5.2　传输安全

在介绍完网络边界安全之后，下面介绍网络层传输安全。

5.2.1　VPN

虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）通过加密通信在公用网络上建立专用网络，使不同网络区域之间的资源能够跨过防火墙互访，实现员工的企业远程访问和应用的云网互通等业务场景。VPN可通过服务器、硬件、软件等多种方式实现，主要的通信协议主要有PPTP、L2TP和IPSec。其中，PPTP和L2TP协议工作在OSI模型的第二层（又称为二层隧道协议），IPSec是第三层隧道协议。

1. IPSec（Internet Protocol Security）

1）IPSec VPN概述

（1）IPSec VPN是IP层也就是第三层VPN，封装时IP头为明文，IP头之后是加密的密文。

（2）IPSec VPN可以实现源认证和不可否认性、完整性、私密性，以及防重放攻击的功能。

（3）IPSec VPN数据封装协议可以使用负载安全封装协议（ESP）或认证头协议（AH），也可以两者共同使用。如果两者共同使用建议ESP协议头在里层，AH协议头在外层。

（4）IPSec VPN可以实现私网与私网之间跨互联网的安全通信。

2）IPSec VPN加密点与通信点

IPSec VPN加密点与通信点的描述如下，同时可以参考图5-6来理解。

（1）通信点：实际通信实体。

（2）加密点：负责加密解密的设备。

3）IPSec VPN的工作模式

IPSec VPN的两种工作模式如下。

（1）传输模式：IPSec VPN的可选模式。传输模式下加密包产生新的可路由IP头，可解决不同私有网络之间跨越互联网的数据包加密传输问题，当加密点等于通信点时可以使用此模式，如GRE Over IPSec VPN可以选择传输模式。

（2）隧道模式：IPSec VPN的默认模式。此模式下加密包不产生新的IP头部，要求原IP包可在互联网路由，要求通信点和加密点为同一IP，所有IPSec VPN都可以使用此模式。

IPSec的两种工作模式如图5-7所示。

在传输模式下，原始IP数据包在进行IPSec封装时，会在原始IP头与IP数据之间插入ESP协议头。在隧道模式下，原始IP包将整个被加密，前面打上新的ESP头部和新的IP头部。所以通常在加密点等于通信点的情况下，建议将模式修改为传输模型，因为这样可以节省一个IP头的空间作为有效负载。

4）SA安全联盟

（1）“安全联盟”（IPSec术语，常简称为SA）是构成IPSec的基础。SA是两个通信实体经协商建立起来的一种协定。它们决定了用来保护数据包安全的IPSec协议、转码方式、密钥及密钥的有效期等。任何IPSec实施方案始终会构建一个SA数据库（SADB），由它来维护IPSec协议用来保障数据包安全的SA记录。

（2）SA是单向的。如果两个主机（如A和B）正在通过ESP进行安全通信，那么主机A就需要一个SA，即SA（out），用来处理外发的数据包；另外，还需要一个不同的SA，即SA（in），用来处理进入的数据包。主机A的SA（out）和主机B的SA（in）将共享相同的加密参数（如密钥），也就是说，主机A由什么策略加密出去，从主机B进来时就用什么策略解密。

（3）SA还是与“协议相关”的。每种协议都有一个SA。如果主机A和B同时通过AH和ESP进行安全通信，那么每个主机都会针对每种协议来构建一个独立的SA。

（4）一般来说，如果只是用了ESP进行IPSec封装，当一端加密点完成IPSec VPN协商以后，应该存在3个SA，一个Isakmp SA，两个IPSec SA，其中一个ESP Out，一个ESP In。

