一、IPSec 安全基礎
IPSec 是保障 IP 數據傳輸安全的核心協議，其核心圍繞密鑰管理和安全策略約定展開，具體包括以下關鍵內容：
1. 對稱密鑰的作用與要求
對稱密鑰是 IPSec 實現加密、驗證的基礎，主要用于三個場景：
加密 / 解密算法（KEY1）：對 IP 數據進行加密，確保數據機密性；
HASH 算法（KEY2）：用于數據完整性校驗（如 HMAC），防止數據被篡改；
身份認證（KEY3）：驗證通信雙方的合法性，防止身份偽造。
密鑰要求：
橫向一致：通信雙方的同功能密鑰必須相同（如 A 的 KEY1 與 B 的 KEY1 一致，否則無法解密）；
縱向獨立：同一設備的 KEY1、KEY2、KEY3 必須不同（避免一個密鑰泄露導致所有安全機制失效）。
舉例：類似兩人通信，A 加密用的鑰匙（KEY1）和 B 解密用的鑰匙必須一樣（橫向一致），但 A 的加密鑰匙（KEY1）不能和自己的校驗鑰匙（KEY2）相同（縱向獨立），否則小偷拿到一把鑰匙就能破解所有保護。
2. DH 算法：對稱密鑰的安全交換
Diffie-Hellman（DH）算法是在不安全信道上生成共享對稱密鑰的核心技術，其工作流程如下：
生成公私鑰對：通信雙方（PeerA、PeerB）各自生成私有密鑰（不傳輸）和公開密鑰（可傳輸）；
交換公鑰：雙方將公開密鑰發送給對方；
計算共享密鑰：PeerA 用自己的私鑰 + PeerB 的公鑰計算，PeerB 用自己的私鑰 + PeerA 的公鑰計算，最終得到相同的共享密鑰（Secret_Key_X）；
加密對稱密鑰：用共享密鑰加密實際使用的對稱密鑰（如 KEY1、KEY2、KEY3）并傳輸，對方用相同共享密鑰解密。
舉例：DH 算法類似兩人約定用 “公開的配方”（DH 組）各自在家做 “面團”（私鑰），然后交換 “面團樣本”（公鑰）；雙方用自己的面團和對方的樣本混合，最終得到完全相同的 “共享面團”（共享密鑰）。即使別人拿到樣本，也無法還原出相同的混合面團。
DH 密鑰組：不同組定義了密鑰長度和算法，影響安全性和性能，例如：
組 5（1536 位，直算法）：Cisco 支持的最安全組；
組 15（3072 位，直算法）：理論最安全，但 Cisco 不支持；
組 3/4/7：基于橢圓曲線算法，密鑰長度短但安全性高（如組 3 僅 155 位）。
3. 安全關聯（SA）：IPSec 的 “安全策略約定”
SA 是 IPSec 實體（主機、網關）之間的核心約定，決定了 “如何保護數據”，是 IPSec 的基礎。
（1）SA 的核心內容
包含保護 IP 數據的所有參數：
協議選擇（AH 或 ESP）；
運行模式（傳輸模式或隧道模式）；
加密算法（如 3DES、AES）、驗證算法（如 MD5、SHA）；
加密密鑰、驗證密鑰；
密鑰生存期、抗重放窗口等。
（2）SA 的單向性
一個VPN連接有一對SA，通信是雙向的，所以A的出方向的的SA和B的入方向是一對SA(這一對是一樣的)，B的出方向和A的入方向是一對SA
SA 是單向的：
入方向（inbound）SA：處理接收的數據包；
出方向（outbound）SA：處理發送的數據包；
通信雙方需各有一對 SA（入 + 出），構成 “SA 束”，且雙方的 SA 參數必須一致。
舉例：SA 類似兩人約定的 “快遞規則”：A 寄給 B（出方向 SA）和 B 收 A 的（入方向 SA）是兩套規則，但內容必須一致（如都用 ESP 加密、傳輸模式、AES 算法），否則 B 無法正確接收 A 的包裹。
（3）SA 的產生方式
手工配置：管理員手動指定 SA 參數，無生命周期（永不過期），易出錯且存在安全隱患（密鑰長期不變），實際中幾乎不用；使用時間越長就越不安全，且物理距離較遠
IKE 自動管理：通過 IKE 協議動態協商、維護 SA，有生命周期（到期自動更新，會更安全），是主流方式。如果安全策略要求建立安全、保密的連接，但又不存在與該連接相應 的SA，IPSec會立刻啟動IKE來協商SA。
二、IKE 工作過程：動態建立 SA 的核心協議
IKE（互聯網密鑰交換協議）是動態建立 SA 的協議，基于 ISAKMP 框架，融合了 Oakley 和 SKEME 的技術，實現 SA 的自動協商與管理。IKE不是一個單獨協議，是一個協議簇，包含很多不同協議，都可以完成SA或密鑰的協商，利用協議協商的都會有生命周期
1. IKE 的核心構成
ISAKMP：定義 SA 協商的框架（消息格式、狀態轉換），是 IKE 的基礎；?
