IPSEC ×××连接建立(IKE)详解-白红宇

IPSEC ×××连接建立(IKE)详解

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发布时间：2019-06-18

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IPSEC构建站点到站点连接的基本过程

对于站点到站点的会话，构建连接的基本过程如下：

一个×××网关对等体发起了到另外一个远程的×××网关对等体的会话（触发流量）

如果没有存在×××的连接，那么ISAKMP/IKE阶段1开始，两个对等体协商如何保护管理连接。

Diffie-hellman用于为管理连接中的加密算法和HMAC功能来安全的共享密钥。

在安全管理连接中来执行设备验证。

ISAKMP/IKE阶段1结束，阶段2开始；对等体协商参数和密钥信息用来保护数据连接（这是在安全管理连接下实现的，或者你也可以选择性的再次使用Diffie hellman)

数据连接被建立，阶段2结束，×××网关现在可以通过数据连接来保护用户流量。

最终，管理连接和数据连接将会超时，并重新构建连接

ISAKMP/IKE阶段1中的工作模式分为主模式和积极模式（或野蛮模式）

ISAKMP/IKE阶段1：

一.管理连接在阶段1建立，它是一个双向的过程。源和目标都是使用的UDP 500

二.在ISAKMP/IKE阶段1将会发生三件事情：建立双向的ISAKMP SA

　1.安全关联建立和安全参数协商（加密算法，HASH算法，DH组，身份认证）。

2.DH算法（密钥交换）

3.对等体认证（pre-shared,rsa-sig,加密随即数）

三.ISAKMP/IKE阶段1基本上负责建立一个安全的管理连接，然后，执行这

3个步骤有两种模式：

1.主模式；（Main mode)

2.积极模式,或者被称为侵略模式(Aggressive mode)

主模式

执行3步双向交换过程，总共6 个数据包

主模式的好处：设备验证的步骤发生在安全的管理连接中，因为这个连接是在前两个步骤中构建的，因此，两个对等体需要发送给对方的任何实体信息都可以免受***。

站点到站点和使用证书做设备验证的远程访问使用的默认模式

主模式管理连接的状态：

状态解释

MM_NO-STATE 处于阶段1的主模式过程中，SP未协商好，SA未建立好

MM_SA_SETUP 处于主模式中，SP协商好，初始化SA建立好

MM_KEY-EXCH 处于主模式中，发生了DH交换，计算密钥KDH，并生成许多密钥

MM_KEY_AUTH 处于主模式中，成功完成对等体的身份认证，阶段1完成，阶段二开始了；

注意：这里的第5个包应该是IDi不是IDr。X、Y就是交互的公钥N是随机数　

1：发起者send一个cookie Ci 和SA负载（SAI:encryption algorithm,hash algorithm,authentication method,lifetime ,and so on)用来协商参数

2：响应者发送一个SAr（已经挑选的安全参数）和cookie Cr: 如果没有可以挑选的参数，响应者会返回一个负载拒绝；（return a notify payload rejecting proposals)

3和4：互相交换生成KEY的材料（公钥和一些随机数据），一旦KEY材料被交换，将会产生四个不同的KEY;

1: KDH＝DH算法（用自己的私钥+对方公钥）

2: SKEYID=hash (pre-shared key ,Ni | Nr)

3: SKEYIDd=hash(SKEYID, KDH| Ci | Cr | 0 ) 作为阶段2生成KEY的材料

4: SKEYIDa = hash(SKEYID, SKEYIDd | KDH| Ci | Cr | 1) 用来ISAKMP包完整性用的key

5: SKEYIDe=hash(SKEYID,SKEYIDa | KDH| Ci | Cr | 2 ) 用来加密ISAKMP包的key

5和6：完成设备认证，使用SKEYIDe进行加密，SKEYIDa 进行HASH认证（HASH_i,HASH_r)所涉及的算法都是最前面两个包协商出来的；最重要的是在这次交换中还有个ID交换（IDi,IDr);

6.HASHi = hash(SKEYID, X|Y|Ci|Cr|SAr|IDi)

7.HASHr = hash(SKEYID, X|Y|Cr|Ci|SAi|IDr)

总结：主模式=1个双向ISAKMP SA+2次加密+3次交换+4个状态+5个KEY+6个包+7步运算

IKE积极模式

只进行3次交换以便协商密钥和进行验证.