5）SPD安全策略数据库

关于SPD检索的输出，可能有下面几种情况。

（1）丢弃这个包。此时包不会被处理，只是简单地丢掉。（能够在PC上采用）一般是无法向外转发的包，如没有路由的包。

（2）绕过安全服务。在这种情况下，IP层会在载荷内增添IP头，然后分发IP包（也就是没有被感兴趣的流量匹配的包）。

（3）应用安全服务。（被感兴趣流量匹配的包）在这种情况下，假如已建立了一个SA，就会返回指向这个SA的指针。假如尚未建立SA，就会调用IKE，将这个SA建立起来；如果SA已经建立，SPD内便会包含指向SA或SA集束的一个指针（具体由策略决定）。如果策略的输出规定强行将IPSec应用于数据包，那么在SA正式建立之前，包是不会传送出去的。这也是IPSec VPN的特性，数据包一旦被感兴趣的流量匹配，要么加密转发出去，要么没有加密丢弃。

6）封装安全负载协议（Encapsulation Security Payload，ESP）

（1）ESP的模式与包结构。

ESP主要包括两种运行模型，即隧道模式和传输模式，这两种模式的包结构分别如图5-8和图5-9所示。

① IP头部：最外围IP头部是后加的加密点IP头部。

② 安全标识（SPI）：是IPSec SA的ID和目标IP一起标示一个IPSec包，在出向封装时，应用出向SPID，当入向检查时应该检查对端IP且检查在本端的入向SPI中是否可以找到这个ID。如果可以找到，则认为合法，否则将会报告错误的SPI并丢弃这个包。例如，如果A和B建立了IPSec VPN，A有SA out和SA in，B有SA out和SA in，当A加密一个包发给B时，会将自己的SA out的ID写在SPI这个位置上，当B收到这个包时，在自己的SA in里面寻找这个ID是否存在。

③ 序列号：也就是SN码，可以用于防重放攻击。当A加密一个数据包时，将IPSec进程的下一个序列号放在SN这个位置上，当B收到这个包时，检查SN码是否是期待的下一个ID，假如当前序列已经收到了100，而A发给B的SN码还是100，那么这时B会认为是重放攻击，将这个包丢弃。

④ 初始化向量（IV）：也就是初始化向量，也称为CBC的加密种子，我们知道IPSec VPN使用了CBC（加密块链接）的块加密类型，IV是用于和第一个明文数据块做异或的种子。

⑤ （内部的）IP头部：原始数据包的IP头也就是通信的IP头。在隧道模式中被封装在加密数据中。

⑥ TCP头部：原始IP包上层协议。

⑦ 数据：原始数据包的数据部分，被封装在加密数据中。

⑧ 填充物：由于IPSec VPN使用了块加密类型，一个数据在进行切块加密封装时有可能尾部不足56比特，因此需要填充为56比特进行加密，而填充物部分就是填充的数据。

⑨ 填充物长度：用于描述尾部填充了多少比特。

⑩ 下一个头：下一个头协议，用于描述加密包经过解密后露出的最外面的头协议，如在隧道模式下，如果将数据包解密，出现明文数据头或IP包头，那么这时的“下一个头”就应该是4，表示IP in IP。

11 认证数据：用于容纳Hash的验证结果。

与隧道模式不同的是，传输模式少了一个IP头部，而“下一个头”部分在传输模式下，应该是解密后的明文数据头，在这里明文数据头解密后是TCP，也就是说这里的“下一个头”应该是6；如果上层协议是UDP，那么“下一个头”在这里就应该是17；如果上层协议是ICMP，那么这里就是1。

（2）关于ESP包的出向处理。

① 传送模式：ESP头紧跟在IP头（包括IP头可能有的任何选项）之后，插入一个出向的IP包中。IP头的协议字段被复制到ESP头的“下一个头”字段中，ESP头的其余字段则被填满——SPI字段分配到的是来自SADB的用来对这个包进行出向处理的特定SA的SPI；填充序列号字段的是序列中的下一个值；填充数据会被插入，其值被分配；同时分配的还有填充长度值。随后，IP头的协议字段得到的是ESP的值或51。

② 通道模式：ESP头是加在IP包前面的。一个IPv4包，ESP头的“下一个头”字段分配到值4；其他字段的填充方式和在传送模式中一样。随后，在ESP头的前面新增了一个IP头，并对相应的字段进行填充（赋值）——源地址对应于应用ESP的设备本身；目标地址来自应用ESP的SA；协议设为51；其他字段的值则参照本地的IP处理加以填充。

