IPSec VPN 报文介绍以及协商建立过程
IPSec VPN 报文介绍以及协商建立过程
介绍
ISAKMP报文介绍
IPSec VPN协商建立过程
主模式（Main mode）
主模式第1个和第2个数据包
主模式第3个和第4个数据包
主模式第5个和第6个数据包
快速模式（Quick mode）
参考文献
介绍
ISAKMP报文介绍
IPSec VPN协商建立过程（IKEv1）
ISAKMP报文介绍
ISAKMP头部信息如下。
Nitiator Cookie（Initiator SPI）(8 octets)：发起SA建立实体Cookie，SA通知或SA删除
Responder Cookie（Responder SPI）(8 octets)：响应SA建立请求的实体的Cookie，SA通知或SA删除
Next Payload (1 octet)：表示第一有效负荷的消息中的类型
Next Payload Type Value
NONE 0
Security Association (SA) 1
Proposal (P) 2
Transform (T) 3
Key Exchange (KE) 4
Identification (ID) 5
Certificate (CERT) 6
Certificate Request (CR) 7
Hash (HASH) 8
Signature (SIG) 9
Nonce (NONCE) 10
Notification (N) 11
Delete (D) 12
Vendor ID (VID) 13
RESERVED 14 - 127
Private USE 128 - 255
Major Version (4 bits)：标识正在使用的ISAKMP协议的主要版本。
Minor Version (4 bits)：标识正在使用的ISAKMP协议的次要版本
Exchange Type(1 octet)：标识使用的交换（exchange） 的类型
Exchange Type Value
NONE 0
Base 1
Identity Protection 2
Authentication Only 3
Aggressive 4
Informational 5
ISAKMP Future Use 6 - 31
DOI Specific Use 32 - 239
Private Use 240 - 255
Flags (1 octet)：标识为ISAKMP交换设置的特定选项
··· E(ncryption Bit) (1 bit)：如果设置（1），则使用在ISAKMP SA中标识的加密算法对报头之后的所有有效载荷进行加密。对于第4.1节中描述的所有ISAKMP交换，加密应该在双方交换密钥交换有效载荷之后开始。 如果E（ncryption Bit）未设置（0），则有效载荷不加密。
···C(ommit Bit) (1 bit) ：该位用于通知密钥交换同步。它用于确保在完成SA建立之前没有接收到加密材料。这个bit可以在双方任意一端设置，并且在isakmp建立的两个阶段上均可以使用。这个值必须在第一阶段协商完成之后复位。
···A(uthentication Only Bit) (1 bit) ：需要和Notify Payload一起使用，具有完整性检查，但是没有加密的信息传输。第4.8节规定，第二阶段信息交换必须在ISAKMP SA的保护下发送。 这是该策略的唯一例外。如果设置了Authentication Only位（1），那么只有认证安全服务将应用于信息交换的整个Notify有效负载，并且有效负载不会被加密。
Length (4 octets)：以八位字节为单位的消息总长（报头+有效载荷）。 加密可以扩展ISAKMP消息的大小。
在ISAKM中可以添加一个或多个有效负载（Payloads），由于负载较多就不一一列举了，具体详见RFC2408。
IPSec VPN协商建立过程
建立过程主要分为两步，首先是主模式（Main mode）的建立，然后是快速模式（Quick mode）的建立。
数据包在此下载。
之前IPSec vpn谈到过，VPN的目的就是为了保证私密性、完整性、源认证。然而在公网上显然不能将加密信息明目张胆的发送出去，所以在传递这些业务信息之前，需要预先建立起一个安全可靠的连接来传递这些加解密的信息。而主模式就是预先建立的这个连接。
主模式（Main mode）
主模式主要的目的是建立ISAKMP SA（Internet Security Association and Key Management Protocol Security association）。为了建立起ISAKMP SA，在IKEv1 Main mode 中需要交互6个报文。这6个报文会在下面有所介绍。由于ISAKMP的建立并不像OSPF邻居认证一样，只需要password正确就能建立，而是有一整套协商的条件。所以单一的预共享密钥相同也不一定就能保证ISAKMP的建立。
主模式第1个和第2个数据包
主模式的第一个和第二个数据包主要用来协商ISAKMP策略信息，这些策略信息包括。
· 加密类型（Encryption-Algorithm）
· 密钥长度（Key-Length）
· 散列算法（Hash-Algorithm）
· DH强度（Group-Description）
· 认证模式（Authentication-Method）
· 密钥更新时间单位（Life-Type）
· 密钥时间（Life-Time）
如上部分在报文中体现如下，如果对端发送过来的ISAKMP协商信息与本地信息不符，那么将协商失败，且不会反馈本端ISAKMP配置信息。
主模式第3个和第4个数据包
第1和第2个数据包确认了策略之后和散列函数之后，要想加密数据还需要一个关键的参数（密钥），这个密钥正是通过DH交换而得来的。有关DH算法工作原理已超出笔者能力，有兴趣的可以参见。Diffie–Hellman key exchange，Diffie-Hellman Key Agreement Method。
在报文中体现如下。
主模式第5个和第6个数据包
获取到彼此的密钥信息之后，就可以开始进行认证了，这部分就是加密的报文。
总的来说，主模式首先协商ISAKMP策略，确定双方策略一致的时候，开始使用非对称密钥算法来交换彼此的预共享密钥，当预共享密钥匹配的时候来交换彼此的加密密钥，使用这个加密的密钥来完成第5和第6的数据包的认证功能。这样就保证了私密性（数据加密），源认证（加密认证来实现），完整性（如果报文有修改ISAKMP SA无法建立）
快速模式（Quick mode）
在快速模式下主要用来建立IPSec SA，协商以下参数
· 封装方式（ESP或AH）
· 认证算法
· 传输模式（隧道模式或传输模式）
· 加密算法（业务报文的加密算法）
· DH信息
· IPSec生命周期信息
另外需要注意的就是密钥更新，密钥更新主要使用的是PSF，虽然 有周期性更新密钥的这个功能，但是如果没有启用PSF那么新生成的密钥与之前的密钥存在衍生关系，思科默认没有启用PSF功能，如果启用了PSF那么新生成的密钥与之前的密钥就不存在衍生关系，可以提供更安全的服务。
这一部分在报文中均以加密方式进行显示。
快速模式协商完成之后，建立起IPSec SA，开始传输加密数据。
参考文献
Diffie–Hellman key exchange
Diffie-Hellman Key Agreement Method
Phase 1、Phase 2
IPSec Virtual Private Network Fundamentals–IKE and ISAKMP
RFC2408
RFC2409
RFC4306
2017年10月13日更新