IP安全是指保护互联网中的IP地址不受到非法访问、攻击或滥用的措施和技术。IP的安全性直接决定了整个互联网的安全。最常用的保障网络安全的协议是IPSec（InternetProtocol Security）​。IPSec通过使用认证、加密和密钥管理等技术，提供了对IP通信的端到端安全保护。IPSec被广泛应用于虚拟专用网（Virtual Private Network, VPN）和安全网关等场景，以实现安全的远程访问、站点到站点连接和跨网络的保护。

1、IPSec安全体系结构

IP协议在本质上是不安全的，伪造一个IP数据报、篡改数 据报的内容、窥探传输中数据报的内容都比较容易做到。IP通信环境既不能保证一个IP数据报确实来自它的源IP地址，也不能保证IP数据报在传输过程中未被篡改或泄露。为了解决IP协议的安全问题，IETF于1995年成立了一个IP协议与密钥管理机制的机构，负责制定保证互联网数据传输安全性的标准。这个机构经过几年的工作，提出了一系列协议，构成了一个安全体系，称为IP安全协议集（IPSec）​。

1.1、IPSec安全体系的构成

IPSec是基于IP通信环境的一种端到端的数据安全保障机制，相当复杂。IPSec协议由一系列的RFC文档组成，主要包括RFC 2401～2412、RFC 1826和RFC 1827；其中最重要的是1998年11月发布的RFC 2401（安全体系结构概述）​、RFC 2402（IPv4和IPv6的报文认证扩展描述）​、RFC 2406（IPv4和IPv6的报文加密扩展描述）和RFC 2408（密钥管理协议）​。IETF的IP安全工作组还发布了一些附加草案。下图所示为IPSec协议簇的体系结构，即IPSec协议簇中各个子协议及其相互关系，它已经成为工业标准的网络安全协议。

由图可知，IPSec安全体系包含认证头、封装安全载荷和密钥管理3个安全协议，以及解释域、加密与认证算法；可以将其划分为安全协议、密钥管理和安全关联3个部分。

1.1.1、安全协议

安全协议主要包括认证头协议和封装安全载荷协议。

• 认证头部（Authentication Header, AH）​。AH提供数据完整性、数据防篡改和源端身份验证的功能。它在IP数据包中添加一个头部，并使用哈希算法（如HMAC）对IP数据包头部和有效负载进行校验和计算，并生成消息认证码（MAC）以验证数据的完整性。
• 封装安全负载（Encapsulating Security Payload,ESP）​。ESP提供数据加密、数据完整性和可选的身份验证。它在IP数据包中添加一个头部和一个尾部，用于加密原始数据和计算校验和。ESP可以使用对称加密算法对数据进行加密，以确保数据的机密性。

1.1.2、密钥管理

• 互联网密钥交换（Internet Key Exchange, IKE）协议。IKE是一种混合型协议，由Internet安全关联和密钥关联协议（ISAKMP）与两种密钥交换协议（OAKLEY、SKEME）组成，即IKE由ISAKMP框架、OAKLEY密钥交换模式以及SKEME的共享和密钥更新技术组成。IKE提供了通信节点间的身份验证、密钥交换和协商安全关联（Security Association, SA）参数的过程，用于建立、管理和更新IPSec中的安全关联。IKE可以使用预共享密钥、公钥加密或证书进行身份验证和密钥协商。IKE将密钥协商的结果保留在SA中，供AH和ESP通信时使用。
• 解释域（Domain of Interpretation, DOI）​。DOI规定了每个算法的参数要求和计算规则，以及初始向量的计算规则。共享一个DOI的协议从一个共同的命名空间中选择安全协议和变换、共享密码以及交换协议的标识符等，DOI将IPSec的这些RFC文档联系在一起。

1.1.3、安全关联

• 安全关联（SA）​。SA是在通信的两个节点之间建立的安全参数集合。它决定了要保护什么、如何保护，以及谁来保护传输的数据。每个IPSec会话都有一个唯一的SA。SA包括加密算法、完整性校验算法、密钥等信息。在IPSec会话建立过程中，通信双方必须协商并交换SA信息，SA是构成IPSec的基础。
• 安全策略数据库（Security Policy Database,SPD）​。SPD用于存储和管理IPSec的安全策略。安全策略通过过滤规则定义了哪些流量需要进行IPSec保护，以及如何进行保护。SPD还包含了与网络安全相关的其他参数，如密钥管理等。

1.2、IPSec服务内容

IPSec协议用于提供IP层的安全性，由于所有支持TCP/IP的主机在进行通信时都要经过IP层的处理，所以提供了IP层的安全性就相当于为整个网络提供了安全通信的基础。IPSec协议所提供的具体安全服务如下：

