IP Security 簡介
IP Security简称IPsec，主要提供两种功能：
u Authentication（认证功能） 是指封包接收端确认发送端的身份，以确保双方传送的数据未受他人破坏或窜改。
u Confidentiality（保密功能） 将通讯内容予以加密，防止网络上的第三者读取通讯内容。
IPsec的运作必须经过以下步骤：
（1） 双方建立Security
Association（安全连结，简称SA） 透过协商机制来决定IPsec的使用方式。例如：选择何种安全功能（AH
or ESP），加密的算法，使用密钥的原则等。
（2） 密钥交换 利用非对称性加密法，让双方拥有共同的秘钥。
（3） 以安全的管道传送讯息 透过建立好的SA以及共有的秘钥，双方以安全的管道传送数据。
IPsec提供以下2种安全传送模式：
- Transport
mode （传输模式） 建立联机的Host-A与Host-B皆具有IPsec能力时，可使用Transport
mode来建立联机。
- Tunnel mode
（隧道模式） 建立联机的Host-A以及Host-B不需要具有IPsec能力，透过两端的routers来建立IPsec安全联机。
IPsec使用的安全功能有2种如下：
u Authentication
Header（简称AH） AH除了提供IP承载的数据数据的认证以外，也尽可能保护IP表头内容。然而，有些IP表头的域值在经过router转送封包时会被改变（例如
Hop Limit字段），这些会改变的字段是不可保护的。因此，AH对IP表头的保护是零碎非完整的。
u Encapsulating
Security Payload（简称ESP） ESP除了提供与AH类似的功能以外，还提供加密的服务。
AH可单独使用，或者同时与ESP一起保护IP封包。
ESP和AH提供完整性保护的主要区别在于覆盖的程度： 具体的差异是ESP不保护IP表头内容。
如何防止重送攻击
所谓重送攻击是指第三者在网络上截取到封包，并原封不动地将封包重复送出。AH和ESP皆提供防止重送攻击的功能，其运作的方式与原理完全相同：
封包发送端利用Sequence Number字段，将每个封包依序编号。封包接收端则检查Sequence
number域值，可防止重送攻击。
接收端必须设置可接收范围窗口，利用滑动窗口（sliding window）机制，可防止重送攻击。封包接收范围是一个常数，默认值为64。变量N代表目前所接收到封包的最大编号，
滑动窗口可表示成 （N-63，N），且记录接收范围内的所有封包编号的接收状态：“已接收”或者“未接收”。
当收到的封包通过认证无误之后，会经过抗重复攻击的检测如下：
² 如果封包编号小于
N-63，则丢弃封包。
² 如果封包编号在接收范围内而且该编号标记为“已接收”，则丢弃封包。
² 如果封包编号在接收范围内而且该编号标记为“未接收”，则将其标记为“已接收”且对封包做进一步处理。
² 如果封包编号大于N，则将N设定为接收到封包的编号值，并将其标记为“已接收”且对封包做进一步处理。
Authentication Header（AH）
IP Authentication Header (认证表头)，简称AH，用来提供IP数据封包的保护如下：
n 完整性（integrity） 防止IP封包内容被篡改。
n 数据来源的认证（data origin
authentication） 用来确认对方的身份。
n 防止重送攻击 利用发送端递增封包的序列号，接收端可检查序列号值来防止重送攻击。在SA的建立过程中，可由封包接收端协商决定是否开启此功能。
IP
Authentication Header（简称AH）用于提供IP封包的完整性及数据源的认证，并保护封包重送攻击。由于一些IP表头字段在封包送达目的地前，可能已经被router改变（例如
Hop Limit），这些会改变的字段不在AH的保护范围。
Next
Header 用来识别下一个表头的类型。此域值取自于internet编号分配机构（IANA）定义的IP协议编号。例如：
Decimal
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Protocol
|
References
|
4
|
IPv4
|
RFC 2003
|
6
|
TCP
|
RFC 793
|
17
|
UDP
|
RFC 768
|
41
|
IPv6
|
RFC 2473
|
Payload Length
用来记载Integrity Check Value字段的长度，
单位为4 bytes，再减2。例如：如果ICV字段长度为96
bits（3 32-bits word），则Payload
Length值将等于4 （3 32-bits word固定长度加上
3 32-bits word ICV长度，再减2）。
Reserved 设为0。
Security
Parameter Index 简称SPI。封包接收端用来识别SA。
Sequence
Number IP封包序号，目的是用来防止重送攻击。封包发送端的第一个封包的Sequence
Number域值设为1，紧接着每发送一个封包就会对这个域值加1，封包接收端可利用它来防止重送攻击。Sequence
Number域值不可循环使用，在发送第232封包前，必须重新建立SA。
此外，IPsec为了支持64-bits的sequence
number字段长度，有个选项字段称为Extended Sequence Number (简称ESN)可作为sequence
number的高序32 bits。在建立SA时可协商是否使用ESN。ESN字段并不在封包里传送，而是由发送端以及接受端自行计数，且包含在ICV值的计算。
Authentication
Data 此变动长度字段包含Integrity
Check Value（完整性校验值），简称ICV，长度必须是32-bit的整倍数。发送端计算封包数据的ICV值，然后填入此字段。接收端计算封包数据的ICV值，再与此字段做比对。如果不符，则代表封包有问题。
此外，如果需要确保AH表头为32 bits（IPv4）或者64
bits（IPV6）的整倍数，ICV字段可以包括padding。所有AH的实现必须支持padding，填补足够的padding来满足IPv4/IPv6的对齐要求。
下表列出AH计算IP封包的ICV值的覆盖面：包括AH本身。
字段项目
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长度(bytes)
