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　　VPN技術(P670-684)

　　1、IPSec

　　IPSec 協議不是一個單獨的協議，它給出了應用于IP層上網絡數據安全的一整套體系結構，包括網絡認證協議 Authentication Header(AH)、封裝安全載荷協議Encapsulating Security Payload(ESP)、密鑰管理協議Internet Key Exchange (IKE)和用于網絡認證及加密的一些算法等。IPSec 規定了如何在對等層之間選擇安全協議、確定安全算法和密鑰交換，向上提供了訪問控制、數據源認證、數據加密等網絡安全服務。

　　(1)IPSec的安全特性主要有：

　　A、不可否認性

　　“不可否認性”可以證實消息發送方是唯一可能的發送者，發送者不能否認發送過消息。“不可否認性”是采用公鑰技術的一個特征，當使用公鑰技術時，發送方用私鑰產生一個數字簽名隨消息一起發送，接收方用發送者的公鑰來驗證數字簽名。由于在理論上只有發送者才唯一擁有私鑰，也只有發送者才可能產生該數字簽名，所以只要數字簽名通過驗證，發送者就不能否認曾發送過該消息。但“不可否認性”不是基于認證的共享密鑰技術的特征，因為在基于認證的共享密鑰技術中，發送方和接收方掌握相同的密鑰。

　　B、反重播性

　　“反重播”確保每個IP包的唯一性，保證信息萬一被截取復制后，不能再被重新利用、重新傳輸回目的地址。該特性可以防止攻擊者截取破譯信息后，再用相同的信息包冒取非法訪問權(即使這種冒取行為發生在數月之后)。

　　C、數據完整性

　　防止傳輸過程中數據被篡改，確保發出數據和接收數據的一致性。IPSec利用Hash函數為每個數據包產生一個加密檢查和，接收方在打開包前先計算檢查和，若包遭篡改導致檢查和不相符，數據包即被丟棄。

　　D、數據可靠性(加密)

　　在傳輸前，對數據進行加密，可以保證在傳輸過程中，即使數據包遭截取，信息也無法被讀。該特性在IPSec中為可選項，與IPSec策略的具體設置相關。

　　E、認證

　　數據源發送信任狀，由接收方驗證信任狀的合法性，只有通過認證的系統才可以建立通信連接。

　　(2)基于電子證書的公鑰認證

　　一個架構良好的公鑰體系，在信任狀的傳遞中不造成任何信息外泄，能解決很多安全問題。IPSec與特定的公鑰體系相結合，可以提供基于電子證書的認證。公鑰證書認證在Windows 2000中，適用于對非Windows 2000主機、獨立主機，非信任域成員的客戶機、或者不運行Kerberos v5認證協議的主機進行身份認證。

　　(3)預置共享密鑰認證

　　IPSec也可以使用預置共享密鑰進行認證。預共享意味著通信雙方必須在IPSec策略設置中就共享的密鑰達成一致。之后在安全協商過程中，信息在傳輸前使用共享密鑰加密，接收端使用同樣的密鑰解密，如果接收方能夠解密，即被認為可以通過認證。但在Windows 2000 IPSec策略中，這種認證方式被認為不夠安全而一般不推薦使用。

　　(4)公鑰加密

　　IPSec的公鑰加密用于身份認證和密鑰交換。公鑰加密，也被稱為“不對稱加密法”，即加解密過程需要兩把不同的密鑰，一把用來產生數字簽名和加密數據，另一把用來驗證數字簽名和對數據進行解密。

　　使用公鑰加密法，每個用戶擁有一個密鑰對，其中私鑰僅為其個人所知，公鑰則可分發給任意需要與之進行加密通信的人。例如：A想要發送加密信息給B，則A需要用B的公鑰加密信息，之后只有B才能用他的私鑰對該加密信息進行解密。雖然密鑰對中兩把鑰匙彼此相關，但要想從其中一把來推導出另一把，以目前計算機的運算能力來看，這種做法幾乎完全不現實。因此，在這種加密法中，公鑰可以廣為分發，而私鑰則需要仔細地妥善保管。

　　(5)Hash函數和數據完整性

　　Hash信息驗證碼HMAC(Hash message authentication codes)驗證接收消息和發送消息的完全一致性(完整性)。這在數據交換中非常關鍵，尤其當傳輸媒介如公共網絡中不提供安全保證時更顯其重要性。

　　HMAC結合hash算法和共享密鑰提供完整性。Hash散列通常也被當成是數字簽名，但這種說法不夠準確，兩者的區別在于：Hash散列使用共享密鑰，而數字簽名基于公鑰技術。hash算法也稱為消息摘要或單向轉換。稱它為單向轉換是因為：

　　1)雙方必須在通信的兩個端頭處各自執行Hash函數計算;