• 数据机密性：IPSec发送端在通过网络传输数据包前对数据包进行加密。
• 数据完整性：IPSec接收端对发送端发送来的数据包进行认证，以确保数据在传输过程中没有被篡改。
• 数据来源认证：IPSec在接收端可以认证发送IPSec报文的发送端是否合法。
• 防止重放攻击：IPSec在接收端可检测并拒绝接收过时或重复的报文。IPSec对于IPv4是可选的，但对IPv6是强制性的。

2、IPSec协议

IPSec协议是一套集多种安全技术于一体的协议包，而不是一个独立的协议，其中最为重要的是认证头（AH）协议和封装安全载荷（ESP）协议。

2.1、认证头（AH）协议

AH协议用来向IP通信提供数据完整性和身份验证，同时可以提供抗重放攻击服务，但它不提供机密性服务。在IPv6中采用AH协议后，因为在主机端设置了一个基于算法独立交换的密钥，非法潜入的现象可得到有效防止，密钥由客户和服务商共同设置。在传送每个数据包时，IPv6认证根据这个密钥和数据包产生一个检验项。在数据接收端重新运行该检验项并进行比较，从而保证了对数据包来源的确认以及数据包不被非法修改。AH协议常用摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1实现摘要和认证，确保数据完整性。

AH协议在每个数据包上添加一个身份验证报头，该报头位于IP报头和传输层协议报头之间。AH报头格式如图所示。

在AH报头格式中，各字段的含义如下：

• 下一个报头：占8bit，标识紧跟AH头后面使用IP协议号的报头。
• 有效载荷长度：占8bit，即鉴别数据字段的长度，以32bit为单位。
• 保留位：占16bit，为将来的应用保留，目前为0。
• 安全参数索引（SPI）​：占32bit，是一个随机数，与外部目的IP地址一同标识。
• 序列号：从1开始的32bit单增序列号，不允许重复，用于唯一标识每个发送的数据包，用来避免重放攻击。
• 认证数据（AD）​：32bit整数倍的消息认证码，用于源端身份认证和数据完整性检测。

2.2、封装安全载荷（ESP）协议

ESP协议提供IP层加密保证和验证数据源，以应对网络上的监听。虽然AH可以保护通信数据免受篡改，但它并不对数据进行变形转换，数据对于黑客而言仍然是清晰的。为了有效保证数据传输安全，在IPv6中采用了另外一个报头——ESP，以进一步提高数据机密性并防止被篡改。

ESP协议可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；ESP协议通常使用DES、3DES、AES等对称密码算法实现数据加密，使用MD5或SHA1实现数据完整性验证。ESP报文格式如图所示。

在ESP报文格式中，各字段含义如下：

• 安全参数索引（SPI）​：占32bit，用于标识下一个安全的关联，与AH中SPI的概念一致。
• 序列号：占32bit，是从1开始的32bit单增序列号，不允许重复，用于唯一标识发送的每个数据包，用来避免重放攻击。
• 填充数据：将明文扩充到所需的长度，用来保证边界的正确性。
• 填充长度：指出在这个字段前面填充字节的数目。
• 下一个报头：标识紧跟ESP后面使用IP协议号的报头。
• 认证数据：一个包含了完整性检查值的可变长度字段。

注意：以上是传输模式下的AH协议和ESP协议，隧道模式下的ESP和AH协议与传输模式下略有不同。

3、IPSec的工作原理及应用

IPSec通过使用AH、ESP协议，并使用IKE协议来实现安全性。IPSec的基本工作原理是：发送端在数据传输前（即到达网络传输媒体之前）对数据实施加密，在整个传输过程中，报文都是以密文方式传输的，直到数据到达目的节点，才由接收端对其进行解密。IPSec以数据报而不是整个数据流为单位对数据进行加密，这不仅更灵活，也有助于进一步提高IP数据报的安全性。

3.1、IPSec的工作模式

IPSec无论是进行加密还是进行认证，均有两种工作模式：一种是传输模式，另一种是隧道模式。AH协议和ESP协议均可以应用于这两种模式。

3.1.1、传输模式

传输模式主要为上层协议提供保护。通常，传输模式应用于两台主机之间端到端的通信，该模式要求主机支持IPSec协议。在传输模式下，IPSec协议头（AH或ESP报头）插入在IP报头和传输层协议报头之间，只对IP数据包的有效载荷进行加密或认证，其封装报文结构如图所示。