Oakley：提供密鑰交換的模式（如 DH 算法的應用方式），并沒有 具體的定義交換什么樣的信息；
SKEME：提供身份認證機制（如預共享密鑰、證書）。
舉例：IKE 像一個 “項目組”：ISAKMP 是 “項目管理流程”（規定如何溝通），Oakley 是 “技術方案模板”（規定如何生成密鑰），SKEME 是 “成員身份驗證方法”（確保參與方合法）。
ISKMP協議：（安全聯盟密鑰管理協議）
定義了協商、建立、修改和刪除SA的過程和包格式。
ISAKMP只是為協商、修改、刪除SA的方法提供了一個通用的框架，并沒有定義具體的SA格式。這個通用的框架是與密鑰交換獨立的，可以被不同的密鑰交換協議使用。
ISAKMP報文可以利用UDP，端口都是500（思科500，深信服5000），一般情況下常用 UDP協議。IKE使用ISAKMP消息來協商并建立SA。 如果不用這個，需要多個VPN隧道就需要多個公網地址。在IP頭部后面加裝了一個UDP頭部
2. IKE 協商的兩個階段
IKE 通過兩階段協商建立 SA，確保通信安全：
第一階段：建立 ISAKMP SA（IKE SA）
需要完成的任務：協商出一個雙向的ISAKMP SA，用于保護階段二
包含三個部分：
????????1.協商安全參數：加密算法、HASH算法、DH組、身份認證、生命周期，建立一個初始化的SA
????????2.交換計算密鑰的材料：DH算法（交換公鑰，隨機數），計算出各種密鑰
????????3.對對等體做身份認證，認證成功后進入階段二
作用：生成一個 “安全信道”，保護第二階段的協商過程。 有兩種模式：
主模式（Main Mode）：6 條 ISAKMP 消息交互，安全性高（身份信息加密）；
野蠻模式（Aggressive Mode）：3 條 ISAKMP 消息交互，速度快但安全性較低（身份信息可能明文傳輸）。
主模式詳細流程：
第 1-2 條消息：交換 SA 載荷，協商安全參數（加密算法、HASH 算法、DH 組、認證方式、生存期等），雙方需達成一致；
第 3-4 條消息：交換 DH 公鑰（KE 載荷）和隨機數（Nonce 載荷），雙方基于 DH 算法計算共享密鑰，并生成 SKEYID 系列密鑰（用于后續加密和認證）；
第 5-6 條消息：交換身份載荷（如 IP 地址）和 HASH 載荷（驗證身份），確保對方擁有相同的預共享密鑰（或證書），完成身份認證。
舉例：主模式類似兩人 “先悄悄商量見面規則”（1-2 條消息），再 “交換信物生成鑰匙”（3-4 條消息），最后 “驗證身份確認對方是自己人”（5-6 條消息），全程私密，不易被偷聽。
第二階段：建立 IPSec SA
主要完成任務：2個單向的IPSEC sa 用于保護數據
步驟：
1.協商安全參數（安全協議（ESP或AH），工作模式（傳輸模式或隧道模式），保護數據用的加密算法，保護數據用的HASH算法，保護數據用的密鑰的生命周期）
2.交換計算密鑰的材料，然后生成密鑰
3.進行身份認證
作用：在第一階段的安全信道中，協商用于保護實際 IP 數據的 SA。 僅有一種模式：快速模式（Quick Mode），3 條 ISAKMP 消息交互，所有消息均被第一階段的 ISAKMP SA 加密保護。
快速模式流程：
第 1 條消息：發起方發送 SA 載荷（包含 IPSec 策略，如 ESP/AH、模式、算法）、KE 載荷（可選，用于 PFS 密鑰交換）、Nonce 載荷和 HASH 載荷（驗證消息完整性）；
第 2 條消息：響應方驗證消息后，返回匹配的 SA 載荷及相關參數；
第 3 條消息：發起方確認，完成 IPSec SA 協商。
舉例：快速模式類似兩人 “在已上鎖的會議室里”（第一階段的安全信道），商量 “具體的文件傳輸規則”（IPSec SA），確保規則只有雙方知道。
可以用一個階段一保護多個階段二
3. ISAKMP 報文格式
IKE 消息基于 ISAKMP 報文格式，核心結構包括：
Cookie：
發起方Cookie（Initiator Cookie）：64 bit – 常用的一個生成Cookie的方法是對下述信息進行HASH（MD5、 SHA1或其他HASH算法）之后，取結果的前64位：
源IP地址＋目的IP地址＋UDP源端口＋UDP目的端口＋隨機數 ＋當前日期＋當前時間
報頭：例如：A發給B
含發起方 Cookie（64 位）
第一個報文中不知道應答方Cookie，置為0，在應答方收到后，發送第二個報文，發起方Cookie是A，應答方Cookie是B，在整個VPN協商中，只能由發起方發送第一個報文，所以發起方是固定的
應答方 Cookie（64 位，用于防止 DOS 攻擊）
下一個載荷（指示后續內容類型，報文相當于一個火車頭，下一個載荷代表第一節車廂后帶的數據）
交換類型（主模式 / 野蠻模式等）標識階段一，只有階段一有兩種模式
標志（如是否加密）只有后三位有用：加密位：置為1，代表頭部后面的載荷都是加密的，置為0，表示是明文，沒有加密；提交位：確保發送數據之前完成Sa協商；純驗證位：能夠為恢復密鑰機制的機構使用
報文 ID（第二階段用于標識協商）：在第一階段全為0，在第二階段是發起方的隨機值，可以標識第二階段的狀態
長度（報文總字節數）：頭部加載荷的總長度
載荷：攜帶具體內容，如 SA 載荷（安全參數）、KE 載荷（DH 公鑰）、身份載荷（IP 地址 / 域名）、HASH 載荷（身份驗證）等，共 13 種類型。
舉例：Cookie 類似 “驗證碼”，每次協商生成唯一值，收到與之前不同的 Cookie 就丟棄報文，避免攻擊者發送大量假消息癱瘓系統。
工作過程
階段一：主模式
三個部分：
1.協商安全參數：加密算法、HASH算法、DH組、身份認證、生命周期，建立一個初始化的SA
2.交換計算密鑰的材料：DH算法（交換公鑰，隨機數），計算出各種密鑰
3.對對等體做身份認證
計算密鑰：
階段二：快速模式