③ 从恰当的SA中选择加密器（加密算法），对包进行加密（从载荷数据的开头，一直到“下一个头”字段）。

④ 使用恰当的SA中的验证器（Hash算法），对包进行验证（自ESP头开始，中间经过加密的密文，一直到ESP尾）。随后，将验证器的结果插入ESP尾的“验证数据”字段中。

⑤ 重新计算位于ESP前面的IP头的校验和。

（3）关于ESP包的入向处理。

① 检查收到包的SPID在本地入向SPI中是否存在。如果有就继续处理；如果没有就丢弃。

② 检查序列号是否有效，并且检查包大小是否小于我的Window Size。

③ 对数据包完整性和来源进行验证，也就是对数据包进行Hash运算，并与Authentication Data部分抽出的Hash进行比对。如果比对成功就继续处理；如果比对失败就丢弃。

④ 对数据包解密（根据相关SA的策略选择相应的密钥和算法对包进行解密）。

⑤ 对数据包进行初步的有效性检验（如在L2L VPN中解密后流量需要再使用本地的感兴趣流量列表反向检查一遍）。

⑥ 验证模式是否匹配。

⑦ 传送模式：上层协议头与IP头是同步的，ESP头的“下一个头”字段被复制到IP头的协议字段中，并计算出一个新的IP校验和。

⑧ 通道模式：抛开外部IP头和ESP头，这里需要的是这个解开封装的包。这时，必须进行另一个有效性检验。如果这个包和所要求的协议（SA）不相符，就必须将它丢弃。

⑨ 传送模式：转送到一个高一级的协议层，如TCP或UDP，由它们对这个包进行处理。

⑩ 通道模式包：重新插入IP处理流中，继续转发到它的最终目的地（也许在同一个主机上）。

2. PPTP

点对点隧道协议PPTP（Point to Point Tunneling Protocol）是实现VPN的方式之一，PPTP使用TCP创建控制通道来发送控制命令，并利用通用路由封装GRE通道来封装点对点协议PPP数据包以发送数据。

PPTP的协议规范本身并未描述加密或身份验证的部分，它依靠PPP来实现这些安全性功能。因为PPTP协议内置在微软视窗系统家族的各个产品中，在微软点对点协议PPP协议堆栈中，提供了各种标准的身份验证与加密机制来支持PPTP。在微软视窗系统中，它可以搭配PAP、CHAP、MS-CHAPv1/v2或EAP-TLS来进行身份验证。通常也可以搭配微软点对点加密MPPE或IPSec的加密机制来提高安全性。

3. L2TP

L2TP（Layer Two Tunneling Protocol）是一种工业标准的互联网隧道协议，功能大致与PPTP协议类似，如同样可以对网络数据流进行加密。不过也有不同之处，如PPTP要求网络为IP网络，L2TP要求面向数据包的点对点连接；PPTP使用单一隧道，L2TP使用多隧道；L2TP提供包头压缩、隧道验证，而PPTP不支持这些功能。

L2TP通常用于VPN，L2TP协议自身不提供加密与可靠性验证的功能，可以与加密协议搭配使用，从而实现数据的加密传输。经常与L2TP协议搭配的加密协议是IPSec，当这两个协议搭配使用时，通常合称L2TP/IPSec。

5.2.2　SSL

SSL（Secure Socket Layer）最早由Netscape发明，用以保障互联网上数据传输的安全，利用数据加密技术，可确保数据在网络上的传输过程中不会被截取及窃听。SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通信提供安全支持。SSL协议可分为两层：SSL记录协议（SSL Record Protocol）和SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）。SSL记录协议建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。SSL握手协议建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通信双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

SSL的应用包括HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）安全超文本传输协议（可以说是HTTP的安全版），Extended Validation SSL Certificates扩展验证EV SSL证书，以及各种网络应用之间的数据传输。