3.1.2、隧道模式

在隧道模式下，用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP报头，AH或ESP报头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。通常，隧道模式应用在两个安全网关（防火墙、路由器）之间的通信。当IPSec通信的一端为安全网关时，必须采用隧道模式。

在隧道模式下，IPSec会先利用AH或ESP对IP数据包进行认证或加密，然后在IP数据包外面再包上一个新的IP报头，其封装报文结构如图所示。

3.2、IPSec的工作流程

IPSec可以在主机、路由器/防火墙（创建一个安全网关）或两者中同时实施和部署。为简单起见，以某一内网为例，每台主机都有处于激活状态的IPSec策略，IPSec的工作流程如图所示。

• 用户Alice（在主机A上）向用户Bob（在主机B上）发送一条消息。
• 主机A上的IPSec驱动程序检查IP筛选器，查看数据包是否需要受保护以及需要受到何种保护。
• 驱动程序通知IKE开始安全协商。
• 主机B上的IKE收到请求安全协商通知。
• 两台主机建立第一阶段SA，各自生成共享“主密钥”​（注：若两台主机在此前通信中已经建立起第一阶段SA，则可直接进行第二阶段SA协商）​。
• 协商建立第二阶段SA对，即入站SA和出站SA（SA包括密钥和SPI）​。
• 主机A上的IPSec驱动程序使用出站SA对数据包进行签名（完整性检查）和（或）加密。
• 驱动程序将数据包递交IP层，再由IP层将数据包转发至主机B。
• 主机B网络适配器驱动程序收到数据包并提交给IPSec驱动程序。
• 主机B上的IPSec驱动程序使用入站SA检查完整性签名和（或）对数据包进行解密。
• 驱动程序将解密后的数据包提交上层TCP/IP驱动程序，再由TCP/IP驱动程序将数据包提交主机B的接收应用程序。

从以上所述可知，IPSec的工作过程是比较复杂的，但所有操作对用户是完全透明的。中介路由器或转发器仅负责数据包的转发，如果中途遇到防火墙、安全路由器或代理服务器，则要求它们具有IP转发功能，以确保IPSec和IKE数据流不被拒绝。需要指出的是，使用IPSec保护的数据包不能通过网络地址转换（NAT）​。因为IKE协商中所携带的IP地址是不能被NAT改变的，对地址的任何修改都会导致完整性检查失效。使用IPSec，数据就可以在公网上传输，而不必担心数据被监视、修改或伪造。IPSec提供了两个主机之间、两个安全网关之间或主机和安全网关之间的保护。IPSec支持的组网方式包括：主机与主机、主机与网关、网关与网关。IPSec可提供对远程访问用户的支持，还可以和L2TP、GRE等隧道协议一起使用，给用户提供更大的灵活性和可靠性。

3.3、IPSec应用

IPSec是一种端到端的IP安全机制，具有传输模式和隧道模式。传输模式用于保护IP报文的内容，一般用于两台主机之间的安全通信。隧道模式保护整个IP报文，当通信一方是外部网关时，通常使用隧道模式，可以用来隐藏内部主机的IP地址。

以Windows10为例，IPSec可以从本地安全策略组件或者MMC控制台打开，其主要操作步骤包括：打开运行（Win+R）​，输入mmc命令，按下回车键，打开控制台；控制台打开后，单击左上角的文件，在打开的下拉项中，选择添加/删除管理单元，单击“添加”按钮，在弹出的对话框中选择“本地计算机”并单击“完成”按钮，结果如图5.13所示。然后单击“确定”按钮，回到控制台可以看到IP安全策略组件出现在控制台中。

然后是具体配置IP安全策略。例如，阻止ICMP报文的配置方法为：①创建新策略；②配置策略“no ping”的IP安全规则。每个规则包括“IP筛选列表”​“筛选器操作”​“身份认证方法”​“隧道设置”​“连接类型”属性；③命名IP安全策略并进行相关描述，如图5.14所示；④配置筛选器动作；⑤分配安全策略。

当完成上述安全策略配置之后，可以对安全策略进行验证。在未指派策略“no ping”之前，例如从主机192.168.184.128向本机192.168.184.134发送ICMP请求，会正常应答。指派安全策略后，再次从192.168.184.128向本机192.168.184.134发送ICMP请求，则没有任何回应。

IPSec是安全联网的一项重要技术。在Windows家族中，采用IPSec可保护工作组、局域网计算机、域客户端和服务器、分支机构（物理上为远程机构）​、Extranet以及漫游客户端之间的通信。总之，IPSec为计算机发送的数据提供了加密功能，使截获的数据无法解密出有用的信息，从而实现保护的目的。