　　2)使用Hash函數很容易從消息計算出消息摘要，但其逆向反演過程以目前計算機的運算能力幾乎不可實現。

　　Hash散列本身就是所謂加密檢查和或消息完整性編碼MIC(Message Integrity Code)，通信雙方必須各自執行函數計算來驗證消息。舉例來說，發送方首先使用HMAC算法和共享密鑰計算消息檢查和，然后將計算結果A封裝進數據包中一起發送;接收方再對所接收的消息執行HMAC計算得出結果B，并將B與A進行比較。如果消息在傳輸中遭篡改致使B與A不一致，接收方丟棄該數據包。有兩種最常用的hash函數：

　　·HMAC-MD5 MD5(消息摘要5)基于RFC1321。MD5對MD4做了改進，計算速度比MD4稍慢，但安全性能得到了進一步改善。MD5在計算中使用了64個32位常數，最終生成一個128位的完整性檢查和。

　　·HMAC-SHA 安全Hash算法定義在NIST FIPS 180-1，其算法以MD5為原型。 SHA在計算中使用了79個32位常數，最終產生一個160位完整性檢查和。SHA檢查和長度比MD5更長，因此安全性也更高。

　　(6)加密和數據可靠性

　　IPSec使用的數據加密算法是DES--Data Encryption Standard(數據加密標準)。DES密鑰長度為56位，在形式上是一個64位數。DES以64位(8字節)為分組對數據加密，每64位明文，經過16輪置換生成64位密文，其中每字節有1位用于奇偶校驗，所以實際有效密鑰長度是56位。 IPSec還支持3DES算法，3DES可提供更高的安全性，但相應地，計算速度更慢。

　　(7)密鑰管理

　　·動態密鑰更新

　　IPSec策略使用“動態密鑰更新”法來決定在一次通信中，新密鑰產生的頻率。動態密鑰指在通信過程中，數據流被劃分成一個個“數據塊”，每一個“數據塊”都使用不同的密鑰加密，這可以保證萬一攻擊者中途截取了部分通信數據流和相應的密鑰后，也不會危及到所有其余的通信信息的安全。動態密鑰更新服務由Internet密鑰交換IKE(Internet Key Exchange)提供，詳見IKE介紹部分。

　　IPSec策略允許專家級用戶自定義密鑰生命周期。如果該值沒有設置，則按缺省時間間隔自動生成新密鑰。

　　·密鑰長度

　　密鑰長度每增加一位，可能的密鑰數就會增加一倍，相應地，破解密鑰的難度也會隨之成指數級加大。IPSec策略提供多種加密算法，可生成多種長度不等的密鑰，用戶可根據不同的安全需求加以選擇。

　　·Diffie-Hellman算法

　　要啟動安全通訊，通信兩端必須首先得到相同的共享密鑰(主密鑰)，但共享密鑰不能通過網絡相互發送，因為這種做法極易泄密。

　　Diffie-Hellman算法是用于密鑰交換的最早最安全的算法之一。DH算法的基本工作原理是：通信雙方公開或半公開交換一些準備用來生成密鑰的“材料數據”，在彼此交換過密鑰生成“材料”后，兩端可以各自生成出完全一樣的共享密鑰。在任何時候，雙方都絕不交換真正的密鑰。

　　通信雙方交換的密鑰生成“材料”，長度不等，“材料”長度越長，所生成的密鑰強度也就越高，密鑰破譯就越困難。

　　除進行密鑰交換外，IPSec還使用DH算法生成所有其他加密密鑰。

　　AH報頭字段包括：

　　·Next Header(下一個報頭)：

　　識別下一個使用IP協議號的報頭，例如，Next Header值等于“6”，表示緊接其后的是TCP報頭。

　　·Length(長度)： AH報頭長度。

　　·Security Parameters Index (SPI，安全參數索引)：

　　這是一個為數據報識別安全關聯的 32 位偽隨機值。SPI 值 0 被保留來表明“沒有安全關聯存在”。

　　·Sequence Number(序列號)：從1開始的32位單增序列號，不允許重復，唯一地標識了每一個發送數據包，為安全關聯提供反重播保護。接收端校驗序列號為該字段值的數據包是否已經被接收過，若是，則拒收該數據包。

　　·Authentication Data(AD，認證數據)：

　　包含完整性檢查和。接收端接收數據包后，首先執行hash計算，再與發送端所計算的該字段值比較，若兩者相等，表示數據完整，若在傳輸過程中數據遭修改，兩個計算結果不一致，則丟棄該數據包。

　　數據包結構：

　　如圖二所示，AH報頭插在IP報頭之后，TCP，UDP，或者ICMP等上層協議報頭之前。一般AH為整個數據包提供完整性檢查，但如果IP報頭中包含“生存期(Time To Live)”或“服務類型(Type of Service)”等值可變字段，則在進行完整性檢查時應將這些值可變字段去除。

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