|
需求
|
计算的覆盖面
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传送内容？
|
IP header
|
变动长度
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必要
|
【1】
|
传送
|
Next Header字段
|
1
|
必要
|
整个字段
|
传送
|
Payload Len字段
|
1
|
必要
|
整个字段
|
传送
|
Reserved字段
|
2
|
必要
|
整个字段
|
传送
|
SPI字段
|
4
|
必要
|
整个字段
|
传送
|
Seq#（低序32 bits）
|
4
|
必要
|
整个字段
|
传送
|
ICV
|
变动长度
|
必要
|
【2】
|
传送
|
IP datagram【3】
|
变动长度
|
必要
|
整个部分
|
传送
|
Seq#（高序32 bits）
|
4
|
如果存在
|
整个字段
|
不传送
|
ICV Padding
|
变动长度
|
如果需要
|
整个部分
|
不传送
|
【1】
请参考RFC 4302 Section 3.3.3“Integrity Check Value Calculation”。
【2】 计算ICV值前先设为零，计算完后再填入此字段。
【3】 如果是tunnel mode -> IP Datagram
如果是transport mode -> next header and data
如果是transport mode -> next header and data
AH封包的处理
AH表头的位置
Transport
mode下的AH表头位置
在Transport mode下，
AH表头插入IP表头之后和下一层协议之前 （例如：
TCP，UDP，ICMP等），或已插入的任何其它的IPsec表头之前（AH与ESP可以以各种方式组合在一起）。
在IPv4的情况下，AH插入IP表头（包含所有选项）之后，下一层协议之前。
在IPv6的情况下，AH插入IP表头、
hop-by-hop扩充表头、 routing扩充表头、fragmentation扩充表头之后。
Tunnel mode下的AH表头位置
在Tunnel mode下，内部的IP表头携带的时原始IP封包，而外部的IP表头包含AH。内部以及外部的IP版本可混合使用，即IPv6
over IPv4以及IPv4 over IPv6皆是允许的。在Tunnel
mode下，AH保护整个内部的IP封包，其中包括整个内部的IP表头。
AH对外部IP表头的保护方式跟Transport
mode是相同的。
Sequence
Number相关的应用
u 发送端在SA建立之后即设置内部的sequence
number计数器初始值为0 （长度可为32 bits或64
bits，取决于建立SA时是否决定使用选项Extended
Sequence Number）。发送封包前先将sequence number计数器加1并将低序32
bits值填入AH的Sequence Number字段。所以，第一个发送出去的封包的AH
Sequence Number域值固定为1。
u 如果防止重送攻击功能被开启，封包发送端必须确保Sequence
Number域值不被循环使用。 当Sequence Number达到最高值之前，
必须重新建立SA，才可继续发送封包。 如果防止重送攻击功能被关闭，封包发送端除了将Sequence
Number域值递增以外，不需要做任何检查和重新建立SA的动作。
u 当SA建立完成且开启防止重送攻击功能，
接收端必须设置sequence number计数器初始值为0。接收端必须检查接收到的封包的Sequence
Number域值跟其它已经接收到的封包的Sequence Number域值是否重复。
Encapsulating Security Payload（ESP）
ESP除了提供加密功能以外，可选择性地加上认证功能。发送端会先加密封包，如果启动认证功能会再计算封包的ICV，然后在封包最后面加上认证字段，用来存放ICV值。接收端收到封包后，会先检查ICV值，确认无误后再将封包解密。
ESP表头格式
Encapsulation Security Payload
Header（ESP）用于提供IP封包的机密性、完整性及数据源认证，并保护封包重送攻击，和流量的机密性。
Security
Parameter Index 简称SPI。封包接收端用来识别安全连结。
Sequence Number
IP封包序号，此字段的应用与AH相同。
Payload Data 变动长度字段。指封包所承载的资料。
Padding 目的是为了将Payload
Data补足一定的长度，以符合加密法对区块的要求。
Padding Length
用来记载Padding字段的长度。
Next Header 用来识别下一个表头的类型。
Integrity Check Value 完整性校验值，简称ICV，长度是变动的。发送端计算封包数据的ICV值，然后填入此字段。接收端计算封包数据的ICV值，再与此字段做比对。如果不符，则代表封包有问题。
ESP封包的处理
ESP表头的位置
Transport mode下的ESP表头位置
在Transport mode下，
ESP表头插入IP表头之后和下一层协议之前（例如：TCP，UDP，ICMP等）。请注意，ESP不涵盖IP表头的加密以及认证保护。
在IPv4的情况下，ESP插入IP表头（包含所有选项）之后，下一层协议之前。
在IPv6的情况下， ESP插入IP表头、hop-by-hop扩充表头、routing扩充表头、fragmentation扩充表头之后。
Tunnel mode下的ESP表头位置
在Tunnel mode下，内部的IP表头携带的时原始IP封包，而外部的IP表头包含ESP。内部以及外部的IP版本可混合使用，即IPv6
over IPv4以及IPv4 over IPv6皆是允许的。在Tunnel
mode下，ESP加密整个内部的IP封包，包括整个内部的IP表头。
AH与ESP混合使用
AH与ESP可以混合使用，通常是先加密再做认证保护。
參考文獻
RFC 4302 IP Authentication Header
RFC 4303 IP Encapsulating Security Payload (ESP)
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