优点：建立管理连接的时候速度快；

缺点；发送的实体信息都是明文的，牺牲了安全性；

Cisco远程访问×××中设备验证用的是组预共享密钥的话，那么默认模式就是积极模式.

状态解释

AG_NO_STATE 处于阶段1的积极模式中,没有建立管理SA，没有协商参数AG_INIT_EXCH 对等体之间已经成功协商了IKE策略参数，发生了DH交换，并生成了共享密钥KDH

AG_AUTH 处于积极模式中，成功完成对等体的身份认证，阶段1完成

第三个包是加密的

1.在第一条消息中，发起放发送ISAKMP报头,安全关联,DH公开值，临时值和身份ID

2.在第二条消息中，应答方用选定提议的所有参数和DH公开值进行应答，该消息被验证，但没有加密.

3第三条消息由发起方发回给应答方，该消息被验证，让应答方能够确定其中的散列值是否与计算得到的散列值相同，进而确定消息是否有问题.积极模式没有主模式安全，因为身份是以明文方式传输的且不能协商DH参数

总结：积极模式＝1个双向ISAKMP　SA+1次加密+3个步骤+3个包+3个状态+5个KEY+7步运算

ISAKMP/IKE阶段2

ISAKMP/IKE阶段2只有一个模式：快速模式.它定义了受保护数据连接是如何在两个IPSEC对等体之间构成的.快速模式有两个主要的功能：

1.协商安全参数来保护数据连接。

2.周期性的对数据连接更新密钥信息.

阶段2所关心的事：

1.什么流量需要被保护？（感兴趣流量）

2.应当使用什么样的安全协议来保护流量（AH,ESP)

3.基于选择的安全协议，数据流量是如何被保护的？（例如使用什么样的HMAC功能）

4.使用什么样的操作模式？（传输模式，隧道模式）

5.当刷新密钥信息的时候，是ISAKMP/IKE阶段1的管理用来共享心的密钥还是完美转发密钥用于刷新密钥？

6.数据连接的生存周期是多少？

状态：QM-IDLE　表示阶段一已成功完成，阶段2开始或结束

快速模式交换3条消息。这些消息都是使用IKE进行保护，这意味着将使用IKE phase1中导出来的SKEYIDe和SKEYIDa对所有分组进行加密和验证。

1.第1条消息来自发起方，包括ISAKMP报头和IPSec SA 有效负载，后者包含用于大量传输数据的所有提议和变换。在发起方和应答方之间将交换一个新的临时值（Ni2),它用于生成新的密钥信息，还可能用于防范重放***。所有的IPSec密钥都是从SKEYIDd推导出来的，因此如果知道这个SKEYIDd的***者将能够推导出所有用于IPSec的当前和未来的密钥。直到重新协商IKE为止，为加强对IPSec密钥的保护，使用完善转发安全性（PFS)来解除未来密钥和当前密钥的关系。启用PFS后，将交换新的DH公开值(X和Y）并使用计算得到的共享密钥K

来生成密钥信息

2.第2条消息由应答方发送给发起方，其中包含选定的提议以及ISAKMP报头，临时值（Nr2)和HASH(2)

3.第3条也是最后一条消息中，发起方使用HASH(3)进行验证。这是在传输IPSec数据流前验证通信信道的有效性

双方进行以下计算，生成密钥4个（横向相同，纵向不同）

第一种情况

1.KEYMAT＝HASH（SKEYIDd，安全协议/Ni2/Nr2/SPI）

按同样的方法推导出2、3、4

第二种情况（需重新发生公钥交换，用DH生成KDH2）

KEYMAT=HASH（DKEYIDd、安全协议/Ni2/Nr2/SPI/KDH2）

按同样的方法推导出2、3、4

两个密钥为inbound另两个为outbound

默认是使用第一种方法，要用第二种方法需启用PFS功能。