，实现两个局域网之间点到点的安全互通，如下图3-2-1所示。点到多点IPsec主要用于一个设备同时和多个设备之间建立IPsec隧道，实现一个局域网与多个局域网之间的安全互通，如图3-2-2所示。
图 3-2-1：点到点IPsec组网示意
图 3-2-2：点到多点IPsec组网示意
3、四阶段工作原理
IPsec的工作原理大致可以分为4个阶段（以隧道模式工作为例）：识别“感兴趣流”、协商安全联盟（SA）、数据传输和隧道拆除。具体各阶段的说明详见下表3-3-1；下图3-3展示了IPsec加密验证的过程；下表3-3-2给出了IPsec加密验证过程中可使用的算法。
表 3-3-1：IPsec的工作原理简述
图 3-3：IPsec加密验证的过程示意图
表 3-3-2：IPsec加密验证过程中可使用的算法
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IPSec 是构建安全网络基础设施的基石技术，通过灵活的协议组合和工作模式，适应从端到端到网关间的多种安全需求。IPSec已成IPv6网络的强制配置。尽管其配置和管理复杂度较高，但其强大的安全性使其在企业VPN、跨网络安全通信等领域仍是不可替代的解决方案。随着技术的发展，IPSec 常与软件定义网络（SDN）、零信任架构等新兴技术结合，持续演进以适应云时代的安全挑战。
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